Tài liệu điều khiển thích nghi robot di động dạng xe bám quỹ đạo

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------- LÊ ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ROBOT DI ĐỘNG DẠNG XE BÁM QUỸ ĐẠO Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số ngành: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------- LÊ ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ROBOT DI ĐỘNG DẠNG XE BÁM QUỸ ĐẠO Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số ngành: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Thái Hoàng Cán bộ chấm nhận xét 1: ............................................................................................................. Cán bộ chấm nhận xét 2: ............................................................................................................. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ....tháng.... năm 2009. ii  TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2009 . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Anh Tuấn ...................................................... Phái: Nam .......................... Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1983 .............................................. Nơi sinh: Quảng Nam ....... Chuyên ngành: Tự động hóa ......................................................... MSHV: 01507324 ............. I- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển thích nghi robot di động dạng xe bám quĩ đạo. II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: II.1. Tìm hiểu các lý thuyết cơ sở để thực hiện luận văn. II.2. Xây dựng mô hình toán và thuật toán điều khiển thích nghi áp dụng điều khiển robot di động dạng xe bám theo quỹ đạo cho trước dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố bất định. II.3. Viết chương trình mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng lý thuyết. II.4. Thực nghiệm trên Soccer robot. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/02/2009 ................................................................................. IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2009 ................................................................ V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Huỳnh Thái Hoàng ................................................................... CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày….tháng….năm…. TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH iii LỜI CẢM ƠN Qua thời gian thực hiện luận văn, học viên đã học hỏi được nhiều kiến thức bổ ích. Đạt được điều này là nhờ vào sự giảng dạy và truyền đạt kiến thức của quý thầy cô trong trường Đại học Bách khoa, tạo nền tảng cho cho học viên tiếp thu và giải quyết được những khó khăn trong quá trình làm luận văn. Đầu tiên học viên thực hiện luận văn xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, quý thầy cô trong trường, đặc biệt là quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điều khiển Tự động, đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành luận văn này. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Thái Hoàng. Với sự giúp đỡ tận tình, luôn quan tâm, động viên và theo sát quá trình thực hiện luận văn, thầy đã gợi ý cho học viên thực hiện luận văn có ý tưởng để giải quyết được các vấn đề khó khăn gặp phải khi thực hiện luận văn, hoàn thành tốt nhiệm vụ đề ra. Học viên cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến ban quản lý phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã tạo điều kiện cho học viên tiếp xúc và nghiên cứu hệ thống Soccer robot để tiến hành phần thực nghiệm của luận văn. Bên cạnh sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn, còn có sự giúp đỡ của người thân, các bạn học và mọi người xung quanh, học viên thực hiện luận văn xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi người đã quan tâm, giúp đỡ để học viên đạt được kết quả hôm nay. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009. Lê Anh Tuấn iv TÓM TẮT Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật, robot luôn là đề tài mới mẻ và hấp dẫn để nghiên cứu và phát triển mà cụ thể là những robot di động dạng xe. Nghiên cứu về robot loại này đã gia tăng và thu hút nhiều chú ý trong những năm gần đây vì chúng được sử dụng ngày càng tăng trong phạm vi ứng dụng rộng. Các robot di động dạng xe được áp dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực khác nhau từ không gian, đại dương, thăm dò núi lửa, di chuyển vật liệu trong nhà máy, cho đến các ứng dụng để phục vụ cho những nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống. Cũng chính vì đề tài gần gũi với thực tiễn mà nảy sinh ra nhiều vấn đề phức tạp cần giải quyết. Một trong những vấn đề đầy thách thức đó là bài toán điều khiển robot di động dạng xe bám quỹ đạo mong muốn, cũng như việc xem xét cách để điều khiển robot bám quỹ đạo sao cho đạt hiệu quả nhất trong từng ứng dụng cụ thể. Có nhiều phương pháp điều khiển robot khác nhau như điều khiển thích nghi [1], [2], [3], điều khiển trượt [4], điều khiển dùng giải thuật di truyền (GA) hay lập trình Gen _ GP (Genetic Programming) [5], điều khiển mờ hay mạng thần kinh [6], điều khiển dự đoán dựa vào mô hình [7],… Tùy theo từng phương pháp mà cho kết quả điều khiển bám khác nhau. Trong các phương pháp trên, có thể nói điều khiển thích nghi là phương pháp thích hợp để điều khiển robot bám quỹ đạo vì trong quá trình robot di chuyển sẽ có nhiều loại nhiễu tác động vào, phương pháp này thích nghi với mỗi thay đổi của môi trường để cho chất lượng điều khiển vẫn không đổi hay thay đổi trong phạm vi có thể chấp nhận được. Ví dụ như, robot phải di chuyển theo một quỹ đạo cho trước, thậm chí có ma sát lớn với mặt sàn hay chịu một tải trọng trong quá trình di chuyển. Khi có tác động từ bên ngoài lên robot, các thông số của bộ điều khiển luôn thay đổi để đảm bảo chất lượng điều khiển được tốt. Trong luận văn này, phương pháp điều khiển thích nghi được sử dụng để điều khiển các loại robot di động dạng xe bám quỹ đạo dưới ảnh hưởng của các yếu tố bất định như tải trọng thay đổi, ma sát bề mặt hay nhiễu ngoài. Bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov. Sau khi hoàn thành các mô phỏng bằng phần mềm Matlab, phương pháp này sẽ được xem xét liệu có thể kiểm chứng trên Soccer robot thực trong phòng thí nghiệm. v ABSTRACT At present, together with the development of science and technology, robot is always a novel and attractive topic to study and develop. Particularly, researchers have been increasing their attention to wheeled mobile robots (WMRs) for some recent years because of their usefulness in a large range of applications in different fields such as discovering space, researching on ocean, exploring volcanoes, transferring materials in factories, or serving disabled people, etc. One of the challenging problems is trajectory tracking control of wheeled mobile robots. Many methods have been proposed to solve this problem, namely adaptive control [1], [2], [3], sliding mode control [4], control based on genetic algorithm or genetic programming [5], fuzzy control or neural network [6], model-based predictive control [7], and so on. The performance of trajectory tracking control for wheeled mobile robots is different depended on every special method of control. Many researches showed that adaptive control is so potential a method to drive WMRs following the desired trajectory. There will have uncertainties affecting the robot while it is moving in environment and this method has the ability to adapt to every change of noises to give the good control performance. For example, robot can track the trajectory well under factors of uncertainties such as unexpected changed load, surface friction or unknown external disturbances. When robot is affected by noises, the parameters of the adaptive controller can be changed arbitrarily to compensate the control errors appearing due to these uncertainties. In this thesis, method of adaptive control is used to control the wheeled mobile robot tracking trajectory and the proposed controller is designed thanks to Lyapunov stability theory. After finishing the simulation with Matlab, a Soccer robot in the laboratory will be considered whether it can be used to verify the adaptive control algorithm. Keywords: Wheeled mobile robot; Adaptive control; Lyapunov stability; Trajectory tracking. vi MỤC LỤC Đề mục Trang Trang tựa ...................................................................................................................... i Trang kế....................................................................................................................... ii Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ .......................................................................................... iii Lời cảm ơn ................................................................................................................. iv Tóm tắt .........................................................................................................................v Abstract ...................................................................................................................... vi Mục lục ...................................................................................................................... vii Liệt kê bảng ................................................................................................................ ix Liệt kê hình...................................................................................................................x Chương I I.1. I.2. I.3. I.4. I.5. Lịch sử phát triển robot và giới thiệu về robot di động dạng xe (WMRs) ...................1 Tổng quan về bài toán điều khiển robot di động dạng xe bám quỹ đạo.......................7 Mục tiêu của luận văn ................................................................................................10 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................11 Sơ lược nội dung luận văn..........................................................................................11 Chương II II.1. II.2. II.3. II.4. II.5. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi robot di động dạng xe Cơ sở lý thuyết ..........................................................................................................33 Hệ thống lái của WMRs............................................................................................53 Robot tham chiếu ......................................................................................................53 Điều khiển động học .................................................................................................54 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi động lực học .......................................................59 Điều khiển bám quỹ đạo tham chiếu ........................................................................66 Hệ thống điều khiển động cơ DC của các bánh lái ...................................................67 Chương IV IV.1. IV.2. IV.3. IV.4. Xây dựng mô hình toán cho robot di động dạng xe Cơ sở lý thuyết ..........................................................................................................13 Phương trình động học..............................................................................................22 Phương trình động lực học........................................................................................26 Mô hình biến trạng thái.............................................................................................30 Cấu trúc và tính chất của phương trình robot ...........................................................30 Chương III III.1. III.2. III.3. III.4. III.5. III.6. III.7. Tổng quan Mô phỏng với Matlab Mô phỏng phương trình động lực học của WMRs ...................................................73 Mô phỏng quĩ đạo robot tham chiếu .........................................................................79 Mô phỏng thuật toán điều khiển thích nghi ..............................................................81 Mô phỏng thuật toán điều khiển thích nghi sau khi thêm khâu PID ........................87 vii Chương V V.1. V.2. V.3. V.4. V.5. V.6. Thực nghiệm trên Soccer robot Đặt vấn đề .................................................................................................................89 Hệ thống Soccer robot ..............................................................................................90 Các tham số của hệ thống Soccer robot ....................................................................91 Giải thuật lập trình ....................................................................................................91 Tìm vị trí của một đối tượng màu trong ảnh hai chiều .............................................93 Giao diện điều khiển .................................................................................................94 Chương VI Kết luận VI.1. Đánh giá kết quả luận văn.........................................................................................97 VI.2. Hướng phát triển .......................................................................................................97 Tài liệu tham khảo ................................................................................................................ A Phụ lục A: Chương trình Matlab .......................................................................................... E Phụ lục B: Chương trình C++ .............................................................................................. K Lý lịch trích ngang viii LIỆT KÊ BẢNG Bảng IV.1 IV.2 IV.3 IV.4 Trang Khai báo giá trị thông số của WMRs ....................................................................... 73 Kết quả mô phỏng ứng với các thông số moment khác nhau của hai bánh lái ........ 74 Các thông số của bộ điều khiển ................................................................................ 82 Kết quả điều khiển bám quỹ đạo khi thêm bộ điều khiển PID................................. 88 ix LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Robot được lái theo kiểu vi sai ................................................................................... 5 Cấu hình xe robot ba bánh gồm một bánh lái và hai bánh thụ động .......................... 5 Hệ tọa độ đặt tại giao điểm của tất cả các trục bánh xe ............................................. 5 a- Sơ đồ bánh xe đẳng hướng, b- Hình chiếu bằng của cơ cấu gồm ba bánh xe ........ 6 Cơ cấu xe robot bốn bánh lái theo kiểu đồng bộ ........................................................ 6 Truyền động bằng bánh răng ...................................................................................... 6 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. Tâm quay tức thời (icr) cho WMRs dạng giá chuyển hướng ................................... 13 Tâm quay tức thời (icr) cho WMRs dạng lái vi sai .................................................. 13 WMRs bốn bánh dạng giá chuyển hướng ................................................................ 15 Sơ đồ hình chiếu bằng của đế di động...................................................................... 23 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. Vận tốc góc của robot tham chiếu có dạng sóng sin theo thời gian mô phỏng t ...... 54 Sai số vị trí................................................................................................................ 55 Biểu diễn vectơ vận tốc v0 ........................................................................................ 56 Sơ đồ cấu trúc điều khiển bám quỹ đạo áp dụng cho WMRs .................................. 66 Động cơ DC.............................................................................................................. 67 Sơ đồ của tải quán tính ............................................................................................. 68 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều .................................................................... 70 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ DC ........................................................... 70 Biểu đồ Bode mong muốn của hàm truyền hệ thống kín điều khiển động cơ DC ... 71 Biểu đồ Bode hệ hở điều khiển động cơ DC ............................................................ 72 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. Sơ đồ Simulink mô phỏng phương trình động lực học của robot ............................ 73 Sơ đồ simulink mô tả robot tham chiếu ................................................................... 79 Vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của robot tham chiếu ......................................... 80 Quỹ đạo mong muốn của robot tham chiếu ............................................................. 80 Vị trí của robot tham chiếu ....................................................................................... 80 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển WMRs.............................................................. 81 Tải trọng thay đổi tùy ý theo thời gian ..................................................................... 82 Hệ số ma sát giữa bánh lái với mặt sàn thay đổi tùy ý theo thời gian ...................... 82 Khi không có nhiễu tác động.................................................................................... 83 Khi có nhiễu tác động............................................................................................... 83 x 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15. 4.16. 4.17. Khi Γ bé (k5=10-5) .................................................................................................... 84 Khi Γ lớn (k5=0.016) ................................................................................................ 84 Khi σ lớn (k6=10) ..................................................................................................... 85 Khi σ bé (k6=0.2) ...................................................................................................... 85 Khi k1, k2, k3 và K4 bé (k1=0.01, k2=0.04, k3=0.02, k4=0.01) .................................. 86 Khi k1, k2, k3 và K4 lớn (k1=100, k2=400, k3=200, k4=0.3) ...................................... 86 Sơ đồ hệ thống điều khiển bám quỹ đạo của WMRs khi có thêm khâu PID ........... 87 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển bám áp dụng cho Soccer robot thực .......................... 89 Hệ thống Soccer robot .............................................................................................. 90 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thị giác máy tính ................................................ 90 Sơ đồ mô tả phần cứng của hệ thống Soccer robot .................................................. 91 Tâm của các đối tượng màu khác nhau .................................................................... 93 Giao diện chương trình điều khiển ........................................................................... 94 xi Chương I TỔNG QUAN ZZ--’--YY I.1. Lịch sử phát triển robot và giới thiệu về robot di động dạng xe (WMRs) I.1.1. Lịch sử phát triển robot Có thể nói robot đầu tiên xuất hiện cách đây khoảng 1000 năm trước công nguyên, đó là bàn tính, một trong những máy tính số đầu tiên thành công từ xưa ở Ấn Độ. Cho đến nay, bàn tính vẫn được sử dụng ở Trung Quốc và các quốc gia khác đặc biệt là cộng đồng người Hoa. Không giống như máy tính điện tử, bàn tính không cần pin hay năng lượng mà vẫn có thể thực hiện nhanh chóng các phép tính. Khoảng năm 270 trước công nguyên, kỹ sư hy lạp là Ctesibus đã chế tạo các cơ cấu và đồng hồ nước có hình nhân chuyển động. Cũng trong khoảng thời gian này, Alexandria đã chế tạo một hệ thống truyền động bằng nước có tên gọi là Hercules giết rồng. Người Ai Cập cổ đại đã gắn các cơ cấu như các cánh tay cơ khí vào các bức tượng của các vị thánh, thần. Các cánh tay này được điều khiển bởi người giáo sĩ. Để đưa nước từ những sông sâu lên những cánh đồng cao, Acsimet đã chế tạo ra con “sên Acsimet”. Cách đây vài trăm năm đã xuất hiện các máy tự động cơ khí đầu tiên phục vụ cho việc giải trí, cụ thể là các hộp âm nhạc. Các bản nhạc sẽ được phát ra tự động hoàn toàn và lặp đi lặp lại thông qua việc lên giây cót từ các thiết bị này. Chiến tranh thế giới thứ hai là một chất xúc tác trong sự phát triển của hai yếu tố quan trọng tạo nên robot, điều khiển tự động và ý thức nhân tạo. Radar là cần thiết để bám sát kẻ địch. Quân đội Mỹ cũng tạo ra các hệ thống tự động điều khiển cho các máy dò mìn được đặt trước xe tăng khi nó băng qua phòng tuyến địch. Nếu một quả mìn được phát hiện, hệ thống điều khiển sẽ tự động ngừng xe tăng trước khi nó đụng phải mìn. Người Đức tạo ra những quả bom robot mà có khả năng tự điều chỉnh đúng quĩ đạo. Trong thế chiến thứ hai, vào năm 1738, hai con vịt máy robot được chế tạo bởi Vaucanson. Hai con vịt này được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí. Ngoài ra, với mong muốn chế tạo ra người máy thay thế và phục vụ con người, từ các thế kỷ trước, các nhà chế tạo đã cố gắng thiết kế các máy móc có hình dáng con người và có thể thực hiện các hoạt động của con người. Ở bảo tàng lịch sử nghệ thuật Thụy Sĩ có trưng bày một robot cơ khí được chế tạo từ năm 1774, robot này có thể chấm vết lông ngỗng vào mực và viết theo chương trình lập sẵn bằng các cơ cấu cam, hay lập trình theo yêu cầu bằng cách thay thế các cam. Máy này còn gọi là robot thư ký hay “The young writer”. Trong thế kỷ 19, các robot có hình dạng là búp bê hoạt động tự động được chế tạo ở Châu Âu. Hầu hết các máy này được điều khiển bởi các cơ cấu cam, các khâu, các khớp hay các trống thùng… Các máy này được chế tạo dưới hình dạng người nổi tiếng, các phụ nữ xinh đẹp, các nghệ sĩ như: người đánh trống hay người thổi sáo. Vào thế kỷ này, các robot cơ khí được chế tạo khá nhiều, chúng có thể vẽ, viết. Và lúc này, nghệ thuật và kỹ thuật đã được kết hợp nhuần nhuyễn trong các ứng dụng robot. Jacques de Vaucason cũng chế tạo ra người thổi sáo, robot này có thể đưa môi bằng cao su vào chính xác vị trí để đưa dòng khí và điều khiển dòng khí vào trong sáo để tạo ra những nốt âm nhạc khác nhau như cách người nhạc sĩ làm. Bằng cách làm các ngón tay di chuyển trên các lỗ của sáo, robot này có thể thực hiện được mười hai bài khác nhau. Vào năm 1801, Jacquard phát minh ra máy dệt sử dụng card đục lỗ để xác định hình ảnh cần được dệt. Đây là một trong những máy tự động đầu tiên. Để dệt nên chân dung của chính mình, Jaquard đã sử dụng 10000 bìa đục lỗ trên lụa đen và trắng. Trang 1 Nhà toán học Charles Babbage nảy sinh ý tưởng cho một “Máy phân tích _ Analytical Engine” trong những năm 1830, nhưng ông ta chưa từng tiến hành để tạo ra thiết bị đó. Sẽ phải mất hơn 100 năm nữa trước khi John Atanassoff tạo ra máy tính số đầu tiên trên thế giới. Năm 1898, Nikola Tesla chế tạo xuồng máy điều khiển bằng vô tuyến có thể chạy ngầm dưới nước. Do thiếu kinh phí, Tesla đã không thể tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện xuồng máy tự động. Bắt đầu từ thế kỷ 20, khi kỹ thuật điện tử bắt đầu phát triển, nhiều robot cơ điện tử đã được chế tạo. Người máy được triển lãm, Radio London, năm 1932 của công ty Bettman Archive. Năm 1939, robot đi được, Electro, và chó máy Sparko được triển lãm tại hội chợ thế giới ở New York. Năm 1946, đại học Pennsylvania đã hoàn thành ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator), một cái máy đồ sộ được tạo ra từ hàng ngàn ống chân không. Nhưng những thiết bị này chỉ có thể xử lý các con số. UNIVAC I (Universal Automatic Computer) là thiết bị đầu tiên xử lý các kí tự. Với sự phát triển của vô tuyến, năm 1948, Goertz đã chế tạo một tay máy điều khiển từ xa. Cũng trong năm này, General Mills chế tạo ra tay máy sử dụng động cơ điện và các công tắc hành trình. Đối với robot học, những năm 1940 và 1950 xuất hiện những ý tưởng đạt đến đỉnh cao. Sự phát minh ra Transistor năm 1948 làm tăng khả năng và sự phát triển điện tử dường như vô tận. Mười năm sau đó, sự ra đời của các vi mạch silicon đã cũng cố thêm sự phát triển đó. Westinghouse robot Elecktro cho thấy khoa học và sức tưởng tượng đã tiến xa đến dường nào. Robot seven-foot có thể hút thuốc và chơi piano. Năm 1956, General Mills chế tạo ra tay máy hoạt động dưới biển. Năm 1968, R.S. Mosher ở công ty General Electric chế tạo ra robot có thể di chuyển bằng bốn chân. Robot có chiều dài 3m, khối lượng 1400Kg và sử dụng động cơ thủy lực 68Kw. Mỗi chân được điều khiển bởi một động cơ Servo thủy lực và được điều khiển bởi con người. Hai chân trước của robot di chuyển được điều khiển bởi hai tay người lái và hai chân sau hoạt động dựa vào sự điều khiển hai chân của người lái. Việc di chuyển này đòi hỏi người vận hành phải có kỹ năng cao. Vì nhu cầu xe hơi gia tăng, các nhà sản xuất tìm kiếm những phương pháp mới để gia tăng tính hiệu quả của dây chuyền lắp ráp thông qua các robot. Lĩnh vực mới này tập trung vào những robot bắt chước các chuyển động của nhà vận hành từ xa. Năm 1961, General Motors cài đặt hệ thống robot ứng dụng trên dây chuyền lắp ráp. Tay máy robot lấy những phế phẩm đúc, các thành phần làm lạnh và phân phối chúng đến vị trí cần thiết. Năm 1978, PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) được đưa ra và nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn cho các robot thương mại. Với sự gia tăng của máy vi tính cá nhân ban đầu đã hình thành sự đam mê robot cá nhân vào đầu thập niên 80. Robot cá nhân đầu tiên giống R2D2. Các robot RB5X và HERO 1 được thiết kế với vai trò là những công cụ giáo dục dành cho việc tìm hiểu về máy tính. HERO 1 có đặc tính nhẹ, mạnh và các cảm biến siêu âm, đầu có thể xoay và trong khoảng thời gian đó, vi xử lý phát triển mạnh. Ở chế độ Demo, HERO 1 sẽ hát. RB5X có thể hút bụi nhưng có vấn đề về tránh vật cản. Trang 2 Một khi con người đi vào không gian, họ muốn xây dựng nhiều thứ ở đó. Một trong những công cụ xây dựng thiết yếu của NASA là Canadarm. Đầu tiên triển khai vào năm 1981 trên tàu Columbia, Canadarm đã tiếp tục triển khai và sửa chữa vệ tinh, kính viễn vọng và các tàu con thoi. Jet Propulsions Laboratories (JPL) ở California đã tiến hành vài thiết bị khác cho sự xây dựng không gian từ những thập niên 80 vừa qua. Nhiều tay máy của Ranger Neutral Buoyancy Vehicle được kiểm tra trong một hồ nước lớn để mô phỏng khoảng không ngoài khí quyển. Trong khi robot chưa thể thay thế bác sĩ, chúng đang thực hiện nhiều ca phẫu thuật. Năm 1985, bác sĩ Yik San Kwoh phát minh ra giao diện phần mềm robot dùng trong ca phẫu thuật được hổ trợ bằng robot đầu tiên, một thủ tục liên quan đến điều trị ung thư não. Ca phẫu thuật này liên quan đến một máy dò tự động đi vào trong xương sọ. Một máy quét CT dùng để chụp ảnh 3D của não, sao cho robot có thể vẽ đồ thị đường đi tốt nhất đến khối u. Các robot PUMA được dùng phổ biến để tìm hiểu sự khác biệt giữa các mô bệnh và mô lành, dùng tàu hủ để thực hành. Nhóm tạo ra robot hình người hãng Honda tham gia vào một bài học từ cơ thể riêng của chúng ta để tạo ra robot đi bằng hai chân. Khi họ bắt đầu vào năm 1986, ý tưởng là tạo ra một robot thông minh mà có thể đi vòng quanh thế giới, leo lên bậc thang, đi trên thảm và những bề mặt gồ ghề khác. Việc có một robot đơn giản di chuyển trong nhiều môi trường luôn luôn là một thách thức. Nhưng bằng cách nghiên cứu bàn chân và cẳng chân, nhóm Honda đã tạo ra một robot có khả năng leo lên những bậc thang, đá bóng, đẩy xe kéo hay xiết ốc. Trong những năm 90 vừa qua, có một sự quay trở lại đối với các robot hướng đến người tiêu dùng. Sự phát triển Internet cho phép khách hàng ở xa có hứng thú về robot, việc điều khiển các robot bộ hành nhỏ qua Web hay mua những bộ lắp ráp trực tuyến. Một trong những thành tựu robot thực tế của những năm 90 vừa qua là AIBO, robot chó, được chế tạo bởi tập đoàn Sony. Sử dụng các mảng cảm biến, AIBO có thể định hướng tự động đến một căn phòng hay chơi bóng. Vài robot bắt chước con người, trong khi những robot khác lại giống với các dạng sống thấp hơn. Các robot BEAM của Mark Tilden có vẻ giống và hoạt động như những con rệp lớn. Tên BEAM là một từ viết tắt dành cho triết lý của Tilden: sinh học (Biology), điện tử (Electronics), mỹ học (Aesthetics) và cơ học (Mechanics). Tilden tạo ra các robot đơn giản từ các thành phần riêng lẻ và nhảy sang các mạch tích hợp, hầu hết các robot khác sử dụng cho trí tuệ. Bắt đầu từ những năm 1990, ý tưởng là tạo ra các robot được cung cấp bằng nguồn năng lượng mặt trời không đắt và lý tưởng cho các nhiệm vụ nguy hiểm như phát hiện nơi đặt mìn. Vì các kiến thức khoa học yêu cầu cần phải tìm hiểu để làm sáng tỏ những vần đề vẫn còn là những câu hỏi. Trong lĩnh vực khám phá không gian, việc đi tìm câu trả lời cho những câu hỏi này có thể đối mặt với các mối nguy hiểm. Năm 1994, CMU Field Robotics Center gởi Dante II, một robot đi bộ được cột bằng dây để thăm dò Mt. Spurr ở Alaska. Dante II hổ trợ trong việc khôi phục các khí ga và mẫu núi lửa nguy hiểm. Những cánh tay robot bằng thép này đã cứu sống vô số sinh mạng khỏi những quả bom sắp nổ và kiểm tra các địa điểm xảy ra tai nạn hạt nhân. Mức độ tự điều khiển hay tự hành trên những robot này là khác nhau. Trang 3 Năm 1995, ý tưởng về cuộc thi bóng đá robot đã được đề xuất bởi giáo sư Jong Hawn Kim người Hàn Quốc và năm 1996, trận bóng đá robot đầu tiên đã diễn ra tại viện nghiên cứu khoa học và công nghệ Hàn Quốc. Năm 1997, người ta đã thành lập liên đoàn bóng đá robot. Trước những năm 1990, NASA đang tìm kiếm điều gì đó để lấy lại sự nhiệt tình của công chúng đối với chương trình không gian. Câu trả lời là những robot bộ hành. Những đế robot bán tự động nhỏ đầu tiên này được phóng vào không gian là Sojourner, gởi đến sao hỏa năm 1996. Nhiệm vụ của nó liên quan đến việc kiểm tra lượng hơi nước, tốc độ gió và thành phần đất. Vấn đề là nó chỉ có thể di chuyển những khoảng cách ngắn. NASA đã trở lại làm việc. Năm 2004, hai robot bộ hành đã gửi về những hình ảnh đáng kinh ngạc trong các chuyến đi nhiều kilomet vào không gian. I.1.2. Giới thiệu về robot di động dạng xe (WMRs) Các robot di động dạng xe (Wheeled Mobile Robots _ WMRs) là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển khá năng động trong vài thập niên qua. Sở dĩ có được sự quan tâm nghiên cứu cũng bởi WMRs có một tầm quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là khả năng làm việc của WMRs trong các điều kiện nguy hiểm như trong không gian hay ở các khu vực núi lửa, đại dương… WMRs được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp, cùng với vai trò là những robot phục vụ trong gia đình bởi khả năng chuyển động linh hoạt trên các bề mặt bằng phẳng. Một vài cấu hình chuyển động được tìm thấy trong các ứng dụng như số lượng và loại bánh xe, vị trí và cơ cấu chấp hành, cấu trúc của xe chỉ gồm có khâu đơn hay là nhiều khâu. So sánh với các robot nối tiếp, song song và có hình dáng như con người, WMRs có mô hình toán khá đơn giản để mô tả khả năng chuyển động của chúng. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng đối với WMRs chỉ có khâu đơn, việc mô hình hóa trở nên phức tạp khi thêm vào robot các giá chuyển hướng. Các WMRs có nhiều loại cấu hình bánh xe và thiết kế động học. Mỗi loại hình dạng bánh xe đều có những ưu và nhược điểm tùy thuộc vào ứng dụng thực tế của WMRs. Sau đây là các phân loại của WMRs theo đặc tính hình học của bánh xe [16]: - WMRs dạng lái theo kiểu sai lệch nhỏ (vi sai _ Differentially driven WMRs): Cấu hình lái vi sai là cấu hình WMRs phổ biến nhất vì tính đơn giản và đa chức năng, hơn nữa lại dễ thực thi và điều khiển. WMRs được lái theo kiểu vi sai gồm có hai bánh lái và một hay hai bánh dạng con lăn. Chuyển động tương đối của hai bánh lái đối với nhau đạt được chuyển động như mong muốn. Các bánh dạng con lăn chỉ sử dụng để nâng đỡ kết cấu robot. Chuyển động của WMRs được lái theo kiểu sai lệch khá đơn giản. Robot chuyển động thẳng khi hai bánh lái quay cùng tốc độ, chuyển động theo hướng ngược lại khi hai bánh quay ngược chiều nhau. Robot sẽ quay đầu xe nếu một bánh được hãm lại còn bánh kia lăn, tức là robot sẽ quay xung quanh bánh cố định. Robot cũng có thể trở đầu xe khi các bánh lăn theo các hướng ngược chiều nhau hay có thể chuyển động dọc theo một cung tròn khi có sự chuyển động vi sai của cả hai bánh so với nhau như hình 1.1. Trang 4 Hình 1.1: Robot được lái theo kiểu vi sai. - Các WMRs dạng giá chuyển hướng (Car-type WMRs): Hình 1.2: Cấu hình xe robot ba bánh gồm một bánh lái và hai bánh thụ động. Hình 1.3: Hệ tọa độ đặt tại giao điểm của tất cả các trục bánh xe. - WMRs loại đẳng hướng (Ommidirectional WMRs): Trang 5 Hình 1.4: a- Sơ đồ bánh xe đẳng hướng, b- Hình chiếu bằng của cơ cấu gồm ba bánh xe. - WMRs lái đồng bộ (Synchro Drive WMRs): Hình 1.5: Cơ cấu xe robot bốn bánh lái theo kiểu đồng bộ. a-Hướng nhìn từ dưới lên, b-Hướng nhìn từ trên xuống Hình 1.6: Truyền động bằng bánh răng. Trang 6 I.2. Tổng quan về bài toán điều khiển robot di động dạng xe bám quỹ đạo Các robot di động dạng xe (Wheeled Mobile Robots _ WMRs) được biết đến như là hệ thống cơ khí không holonom, trong đó tồn tại tiếp xúc lăn giữa hai hay nhiều khối rắn và từ tiếp xúc này nảy sinh ra ràng buộc không trượt, gọi là ràng buộc không holonom [8]. Trong những tiếp cận về robot, các ràng buộc holonom đã được tìm hiểu nhiều, tuy nhiên các ràng buộc không holonom chỉ mới được nghiên cứu gần đây, đây là ràng buộc động học không thể lấy tích phân và do đó không thể được ước lượng từ các phương trình mô hình. Bài toán ổn định của WMRs không holonom với sự chuyển động có giới hạn đối với trạng thái cân bằng, nói chung khá phức tạp. Các nhà nghiên cứu mà cụ thể là Brockett đã nhận ra các hệ không holonom như là một loại hệ thống mà không thể ổn định qua hồi tiếp trạng thái trơn (smooth), do đó các hệ thống không holonom không thể áp dụng các phương pháp của lý thuyết điều khiển tuyến tính, và chúng không thể chuyển thành bài toán điều khiển tuyến tính [9], [10], [11], [12]. Từ các điều kiện ổn định thiết yếu của Brockett cho thấy những hệ thống có các ràng buộc vận tốc không lấy tích phân được không thể nào ổn định về điểm cân bằng với hồi tiếp tĩnh [9], [13], [14]. Một khó khăn khác trong việc điều khiển WMRs không holonom đó là có nhiều sự bất ổn định trong việc mô hình hóa robot trong thế giới thực. Tính đến các đặc tính bên trong của robot như động lực học xe thực tế, những giới hạn về quán tính, dòng, áp của cơ cấu chấp hành và các sai số vị trí, các phương trình động lực học không thể mô tả như là phương trình toán được đơn giản. Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng mô hình động lực học để cải tiến thủ thuật điều khiển chuyển động cho WMRs [1], [2], [3], [4], [7]. Tranh luận và giả thiết của họ rằng những mô hình này có giá trị nếu robot có tốc độ thấp, gia tốc thấp và tải nhẹ. Tuy nhiên, việc mô hình hóa động lực học của WMRs là rất quan trọng khi chúng được thiết kế để di chuyển ở tốc độ cao thực hiện công việc nặng hay di chuyển qua các địa đình có đặc tính khác nhau. Đa phần các nghiên cứu về các khía cạnh của WMRs gần đây đều nghiên về việc thiết kế và phát triển các kĩ thuật điều khiển đối với chuyển động robot và hoạch định đường đi. Theo nghiên cứu cho thấy [8], có ba loại chuyển động của robot mà bài toán điều khiển hướng đến: 1. Chuyển động từ điểm đến điểm (Point to point): robot xuất phát từ điểm được chỉ định ban đầu để di chuyển đến điểm đích mong muốn, bài toán chuyển động điểm đến điểm là bài toán ổn định đối với một điểm cân bằng trong không gian trạng thái của robot. Loại điều khiển chuyển động này gồm có bài toán ổn định vị trí, có thể nói là khá phức tạp. Trở ngại chính là sự ổn định WMRs không trơn (non-smooth) ở một điểm. 2. Chuyển động theo một đường được hoạch định trước (Path following): robot phải đi theo một đường hình học trong không gian Đề Các, bắt đầu từ điểm được chỉ định (trên hay ngoài đường đi). Thông thường, sự thay đổi thời gian của thông số đường đi là độc lập. 3. Chuyển động bám theo quỹ đạo (Trajectory tracking): robot bám theo một quỹ đạo trong không gian Đề Các (một đường hình học với một luật định thời kết hợp), bắt đầu từ điểm được chỉ định (nằm trên hay ngoài quỹ đạo), có nghĩa là robot phải bám theo một đường Trang 7