Xem mẫu
- Thuật toán điều khiển
Chương 9:
Mobile robot, định nghĩa các biến vào
ra
Như mô hình Mobile robot đã xây dựng ở Chương II, robot
gồm 3 bánh, 2 bánh chủ động ở phía sau được gắn với 2 động cơ, 1
bánh lái phía trước có khả năng quay tự do. Nhiệm vụ của Mobile
robot là di chuyển dọc theo tường và duy trì một khoảng cách xác
định với tường. Nó sẽ được gắn hai cảm biến đo khoảng cách và
đo góc của trục robot so với hướng di cần chuyển. Trong mô hình
điều khiển này thì các yếu tố như nhiễu, ma sát trượt, lực quán tính
của xe sẽ được bỏ qua. Ở đây ta chỉ xét tới các yếu tố liên quan tới
robot là góc θ, khoảng cách Xđ từ tâm robot tới tường. Bộ phận
được tác động để điều khiển robot là 2 động cơ gắn với 2 bánh
phải và trái.
Giả sử ta cho robot chạy theo một đường có khoảng cách so
với tường là Xđ. Khi robot di chuyển, nó bị lệch ra khỏi đường đó,
lúc đó sẽ có sự sai lệch cả về vị trí và tư thế của nó so với yêu cầu.
Bộ điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu báo về từ các cảm
biến để xác định các sai lệch, từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển 2
động cơ như thế nào đó để robot về quỹ đạo ban đầu. Bộ điều
khiển mờ được thiết kế trong Fuzzy Logic Toolbox sẽ có đầu vào
là các sai lệch về vị trí ∆ex (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch
Dương), sai lệch về góc ∆et (bao gồm sai lệch Âm và sai lệch
Dương).
- y
sai lệch Âm
∆ex ∆et
X
sai lệch Dương
Hình 4.5. Robot trong tọa độ Decade
Bộ điều khiển sẽ có hai tín hiệu đầu vào là sai lệch góc ∆et và
sai lệch khoảng cách ∆ex, hai đầu ra là hai tín hiệu điều khiển 2
động cơ chủ động, thực tế thì đó là các xung điện điều khiển tốc độ
hai động cơ. Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống được thể hiện ở hình 4.5.
Giá trị của các sai lệch về góc định hướng θ là ∆et sẽ nằm
trong khoảng từ -0,3 đến 0,3 radian. Các giá trị sai lệch về khoảng
cách ∆ex sẽ nằm trong khoảng từ -4 inch đến 4 inch (khoảng -
100mm đến 100mm).
Giá trị đầu ra của bộ điều khiển mờ ( FLC ) sẽ là các giá trị
vận tốc góc bánh phải (ωr) , bánh trái ( ωl ). Các giá trị này còn phụ
thuộc sự ràng buộc về kết cấu cơ khí của robot. Trong trường hợp
này ta chọn dải từ -3 đến 3 rad/s
wl
Kết quả tính Fuzzy Logic
∆ex ROBOT
toán ∆ex và ∆et Controller
∆ex wr
θ,x
sensor
- Hình 4.6. Sơ đồ khối toàn bộ Mobile robot
4.2.2.Xác định tập mờ
a. Miền giá trị vật lý cơ sở của các biến ngôn ngữ
-Tín hiệu sai lệch giữa góc đặt như trên chọn trong khoảng :
-0,3≤ ∆et ≤0,3 (rad)
- Sai lệch khoảng cách nằm trong khoảng :
-4 ≤ ∆ex ≤ 4 (inch)
- Tín hiệu đầu ra, vận tốc góc bánh trái và bánh phải :
-3 ≤ ωl ≤ 3 rad/s
-3 ≤ ωr ≤ 3 rad/s
b. Số lượng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ )
Về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ
thường nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng tập mờ
nhỏ hơn 3 thì ít có ý nghĩa, vì không thể thực hiện được việc chi
tiết hóa các phương án xử lý. Nếu lớn hơn 10 thì đòi hỏi người lập
trình phải xử lý một khối lượng lớn các suy luận, phải nghiên cứu
đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng từ 5 đến 9 phương án khác
nhau và phần cứng phải có khả năng lưu trữ lớn, cũng như khả
năng xử lý nhanh đặc biệt trong bài toán điều hướng robot hoạt
động trong môi trường thực (là bài toán yêu cầu cần có tốc độ xử
lý và khả năng lưu trữ rất lớn).
Đối với quá trình điều khiển robot có thể chọn giá trị ngôn ngữ
như sau :
+ ∆ex {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG}
- + ∆et {ÂM, KHÔNG, DƯƠNG}
+ ωr {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH}
+ ωl {CHẬM, TRUNG BÌNH, NHANH}
c. Các hàm liên thuộc
Đây là điểm cực kì quan trọng vì quá trình làm việc của bộ
điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dạng và kiểu hàm liên
thuộc. Do vậy cần chọn kiểu hàm liên thuộc có phần chồng lên
nhau và phủ kín miền giá trị vật lý, để trong quá trình điều khiển
không xuất hiện “lỗ hổng” và tránh trường hợp với một giá trị vật
lý rõ đầu vào x0 mà tập mờ đầu ra có độ cao bằng không (miền xác
định là tập rỗng ) và bộ điều khiển không thể đưa ra một quyết
định điều khiển nào được gọi là hiện tượng “cháy nguyên tắc”.
Mặt khác, hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của
nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một điểm vật
lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ. Đối với quá trình điều
khiển Mobile robot có 4 tập mờ. Mỗi tập mờ có 3 biến ngôn ngữ,
tương ứng với nó là các giá trị ngôn ngữ.
+ Sai lệch khoảng cách Δex và sai lệch góc định hướng Δet có
có các biến giá trị AM ( Âm ), KHONG ( Không ), DUONG (
Dương ).
+ Giá trị đầu ra là vận tốc góc ωl và ωl có các biến giá trị
CHAM ( Chậm ), TRUNGBINH ( trung bình ), NHANH ( nhanh ).
Mỗi giá trị ngôn ngữ sẽ được gắn với một hàm phụ thuộc dạng
tam giác.
- AM DUONG
KHONG
1
Hàm phụ thuộc
-2 0 2 4
Sai lệch khoảng cách ( inch )
Hình 4.7. Hàm phụ thuộc của sai lệch khoảng cách Δex
AM KHONG DUONG
1
Hàm phụ thuộc
0.5
0
-0.15 0 0.15 0.3
Sai lệch góc định hướng Δet (radian)
Hình 4.8. Hàm phụ thuộc của sai lệch góc định hướng Δet
CHAM TRUNGBINH NHANH
Hàm phụ thuộc
1
0.5
0
-1.5 0 1.5 3
Dải giá trị đầu ra vận tốc góc bánh phải ωr (rad/s)
Hình 4.9. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh phải ωr
- CHAM TRUNGBINH NHANH
1
Hàm phụ thuộc
0.5
0
-1.5 0 1.5 3
Dải giá trị đầu ra vận tốc góc bánh trái ωl (rad/s)
Hình 4.10. Hàm phụ thuộc đầu ra bánh trái ωl
d. Rời rạc hóa các tập mờ
- Hàm liên thuộc của sai lệch góc Δet là μ t(t) và được rời rạc
tại 5 điểm :
t {-0.3, -0.15, 0, 0.15, 0.3 }
- Hàm liên thuộc của sai lệch khoảng cách ∆ex là μx(x) và
được rời rạc hóa tại 5 điểm :
X { -4, -2, 0, 2, 4 }
- Hàm liên thuộc đầu ra ωr, ωl là μω(ω ) được rời rạc hóa tại 5
điểm:
ω { -3, -1.5, 0, 1.5, 3 }
- Thứ tự quá trình xây dựng bộ Fuzzy Logic Cotroller được thực
hiện trong Fuzzy Logic Toolbox theo thứ tự các hình dưới đây:
Bộ hợp thành
Biến Biến
đầu vào đầu ra
Lựa chọn
luật hợp Tên biến
thành và giá trị
Phương
pháp Hình 4.11. Sơ đồ các biến vào/ra của FLC
giải mờ
Hình 4.11.Xây dựng các biến vào ra cho FLC
- Hình 4.12. Đặt giá trị cho các hàm phụ thuộc vào/ ra của FLC
e. Xây dựng các luật hợp thành
Từ kinh nghiệm thực tế mà ta xây dựng được 9 luật điều
khiển :
Bảng 4.1. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh phải
ωr
Δex/Δet AM KHONG DUONG
AM CHAM CHAM CHAM
KHONG CHAM NHANH TRUNGBINH
DUONG CHAM TRUNGBINH NHANH
Bảng 4.2. Luật điều khiển cơ bản cho vận tốc góc bánh trái ωl
Δex /Δet AM KHONG DUONG
AM NHANH TRUNGBINH CHAM
KHONG TRUNGBINH NHANH CHAM
DUONG CHAM CHAM CHAM
- Luật R1: NẾU Δex là AM VÀ Δet AM là THÌ ωr là CHAM
VÀ ωl là CHAM
- Luật R2: NẾU Δex là AM VÀ Δet là KHONG THÌ ωr là
CHAM VÀ ωl là TRUNGBINH
- Luật R3: NẾU Δex là AM VÀ Δet là DUONG THÌ ωr là
CHAM VÀ ωl là CHAM
- - Luật R4: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là AM THÌ ωr là
CHAM VÀ ωl là TRUNGBINH
- Luật R5: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là KHONG THÌ ωr
là NHANH VÀ ωl là NHANH
- Luật R6: NẾU Δex là KHONG VÀ Δet là DUONG THÌ ωr
là TRUNGBINH VÀ ωl là CHAM
- Luật R7: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là AM THÌ ωr là
CHAM VÀ ωl là CHAM
- Luật R8: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là KHONG THÌ ωr
là TRUNGBINH VÀ ωl là CHAM
- Luật R9: NẾU Δex là DUONG VÀ Δet là DUONG THÌ ωr
là NHANH VÀ ωl là CHAM
Ví dụ một trường hợp luật R1 như hình 4.13, Mobile robot đi
ra ngoài quỹ đạo, sai số khoảng cách một khoảng là Δex = AM
(âm) và sai số góc định hướng Δet = AM.
ICC
Bên trái
nhanh
X
Bên phải
Chậm
Hình 4.13. Trường hợp robot đi sai khỏi quỹ đạo
- Lúc này, để về quỹ đạo ban đầu thì đòi hỏi bánh trái phải quay
nhanh (NHANH ) và bánh phải quay chậm lại ( CHAM ) ứng với
luật R1.
f. Chọn thiết bị hợp thành
Đối với trường hợp điều khiển Mobile robot, chúng ta sẽ chọn
thiết bị thực hiện luật hợp thành theo phương pháp MAX- MIN.
g. Chọn nguyên lý giải Mờ
Giải mờ là quá trình xác định rõ giá trị đầu ra của bộ điều
khiển. Việc chọn phương pháp giải mờ cũng gây ảnh hưởng đến độ
phức tạp và trạng thái làm việc của hệ thống. Đối vơi bộ điều khiển
Mờ FLC sử dụng cho Mobile robot ở đây ta dùng phương pháp
điểm trọng tâm (Centroid ), bởi vì phương pháp này có sự tham gia
của tất cả các kết luận điều khiển R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8,
R9.
Quá trình xây dựng luật điều khiển và hợp thành được tiến
hành trên Fuzzy toolbox như trong hình 4.14 và 4.15.
- Hình 4.14. Xây dựng các luật điều khiển
Hình 4.15. Các luật điều khiển
- Bộ điều khiển được mô hình hóa dưới dàng không gian 3D :
Hình 4.16.Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh phải
Hình 4.17. Mô tả bộ điều khiển trên không gian 3D cho bánh trái
Sau khi xây dựng xong, bộ điều khiển Mờ FLC sẽ được lưu
dưới dạng một file FLC.fis.
nguon tai.lieu . vn
