BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN MINH LỢI

ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT BÁM
MỤC TIÊU ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ- NƠRON

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM, NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN MINH LỢI

ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT BÁM
MỤC TIÊU ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ- NƠRON
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN

TP. HCM, NĂM 2016


LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM
Ngày 22 tháng 10 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

PGS.TS. NGUYỄN HỮ U KHƯƠNG
PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG
TS. TRẦN THANH VŨ

TS. HOÀNG MINH TRÍ

Chủ tịch Hội đồng;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, thư ký;
Ủy viên.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. NGUYỄN HỮ U KHƯƠNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐTVT

TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG


i

LỜI CẢM ƠN
Trong quá triǹ h thực hiện đề tài luận văn này mặc dù gặp rất nhiều khó khăn về
thiết bị cũng như những hạn chế về kiến thức nghiên cứu, nhưng được sự quan tâm
giúp đỡ của gia đình, q thầy cơ bộ mơn Kỹ Th ̣t Điều Khiển và Tự Động HóaTrường Đại học Giao Thông Vâ ̣n Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và bạn bè đồng
nghiệp đã giúp tơi hồn thành cơ bản u cầu của luận văn.
Đạt được kết quả như ngày hôm nay, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy
TS. Đă ̣ng Xuân Kiên đã định hướng và hướng dẫn em thực hiện đề tài luận văn
này.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bộ môn Kỹ Thuâ ̣t Điều Khiển và Tự Động

Hóa- Khoa Điện- Điện Tử Trường Đại học Giao Thơng Vâ ̣n Tải Thành Phố Hồ Chí
Minh, các thành viên trong gia đin
̀ h, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ trong suố t
quá triǹ h làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày….. tháng….. năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Minh Lơ ̣i


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu “Điều khiển mobile robot bám mục tiêu áp
dụng bộ điều khiể n Mờ- Nơron” đảm bảo tính chân thật của bài viết cũng như các
chương trình, kết quả mơ phỏng và thực nghiệm, các giá trị của thông số được nêu
ra trong bài một cách rõ ràng và cơ sở lý thuyết đều được trích dẫn đầy đủ chiếu
theo tài liệu tham khảo.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày…… tháng…..năm 2016
Tác giả luâ ̣n văn

Nguyễn Minh Lơ ̣i


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, Robot bám mục tiêu được tập trung nghiên cứu vì

những ứng dụng hiệu quả của nó trong cơng nghiệp, qn sự và dân dụng. Robot
bám mục tiêu có thể đi theo quỹ đạo được vẽ trước, hoặc bám theo mục tiêu phía
trước mà đường đi chưa biết…Robot được trang bị các cảm biến để nhận biết quỹ
đạo, mục tiêu phía trước để quyết định hướng đi và tốc độ di chuyển.
Một vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế Robot là điều khiển làm sao cho Robot
có thể đi theo một quỹ đạo mong muốn.
Có nhiều tác giả đã áp dụng các phương pháp kỹ thuật thông minh khác nhau để
điề u khiể n Robot bám mục tiêu. Trong đó có phương pháp Mờ- Nơron thích nghi
(ANFIS) [9], ANFIS là một mơ hình lai ghép kết hợp các khả năng thích ứng của
mạng lưới thần kinh nhân tạo và cơ chế suy luận của Mờ [1]. Có nhiều phương
pháp khác nhau trong điều khiển logic Mờ [2] hoặc kết hợp với các phương pháp
điều khiển khác [3-5] trong điều khiển quỹ đạo, điều khiển Neural- Fuzzy để điều
hướng Robot được trình bày bởi M.M.Joshi and M.A. Zaveri [7-8] là phương pháp
cho thấy có nhiề u ưu điểm nhất.
Trong luâ ̣n văn này, tác giả áp dụng phương pháp Fuzzy- Neural để điều khiển
Mobile robot bám theo mục tiêu di chuyển phía trước nó. Mục tiêu có thể di chuyển
ở nhiều biên dạng khác nhau. Mơ phỏng trên Matlab và sau đó tiế n hành ráp mơ
hình kết hợp Computer và robot để kiểm chứng khả năng bám mục tiêu của Robot.
Để chứng minh tính đúng đắn của thuật tốn, tác giả đã xây dựng mơ hình
Robot và thực hiện thuật tốn luâ ̣t điề u khiển Mờ- Nơron trên vi điền khiển VAR
Atmel ATMega16 làm bô ̣ xử lý trung tâm cho Mobile robot. Đề tài còn dùng cảm
biến siêu âm SRF05 để xác định khoảng cách từ mục tiêu đến Robot.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii

MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌ NH ..................................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. xi
LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................xii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT ...................................................... 1
1.1.

Lich
̣ sử ra đời và phát triể n của Mobile robot ............................................ 1

1.2.

Các thế hệ của Mobile robot ...................................................................... 2

1.2.1.

Thế hệ thứ nhất ....................................................................................2

1.2.2.

Thế hệ thứ hai ......................................................................................2

1.2.3.

Thế hệ thứ ba .......................................................................................3

1.2.4.

Thế hệ thứ tư .......................................................................................3


1.2.5.

Thế hệ thứ năm ....................................................................................3

1.3.

Ứng du ̣ng của Mobile robot trong cuô ̣c số ng ............................................ 3

1.3.1.

Trong y học .........................................................................................3

1.3.2.

Trong công nghiệp...............................................................................4

1.3.3.

Trong hệ thống an ninh (camera thông minh, nhận dạng) ..................5

1.3.4.

Trong giao thông (giám sát và điề u khiể n lưu thông) .........................5

1.3.5.

Trong thám hiểm không gian ..............................................................6

1.3.6.


Trong quân sự ......................................................................................7

1.4.

Những xu hướng phát triển của Robot hiện đại ......................................... 7

1.5.

Giới thiệu một số kiểu Mobile robot thông dụng ..................................... 10

1.5.1.

Mobile robot di chuyển bằng chân ....................................................10

1.5.2.

Mobile robot di chuyển bằng bánh ....................................................11

1.6.

Giới thiệu Mobile robot bám mu ̣c tiêu .................................................. 13

Chương 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ- NƠRON ........................................ 14


v

2.1.

Lý thuyế t Mờ- Nơron (Fuzzy- Neural) .................................................... 14


2.2.

Logic Mờ .................................................................................................. 14

2.2.1.

Cấu trúc của bô ̣ điều khiển Mờ .........................................................14

2.2.2.

Bộ điều khiển Mờ cơ bản ..................................................................15

2.2.3.

Bộ điều khiển Mờ tĩnh .......................................................................15

2.2.4.

Bộ điều khiển Mờ động .....................................................................16

2.3.

Mạng Nơron ............................................................................................. 17

2.4.

Sự kết hợp giữa logic Mờ và ma ̣ng Nơron............................................... 19

2.4.1.


Cấu trúc chung của hệ Mờ- Nơron ....................................................20

2.4.2.

Các hệ thống điều khiển dùng Mờ- Nơron ........................................20

2.5.

Áp du ̣ng thiế t kế bô ̣ điề u khiể n mờ- nơron cho Mobile robot ................. 22

2.5.1.

Xác đinh
̣ tâ ̣p mờ ................................................................................22

2.5.2.

Miền giá trị vật lý cơ sở của các biến ngôn ngữ ...............................22

2.5.3.

Tập mờ (giá trị ngôn ngữ) .................................................................22

2.5.4.

Các hàm liên thuộc ............................................................................23

2.5.5.


Xây dựng các luật hợp thành .............................................................25

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌ NH TRẠNG THÁI CHO MOBILE ROBOT ....... 30
3.1.

Cơ sở lý thuyế t đô ̣ng ho ̣c của Mobile robot ............................................. 30

3.2.

Mơ hình vâ ̣t lý cho Mobile robot ............................................................. 31

3.3.

Phương trình đô ̣ng ho ̣c Mobile robot ....................................................... 32

3.4.

Xây dựng bộ điều khiển cho Mobile robot .............................................. 34

3.5.

Sơ đồ khối điề u khiể n cho Mobile robot .................................................. 35

3.6.

Xây dựng mơ hình Mobile robot .............................................................. 35

3.6.1.

Các thơng số kỹ thuật ........................................................................35


3.6.2.

Thiết kế mơ hình da ̣ng 3D cho Mobile robot ....................................36

3.6.3.

Liên kết giữa Computer và Mobile robot ..........................................36

3.6.4.

Mô hiǹ h thực tế .................................................................................36

3.7.

Mạch điều khiển cho Mobile robot .......................................................... 37

3.7.1.

Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR ATmega16 .........................38


vi

3.7.2.

Sơ đồ chân Atmega 16 ......................................................................40

3.7.3.


Sơ đồ cấ u trúc vi điề u khiể n Atmega 16 ...........................................42

3.7.4.

Cấu trúc bộ nhớ .................................................................................43

3.8.

Cảm biến siêu âm SRF05 và đặc điểm kỹ thuật ...................................... 44

3.9.

Mạch cơng suất......................................................................................... 48

Chương 4: MƠ PHỎNG HỆ MOBILE ROBOT VỚI DỘ ĐIỀU KHIỂN MỜNƠRON ..................................................................................................................... 50
4.1.

Dùng khối Fuzzy- Neural trên matlab xây dựng luật hợp thành.............. 50

4.2.

Dùng Matlab để mô phỏng và kiểm tra kết quả ....................................... 56

4.2.1.

Huấ n luyê ̣n đối tượng di chuyển theo đường thẳng L.......................56

4.2.2.

Huấ n luyê ̣n đối tượng di chuyển theo đường cong C .......................58


4.2.3.

Huấ n luyê ̣n đối tượng di chuyển theo đường V ................................59

4.2.4.

Huấ n luyê ̣n đối tượng di chuyển theo đường M ...............................61

4.2.5.

Huấ n luyê ̣n đối tượng di chuyển theo đường lu ̣c giác ......................62

4.3.

Kế t luâ ̣n .................................................................................................... 64

Chương 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................. 65
5.1.

Đánh giá kết quả đạt được so với mục tiêu của đề tài ............................. 65

5.2.

Nhận da ̣ng mục tiêu ................................................................................. 65

5.3.

Điều khiển Mobile robot bám theo mục tiêu ........................................... 66


5.4.

Kết quả điều khiển Robot bám theo mục tiêu trên mô hình thật ............. 67

5.4.1.

Các thành phầ n chính trong Mobile robot .........................................67

5.4.2.

Lưu đồ giải thuật ...............................................................................69

5.5.

Kế t quả thực nghiệm ................................................................................ 70

5.5.1.

Kết quả thực nghiê ̣m lầ n 1.................................................................71

5.5.2.

Kết quả thực nghiê ̣m lầ n 2.................................................................71

5.5.3.

Kết quả thực nghiê ̣m lầ n 3.................................................................72

5.6.


Kế t Luâ ̣n chung ........................................................................................ 73

5.6.1. Kế t quả đa ̣t đươ ̣c ...................................................................................... 73
5.6.2. Những hạn chế của đề tài ......................................................................... 73


vii

5.6.3. Đề xuất hướng phát triển của đề tài ......................................................... 73
Tài Liê ̣u Tham Khảo ................................................................................................. 74
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................... 75
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................... 79

DANH MỤC HÌ NH


viii

Hình 1.1: Ảnh 3D từ hệ thống Brilliance ICT Scanner (nguồn: internet) .................. 4
Hình 1.2: Hình ảnh về cánh tay Robot (nguồn: internet) ............................................ 4
Hình 1.3: Camera kiểm định chất lượng sản phẩm.(nguồn: machinevision.co.uk) .... 4
Hình 1.4: Camera kiểm tra số hiệu in trên sản phẩm (nguồn: Omron Electronics). ... 5
Hình 1.5: Theo dõi khách bộ hành (nguồn:IEEE CV and P. Recognition, 2007) ...... 5
Hình 1.6: Camera điều khiển xe tự hành SCABOR (nguồn: T.U of Cluj Napoca). ... 6
Hình 1.7: Ứng dụng cảm quan máy tính trên robot thám hiểm (nguồn: internet) ...... 6
Hình 1.8: Robot tự hành trên sao hỏa (nguồn: internet) ............................................. 7
Hin
̀ h 1.9: Máy bay khơng người lái (nguồn: internet) ................................................ 7
Hình 1.10: Mobile Robot di chuyển bằng chân (nguồ n internet) ............................. 11
Hin

̀ h 2.1: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển Mờ ..................................... 14
Hình 2.2: Bộ điều khiển Mờ cơ bản .......................................................................... 15
Hình 2.3: Bộ điều khiển Mờ tĩnh .............................................................................. 16
Hình 2.4: Bộ điều khiển Mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra ................................... 16
Hình 2.5: Mô hình Nơron đơn giản........................................................................... 17
Hin
̀ h 2.6: Nơron với R đầ u vào ................................................................................. 17
Hin
̀ h 2.7: Ma ̣ng Nơron với R đầ u vào ...................................................................... 17
Hình 2.8: Cấ u trúc huấ n luyê ̣n ma ̣ng ........................................................................ 18
Hin
̀ h 2.9: Cấ u trúc kiể u mẫu của mô ̣t hê ̣ Mờ- Nơron ............................................... 20
Hình 2.10: Mô hình hê ̣ Mờ- Nơron ........................................................................... 20
Hin
̀ h 2.11: Mơ hình bộ điều khiển Mờ- Nơron ......................................................... 21
Hin
̀ h 2.12: Mô phỏng hê ̣ thố ng điề u khiể n SVC dùng ma ̣ng Mờ- Nơron ................ 21
Hình 2.13:Bô ̣ điề u khiể n Mờ- Nơron ........................................................................ 23
Hình 2.14: Hàm phụ thuộc của sai lệch khoảng cách ∆ed ........................................ 23
Hình 2.15: Hàm phụ thuộc của sai lệch góc ∆eθ ...................................................... 24
Hình 2.16: Hàm phụ thuộc đầu ra bánh trái ωl ......................................................... 24
Hình 2.17: Hàm phụ thuộc đầu ra bánh phải ωr ....................................................... 24
Hình 3.1: Mơ hình vật lý Mobile robot ..................................................................... 31
Hình 3.2: Mơ hình bánh xe Mobile robot ................................................................. 31


ix

Hin
̀ h 3.3: Mô hiǹ h đô ̣ng ho ̣c của Mobile robot......................................................... 32

Hình 3.4: Sơ đồ khối điề u khiể n Mobile robot Δeθ, Δed .......................................... 35
Hình 3.5: Hình da ̣ng 3D Mobile robot và bánh xe.................................................... 36
Hình 3.6: Sơ đồ liên kết Computer và Mobile robot................................................. 36
Hình 3.7: Mơ hình thực tế Mobile robot ................................................................... 37
Hình 3.8: Sơ đồ mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm ............................................. 37
Hình 3.9: Sơ đồ mạch in khối xử lý trung tâm .......................................................... 38
Hình 3.10: Sơ đồ chân Atmega 16 ............................................................................ 40
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16 .................................................. 42
Hình 3.12: Cảm biến siêu âm .................................................................................... 45
Hình 3.13: Chế độ 1 của cảm biến siêu âm ............................................................... 45
Hin
̣ thời SRF05- chế đô ̣ 1 ...................................................... 46
̀ h 3.14: Giảng đờ đinh
Hình 3.15: Chế độ 2 của cảm biến siêu âm ............................................................... 46
Hin
̣ thời SRF05- chế đô ̣ 2 ...................................................... 47
̀ h 3.16: Giảng đờ đinh
Hình 3.17: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ............................................................ 48
Hình 3.18: Sơ đồ mạch in mạch cơng suất................................................................ 48
Hình 3.19: IC chun dụng LMD18200 ................................................................... 49
Hình 4.1: Ma ̣ng Nơron dùng phương pháp lai ghép 5 Nơron theo bánh phải .......... 51
Hin
̀ h 4.2: Cấ u trúc ma ̣ng Fuzzy- Neural cho bánh phải............................................ 52
Hình 4.3: Ma ̣ng Nơron dùng phương pháp lai ghép 5 Nơron theo bánh trái............ 52
Hin
̀ h 4.4: Cấ u trúc ma ̣ng Fuzzy- Neural cho bánh trái ............................................. 53
Hin
̀ h 4.5: Biên dạng đối tượng di chuyển theo đường thẳng L ................................ 53
Hình 4.6: Biên dạng đối tượng di chuyển theo đường cong C ................................. 54
Hin

̀ h 4.7: Biên dạng đối tượng di chuyển theo đường V .......................................... 54
Hình 4.8: Biên dạng đối tượng di chuyển theo đường M ......................................... 55
Hin
̀ h 4.9: Biên dạng đối tượng di chuyển theo đường O .......................................... 55
Hin
̀ h 4.10: Đố i tươ ̣ng di chuyể n và bám mu ̣c tiêu theo đường L ............................. 56
Hình 4.11: Vâ ̣n tố c bánh phải và bánh trái theo đường L ........................................ 57
Hin
̀ h 4.12: Sai lệch khoảng cách, sai lệch góc theo đường L ................................... 57


x

Hin
̀ h 4.13: Đố i tươ ̣ng di chuyể n và bám mu ̣c tiêu theo đường C ............................. 58
Hình 4.14: Vâ ̣n tố c bánh phải và bánh trái theo đường C......................................... 58
Hin
̀ h 4.15: Sai lệch khoảng cách, sai lệch góc theo đường C ................................... 59
Hin
̀ h 4.16: Đố i tươ ̣ng di chuyể n và bám mu ̣c tiêu theo đường V ............................. 59
Hình 4.17: Tố c đô ̣ bánh phải và bánh trái theo đường V .......................................... 60
Hin
̀ h 4.18: Sai lệch khoảng cách, sai lệch góc theo đường V ................................... 60
Hình 4.19: Đớ i tươ ̣ng di chuyể n và bám mu ̣c tiêu theo đường M ............................ 61
Hình 4.20: Tố c đô ̣ bánh phải và bánh trái theo đường M ......................................... 61
Hin
̀ h 4.21: Sai lệch khoảng cách, sai lệch góc theo đường M .................................. 62
Hình 4.22: Đố i tươ ̣ng di chuyể n và bám mu ̣c tiêu đường lu ̣c giác ........................... 62
Hin
̀ h 4.23: Tố c đô ̣ bánh phải và bánh trái đường lu ̣c giác ........................................ 63

Hin
̀ h 4.24: Sai lệch khoảng cách, sai lệch góc đường lu ̣c giác ................................. 63
Hình 5.1: Nhâ ̣n da ̣ng mu ̣c tiêu theo hình dạng ......................................................... 65
Hin
̀ h 5.2: Nhâ ̣n da ̣ng mu ̣c tiêu theo màu sắc ............................................................ 65
Hình 5.3: Robot bám theo mục tiêu đường trịn C .................................................... 66
Hình 5.4: Vận tốc bánh trái và bánh phải của robot (di chuyển theo đường C) ....... 66
Hình 5.5: Thông số sai lệch (mục tiêu di chuyển theo đường trịn).......................... 67
Hình 5.6: Cấ u ta ̣o của Mobile robot .......................................................................... 68
Hình 5.7: Laptop dùng để điề u khiể n Mobile robot bằ ng bô ̣ xử lý Mờ- Nơron ....... 68
Hình 5.8: Mu ̣c tiêu của Mobile robot ........................................................................ 68
Hình 5.9: Lưu đờ giải th ̣t của Mobile robot .......................................................... 69
Hình 5.10: Khoảng cách giữa Mobile robot và mu ̣c tiêu .......................................... 70
Hình 5.11: Mu ̣c tiêu của Mobile robot ...................................................................... 70
Hình 5.12: Kế t quả thực nghiê ̣m khi mu ̣c tiêu không di chuyể n so với điể m đă ̣t .... 71
Hình 5.13: Kế t quả thực nghiê ̣m khi mu ̣c tiêu di chuyể n so với điể m đă ̣t ............... 71
Hình 5.14: Kế t quả thực nghiê ̣m khi mu ̣c tiêu di chuyể n so với điể m đă ̣t ............... 72


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các kiểu Mobile robot di chuyển bằng 2 bánh ......................................... 11
Bảng 1.2: Bảng ký hiệu các bánh xe của Mobile robot ............................................ 13
Bảng 2.1: So sánh logic Mờ và ma ̣ng Nơron ............................................................ 19
Bảng 2.2: Miề n giá tri ̣vâ ̣t lý cơ sở của các biế n ngôn ngữ ....................................... 22
Bảng2.3: Luật hợp thành cho bộ điều khiển mờ ....................................................... 25
Bảng 3.1: Bảng ký hiê ̣u các thông số của Mobile robot ........................................... 35
Bảng 3.2: Các Pin của Port B .................................................................................... 40
Bảng 3.3: Các Pin của Port C .................................................................................... 41

Bảng 3.4: Các Pin của Port D.................................................................................... 41


xii

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Robot là đối tượng phi tuyến nên rất khó xác định được chính xác các thông số
đo lường tại các thời điểm nhất định. Do vậy, bài toán điều khiển robot là bài tốn
khá phức tạp. Vì vậy, ứng dụng của hệ điề u khiể n mờ- nơron (Fuzzy- Neural) trong
bài toán điều khiển Robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp góp phần nâng cao hiệu quả
làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác đối tượng trong các mơi
trường làm việc.
Điề u khiể n Mobile robot bám mu ̣c tiêu áp du ̣ng bô ̣ điề u khiể n Mờ- Nơron là một
lĩnh vực tương đối mới, có khả năng ứng dụng trong:
 Điều khiển tiến trình (ví dụ: Robot công nghiệp, hay các thiết bị, xe tự hành);
 Phát hiện sự thay đổi (ví dụ: Các thiết bị giám sát);
 Tổ chức thơng tin (ví dụ: Chỉ số kho dữ liệu các ảnh hoặc chuỗi ảnh liên tục);
 Mơ hình hố đối tượng (ví dụ: Q trình kiểm tra trong môi trường công
nghiệp, xử lý ảnh trong y học);
 Tương tác (đóng vai trị làm đầu vào cho thiết bị trong quá trình tương tác
giữa người và máy).
Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu ứng dụng hệ mờnơron (ANFIS) trong bài tốn điều khiển Robot. Tuy nhiên, lĩnh vực này cịn khá
mới và đang rất được quan tâm nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi. Chính vì lý do
trên tác giả quyết định chọn đề tài: “Điề u khiể n Mobile Robot bám mu ̣c tiêu áp
du ̣ng bô ̣ điề u khiể n Mờ- Nơron”.

2. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
Hệ thống Mờ- Nơron đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống phi

tuyến với các thông số chưa xác định. Việc kết hợp giữa phương pháp Mờ- Nơron
đem lại khả năng tuyệt vời cho sự linh hoạt và học theo thao tác của con người.


xiii

Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi
tuyến.
Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của Mờ- Nơron trong việc điều khiển đối
tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển Mobile robot di đô ̣ng.

2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Việc điều khiển Mobile robot di đô ̣ng ứng dụng hệ Mờ- Nơron có ý nghĩa thực
tiễn rất lớn. Bởi vì Mobile robot di đơ ̣ng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
khác nhau, chúng buộc phải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác
định trước và thay đổi. Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và
thực hiện thao tác bất chấp sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc. Việc nâng
cao chất lượng điều khiển Robot sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng
cao năng suất và hiệu quả lao động.

3. Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu luâ ̣n văn “Điề u khiể n Mobile Robot bám mục tiêu áp dụng bộ điề u
khiể n Mờ- Nơron” là áp dụng lý thuyết mờ- nơron (ANFIS) vào điều khiển một đối
tượng thực tế
Giúp học viên hiểu rõ hơn về lý thuyết Mờ- Nơron (Fuzzy- Neural) để phục vụ
tốt cho công việc giảng dạy hiện tại và nghiên cứu sau này.

4. Nô ̣i dung công viêc̣ thư ̣c hiêṇ
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong các
vấn đề sau:

 Nghiên cứu về lý thuyết Mờ- Nơron (Fuzzy- Neural);
 Xây dựng mơ hình tốn học cho Mobile robot;
 Dùng Matlab mô phỏng kiểm nghiệm lý thuyết;
 Xây dựng mô hình thực tế;
 Lập trình điều khiển;
 Kế t quả thực nghiê ̣m.


xiv

5. Giới thiệu về đối tượng và phương pháp nghiên cứu
5.1. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu
Đối tượng:
 Mobile Robot
Yêu cầu:
 Dùng bộ điều khiển mờ- nơron điều khiển Mobile robot bám mục tiêu cụ thể
(màu sắ c).

5.2. Giới hạn đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong các
vấn đề sau:
 Xây dựng mơ hình tốn học và mơ hình thật của Mobile robot;
 Nghiên cứu xử lý ảnh trong Matlab để nhận dạng mục tiêu có hình dạng và
màu sắc cụ thể;
 Nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển mờ kết hợp với nơron để điều khiển Mobile
robot bám mục tiêu trên.

5.3. Phương pháp nghiên cứu
- Lý thuyết;
- Kiểm nghiệm thực tế.



1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT
1.1. Lich
̣ sử ra đời và phát triể n của Mobile robot
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921ở Tiệp Khắc trong tác phẩm
R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý nghĩa
người làm tạp dịch, kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi cho đế n ngày nay.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều cơng trình Robot bắt đầu phát
triể n đă ̣c biê ̣t nhằm phục vụ trong các phịng thí nghiệm.
Trong những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí, đã xuất hiện các cánh tay
thủy lực và điện từ. Cũng trong thời gian này, George C.Devol đã thiết kế một thiết
bị có tên là thiết bị vận chuyển có khớp nối được lập trình (Programmed Artculated
Transfer Device). Đây là một cánh tay máy mà hoạt động của nó có thể được lập
trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển động được xác định trong các câu lệnh
trong chương trình điề u khiể n.
Phát triển xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho
các Robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation
(My)̃ , thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm huấ n luyê ̣n cho nó
thực hiện các cơng việc khác nhau một cách tự động.
Khi robot đươ ̣c lập trình đã tạo ra sức mạnh trong sản xuất, vào năm 1960 như
một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống Robot được nâng cao đáng kể thông qua
hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó, H.A.Ernst đã cơng bố sự ra đời và phát
triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor. Đây là
sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với mơi trường.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố sự phát
triển của máy tính cùng với Camera vơ tuyến và Microphone.
Năm 1968 Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiển Robot

bằng máy tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động học và
giới hạn điều khiển về tay máy.
Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các cơng trình nghiên cứu đã tập
trung vào việc sử dụng các sensor ngoại vi để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho


2

Robot. Vào thời gian này cơng ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại Robot có các
sensor xúc giác và sensor lực trong các cu ̣m chi tiế t máy.
Một trong những lĩnh vực được nhiều phịng thí nghiệm quan tâm là Robot tự
hành, Robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các
robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80- 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc
biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot đã gia
tăng đáng kể , giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng của Robot có nhiều bước tiến vượt
bậc nhằ m tăng tiń h ca ̣nh tranh cho Robot.

1.2. Các thế hệ của Mobile robot
Kể từ khi khái niệm mobile robot ra đời, công việc thiết kế và chế tạo robot đã
trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ và chiề u hướng phát triể n khác nhau. Có 5
thế hệ Mobile robot ra đời kể từ năm 1960:

1.2.1. Thế hệ thứ nhất
Bao gồm các loại Robot hoạt động lặp lại theo một chu trình khơng thay đổi.
Chương trình điều khiển có hai dạng:
 Chương trình “cứng”, nghĩa là khơng thay đổi hoặc khơng sửa được trừ khi
thay đổi phần cứng.
 Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc thơng
qua máy tính. Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (OpenLoop Nonservo Controlled System). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin phản

hồi từ môi trường về để điều khiển robot.

1.2.2. Thế hệ thứ hai
Robot được trang bị các sensor cho phép Robot giao tiếp với mơi trường bên
ngồi. Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi năng lượng. Nó chuyển các đại
lượng khơng điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ điều khiển Robot có thể biết
được trạng thái của mơi trường xung quanh nó. Nhờ các sensor này robot có thể
chọn các phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với mơi trường


3

bên ngồi. Dạng robot với trình độ điều khiển này cịn được gọi là robot điều khiển
thích nghi cấp thấp. Đây gọi là cơ cấu điều khiển servo vịng kín (Closed- Loop
Servo Controller System).

1.2.3. Thế hệ thứ ba
Các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử
dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt.

1.2.4. Thế hệ thứ tư
Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ robot này sử
dụng các máy tính được trang bị các ngơn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ
chuẩn như Basic, C, C++..., để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc
chương trình khơng trực tuyến.

1.2.5. Thế hệ thứ năm
Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence).
Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định
khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo) để xử lý, ra những quyết

định hợp lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng nơron giúp nó có khả năng tự học,
tự xây dựng kiến thức.

1.3. Ứng du ̣ng của Mobile robot trong cuô ̣c số ng
1.3.1. Trong y học
Các ứng dụng trong chẩn đoán y khoa dựa vào các thiết bị phần cứng đa dạng
như máy chụp cắt lớp (CT- Computed Tomography), máy chụp cộng hưởng từ
(MRI- Magnetic Resonance Imaging), máy siêu âm, chụp X- quang. Ảnh chụp từ
các thiết bị trên sẽ được điều chỉnh để giúp bác sỹ xem xét dễ dàng hơn, tổng hợp.
Ngoài ra, từ tập hợp ảnh (chụp cắt lớp, chụp bởi camera tí hon) mơ hình 3D được
xây dựng và sử dụng hiệu quả trong chẩn đoán cũng như điều trị. Điển hình như hệ
thống chụp cắt lớp tối tân Brilliance ICT Scanner do công ty thiết bị y khoa Philips
phát triển năm 2007 (hình 1.1) có khả năng tạo mơ hình ảnh ba chiều tồn bộ cấu
trúc cơ thể bệnh nhân, xương khớp, cơ quan nội tạng và cả đến từng mạch máu.


4

Hình 1.1: Ảnh 3D từ hệ thống Brilliance ICT Scanner (nguồn: internet)

1.3.2. Trong công nghiệp
Trong thời đại công nghiệp hiện nay, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến
trong sản suất cũng như trong cuộc sống. Robot đã có một vị trí quan trọng khơng
thể thay thế được, nó giúp con người làm việc trong những điều kiện nguy hiểm khó
khăn và ứng dụng dùng để xác định vị trí của chi tiết so với vị trí gốc, hoă ̣c giúp cho
cánh tay Robot vươn tới đúng mục tiêu…

Hình 1.2: Hình ảnh về cánh tay Robot (nguồn: internet)
Trong các dây chuyền sản xuất, cơng nghệ cảm quan máy tính được ứng dụng
thay thế phương pháp thủ công hoặc cơ học nhằm tăng hiệu suất và chính xác.


Hình 1.3: Camera kiểm định chất lượng sản phẩm.(nguồn: machinevision.co.uk)


5

Phổ biến nhất là đo lường và kiểm định chất lượng sản phẩm: màu sắc và độ phủ
đều khi sơn vỏ xe hơi, độ cân đối và hình dáng bánh răng (hình 1.4), chất lượng in
nhãn mác…

Hình 1.4: Camera kiểm tra số hiệu in trên sản phẩm (nguồn: Omron Electronics).

1.3.3. Trong hệ thống an ninh (camera thông minh, nhận dạng)
CV có thể được tích hợp vào hệ thống camera theo dõi truyền thống, đảm nhận
vai trò theo dõi và cảnh báo, giúp giám sát viên không phải trực tiếp quan sát 24/24:
phát hiện chuyển động và cảnh báo xâm phạm, phát hiện các tình huống bất thường
dựa trên nhận dạng cử động như ẩu đả, cướp ngân hàng, nguy cơ chết đuối.
Một ứng dụng khác của CV trong lĩnh vực an ninh là nhận dạng khuôn mặt đã
phổ biến trên một số dịng máy tính xách tay.

Hình 1.5: Theo dõi khách bộ hành (nguồn:IEEE CV and P. Recognition, 2007)

1.3.4. Trong giao thông (giám sát và điề u khiể n lưu thông)
Ứng dụng phổ biến hiện nay là giám sát lưu thơng: Cảnh báo sớm tình trạng ùn
tắc, ghi nhận các trường hợp phóng nhanh lạng lách, chụp và truy xuất số xe vi
phạm để xử lí.


6


Một ứng dụng khác đang được nghiên cứu phát triển là điều khiển xe tự hành. Hệ
thống camera ghi nhận hình ảnh xung quanh khi xe di chuyển, bằng cảm quan máy
tính, định vị làn đường, phát hiện các vật cản và xe khác, nhận biết các bảng chỉ
dẫn, điều khiển lưu lươ ̣ng giao thơng.

Hình 1.6: Camera điều khiển xe tự hành SCABOR (nguồn: T.U of Cluj Napoca).

1.3.5. Trong thám hiểm khơng gian
Trong lĩnh vực khơng gian, CV có vai trò quan trọng trong việc vận hành các
robot thám hiểm. Trước hết là xây dựng mơ hình 3D của bề mặt hành tinh để hoạch
định đường đi an toàn nhất.
Trong quá trình di chuyển, robot ước lượng chuyển động của mình dựa trên sự
phân tích chuyển động của cảnh quan. Khi đã tiếp cận mục tiêu cần khảo sát, Robot
điều khiển cánh tay cơ học qua quan sát từ camera thực hiện các thao tác đào bới,
lấy mẫu đất đá, chụp ảnh chi tiết.
CV cũng được phát triển cho các robot gia đình, giúp Robot có thể xây dựng mơ
hình và định vị mình (SLAM- Simultaneous Localization and Mapping), giao tiếp
với con người qua nhận dạng cử động.

Hình 1.7: Ứng dụng cảm quan máy tính trên robot thám hiểm (nguồn: internet)


7

1.3.6. Trong quân sự

Hình 1.8: Robot tự hành trên sao hỏa (nguồn: internet)
Một ứng dụng mới trong quân sự là dùng trong các máy bay không người lái
hoặc các xe tự hành. Lúc này Mobile robot dùng để nhận biết các chướng ngại vật
trong mơi trường hay cũng có thể dùng để nhận biết những đối tượng cần giám sát

như cháy rừng. Ngồi ra Robot cịn dùng trong lĩnh vực thám hiểm không gian,
quân sự, giải tri,́ việc giám sát địch và cả trong việc chiến đấ u. Việc ứng dụng
Robot sẽ giảm bớt thương vong, nâng cao hiệu quả trong phòng vệ và chiến đấ u.

Hình 1.9: Máy bay không người lái (nguồn: internet)

1.4. Những xu hướng phát triển của Robot hiện đại
Theo dự báo trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một Robot
cá nhân như cần một máy tính PC hiện nay và Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc
cách mạng công nghệ lớn sau Internet.
Với xu thế này, cùng với các ứng dụng truyền thống khác của Robot trong công
nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phịng thì thị
trường Robot và các dịch vụ ăn theo Robot sẽ vô cùng lớn.


8

Robot tổng hợp trong nó cả khoa học và cơng nghệ. Để thiết kế và chế tạo được
Robot, ta cần có các tri thức của tốn học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều
khiển, khoa học tính tốn và nhiều tri thức khác. Để có thể ứng dụng được Robot, ta
cần biết rõ về đối tượng ứng dụng. Robot là sản phẩm tích hợp cả khoa học và cơng
nghệ với độ phức tạp cao.
Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các
công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng
ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên Robot cơng nghiệp cần
có những khả năng thích ứng linh họat và thơng minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng
dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong
y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng và
gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các Robot phát triển.

Có thể kể đến một số loại Robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay
máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng
sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Tay máy Robot
bao gồm các loại Robot công nghiệp (Industrial Robot), robot y tế (Medical Robot)
và Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation Robot). Robot di động được nghiên
cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot
tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Robot tự hành trên
không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và Robot vũ trụ (Space robots). Với Robot
phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi
(Walking Robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots). Bên cạnh đó, các loại
Robot phỏng sinh học dưới nước như Robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng
theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển.
Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được cơng bố nhiều trên các
Hội Nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore,
Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến Robot: RESCCE’98,
RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV2008, ITOMM 2009 là một chuỗi