BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
- - - - - o0o - - - - -

NGUYỄN NGÔ THANH TÂN

ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI
CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG
ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2019


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
- - - - - o0o - - - - -

NGUYỄN NGÔ THANH TÂN

ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN
THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI
THUẬT FUZZY
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 1581031017

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CBHDKH: PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN

Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2019


LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Võ Công Phương.
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Phạm Công Thành.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí
Minh ngày 07 tháng 08

năm 2019.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Đồng Văn Hướng.

Chủ tịch Hội đồng.

2. PGS.TS Võ Công Phương.

Uỷ viên phản biện 1.

3. TS. Phạm Công Thành.

Uỷ viên phản biện 2.

4. TS. Lưu Hoàng Minh.


Uỷ viên.

5. TS. Võ Nguyên Sơn.

Uỷ viên thư ký.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐTVT


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Nguyễn Ngô Thanh Tân.
Học viên lớp Cao học khoá 2016-2018. Chuyên ngành Kỹ thuật điều
khiển và Tự động hố, Trường Đại Học GiaoThơng Vận Tải Tp.HCM.
Tôi xin cam đoan luận văn “ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO DI CHUYỂN
THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT FUZZY”, với sự hướng
dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN, không trùng với bất
kỳ đề tài luận văn nào khác từ trước tới nay. Các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc xuất xứ.
Các số liệu trình bày trong luận văn đã được kiểm tra và phản ánh hoàn
toàn trung thực. Các kết quả đã được thí nghiệm và mơ phỏng trên phần mềm
Matlab cũng là kết quả đưa ra trên mơ hình thực.
Những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và
yêu cầu của thầy hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.
TP.HCM, ngày ...... tháng 1 năm 2019
Người cam đoan


Nguyễn Ngô Thanh Tân


LỜI CẢM ƠN
Em xin kính gửi đến Thầy PGS.TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN lời cảm ơn
sâu sắc, Thầy đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ giúp em hoàn thành luận văn
này.
Em xin chân thành cảm ơn đến với các thầy cô trường Đại học Giao
Thông Vận Tải TP HCM, về sự giảng dạy nhiệt tình trong suốt khóa học.
Những kiến thức q báu đó đã giúp em hồn thành luận văn và là hành trang
giúp em vững bước trong công việc sau này.
Cuối cùng, xin cảm ơn sự giúp đỡ của những bạn bè. Những năm tháng
học tập là biết bao sự gắn bó, hỗ trợ, động viên của các bạn trong việc học,
cũng như những giúp đỡ để em có thể hồn thành luận văn này.
TP.HCM, ngày ...... tháng 1 năm 2019
Người cam đoan

Nguyễn Ngô Thanh Tân

2


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
CHƯƠNG 1: ............................................................................................................13
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO ............................13
1.1

Đặt vấn đề. ....................................................................................................13


1.2

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: .................................................16

1.3

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu .................................................................19

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 19
1.3.2
1.4

Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 20

Tóm lược nội dung luận văn: ......................................................................20

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. .....................................................................22
2.1

Các khái niệm cơ bản của hệ mờ .............................................................. 22

2.2

Định nghĩa tập mờ ..................................................................................... 22

2.3

Biến ngôn ngữ của hệ mờ .......................................................................... 23


2.4

Các phép toán trên tập mờ: ........................................................................ 24

2.5

Luật hợp thành ........................................................................................... 24

2.5.1 Mệnh đề mờ: .............................................................................................. 24
2.5.2 Mệnh đề hợp thành .................................................................................... 25
2.6

Giải mờ ...................................................................................................... 26

2.6.1 Phương pháp cực đại.................................................................................. 26
2.6.2 Phương pháp trọng tâm:............................................................................. 26
2.6.3 Phương pháp trung bình: ........................................................................... 26
2.7

Điều khiển mờ: .......................................................................................... 26

2.7.1 Bộ điều khiển mờ: ...................................................................................... 27
2.7.2 Trình tự thiết kế một bộ điều khiển mờ ..................................................... 28
2.7.3 Cơ sở luật mờ, giải mờ của bộ mờ PID (theo phương pháp Mamdani) ........
.................................................................................................................... 29

3


CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO. .................................................................30
3.1

Cấu trúc phần cứng và thông số kỹ thuật của Robot Robotino. .............30

3.1.1 Tổng quát: ................................................................................................ 30
3.1.2 Khung gầm và sườn lệnh: ....................................................................... 31
3.1.3 Thiết kế và chức năng: ............................................................................ 32
3.1.4 Bánh xe: .................................................................................................... 33
3.1.5 Bộ điều khiển:........................................................................................... 36
3.1.6 Module giao tiếp I/O: ............................................................................... 37
3.1.7 Nguồn điện/ Bộ sạc. .................................................................................. 37
3.1.8 Cảm biến:.................................................................................................. 38
3.1.9 Incremental encoder: ............................................................................... 38
3.2

Mơ hình tốn.................................................................................................39

3.3

Thiết kế bộ điều khiển Mờ. .........................................................................42

3.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống. ............................................................42
3.3.2 Phương pháp điều khiển: ............................................................................44
3.3.3 Bộ điều khiển Mờ. ........................................................................................45
3.4

Khảo sát đáp ứng điều khiển của robot mô phỏng. ..................................50

3.4.1 Đáp ứng điều khiển của robot khi chưa ứng dụng giải thuật Fuzzy trong

điều khiển. ............................................................................................................. 50
3.4.1.1 Sơ đồ simulink. ................................................................................... 50
3.4.1.2 Kết quả mô phỏng. ............................................................................. 51
a. Tại vận tốc vx= 100: thời gian mô phỏng 25000ms. ................................51
b. Tại vận tốc vx=150, thời gian mô phỏng 25000ms. ................................53
c. Tại vận tốc vx=200, thời gian mô phỏng 25000ms. .................................55
d. Tại vận tốc vx=300, thời gian mô phỏng 25000ms. ................................57
3.4.2 Đáp ứng điều khiển khi ứng dụng giải thuật Fuzzy. .................................. 60
3.4.2.1 Sơ đồ simulink với 1 ngõ vào analog điều khiển ngõ ra vx: ........ 60

4


3.4.2.2 So sánh kết quả điều khiển giữa non-fuzzy tại vận tốc vx=100 và
fuzzy theo vx. ................................................................................................. 61
a. Tại vận tốc vx biến thiên từ 100-200, thời gian mô phỏng 25000ms. .....61
b. Tại vận tốc biến thiên từ 100-300, thời gian mô phỏng 25000ms. .........63
c. Tại vận tốc biến thiên từ 100-500, thời gian mô phỏng 25000ms. ..........64
3.4.2.3 Sơ đồ simulink với 1 ngõ vào analog điều khiển ngõ ra vx và w:66
3.4.2.4 So sánh đáp ứng điều khiển khi không dùng fuzzy tại vận tốc
vx=100 và khi dùng fuzzy điều khiển vx, w: ............................................... 67
a. Tại vận tốc biến thiên từ 100-300, thời gian mô phỏng 25000ms. ..........67
b. Tại vận tốc biến thiên từ 100-500, thời gian mô phỏng 25000ms. .........69
3.4.2.5 So sánh đáp ứng điều khiển khi dùng fuzzy điều khiển vx và fuzzy
điều khiển vx, w............................................................................................. 72
a. Tại vận tốc 100-500, thời gian mô phỏng 25000ms: ...............................72
3.5

Thực nghiệm mơ hình hệ thống điều khiển Robotino. .............................74


3.5.1 Xây dựng mơ hình. .......................................................................................74
3.5.2 Thực nghiệm điều khiển mơ hình Robotino bám đường băng ứng dụng
giải thuật Fuzzy. ......................................................................................................75
3.5.3 Kết quả thực nghiệm. ...................................................................................76
a. Khi chưa áp dụng giải thuật fuzzy ................................................................ 76
b. Khi áp dụng giải thuật fuzzy .......................................................................799
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ......................................................................................85
4.1

Những kết quả đạt được. .............................................................................85

4.2

Hạn chế của đề tài ........................................................................................85

4.3

Hướng phát triển của đề tài ........................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................86
PHỤ LỤC .................................................................................................................87

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt


Diễn giải

1

PID

2

Robot

Robotino

3

USB

universal serial bus

4

PC

Personal Computer

5

LAN

Local Area Network


6

HD

High Definition

7

I/O

Input/output

8

DC

Direct Current

9

VGA

10

W-LAN

Wireless local area network

11


SDRAM

Synchronous Dynamic RAM

Proportional-Integral-Drivative

Video Graphics Array

6


MỤC LỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mơ phỏng chuyển động của robotino. ................................................. 17
Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí. ........................................... 17
Hình 1.3: Bộ điều khiển mờ ................................................................................. 18

Hình 2.1: Biểu diễn của một hàm liên thuộc của tập rõ và tập mờ. ............. 23
Hình 2.2: Biểu diễn của một biến ngôn ngữ và các miền giá trị của
nó ................................................................................................................. 23
Hình 2.3: Một bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................... 27
Hình 2.4: Một bộ điều khiển mờ PID. ........................................................ 27
Hình 2.5: Cơ sở luật mờ và giải mờ của bộ mờ PID. ................................. 29
Hình 3.1: Robotino mobile robot ................................................................ 30
Hình 3.2: Vị trí ba bánh xe và các sensor ở đế Robotino ........................... 31
Hình 3.3: Khung gầm và sườn lệnh robot. ................................................. 31
Hình 3.4: Mơ tả vị trí lắp đặt bánh xe và acquy ......................................... 32
Hình 3.5: Mơ tả cầu lệnh và vị trí gắn camera. .......................................... 33
Hình 3.6: Cấu trúc bánh xe robot. .................................................................. 34

Hình 3.7: Các cổng giao tiếp trên robot. .................................................... 37

Hình 3.8: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí robot.......................... 41
Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển robortino bám quỹ đạo định trước.................. 44
Hình 3.10: Cấu trúc bộ điều khiển fuzzy trong matlab ............................... 45
Hình 3.11: Thơng số ngõ vào và đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển fuzzy
tại vận tốc 100-200...................................................................................... 46
Hình 3.12: Thơng số ngõ vào và đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển fuzzy
tại vận tốc 100-300...................................................................................... 47
Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển robot ứng dụng fuzzy theo vx ........................ 47
Hình 3.14: Thơng số kỹ thuật và ngõ ra bộ điều khiển fuzzy ...................... 48

7


Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển robot ứng dụng fuzzy theo vx,w. ................... 50
Hình 3.16: Sơ đồ điều khiển robortino bám quỹ đạo định trước. .............. 51
Hình 3.17: Mơ phỏng robot bám quỹ đạo tại vận tốc vx= 100 .................. 52
Hình 3.18: Quỹ đạo dịch chuyển của robot tại vận tốc vx= 100. ............... 52
Hình 3.19: Đồ thị theo tọa độ x tại vận tốc vx= 100. ................................. 53
Hình 3.20: Đồ thị theo tọa độ y tại vận tốc vx= 100. ................................. 53
Hình 3.21: Đồ thị theo góc phi tại vận tốc vx= 100. .................................. 53
Hình 3.22: Mơ phỏng robot bám quỹ đạo tại vận tốc vx= 150. ................. 54
Hình 3.23: Quỹ đạo dịch chuyển của robot tại vận tốc vx= 150................ 54
Hình 3.24: Đồ thị theo tọa độ x tại vận tốc vx= 150. ................................. 55
Hình 3.25: Đồ thị theo tọa độ y tại vận tốc vy= 150. ................................. 55
Hình 3.26: Đồ thị theo góc phi tại vận tốc vx= 150. .................................. 55
Hình 3.27: Mơ phỏng robot bám quỹ đạo tại vận tốc vx= 200 .................. 56
Hình 3.28: Quỹ đạo dịch chuyển của robot tại vận tốc vx= 200. ............... 56
Hình 3.29: Đồ thị theo góc phi tại vận tốc vx= 200. .................................. 57
Hình 3.30: Đồ thị theo tọa độ y tại vận tốc vy= 200 .................................. 57
Hình 3.31: Đồ thị theo góc phi tại vận tốc vx= 200. .................................. 57

Hình 3.32: Mơ phỏng hoạt động của robot tại vận tốc Vx=300 ................ 58
Hình 3.33: Quỹ đạo dịch chuyển của robot tại vận tốc vx= 300. ............... 58
Hình 3.34: Đồ thị theo tọa độ x tại vận tốc vx= 300 .................................. 59
Hình 3.35: Đồ thị theo tọa độ y tại vận tốc vy= 300 .................................. 59
Hình 3.36: Đồ thị theo góc phi tại vận tốc vx= 300. .................................. 59
Hình 3.37: Sơ đồ điều khiển robot ứng dụng fuzzy theo vx. ....................... 61
Hình 3.38: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot giữa non-fuzzy
và fuzzy tại dải vận tốc biến thiên từ 100-200. ........................................... 62
Hình 3.39: So sánh đồ thị tọa độ x của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-200. .......................................... 62

8


Hình 3.40: So sánh đồ thị tọa độ y của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-200. .......................................... 62
Hình 3.41: So sánh đồ thị góc phi của robot giữa non-fuzzy và fuzzy
điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-200..................................................... 62
Hình 3.42: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot giữa non-fuzzy
và fuzzy tại dải vận tốc biến thiên từ 100-300. ........................................... 63
Hình 3.43: So sánh đồ thị tọa độ x của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300. .......................................... 63
Hình 3.44: So sánh đồ thị tọa độ y của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300. .......................................... 64
Hình 3.45: So sánh đồ thị góc phi của robot giữa non-fuzzy và fuzzy
điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300..................................................... 64
Hình 3.46: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot giữa non-fuzzy
và fuzzy tại dải vận tốc biến thiên từ 100-500. ........................................... 64
Hình 3.47: So sánh đồ thị tọa độ x của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. .......................................... 65

Hình 3.48: So sánh đồ thị tọa độ y của robot giữa non-fuzzy và
fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. .......................................... 65
Hình 3.49: So sánh đồ thị góc phi của robot giữa non-fuzzy và fuzzy
điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500..................................................... 65
Hình 3.50: Sơ đồ điều khiển robot ứng dụng fuzzy theo vx.,w ................... 66
Hình 3.51: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot khi không dùng
fuzzy điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100300. .............................................................................................................. 67
Hình 3.52: So sánh đồ thị tọa độ x của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300. ............... 67

9


Hình 3.53: So sánh đồ thị tọa độ x của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300. ............... 68
Hình 3.54: So sánh đồ thị góc phi của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-300. ............... 68
Hình 3.55: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot khi không dùng
fuzzy điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100500. .............................................................................................................. 69
Hình 3.56: So sánh đồ thị tọa độ x của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ............... 69
Hình 3.57: So sánh đồ thị tọa độ x của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w trên cùng trục tọa độ tại dải
vận tốc 100-500. .......................................................................................... 70
Hình 3.58: So sánh đồ thị tọa độ y của robot khi không dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ............... 70
Hình 3.59: So sánh đồ thị tọa độ góc phi của robot khi dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w trên cùng trục tọa độ tại dải
vận tốc 100-500. .......................................................................................... 71
Hình 3.60: So sánh đồ thị góc phi của robot khi không dùng fuzzy

điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ............... 71
Hình 3.61: So sánh quỹ đạo dịch chuyển của robot khi dùng fuzzy
điều khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ............... 72
Hình 3.62: So sánh đồ thị tọa độ x của robot khi dùng fuzzy điều
khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ....................... 72
Hình 3.63: So sánh đồ thị tọa độ y của robot khi dùng fuzzy điều
khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ....................... 73
Hình 3.64: So sánh đồ thị góc phi của robot khi dùng fuzzy điều
khiển vx và fuzzy điều khiển vx, w tại dải vận tốc 100-500. ....................... 73

10


Hình 3.65: Bản vẽ quỹ đạo thực tế robot di chuyển. .................................. 74
Hình3.66: Mơ hình quỹ đạo thực tế robot di chuyển. ................................. 74
Hình 3.67: Thực nghiệm robot trên mơ hình thực tế .................................. 75
Hình 3.68: Quỹ đạo thực nghiệm robot trên mơ hình thực tế tai vận
tốc 50mm/s................................................................................................... 76
Hình 3.69: Quỹ đạo thực nghiệm robot trên mơ hình thực tế tai vận
tốc 100-500.................................................................................................. 76
Hình 3.69: Đồ thị tọa độ x của robot tại vận tốc 50mm/s ................................... 76
Hình 3.70: Đồ thị tọa độ y của robot tại vận tốc 50mm/s. .................................. 76

Hình 3.71: Đồ thị góc phi của robot tại vận tốc 50mm/s. .......................... 77
Hình 3.72: Quỹ đạo thực nghiệm robot trên mơ hình thực tế tại vận
tốc 100mm/s................................................................................................. 77
Hình 3.73: Đồ thị tọa độ x của robot tại vận tốc 100mm/s. ........................ 77
Hình 3.74: Đồ thị tọa độ y của robot tại vận tốc 100mm/s. ........................ 77
Hình 3.75: Đồ thị góc phi của robot tại vận tốc 100mm/s. ......................... 78
Hình 3.76: Quỹ đạo thực nghiệm robot trên mơ hình thực tế tại vận tốc (100300) mm/s. .................................................................................................... 79

Hình 3.77: Đồ thị tọa độ y của robot tại vận tốc (100-300) mm/s. ...................... 79
Hình 3.78: Đồ thị tọa độ y của robot tại vận tốc (100-300) mm/s. ...................... 80
Hình 3.79: Đồ thị góc phi của robot tại vận tốc (100-300) mm/s. ....................... 80

11


MỤC LỤC CÁC BẢNG
Bảng 3 1 Hiệu suất của động cơ robot. ........................................................ 36
Bảng 3 2 : Thông số kỹ thuật bộ phận bánh răng......................................... 36
Bảng 3 3 : Thông số kỹ thuật con lăn đa hướng. .......................................... 37
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của cảm biến điện cảm SIEA-M12B-UI-S. ..... 44

12


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN ROBOTINO
1.1

Đặt vấn đề.
Hiện nay, cùng với sự phát triển về khoa học công nghệ, lĩnh vực tự

động hóa có vai trị vơ cùng to lớn đối với sự phát triển tích cực của xã hội.
Với nhiệm vụ tăng năng suất, tăng độ chính xác của sản phẩm, đồng thời,
giảm thiểu các hoạt động của con người trong những môi trường độc hại hoặc
khắc nghiệt, robot ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống dây
chuyền sản xuất hiện đại ở nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp để thay thế
con người. Robot cũng đóng vai trị ngày càng quan trọng trong cuộc sống

hàng ngày. Vì vậy, điều quan trọng đối với sinh viên ngành Cơ điện tử và Tự
động hóa là cần tìm hiểu và nắm rõ làm cách nào để thiết kế và lập trình một
robot.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này hướng đến là Robotino. Robotino
là một hệ thống robot di động rất nổi tiếng dành cho phạm vi nghiên cứu thực
nghiệm, giáo dục và các mục đích nghiên cứu khác, được chế tạo và phát triển
bởi Festo Didactic. Robotino tích hợp tất cả những chức năng tương tự một hệ
thống robot công nghiệp, hiện đại. Bộ điều khiển với cấu hình mạnh mẽ; hệ
thống cảm biến đa chức năng; cơ cấu chấp hành linh hoạt, cứng cáp, nhỏ gọn;
chương trình đơn gián, đa dạng, dễ sử dụng với nhiều ngơn ngữ lập trình và
hệ thống khác nhau.

13


Thơng qua mạng wireless LAN, Robotino có thể xuất tất cả các tín hiệu
cảm biến đến các PC ngoại vi. Ngược lại, người sử dụng cũng có thế thiết lập
tín hiệu điều khiển robot từ bất kỳ PC nào có kết nối wireless với thiết bị.
Bằng cách này, các chương trình điều khiển có thể được thiết lập trên
PC bên ngồi hoặc trực tiếp trên Robotino. Robotino cũng có thể dễ dàng lập
trình trong chương trình riêng RobotinoView II. Bên cạnh đó, giao diện lập
trình ứng dụng (API) của Robotino cho phép lập trình trên nhiều ngơn ngữ và
hệ thống: C, C++, Java, .NET, Matlab, Simulink, Labview, ROS SmartSoft
và Microsoft Robotics Developer studio.
Ngày nay, Robotino được ứng dụng vào mục đích thực nghiệm thực
tiễn rộng rãi, giúp người nghiên cứu thiết kế, lập trình, mơ phỏng các ứng
dụng thực tế theo các yêu cầu công nghệ khác nhau, bởi nhiều ưu điểm nổi
bật như sau.
 Bộ điều khiển mạnh mẽ với nhiều tính năng:
Robotino hoạt động dựa trên một bộ truyền động đa hướng, cho phép

robot tự do di chuyển theo mọi hướng. Trung tâm điều khiển là một hệ thống
máy tính (PC) cơng nghiệp tiêu chuẩn, cấu hình mạnh mẽ giúp việc thiết lập
lộ trình di chuyển của robot một cách linh hoạt.
 Hoạt động linh hoạt:
Robotino được cấu hình dựa trên bộ truyền động đẳng hướng bao gồm
3 bánh xe Mecanum , tất cả đều có thể điều khiển độc lập. Những bánh xe này
được sắp xếp ở góc 120 độ, giúp robot có thể di chuyển rất nhanh về phía
trước, chạy ngược về phía sau, chạy ngang hoặc di chuyển theo vòng tròn với
tốc độ tối đa lên đến 10km/h. Thời gian hoạt động lên đến 4 giờ nhờ bộ pin
đôi 12V/9Ah NiMH.

14


 Thông minh:
Phần đế của thiết bị được lắp 9 cảm biến khoảng cách hồng ngoại, một
cảm biến điện cảm với tín hiệu đầu ra analog và 2 cảm biến quang được tích
hợp sẵn, cho phép các Robotino có thể xác định vị trí và đi theo tín hiệu
đường dẫn một cách dễ dàng. Thiết bị còn được bổ sung 1 camera màu với độ
phân giải 1080p full HD, encoder bánh xe quang, các động cơ truyền động,
bộ đo năng lượng cho toàn bộ hệ thống cũng như bộ kiểm sốt điện áp pin.
Hơn nữa, tùy mục đích sử dụng, Robotino cịn có thể được trang bị một máy
qt laser chính xác, một con quay hồi chuyển và một hệ thống định vị trong
nhà.
Với nhiều cổng giao tiếp khác nhau, giúp Robotino dàng kết nốì với
các thiết bị ngoại vi một cách dễ dàng: USB, Ethernet, 8 tín hiệu input số và
analog, 8 tín hiệu output số, tín hiệu output của động cơ sử dụng cho những
ứng dụng tải nặng (tùy chọn), tín hiệu input cho encoder
Các quốc gia trên thế giới vẫn đang đầu tư vật chất và trí tuệ cho việc
nghiên cứu sáng chế và điều khiển robot thơng minh. Tuy nhiên, những khó

khăn về tài chính, cơng nghệ luôn là thách thức cho các nhà nghiên cứu. Bên
cạnh đó, các nhà nguyên cứu cũng chưa áp dụng nhiều giải thuật của Matlab
vào để điều khiển các robot thơng minh.
Và ở Việt Nam, cũng chưa có nhiều đề tài nguyên cứu về các giải thuật
điều khiển robot thông minh.
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và cũng như tính cấp thiết của nó,
nên học viên quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài: “ĐIỀU KHIỂN
ROBOTINO DI CHUYỂN THEO ĐƯỜNG BĂNG ỨNG DỤNG GIẢI
THUẬT FUZZY”. Trên cơ sở lý thuyết về hệ Fuzzy, học viên sẽ áp dụng vào
điều khiển cho Robotino bám theo đường băng định sẵn, dựa trên một số tiêu
chuẩn kỹ thuật cho trước.

15


1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu:
Điều khiển robot luôn là một lĩnh vực thu hút được rất nhiều sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu. Trong đó, điều khiển robot bám theo một quỹ
đạo là một trong những bài tốn thường gặp và nó đã được giải quyết bằng
nhiều phương pháp điều khiển khác nhau trong đó đáng chú ý là các nghiên
cứu sau:
“On Computing Robust Controllers for Mobile Robot Trajectory
Calculus”, Radu Bogdan Rusu and Marius Borodi; Robotics Research Group,
Faculty of Automation and Computer Science, Technical University of ClujNapoca Baritiu Str. no 26-28, Cluj-Napoca, Romania.
Bài báo này trình bày vấn đề về bộ điều khiển linh hoạt cho việc tính
tốn quỹ đạo của Mobile Robot sử dụng các phương trình nổi tiếng của
Lyapunov. Mơ hình động học và động lực học của Mobile robot di chuyển
bằng 2 bánh đã được chỉ ra. Luật điều khiển đã được thực hiện nhờ phương
trình Lyapunov để ổn định trong quá trình di chuyển từ điểm xuất phát tới
điểm đích đạt quỹ đạo tối ưu.

“Path Tracking Control of a Mobile Robot using Fuzzy Logic”,
Department of Mechatronics Engineering, University of Philadelphia, Jordan.
Mohammed Rabeea Hashim Al-Dahhan, Dr. Mohammad M. Ali, 2016 13th
International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices.

16


Hình 1-1: Mơ phỏng chuyển động của robotino.

Tác giả đã sử dụng lý thuyết hệ mờ để điều khiển robotino di chuyển tự
tính tốn khoảng cách để tìm đến vị trí mong muốn như hình vẽ. Hạn chế của
đề tài là vật cản tĩnh.
“Position Control of Robotino Mobile Robot Using Fuzzy Logic”, S. E.
Oltean, M. Duläu, R. Puskas, 2010 IEEE International Conference on
Automation, Quality and Testing, Robotics (AQTR).

Hình 1-2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí.

17


Hình 1-3: Bộ điều khiển mờ

Việc kiểm sốt vị trí của robot di động được thử nghiệm bằng cách sử
dụng giải thuật logic mờ dựa nền tảng Festo Robotino và môi trường Matlab.
Thông tin trạng thái chuyển động của robot có được thơng qua các cảm
biến. Bộ mã hóa trục quang và thuật toán cố định được sử dụng để ước tính vị
trí hiện tại.
Từ các nghiên cứu nêu trên, học viên có một số nhận xét như sau:

- Một là, khi điều khiển robot di chuyển bám theo quỹ đạo, vận tốc
di chuyển của robot sẽ ảnh hưởng đến việc bám sát quỹ đạo định
trước do quỹ đạo có những lúc là đường thẳng, có những lúc là
khúc quanh. Muốn robot bám sát quỹ đạo với sai số nhỏ nhất,

18


phải chọn vận tốc tại khúc quanh để robot bám sát quỹ đạo với
sai số nhỏ nhất là vận tốc khơng đổi trong suốt q trình di
chuyển, điều này ảnh hưởng đến tốc độ làm việc của robot.
- Bộ điều khiển mờ cho phép sử dụng phương pháp phỏng đốn
(mơ hình hóa cách thức con người kiểm sốt các q trình) thơng
qua việc sử dụng bảng quy tắc. Các thuật toán trong thiết kế bộ
điều khiển mờ tỏ ra rất hữu ích. Bộ điều khiển mờ có sai số ngõ
vào góc định hướng và sai số khoảng cách, khi xuất ra vận tốc
tuyến tính của robot trong mặt phẳng tọa độ hệ thống được
chuyển đổi bởi modul Omni sang vận tốc bánh xe.
Với những nhận định như trên, học viên quyết định chọn giải pháp sử
dụng giải thuật mờ để điều khiển robot để tối ưu vận tốc của robot khi di
chuyển bám theo quỹ đạo không định trước.
1.3

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu.
 Nghiên cứu và trình bày được lý thuyết hệ Fuzzy.
 Điều khiển Robotino di chuyển bám theo đường băng có quỹ đạo
không định trước.
 Thiết kế bộ điều khiển hệ Fuzzy điều khiển Robotino di chuyển

bám theo đường băng có quỹ đạo không định trước.
 Mô phỏng được kết quả điều khiển robot Robotino sử dụng bộ
điều khiển theo phương án đã được thiết kế.
 Vẽ lại quỹ đạo robot đã di chuyển.
 Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển Robotino di chuyển theo
đường băng có quỹ đạo khơng định trước và ứng dụng điều khiển
được trên mơ hình thực.

19


1.3.2 Phạm vi nghiên cứu.
 Lý thuyết điều khiển Fuzzy (Mờ).
 Tìm hiểu nguyên lý vận hành và điều khiển Robotino.
 Xây dựng thuật toán điều khiển Robotino di chuyển theo đường
băng có quỹ đạo khơng định trước.
 Vận dụng lý thuyết điều khiển Fuzzy giải quyết bài toán thiết kế
bộ điều khiển cho Robotino.
 Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống điều khiển Robotino di
chuyển theo đường băng.
+Mô hình.
+Bộ điều khiển.
 Xây dựng sơ đồ và mơ phỏng được hệ thống điều khiển bằng
phần mềm Matlab Simulink và phần mềm Robotino Sim Demo.
 Phân tích, đánh giá được kết quả điều khiển thông qua mô
phỏng.
 Điều khiển mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển Robotino
di chuyển theo đường băng.
1.4


Tóm lược nội dung luận văn:
Luận văn sẽ bao gồm những nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan, đặt vấn đề cũng như mục tiêu và phạm vi nghiên

cứu của luận văn.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết ổn định của Fuzzy.
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển và thiết kế mơ hình điều khiển
robotino bám đường băng theo quỹ đạo. Kết quả mô phỏng thu được bởi các
vận tốc khác nhau dành cho Robotino, đồng thời xây dựng mơ hình thực

20


nghiệm và ứng dụng kết quả nghiên cứu để điều khiển trên mơ hình thực.
Đánh giá kết quả điều khiển thực với kết quả mô phỏng.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Những kết quả đạt được
và những giới hạn của đề tài, làm cơ sở cho các đề xuất về hướng phát triển.

21


CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
Khái niệm về Logic mờ đầu tiên được đưa ra bởi L.A Zadeh, một giáo sư
thuộc trường Đại học Berkeley - Mỹ. Các bộ điều khiển mờ, với ưu điểm là
không cần biết rõ hàm truyền của đối tượng, rất hữu dụng khi điều khiển các
đối tượng phức tạp. Vì vậy, ngày nay kỹ thuật điều khiển mờ đang dần được
áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật.
2.1


Các khái niệm cơ bản của hệ mờ
Một hệ mờ là một tập hợp các quy luật được diễn đạt dưới dạng sau:
“If …..Then……”
Chính các quy luật có dạng trên là tập hợp các tri thức của người thiết

kế điều khiển. Do vậy việc thiết kế một hệ mờ để điều khiển một đối tượng
đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm của người thiết kế, cũng như phải mất nhiều
thời gian trong việc thử sai, chỉnh định lại thông số điều khiển.
2.2

Định nghĩa tập mờ
Tập rõ có thể hiểu là một tập hợp A chứa n phần tử mà ứng với mỗi

phần tử x ta xác định được một giá trị y=A(x). Hàm liên thuộc của tập rõ
chỉ có hai giá trị 0 và 1. [1]
Tập mờ A xác định trên một tập kinh điển B là một tập hợp mà mỗi
phần tử của nó là một cặp giá trí có dạng (x,  A(x)), trong đó x  X và ,  A(x)
là một ánh xạ: A(x): B  [0 1]. Ta gọi A(x) là hàm thuộc, và hàm thuộc là
một số thực có giá trị trong khoản [0 1].

22