06 tran van hung 3597

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2017 THÔNG BÁO KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT BA BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU PID CONTROL OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT BASED ON PID CONTROLLER Trần Văn Hùng1, Nguyễn Văn Hân1 Ngày nhận bài: 15/10/2016; Ngày phản biện thông qua: 28/3/2017; Ngày duyệt đăng: 25/9/2017 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu Robot ba bánh (Omnidirectional Mobile Robot-OMR) sử dụng thuật toán PID để điều khiển OMR chạy theo quỹ đạo cho trước cho sai số không Thuật toán PID sử dụng PWM điều khiển tốc độ động điều khiển quỹ đạo OMR để sai số nhỏ mà dao động hệ thống giới hạn Thuật toán kiểm chứng qua số thực nghiệm để đánh giá tính hiệu quả, ổn định thuật tốn kết hợp điều khiển hai đối tượng lúc Từ khóa: Robot bánh (OMR), PID ABSTRACT The paper demonstrates an Omnidirectional Mobile Robot (OMR), which is based on PID controller The purpose is to control the OMR such that the tracking errors converge to zero PID controller is applied to tune the PMW signal of the motor revolution, and correct path deviation issues encountered when the robot is moving The effectiveness of the proposed approach was verified through several tracking experiments, which demonstrate the feasibility of a PID controller path tracker as well as the control of motor DC speed Keywords: Omnidirectional Mobile Robot (OMR), PID I ĐẶT VẤN ĐỀ OMR di chuyển theo phương mà không cần quay đầu Các mơ hình điều khiển OMR số nhà nghiên cứu đưa thời gian gần Mơ hình động lực học điều khiển theo quỹ đạo đưa ra, coi OMR giống tập hợp ba động [4] Huang Tsai sử dụng Field Programmable Gate Array (FPGA) làm điều khiển Họ sử dụng FPGA để thực nghiệm, điều khiển thích nghi bền vững để giải động lực học cho OMR [5] Sai số di chuyển OMR phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang 36 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG như: rung động cơ, nguồn, trọng lượng OMR, bánh xe, mặt phẳng di chuyển; điều khơng thể bỏ qua Meng Chiu sử dụng thuật toán mờ cho encoder để giải vấn đề dao động theo quỹ đạo thẳng [3] Bộ điều khiển Proportional-Integral-Derivative (PID) cho động thường sử dụng cơng nghiệp chúng đơn giản, dễ sử dụng đủ chức [1] Tốc độ điều chỉnh cách thay đổi độ rộng xung (PWM) dựa vào xung phản hồi động quay.Trong báo này, vị trí OMR điều khiển thuật toán PID dựa vào Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản phản hồi từ động Bên cạnh đó, tốc độ ba bánh OMR điều khiển xác dựa vào thuật toán PID II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Robot ba bánh Số 3/2017 - Xác định yêu cầu kỹ thuật OMR - Tính tốn giá trị đầu vào ra, từ thiết kế sơ OMR - Xây dựng phương án chế tạo OMR - Thử nghiệm, kiểm tra hoàn chỉnh III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng dựa tính tốn lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, chủ yếu vào phép “Trial and error” có định hướng Trong nghiên cứu cần chạy thử kiểm tra OMR để tìm tham số thuật toán PID tối ưu Bước tìm tham số PID cho điều khiển tốc độ, bước hai tìm tham số cho điều khiển vị trí cuối kết hợp để tham số tối ưu cho OMR Qui trình nghiên cứu, chế tạo OMR theo bước sau: Thiết kế phần cứng Hệ thống xây dựng dựa vào vi điều khiển Atmega cung cấp hiệu cao giá thành thấp mà cịn có tính tích hợp ADC, PWM, UART, EI,… để giảm tối đa thiết bị phụ trợ kèm Thêm vào đó, thuật tốn Atmega dễ dàng cài đặt nhờ vào ngôn ngữ lập trình C C++ nhúng assembly OMR mơ tả hình Tổng khối lượng khoảng 5kg Khung OMR làm từ mica nối, đặt ba động tạo thành góc 1200 Hình Mơ hình thực nghiệm Sơ đồ hệ thống Hình Các thiết bị ngoại vi bao gồm: ba điều khiển động (LMD18200), động DC (GA37 V1) enconder (11PPR) Giao tiếp điều khiển với máy tính thơng qua cổng UART wireless để việc điều khiển lấy liệu dễ dàng Thời gian cho chu kỳ thuật toán 10ms, sử dụng timer để định thời gian cho hệ thống Thêm vào đó, điều khiển PWM đạt hiệu cao mà đơn giản điều khiển tốc độ động Bằng việc sử dụng cầu H, điều khiển điều khiển vị trí, tốc độ dựa vào phản hồi tốc độ từ encoder gắn ba động TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2017 Cầu LMD18200 kết nối vào điều khiển qua hai chân Dir (chiều quay) PWM (tốc độ) Bộ điều chế tín hiệu PWM cài đặt vi điều khiển Atmega8 Bằng cách sử dụng tích hợp sẵn PWM, PWM tự động xuất PWM mà không tốn thời gian xử lý Atmega8 tạo tín hiệu PWM Trong OMR này, điều khiển động bao gồm: Atmega8, cầu H (LMD18200) encoder Hình Kiến trúc hệ thống điều khiển Để tối ưu tốc độ đường truyền OMR OMR byte 15 byte khung truyền từ OMR máy tính, hai loại khung truyền sử dụng: lên máy tính Byte lệnh đóng vai trị câu khung truyền từ máy tính (Bảng 1) khung lệnh, tên loại liệu byte truyền từ OMR (Bảng 2) Máy tính truyền xuống liệu thơng tin cho câu lệnh Bảng Khung liệu từ máy tính xuống OMR Lệnh (CMD) Dữ liệu (Data (0÷1)) Kiểm lỗi (Checksum) No.B byte Giá trị 240÷255 0÷52899 byte0 = value/230; byte1 = value%230; 0÷15 cs = cmd ^ data0 ^ data1 ^ cs; cs = (cs & 0x0F) ^ (cs>>4); Bảng Khung liệu từ OMR lên máy tính Lệnh (CMD) Dữ liệu (Data (0÷1)) Kiểm lỗi (Checksum) Kết thúc No.B 6x2 1 Giá trị 240÷255 0÷52899 byte0(Di)=value/230; byte1(Di)=value%230; 0÷15 cs = cmd^data0^data1^cs; cs = (cs&0x0F)^(cs>>4); 255 Giao thức kết nối theo kiến trúc chủ/tớ, chủ yêu cầu liệu từ tớ thông qua câu lệnh Máy tính chủ, OMR tớ Máy tính đơi đưa lệnh thực trực tiếp cho OMR Máy tính khởi tạo chu trình hoạt động thông qua loại câu lệnh gửi xuống OMR Khi nhận 38 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG câu lệnh, OMR phân tích xử lý để đưa hành động với kịch Có ba encoder tương đối lắp OMR ba động ba động lắp vào khung OMR tạo với góc 1200 Phương pháp đơn giản đo tốc độ động đo tần số Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2017 encoder gắn đuôi động Tuy nhiên sai số lượng tử phép đo cao tốc độ thấp phụ thuộc vào số xung encoder trả vòng quay thời gian lấy mẫu Thời gian lấy mẫu tăng tốc độ đáp ứng hệ thống thấp Một phương pháp khác đo độ rộng xung trả từ encoder, tốc độ động cao, sai số lượng tử đo lớn Bằng việc kết hợp hai phương pháp tần số độ rộng xung, lỗi giảm lớn [7], [9] Ý tưởng phương pháp trình bày hình Tốc độ động tính dựa vào khoảng thời gian (CountT) số xung đơn vị thời gian (∆N) (1) Hình Đo tốc độ động Lỗi phương pháp tính theo công thức sau: (2) Hệ số lỗi phép đo nhỏ so với hai phương pháp đo tần số độ rộng xung cho tồn giải vận tốc Nói cách khác lỗi phương pháp kết hợp không phụ thuộc vào vận tốc, mà phụ thuộc vào độ xác encoder tính tốn vận tốc từ encoder Điều khiển tốc độ động Bộ điều khiển PID (Proportional-IntegralDerivative) sử dụng nhiều hệ tham số tỉ lệ, tích Với , phân vi phân tương ứng Trong nghiên cứu này, thuật toán PID đơn giản [2] mà dựa đáo ứng hệ thống sử dụng để xác định hệ số điều khiển Phương pháp cung cấp cách thức điều chỉnh dựa tỉ lệ để giảm tối thiểu lỗi vọt lố Giá trị đầu động định nghĩa sau: (4) Điều khiển vị trí OMR 3.1 Phương trình động học Phương trình động học viết sau (Huang and Hung June 2013) thống công nghiệp tính đơn giản, sử dụng (5) tham số cài đặt Bộ điều khiển PID có khả loại bỏ trạng thái ổn định lỗi dựa vào tích phân dự đốn giá trị đầu dựa vào thay đổi đầu vào hệ thống có thay đổi đột ngột Hầu hết thuật điều khiển PID điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols, mà dựa thông số thu từ đáp ứng hệ thống Phương trình tổng quát thuật toán [8] là: (3) Với: θ θ θ θ θ π π θ θ π (6) π : Vận tốc góc bánh thứ i : Góc quay OMR : Bán kính bánh xe : Vị trí OMR TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 39 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2017 hệ tọa độ OMR ta tính tốn : Bán kính thân OMR : giá trị đầu tương ứng Ma trận không suy biến với θ ε R Vì ma trận M (θ) nghịch đảo θ θ θ θ π π θ θ (10) Để điều khiển OMR, giải thuật viết lại sau: π (7) π (11) Với u vecter điện áp động cơ, hăng số đưa Thuật toán cập nhật cho sau (12) Với số 3.3 Kết thực nghiệm Thực nghiệm đưa phần nhằm kiểm tra lại phần thiết kế Một số thông số hệ thống thực nghiệm này: Hình Hệ tọa độ 3.2 Giải thuật điều khiển cho OMR Mục đích điều khiển điều khiển điện áp động thông qua PWM cho lỗi khơng Để đạt đích báo đưa giải thuật sau Vector lỗi định nghĩa sau: (8) Và tổng vetor lỗi là: Tham số giải thuật điều khiển: Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols để xác định hệ số ta được: Quỹ đạo mong muốn hình trịn biểu diễn Hình theo công thức: (9) (13) số Với Bộ điều PID (Proportional Integral Derivative) trình bày Hình Với giá trị khởi tạo ban đầu: (14) Lỗi vị trí nhanh trở khơng sau 1,5 giây, thấy rõ Hình Vector vị trí bám theo quỹ đạo tham chiếu với độ xác cao Hình Nói cách khác, giá trị điều khiển PID lớn đạt giá trị cực trị ±12V Kết thực nghiệm lần Hình Hệ thống điều khiển PID chứng minh tính đắn thuật tốn để Bộ điều khiển PID tính toán cho giá trị điều khiển Ứng với giá trị điều khiển OMR theo quỹ đạo giá trị 40 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG điện áp điều khiển phù hợp Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2017 Hình Lỗi theo thời gian (giây) quỹ đạo di chuyển OMR(m) OMR di chuyển xác theo quỹ đạo đường tròn mà vận tốc gia tốc ba bánh thay đổi Bộ điều khiển PID điều khiển điện áp ba động dựa vào phản hồi encoder giúp động đạt vận tốc thiết lập với thời gian ngắn độ vọt lố Bên cạnh điều khiển PID giúp Robot di chuyển quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ họat động khơng bị rung lắc Như vậy, tính khả thi hiệu thuật toán kiểm chứng qua thực nghiệm thiết bị thực IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong nghiên cứu này, OMR sử dụng để di chuyển theo quỹ đạo mà hướng di chuyển thay đổi OMR khẳng định khả linh hoạt di chuyển với quỹ đạo đường tròn mà luân thay đổi vận tốc gia tốc ba bánh Giải thuật kiểm chứng qua chế độ di chuyển khác có khả điều khiển tốc độ động theo tốc độ thiết lập dựa vào encoder kết hợp với thuật tốn PID Bên cạnh đó, OMR tự động theo quỹ đạo di chuyển thông qua thuật toán cài đặt Thực nghiệm OMR kiểm chứng tính đắn hiệu thiết kế thuật tốn OMR có khả di chuyển linh động, quỹ đạo Để tăng tính khả thi vào thực tế OMR, cánh tay Robot đặt OMR hướng nghiên cứu tác giả TÀI LIỆU THAM KHẢO Ang, K.H., G Chong, and Y Li, PID control system analysis, design and technology IEEE Transactions on Control Systems Technology, July 2005 13(4): p 559 - 576 Basilio, J.C and S.R Matos, Design of PI and PID controllers with transient performance specification IEEE Transactions on Education, Nov 2002 45(4): p 364 - 370 Chiu, C.-S and K.-Y Lian, Hybrid Fuzzy Model-Based Control of Nonholonomic Systems: A Unified Viewpoint IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS, Feb 2008 16: p 85 - 96 Hung, N., et al., Tracking Controller Design of Omnidirectional Mobile Manipulator System In Proceedings of the 2009 ICROS-SICE International Joint Conference, 2009: p 539 - 544 Huang, H.-C and C.-C Tsai, FPGA Implementation of an Embedded Robust Adaptive Controller for Autonomous Omnidirectional Mobile Platform IEEE Transactions on Industrial Electronics, May 2009 56(5): p 1604 - 1616 Huang, J.-T and T.V Hung, Singularity-Free Adaptive Control for Uncertain Omnidirectional Mobile Robots Control Conference (ASCC), 2013 9th Asian, June 2013: p 1-5 Kavanagh, R.C., Improved Digital Tachometer With Reduced Sensitivity to Sensor Nonideality IEEE Transactions on Industrial Electronics, August 2000 47 Murphree, J., B Brzezinski, and J.K Parker, Using a fixed-point digital signal processor as a PID controller Proceedings of the 2002 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition 2002: p 1–8 Petrella, R and M Tursini, An Embedded System for Position and Speed Measurement Adopting Incremental Encoders IEEE Transactions on Industry Applications, 2008 44: p 1436-1444 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 41 ... truyền OMR OMR byte 15 byte khung truyền từ OMR máy tính, hai loại khung truyền sử dụng: lên máy tính Byte lệnh đóng vai trị câu khung truyền từ máy tính (Bảng 1) khung lệnh, tên loại liệu byte... technology IEEE Transactions on Control Systems Technology, July 2005 13(4): p 559 - 576 Basilio, J.C and S.R Matos, Design of PI and PID controllers with transient performance specification IEEE Transactions... OMR Khi nhận 38 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG câu lệnh, OMR phân tích xử lý để đưa hành động với kịch Có ba encoder tương đối lắp OMR ba động ba động lắp vào khung OMR tạo với góc 1200 Phương pháp