1. Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CARLIKE ROBOT 2. Lý do chọn đề tài Ngày nay, kinh tế ngày càng phát triển kèm theo đó là sự phát triển của ngành logictic. Yêu cầu được đặt ra là nâng cao năng suất, cải thiện được chi phí vận chuyển và tăng tính an toàn trong công việc. Dựa trên những yêu cầu trên và các kiến thức đã học chúng em đã lựa chọn đề tài Thiết Kế Chế Tạo CARLIKE ROBOT để tiến hành nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiêp. 3. Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu Chương 1: Thiết lập phương trình động học rô bốt Carlike Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian Chương 3: Chế tạo thực nghiệm 4. Tài liệu tham khảo dự kiến
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Hà Nội, ngày…… tháng…….năm 2023 ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên Mã sinh viên: Lớp: Khóa: 2018-2023 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành: Tự động hóa điều khiển thiết bị điện cơng nghiệp Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CAR-LIKE ROBOT Lý chọn đề tài Ngày nay, kinh tế ngày phát triển kèm theo phát triển ngành logictic Yêu cầu đặt nâng cao suất, cải thiện chi phí vận chuyển tăng tính an tồn cơng việc Dựa yêu cầu kiến thức học chúng em lựa chọn đề tài Thiết Kế Chế Tạo CAR-LIKE ROBOT để tiến hành nghiên cứu thực đồ án tốt nghiêp Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu Chương 1: Thiết lập phương trình động học rô bốt Car-like Chương 2: Thiết kế điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian Chương 3: Chế tạo thực nghiệm Tài liệu tham khảo dự kiến Các tạp chí, báo cáo khoa học liên quan đến điều khiển chế tạo Robot Ngày giao đề tài: Ngày 04 tháng 09 năm 2022 Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023 Phụ Trách Khoa Giảng viên hướng dẫn III Nhận xét tinh thần thái độ làm việc sinh viên Với kết nghiên cứu tinh thần làm việc sinh viên: sau thời gian làm đồ án, người hướng dẫn có số nhận xét sau: + Có khả đọc tài liệu, tìm tài liệu tìm hiểu vấn đề + Có kỹ thiết kế lập trình tốt + Có khả làm việc độc lập làm việc nhóm + Có đam mê, khám phá tìm tịi mong muốn tìm hiểu lĩnh vực rô bốt IV Đề nghị Được báo cáo: Không báo cáo: Hà Nội, ngày….tháng…năm 2023 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU Chương THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC RƠBỐT CAR-LIKE .3 1.1 MÔ TẢ CƠ CẤU RÔBỐT .3 1.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC 1.3 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC 1.3.1 Bài toán động học thuận 1.3.2 Bài toán động học ngược 1.4 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG BẰNG ĐƯỜNG CONG NURBS 1.4.1 Định nghĩa .5 1.4.2 Đường cong hàm NURBS 1.4.3 Đạo hàm đường cong NURBS 10 1.4.4 Các ví dụ áp dụng 11 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18 Chương 19 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 19 2.1 MƠ HÌNH HĨA PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC .19 2.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THAM SỐ BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN .20 2.3 XÂY DỰNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 23 2.3.1 Thiết lập liệu đầu vào 23 2.3.2 Cài đặt hệ số tham số , , 23 2.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 Chương 28 CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM 28 3.1 MÔ TẢ CẤU TRÚC CỦA RÔBỐT .28 3.2 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ROS 30 3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN 30 3.4 CẤU TRÚC DẪN ĐỘNG .31 3.5 KẾT CẤU CỤM ĐÁNH LÁI .33 3.6 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 33 3.7 CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM 45 3.8 THỰC NGHIỆM THỬ NGHIỆM 47 3.8.1 Nội dung thí nghiệm .47 3.8.2 Khảo sát chuyển động rôbốt vận tốc khác 52 KẾT LUẬN CHƯƠNG 55 KẾT LUẬN CỦA ĐỒ ÁN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Nội dung Trang Sơ đồ động học robốt tự hành chuyển động hệ tọa độ cố định Đường cong NURBS với n+1=5, k=3, vector nút mở = = Đường cong NURBS với , k=4, vecto nút mở = = Đường cong NURBS với n+1=5, k=3, véc tơ nút mở = = Đường cong NURBS với n+1=5, k=4, véc tơ nút mở Hình 1.5 = = 10 Hình 1.6 Quỹ đạo thiết kế cho xe tự hành 15 Hình 1.7 Quỹ đạo Rôbốt sau sử dụng đường cong NURBS 15 Hình 1.8 Vận tốc góc bánh xe robot di chuyển theo quỹ đạo đường 16 Hình 1.9 Bán kính tâm xoay đường di chuyển robot 16 Hình 1.10 Tốc độ biến đổi hướng robot 17 Hình 2.1 Mơ hình sai số động học Rơ bốt 19 Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển động học PID với hệ số điều khiển biến đổi robot tự hành AGV chuyển ộng theo quỹ đạo đường cong NURBS 21 Hình 2.3 Quỹ đạo chuyển động đường cong NURBS rôbốt với (a) Quỹ đạo chuyển động mong muốn (b) Bán kính cong quỹ đạo chuyển động 22 Hình 2.4 Các tham số điều khiển Kp, Ki Kd điều khiển PID 24 Hình 2.5 Quỹ đạo chuyển động rơbốt tự hành AGV 25 Hình 2.6 Sai số vị trí hướng quay rơbốt 26 Hình 2.7 Vận tốc VG vận tốc góc Ω mong muốn thực tế rơbốt 26 Hình 2.8 Vận tốc góc đánh lái ω1 vận tốc góc bánh dẫn động ω2 mong muốn thực tế rơbốt 27 Hình 3.1 Cấu trúc rơ bốt 28 Hình 3.2 Tấm mica đế dày 10mm 29 Hình 3.3 Tấm đỡ mạch 30 Hình 3.4 Cấu trúc lớp đồ thị ROS 30 Hình 3.5 Kết cấu cụm bánh xe dẫn động 31 Hình 3.6 Kích thước gá liên kết với thân xe 32 Hình 3.7 Bánh xe dẫn động 32 Hình 3.8 Cụm đánh lái bánh trước 33 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc phần cứng thiết bị điều khiển 33 Hình 3.10 Ảnh chụp tầng rơbốt sau chế tạo 45 Hình 3.11 Ảnh chụp tầng rơbốt sau chế tạo 46 Hình 3.12 Ảnh chụp tổng thể rơbốt sau chế tạo 46 Hình 3.13 Sơ đồ thí nghiệm chuyển động 47 Hình 3.14 Sa bàn thực nghiệm rơbốt 48 Hình 3.15 Vị trí đặt rơbốt 48 Hình 3.16 Đo vị trí điểm cuối rơbốt điểm kết thúc mong muốn 49 Hình 3.17 Thực nghiệm di chuyển thẳng với vận tốc v=0,15(m/s) 52 Hình 3.18 Thực nghiệm di chuyển thẳng với vận tốc v=0,2(m/s) 52 Hình 3.19 Thực nghiệm di chuyển thẳng với vận tốc v=0,25(m/s) 53 Hình 3.20 Thực nghiệm di chuyển thẳng với vận tốc v=0,3(m/s) 53 Hình 3.21 Thực nghiệm di chuyển thẳng với vận tốc v=0,35(m/s) 54 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung Trang Bảng 1.1 Điểm điều khiển đường cong NURBS 11 Bảng 1.2 Điểm điều khiển đường cong NURBS 14 Bảng 2.1 Các điểm nội suy đường cong quỹ đạo NURBS 21 Bảng 2.2 Các hệ số tham số điều khiển PID 23 Bảng 2.3 Sai số vị trí tư rơbốt điểm đánh số Hình 2.5 25 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật thiết bị phần cứng 35 Bảng 3.2 Đo thực tế chạy thử nghiệm rôbốt 50 LỜI MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Rô bốt Car-like mẫu rô bốt tự hành có cấu trúc kiểu tơ thơng thường loại có hai cấu trúc là: (1) dẫn động cầu sau đánh lái bánh trước (đây loại phổ biến); (2) dẫn động đánh lái cầu trước Cả hai loại sử dụng phổ biến thiết kế xe tự hành AGV rô bốt AMR đại phục vụ công tác hậu cần vận chuyển vật tư nhà máy sản xuất thông minh rô bốt dịch vụ Chính mà đồ án em chọn loại rô bốt để làm đồ án tốt nghiệp Về điều khiển rơ bốt có nhiều phương án, điều khiển khác mạng neuron, trí tuệ nhân tạo, LPV, phản hồi trạng thái v.v… Nhưng điều khiển PID truyền thống hiệu tính đơn giản hiệu Nhưng phổ biến điều khiển PID với tham số Tuy nhiên, rô bốt tự hành quỹ đạo thông số điều khiển phong phú đa dạng khơng điều khiển với điều khiển PID với tham số Chính mà đồ án em thiết kế điều khiển PID với tham số biến đổi theo thời gian nhằm đáp ứng tính đa dạng tổng quát quỹ đạo chuyển động II MỤC TIÊU CỦA ĐỒ ÁN Đồ án đặt mục tiêu phải giải cụ thể sau: (1) Thiết kế điều khiển PID với tham số biến đổi (2) Chế tạo thực nghiệm mơ hình rơbốt Car-like để thử nghiệm điều khiển thiết kế III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỒ ÁN Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô thực tiễn IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỒ ÁN Đồ án có ý nghĩa thực tiễn việc thiết kế điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian để điều khiển rơ bốt Car-like nói riêng mobile rơ bốt nói chung V NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN Chương Thiết lập phương trình động học rơ bốt Car-like Nội dung chương mơ hình hóa tốn động học rơ bốt Car-like nhằm mơ tả toán động học thuận, ngược Nội dung nhằm mục đích thiết kế điều khiển chương điều khiển chương đồ án Ngoài ra, chương cịn trình bày đường cong NURBS làm sở lý thuyết thiết kế quỹ đạo phục vụ tốn mơ điều khiển Chương Thiết kế điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian Nôi dung chương xác định mơ hình sai số động học Trên sở tiến hành thiết kế điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian Các kết tính tốn, mô matlab simulink điều khiển… Chương Chế tạo thực nghiệm Trong chương đồ án tiến hành chế tạo mơ hình rơ bốt Car-like Trên sở tiến hành thực nghiệm với nội dung khác để tiến hành điều khiển hiệu chỉnh thông số điều khiển thông số cài đặt kiểm nghiệm tính hiệu thuật tốn KẾT LUẬN Nội dung trình bày tóm tắt kết đạt Ngồi ra, cịn đưa đề xuất nghiên cứu để hoàn thiện kết nghiên cứu đưa vào ứng dụng Chương THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC RƠBỐT CAR-LIKE 1.1 MƠ TẢ CƠ CẤU RƠBỐT Rơbốt tự hành điều hướng theo kiểu đánh lái bánh trước dẫn động cầu sau kiểu tơ bốn bánh xe tự lựa có chức chịu tải trọng tác dụng, bánh sau có chức dẫn động (gọi cầu sau), bánh trước có chức dẫn động gọi đánh lái Được mơ tả Hình 1.1 đây: Hình 1.1 Sơ đồ động học robốt tự hành chuyển động hệ tọa độ cố định 1.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC Nếu gọi hệ quy chiếu cố định gắn liền với sàn di chuyển; hệ quy chiếu gắn liền với Rôbốt; tham số định vị Robốt hệ quy chiếu tham số hệ quy chiếu cịn là đó: (1.1) Trong đó: so với hệ quy chiếu ma trận cosin hướng hệ quy chiếu Nếu gọi: , vận tốc tâm Rôbốt, vận tốc dẫn động bánh lái phía trước, d khoảng cách hai bánh trước sau, tốc tức thời (tâm xoay P), bán kính cong tâm vận góc xoay hệ quy chiếu so với hệ quy chiếu Tại thời điểm xét: (1.2) Xét hệ quy chiếu (1.3) Trong đó: vận tốc góc bánh dẫn động, bán kính xe Xét tâm vận tốc tức thời P (1.4) Từ (1.4) (1.5) Thay (1.2) vào (1.1) (1.6) Viết lại (1.4) (1.6) hệ quy chiếu ta được: (1.7) Thay (1.7) vào (1.1) (1.8) Biểu thức (1.8) phương trình động học Rôbốt tự hành hệ quy chiếu cố định f 1.3 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC 1.3.1 Bài toán động học thuận Ở toán ta biết trước phải tìm quỹ đạo chuyển động Rơbốt tự hành góc định hướng Như sau biến đổi (1.8): ... PID với tham số biến đổi (2) Chế tạo thực nghiệm mơ hình rơbốt Car- like để thử nghiệm điều khiển thiết kế III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỒ ÁN Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô thực tiễn IV Ý NGHĨA... số biến đổi theo thời gian Các kết tính tốn, mơ matlab simulink điều khiển… Chương Chế tạo thực nghiệm Trong chương đồ án tiến hành chế tạo mô hình rơ bốt Car- like Trên sở tiến hành thực nghiệm... việc thiết kế điều khiển PID tham số biến đổi theo thời gian để điều khiển rơ bốt Car- like nói riêng mobile rơ bốt nói chung V NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN Chương Thiết lập phương trình động học rô bốt Car- like