Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu phat triển bộ điều khiển OMNI ROBOT chuyển động theo quỹ đạo định trước

Các chương có nội dung cơ bản như sau: Chương 1: Tổng quan về robot và Omni robot Chương 2: Phân tích xây dựng phương trình động học cho cơ cấu Direction Omni-Chương 3: Xây dựng các thuậ

M c l c ục lục ục lục

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ OMNI ROBOT 6

1.1Giới thiệu chung về robot 6

1.2 Giới thiệu chung về Omni Robot 7

1.3 Một số nghiên cứu về Omni Robot trên thế giới và Việt Nam 7

1.4 Mục đích của đồ án 9

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CƠ CẤU CƠ KHÍ KIỂU OMNIDIRECTION VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 10

2.1 Mô hình cơ khí thực tế của Omni Robot 10

2.2 Mô hình robot 11

2.3 Tính toán động học cho robot 12

2.4 Tính toán động lực học cho robot 13

2.5 Tính toán cho động cơ 15

2.6 Tính toán động học cho robot cho một số chuyển động cơ bản 16

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỨNG VỚI CÁC QUỸ ĐẠO ĐIỂN HÌNH 18

3.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo 18

3.1.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo 18

3.1.2 Một vài thuật ngữ sử dụng khi lập trình quỹ đạo 18

3.1.3 Nhiệm vụ lập trình quỹ đạo của robot 19

3.1.4 Các bước của bài toán lập trình quỹ đạo 19

3.2 Các phương pháp lập trình quỹ đạo cho robot 20

3.2.1 Lập trình quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển TLC 20

3.2.2Lập trình quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển mờ 21

3.2.3 Phương pháp nội suy tuyến tính 23

3.3 Cơ sở cho việc lập trình quỹ đạo cho robot 26

3.3.1 Các chuyển động cơ bản của robot 26

3.3.2 Khoảng chia theo phương x và y 27

3.4 Xây dựng các quỹ đạo cho robot 28

3.4.1 Quỹ đạo đường thẳng với một góc lệch α so với vị trí robot ban đầu28 3.4.2 Quỹ đạo đường Parabol 29

3.4.3 Quỹ đạo hình sine 31

3.5 Sơ đồ của chương trình điều khiển robot 34

3.5.1 Sơ đồ điều khiển chung 34

3.5.2 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng 35

3.5.3 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng lệch 1 góc 450 35

3.5.4 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng Parabol 36

3.5.5 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo hình sine 36

CHƯƠNG 4: TỔ HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG 37

4.1 Tổ hợp bộ điều khiển cho robot 37

4.1.1 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều dưới dạng hàm truyền 37

4.1.2 Bộ điều khiển PID 39

4.1.3 Phương pháp Ziegler-Nichols 40

4.1.4 Tìm các tham số PID cho bộ điều khiển 42

4.2 Xây dựng bộ điều khiển cho robot 44

4.2.1 Khối điều khiển trung tâm 45

4.2.2 Mô-đun giao tiếp RS232 45

4.2.3 Sơ đồ khối công suất 46

4.2.4 Encoder 48

4.3 Giới thiệu về vi điều khiển dsPIC30F4011 50

4.3.1 Giới thiệu về họ vi điều khiển dsPIC 50

4.3.3 Các mô đun ngoại vi của dsPIC30F4011 51

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ LẬP TRÌNH THỰC NGHIỆM 55

5.1 Các công thức toán học 55

5.2 Chương trình mô phỏng trong Matlab cho quỹ đạo hình parabol 56

5.3 Chương trinh mô phỏng trên Matlab cho quỹ đạo hình sine 58

5.4 Lập trình cho robot 60

5.4.1 Chương trình cho vi điều khiển 60

5.4.2 Giao diện điều khiển 62

5.5 Kết luận và phương hướng phát triển 63

Tài liệu tham khảo 64

Phụ lục 65

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật robot là một lĩnh vực phát triển hết sức nhanh chóng, là mộttrong những công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21 Cùng với sự phát triển của xãhội, kỹ thuật robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống con người.Ngày nay, chúng ta có thể thấy robot đã làm thay con người rất nhiều công việc

Đó là những công việc mà con người cảm thấy nhàm chán hoặc có mức độ nguyhiểm cao Ví dụ như robot lau nhà, robot lắp ráp trong công nghiệp, robot trongngành năng lượng hạt nhân, robot để thám hiểm vũ trụ…

Robot bám theo quỹ đạo cho trước có cấu tạo tương đối đơn giản và cótính ứng dụng cao Omni robot là một loại robot có kết cấu đơn giản, di chuyểnlinh hoạt hơn so với các loại mobile robot truyền thống Vậy nên Omni robotngày càng được ứng dụng rộng rãi

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đồ án tập trung vào nghiên cứu phát triển

bộ điều khiển cho Omni robot track Từ cơ cấu Omni robot đã được các sinhviên khóa trước thiết kế, đồ án nghiên cứu xây dựng quỹ đạo chuyển động chorobot theo đường thẳng, đường parabol, đường hình sine Trong quá trình thựchiện đồ án, giúp cho học viên củng cố được những kiến thức đã học

Nội dung đồ án gồm 5 chương Các chương có nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Tổng quan về robot và Omni robot

Chương 2: Phân tích xây dựng phương trình động học cho cơ cấu Direction

Omni-Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển ứng với các quỹ đạo chuyểnđộng đường thẳng, đường xiên, đường cong hình Parabol, đường hình sine.Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển và tích hợp hệ thống

Chương 5: Kết quả thực nghiệm và kết luận

Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo, thạc sĩ và thầy giáo kĩ sư, và cácthầy trong bộ môn Cơ điện tử và chế tạo máy đặc biệt- Khoa hàng không vũ trụ

đã giúp tôi hoàn thành đồ án này

Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều sai sót Tôi xin nhận sựgiúp đỡ và đóng góp của các thầy và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn Tôixin chân thành cảm ơn

Người thực hiện đồ án

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ OMNI ROBOT

1.1Giới thiệu chung về robot

Robot là một từ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Sla-vơ Cho đến nay

có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot Những định nghĩa đó có nội dungtương tự như nhau

Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc mộtcách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lậptrình

Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khí-điện

tử Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giácrằng nó giác quan giống như con người Từ "robot" (người máy) thường đượchiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thếnào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot?” Một cách gần chính xác, robotphải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường vàđược điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêucầu của người sử dụng

Có thể quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

Có sự khéo léo trong vận động.

1.2 Giới thiệu chung về Omni Robot

Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đãđược ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng.Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạtđộng của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot

Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh đượcvật cản Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt

là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạcao thay con người

Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khá linhhoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyền thống

1.3 Một số nghiên cứu về Omni Robot trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, Omni robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứngdụng đa dạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất

Hình 1.1: WowWee Rovio Robot

Đặc điểm:

Cho phép điều khiển qua wi-fi

Có thể điều khiển qua mạng internet

Có thể tự di chuyển xung quanh nhà do có nguồn dự trữ

Hình 1.2: Robot SPARK IV

Những nghiên cứu về Omni Robot ở Việt Nam đã được thực hiện trongthời gian gần đây bởi các sinh viên và giáo viên trong các trường đại học.Những nghiên cứu này đã đạt được những kết quả bước đầu, tạo ra được sảnphẩm thực nghiệm

Robot Omni do khoa cơ khí đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minhchế tạo

Hình 1.3: Robot Omni do đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh thiết kế

Omni Robot tránh vật cản sử dụng 3 cảm biến hồng ngoại do nhóm sinhviên đại học bách khoa Hà Nội chế tạo

Hình 1.4: Robot Omni tránh vật cản sử dụng hồng ngoại

1.4 Mục đích của đồ án

Trên cơ sở đồ cơ cấu robot Omni của nhóm nghiên cứu trước đã thực hiệnđược bám đối tượng (quả bóng màu xanh) và tránh vật cản trong quá trình hoạtđộng, đồ án tính toán động học và quỹ đạo cho robot để xác định được thuậttoán điều khiển cho từng quỹ đạo, và tiến hành mô phỏng trên Matlab

Đồ án chia làm 5 chương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về robot và Omni robot, các nghiên cứu đãđược tiến hành trong và ngoài nước về Omni robot, mục đích để thực hiện đồán

Chương 2: Tính toán động học về động lực học cho Omni robot để từ đó cóthể xây dựng các chuyển động cơ bản cho robot trong phần tiếp theo

Chương 3: Từ đặc điểm điều khiển và động học của robot, tiến hành xâydựng quỹ đạo cho robot ứng với các trường hợp quỹ đạo thẳng, hình Parabol vàquỹ đạo sine Từ đó đưa ra được thuật toán điều khiển cụ thể cho robot

Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển cho robot

Chương 5: Trình bày các ứng dụng mô phỏng trên Matlab và một số kết quảthực nghiệm

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CƠ CẤU

CƠ KHÍ KIỂU OMNIDIRECTION VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 2.1 Mô hình cơ khí thực tế của Omni Robot

Hình 2.1: Mô hình cơ khí cho robot

2.2 Mô hình robot

Chuyển động của robot là do chuyển động của các bánh xe Các bánh xechuyển động do động cơ lắp ở mỗi trục bánh quay và sinh ra lực kéo Vậy ta xétđến mô hình robot, trong đó các lực kéo đặt ở các bánh xe Vận tốc của robotđược tính dựa vào vận tốc của các bánh xe Từ đó ta có mô hình robot như sau:

Hình 2.2: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot

Robot gồm 3 bánh đặt lệch nhau 1200, tiếp tuyến với một đường trònđường kính 350mm Gọi các bánh xe lần lượt là 1,2,3 Chọn 2 hệ trục tọa độ nhưsau: hệ trục tọa độ Oxy gắn cố định với mặt phẳng sàn, hệ trục tọa độ Ox1y1 gắnvới robot như trên hình vẽ Tại thời điểm ban đầu giả thiết rằng hai trục tọa độtrùng với nhau Tại thời điểm t, hai hệ trục tọa độ lệch nhau 1 góc  chính làgóc quay của robot so với vị trí ban đầu Sau đây là các kí hiệu dùng trong hìnhvẽ

Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Ox: x

Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Oy: y

Khoảng cách giữa các bánh và tâm robot: d[m] (xem hình vẽ)

Vận tốc dài của các bánh xe: v1,v2,v3[m/s]

Vận tốc góc của các bánh:    1 , 2 , 3[rad/s]

Lực do động cơ sinh ra trên các bánh: f1,f2,f3[N]

Mô men kéo do động cơ sinh ra đặt lên các bánh : T1,T2,T3 [Nm]

Vận tốc theo 2 phương trên hệ trục Ox1y1 của robot: v, vn [m/s]

Vận tốc góc của robot: [rad/s]

Lực tác dụng lên robot dọc theo phương 0x1 và 0y1: Fv,Fvn [N]

Mô men robot (theo ): T [Nm]

2.3 Tính toán động học cho robot

Gọi vx(t), vy(t),  t là vận tốc tức thời của robot trên hệ trục tọa độ Oxy Ta có:

           

1 2 3

1 4

2.4 Tính toán động lực học cho robot

Theo phương trình các phương trình tính gia tốc và gia tốc góc cho một vật

M [kg]:khối lượng robot

J [kgm2]: Mô men quán tính của robot

F Bv,F Bvn[N]: Lực ma sát nhớt dọc theo phương Ox1 và Oy1 tác dụng lên robot

(2.4)

(2.6)

T B[Nm]: Mô men ma sát nhớt tác dụng lên robot

F Cv,F Cvn [N]: Lực ma sát khô dọc theo phương Ox1 và Oy1 tác dụng lên robot

T C[Nm]: Mô men ma sát khô tác dụng lên robot

Lực ma sát nhớt tỉ lệ với vận tốc của robot, xem hình 2.3:

.

os 3

j j

Kt [Nm/A]: hằng số mô men động cơ

ij: dòng động cơ [A]: j= động cơ thứ j

2.5 Tính toán cho động cơ

Công thức tính toán cho động cơ :

R[ôm]: điện trở của động cơ

Kv[V/(rad/s)]: hằng số EMF động cơ

uj[V]: điện áp động cơ

mj[rad/s]: vận tốc quay của động cơ

T mj[Nm]: Mô men động cơ

Trong trạng thái ổn định, độ tự cảm L bằng 0, nên ta có thể viết lại công thức:

và gia tốc góc cho robot.

2.6 Tính toán động học cho robot cho một số chuyển động cơ bản

Các chuyển động dùng để lập trình cho robot gồm có:

(2.13)

Chuyển động tịnh tiến: Khi cho 2 bánh bất kỳ trong 3 bánh quay cùng lúctheo 1 phương nào đó (2 bánh đó quay ngược chiều nhau) thì sẽ làm cho robotchuyển động tịnh tiến (hình 2.1b)

Hình 2.4: Chuyển động tịnh tiến

Ví dụ: Khi cho 2 bánh xe V1 và V2 theo phương như hình vẽ 2.4 với r làbán kính của bánh xe Omni Giả sử 2 bánh xe cùng quay với vận tốc ω (quayngược chiều nhau) có vector vận tốc dài là V 1

và V 2

.Tổng hợp 2 chuyển động trên ta có vector chuyển động tịnh tiến củarobot:

Hình 2.5: Chuyển động quay

(2.16)

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỨNG VỚI

CÁC QUỸ ĐẠO ĐIỂN HÌNH 3.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo

3.1.1 Khái quát về lập trình quỹ đạo

Nhiệm vụ của bài toán lập trình quỹ đạo là xác định quỹ đạo chuyển độngcủa robot theo các một quỹ đạo đã được xác định trước Các phương pháp lậptrình quỹ đạo được phân thành hai nhóm: Lập trình on-line và lập trình off-line

Lập trình on-line: Người vận hành robot trực tiếp tiến hành lập trình trênbản thân robot hoặc trên các thiết bị phụ trợ kèm theo Trong đó phân thành 3loại: lập trình thủ công (manual input), lập trình theo kiểu dạy học bằng cáchdẫn dắt (teach by lead through), lập trình theo kiểu dạy học bằng thiết bị dạy học(teach pendant)

Lập trình off-line: lập trình trên máy vi tính ghép nối với robot

3.1.2 Một vài thuật ngữ sử dụng khi lập trình quỹ đạo

Các điểm tựa hoặc các điểm đi qua: các điểm tựa hoặc các điểm đi qua làtập điểm đầu, điểm cuối và các vị trí trung gian giữa điểm đầu và điểm cuối màrobot phải đi qua các điểm này để đến đích

Đường dịch chuyển hay quỹ đạo hình học: đường dịch chuyển (hay quỹđạo hình học) là quỹ tích các điểm mà robot đi qua để thực hiện nhiệm vụ của

nó Đường dịch chuyển là sự mô tả chuyển động của khâu thao tác thuần túy vềmặt hình học

Đường dẫn là đường cong (hoặc đường thẳng) nhẵn bao gồm tập các điểm

mà robot đi qua

Quỹ đạo động học bao gồm đường dịch chuyển (quỹ đạo hình học) và cácđặc tính chuyển động của các điểm trên đường dịch chuyển Như thế, khi nóicho biết quỹ đạo động học là cho biết đường dịch chuyển và các quy luật thayđổi theo thời gian của vận tốc, gia tốc các điểm chuyển động trên quỹ đạo hình

học Nói cách khác một quỹ đạo động học là một biểu diễn theo thời gian vị trí,vận tốc, gia tốc của các điểm trên quỹ đạo hình học.

3.1.3 Nhiệm vụ lập trình quỹ đạo của robot

Nhiệm vụ cơ bản của bài toán lập trình là từ các quỹ đạo yêu cầu của bàitoán ta phải xác định vị trí của các điểm định vị và hướng của robot tại một sốthời điểm khác nhau Từ đó xác định quy luật gần đúng chuyển động của robot.Trong nhiều trường hợp người ta phân bài toán lập trình quỹ đạo thành:

Xác định quỹ đạo hình học của robot

Xác định quy luật chuyển động theo thời gian trên quỹ đạo

Các dạng quy đạo trong bài toán đặt ra là quỹ đạo thẳng, quỹ đạo parabol,quỹ đạo hình sine

3.1.4 Các bước của bài toán lập trình quỹ đạo

Việc giải quyết bài toán lập trình quỹ đạo chuyển động của robot có thểtiến hành theo ba bước như sau:

a)Bước 1: mô tả chuyển động của robot

Bước đầu tiên trong bài toán lập trình quỹ đạo là nhận dạng loại chuyểnđộng mà robot cần thực hiện Đặc điểm của quỹ đạo chuyển động của robot làđầu vào của thuật toán lập trình quỹ đạo Người ta thường phân chia thành banhóm bài toán như sau:

Chuyển động từ điểm tới điểm: trong bài toán này chỉ quan tâm tới vị trí đầu

và vị trí cuối của robot Các vị trí trung gian có thể lựa chọn một cách tùy ý trênđường dịch chuyển

Chuyển động liên tục của robot trên đường dịch chuyển

Chuyển động của robot đi qua một số điểm trung gian nhất định trên đườngdịch chuyển

b)Bước 2: lựa chọn và sử dụng kỹ thuật lập trình quỹ đạo

Trong trường hợp chuyển động từ điểm tới điểm người ta có thể quan tâmhoặc không quan tâm đến việc robot đi qua một số điểm trung gian Trong

trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, người ta cần biết vịtrí, vận tốc, gia tốc của robot đối với hệ quy chiếu.

3.2 Các phương pháp lập trình quỹ đạo cho robot

3.2.1 Lập trình quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển TLC

a) Robot ứng dụng bộ điều khiển TLC

Điều khiển chính xác quỹ đạo cho robot là một trong những nhiệm vụ chủyếu của các ứng dụng cho bộ điều khiển Omni Direction Bộ điều khiển quỹ đạocho robot có thể thực hiện hai nhiệm vụ: bám theo quỹ đạo hình học và bámtheo quỹ đạo động học TLC (Trajectory Linearization Control) có nghĩa là điềukhiển bám quỹ đạo tuyến tính hóa Bộ điều khiển TLC gồm 2 thành phần cơbản: điều khiển vòng trong (outer-loop control) và điều khiển vòng ngoài (inner-loop control)

b) Cấu trúc của bộ điều khiển TLC

Hình 3.1: Cấu trúc bộ điều khiển TLC

Như đã đề cập ở trên, bộ điều khiển TLC gồm có 2 thành phần: bộ điềukhiển vòng trong và bộ điều khiển vòng ngoài Bộ điều khiển vòng ngoài là một

bộ điều khiển động học và gồm có bộ điều khiển PID để điều khiển vận tốc chotừng động cơ Bộ điều khiển vòng trong là bộ điều khiển động lực học và có bộ

điều khiển PI II để điều khiển tốc độ cho động cơ Hệ thống Sensor Fussion gồm

có tín hiệu phản hồi từ Encoder và Camera quan sát

c) Kết quả điều khiển cho mô hình robot thực tế)

Mô hình robot sử dụng ở đây là Omni Direction 3 bánh Quỹ đạo mongmuốn điều khiển là đường tròn Sau đây là kết quả điều khiển cho robot theonghiên cứu trong [7]:

Hình 3.2: Kết quả thực nghiệm theo phương pháp TLC

Nhận xét: phương pháp điều khiển trên cho kết quả sai số nhỏ, các thông

số điều khiển là điện áp đặt trên các động cơ tương đối ổn định, bám tốt theo cácthông số yêu cầu Tuy nhiên, việc thiết kế, tính toán và lập trình theo phươngpháp này rất phức tạp, và khó thực hiện

3.2.2Lập trình quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển mờ

a) Robot ứng dụng bộ điều khiển mờ

Với những ứng dụng không tuyến tính, việc tính toán bộ điều khiển là rấtphức tạp Do đó, chúng ta cần phải tuyến tính hóa hệ thống trước khi tính toán.Sau đó chúng ta sử dụng mô hình tuyến tính để điều khiển robot Bộ điều khiểntruyền thống bao gồm: một mô hình dự đoán cho robot, sự bù tín hiệu phản hồi,

và việc tối ưu hóa trực tuyến Trong bộ điều khiển mờ, sự tối ưu hóa trực tuyếnđược thay thế bởi bộ điều khiển mờ

b) Cấu trúc của bộ điều khiển sử dụng mờ

Quá trình thiết kế bộ điều khiển bao gồm 3 bước: phát triển mô hình dựđoán cho robot, thực hiện bù tín hiệu phản hồi, và tạo ra một quỹ đạo động họctham chiếu

Bước 1: Mô hình cho robot

Bước 2: Bù tín hiệu phản hồi

Do lỗi của mô hình, đặc tính không tuyến tính…nên sẽ có lỗi giữa đầu ramong muốn và đầu ra thực sự Để đầu ra mong muốn chính xác hơn, chúng ta sửdụng tín hiệu phản hồi để điều khiển bù giá trị cho lỗi Sau khi bù tín hiệu phảnhồi thì đặc tính quỹ đạo của robot sẽ được chính xác hơn

Bước 3: Xây dựng quỹ đạo tham chiếu

Bộ điều khiển mờ

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ có 3 đầu vào là Ex, Ey, E là sai lệch giữa đặc tínhmong muốn và đặc tính phản hồi V,  là 2 đầu ra cho bộ điều khiển

c) Kết quả điều khiển cho mô hình robot thực tế (theo nghiên cứu [6])

Hình 3.4: Kết quả thực nghiệm theo phương pháp mờ

Nhận xét: sử dụng bộ điều khiển mờ cho kết quả bám chính xác hơn,nhưng khoảng điều khiển nhỏ hơn so với các phương pháp khác và việc thiết kếthuật toán phức tạp hơn

3.2.3 Phương pháp nội suy tuyến tính

a) Cơ sở toán học

Phương pháp nội suy tuyến tính là một phương pháp cơ bản trong cácphương pháp số để lập trình quỹ đạo cho robot Phép nội suy tuyến tính sử dụngmột đường thẳng kẻ qua hai điểm như trong hình vẽ Trong đó hàm y=p(x)được xấp xỉ thay cho hàm y=g(x) trong đoạn [a,b]

Hình 3.5: Phép nội suy tuyến tính

Sai số lớn nhất xấp xỉ bằng điểm chính giữa của đoạn [a,b] xm=0.5*(a+b)

và nếu trong đoạn [a,b], g”(x) là hằng số thì nó sẽ xấp xỉ là g”(x)

Đầu tiên chúng ta hãy chú ý đến đạo hàm bậc nhất của hàm y(t):

y’=f(y,t,u) ; y(0)=y0Trong đó y là đầu vào cho hệ thống điều khiển, u là tín hiệu điều khiển, t

là thời gian Giá trị y(t) tại thời điểm y(t)=nT0 , trong đó T0 là thời gian lấy mẫu,

và n= {0,1,2…} sẽ được kí hiệu là yn Từ đó ta có thể tính giá trị của yn+1 từ giátrị của yn như sau:

Trong đó u không thay đổi trong khoảng thời gian từ nT0 tới (n+1)T0

Nếu biết quỹ đạo cần điều khiển theo y(t) là yd(t), thì có thể tính được xấp

xỉ quỹ đạo cần điều khiển theo ydn+1

0 0

n n n

b) Nguyên tắc điều khiển cho robot

Gọi V là vận tốc dài của robot, x,y là tọa độ của robot, là góc lệch củarobot Ta có hệ phương trình sau:

cos sin

0 0

0

1 1

1 1

1 1

cos sin

c) Kết quả điều khiển cho mô hình robot thực tế

Việc điều khiển robot theo phương pháp này đơn giản và dễ thực hiện hơnhai phương pháp trên

Kết luận: từ việc phân tích các phương pháp điều khiển quỹ đạo cho Omni robot ở trên, ta lựa chọn phương pháp nội suy tuyến tính hóa do đặc tính đơn giản và dễ thực hiện

3.3 Cơ sở cho việc lập trình quỹ đạo cho robot

3.3.1 Các chuyển động cơ bản của robot

Để xây dựng các quỹ đạo cho robot, ta phân chuyển động của robot thànhcác chuyển động cơ bản sau:

Chuyển động thẳng tiến về phía trước

Chuyển động lùi về phía sau

Chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ

Chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ

Chuyển động sang phải

Chuyển động sang trái

Dựa vào phương trình động học ở chương 2, ta tính được vận tốc củaRobot dựa vào vận tốc của các bánh Để thu được các chuyển động cơ bản trêncủa Robot, thì chuyển động của các bánh tương ứng là:

Robot chuyển động thẳng về phía trước: động cơ 2 và động cơ 3 quayngược chiều nhau, động cơ 1 không chuyển động

Robot chuyển động lùi về phía sau: động cơ 2 và động cơ 3 quay ngượclại so với chuyển động thẳng về phía trước, động cơ 1 không chuyển động

Robot chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ: 3 bánh đều quay theochiều kim đồng hồ

Robot chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ: 3 bánh đều quayngược chiều kim đồng hồ

Robot chuyển động sang phải: động cơ 1 quay ngược chiều kim đồng hồ,động cơ 2 và 3 quay cùng chiều kim đồng hồ

Robot chuyển động sang trái: động cơ 1 quay cùng chiều kim đồng hồ,động cơ 2 và 3 quay ngược chiều kim đồng hồ

Dựa vào các chuyển động cơ bản trên, ta lần lượt xây dựng các quỹ đạochuyển động cho Robot

3.3.2 Khoảng chia theo phương x và y

Trong phép nội suy tuyến tính quỹ đạo cho robot, ta xác định khoảng chiacàng nhỏ thì quỹ đạo càng giống với quỹ đạo thực hơn Nhưng khi xác địnhkhoảng chia càng nhỏ, thì khả năng đáp ứng quỹ đạo càng giảm sẽ dẫn tới lệch,rung do thay đổi chuyển động đột ngột hoặc vận tốc chưa đủ thời gian để đạt tớigiá trị mong muốn Do đó để xác định khoảng chia cho robot chúng ta cần dựavào thời gian đáp ứng của bộ điều khiển PID cho từng bánh Theo thực nghiệm(xem kết quả ở chương 4), khi t=0.1s thì tốc độ từng bánh có giá trị ổn định Do

đó, chúng ta dựa vào vận tốc của các chuyển động cơ bản cho robot và t=0.1s đểxác định giá trị các khoảng chia cho robot.

3.4 Xây dựng các quỹ đạo cho robot

3.4.1 Quỹ đạo đường thẳng với một góc lệch α so với vị trí robot ban đầu

Khi góc lệch so với phương ban đầu của robot là 00 Phần này tính toán đểđiều khiển cho robot chạy được quãng đường 2m theo đường thẳng

Đây là dạng quỹ đạo đơn giản nhất Với quỹ đạo đường thẳng ta chỉ việccho Robot chuyển động theo đường thẳng trong một thời gian t cho trước

Gọi vận tốc quay của động cơ 1 là w1,vận tốc động cơ 3 là w3 Ta ców1=w3= 30 (v/p)=0.5 (v/s) Vì bán kính bánh xe là 25 mm = 2.5 x 10-2 m Vậntốc dài của các bánh là: v1= v3= 2.5x10-2x0.5x2π = 7.85 x10-2 (m/s) Áp dụngcông thức (2.6) ta có:

Quay Robot cùng chiều kim đồng hồ: điều khiển 3 bánh quay theo chiềukim đồng hồ với vận tốc góc w1=w2=w3= 15 (v/p)= 0.25 (v/s) Vận tốc dài củacác bánh là:

v1=v2=v3=0.25x2.5x10-2 x2π =3.93x10-2 (m/s)Vận tốc dài tổng hợp của Robot là: w= 1/4d x(v1+v2+v3)

d=175mm=0.175m là khoảng cách từ bánh robot tới tâm đường tròn

Vậy thời gian để robot xoay một góc 450 là: 45/9.65= 4.7(s)

Kết luận: Để Robot chuyển động theo quỹ đạo hình xiên có độ dài 2m vàlệch một góc 450 so với vị trí ban đầu của Robot thì Robot thực hiện chuyểnđộng quay cùng chiều kim đồng hồ trong thời gian 4.7s và thực hiện chuyểnđộng thẳng về phía trước trong thời gian 22s

3.4.2 Quỹ đạo đường Parabol

Mô tả quỹ đạo: Robot chuyển động theo quỹ đạo hình Parabol có phươngtrình y=-x2+2x từ điểm (x,y)= (0,0) đến điểm (x,y)= (2,0) Ta có quỹ đạo nhưhình vẽ:

Hình 3.7: Quỹ đạo chuyển động dạng Parabol

Khi ta chỉ lấy 5 điểm trên cung Parabol, ta được quỹ đạo như hình vẽ:

Hình 3.8: Dạng Parabol khi chỉ lấy 5 điểm

Khi tăng số điểm lấy trên cung Parabol, ta thấy nó có dạng ngày càng gầnvới đường Parabol thật:

Hình 3.9: Dạng Parabol khi tăng số điểm lấy lên

Vậy ta sẽ chia quỹ đạo của Parabol thành rất nhiều đoạn thẳng bằng nhau.Khi đó quỹ đạo thực sẽ ngày càng gần với đường quỹ đạo mong muốn Quỹ đạothực sẽ gồm rất nhiều đường thẳng xiên gần bằng nhau Ta sẽ dùng 2 chuyểnđộng cơ bản là: chuyển động thẳng về phía trước và chuyển động xoay cùngchiều kim đồng hồ để điều khiển cho Robot đi theo quỹ đạo Parabol

Theo tính toán ở phần 3.2, trong khoảng thời gian 0.2s, Robot di chuyểnđược quãng đường 1.812x10-2 m

đó chuyển động thẳng trong khoảng thời gian 0.2s Lặp lại như thế tới khi robotchuyển động đến điểm cuối của quỹ đạo cần xây dựng.

3.4.3 Quỹ đạo hình sine

Mô tả quỹ đạo: Robot chuyển động theo đường hình sine y= sin(x) từđiểm có tọa độ (x,y)= (0,0) đến điểm có tọa độ (Pi;0) Ta có quỹ đạo như hìnhvẽ:

Hình 3.10: Quỹ đạo hình sine

Khi chia quỹ đạo thành các bước nhỏ, ta có hình vẽ:

Hình 3.11: Chia quỹ đạo hình sine thành dạng bậc thang

Ta thấy các bước chia càng nhỏ thì quỹ đạo càng gần đúng với quỹ đạohình sine cần vẽ

Hình 3.12: Quỹ đạo khi tăng số điểm trong dạng bậc thang

Để robot chuyển động theo dạng hình sine, ta cần cho Robot chuyển độngtheo thẳng đứng và sang phải trong nửa chu kì đầu, và cho Robot chuyển độnglùi lại và sang phải trong nửa chu kì tiếp theo

Khi robot chạy thẳng trong thời gian 0.2s thì quãng đường nó di chuyểnđược theo đường thẳng là 1.812x10-2 m

Khi đó do chia x đủ nhỏ nên  y 3.14 x 3.14 1.812 10x x 2 5.69 10x 2 m Khi đó Robot đi sang phải một khoảng 10-2 m Ta dùng chuyển động cơ bảnsang phải để điều khiển cho robot Ta có w2=w3= 15(v/p); w1= 30(v/p) Theocông thức trong chương 2 ta tính được vận tốc của Robot, chuyển động sangphải :

Hình 3.13: Quỹ đạo hình sine của robot theo thuật toán đưa ra

Vậy chuyển động của robot sẽ là: Khởi động, robot chuyển động thẳng vềphía trước 0.2s rồi sau đó chuyển động sang phải 0.72s Khi tọa độ y đạt được1m, robot sẽ chuyển động lùi 0.2s, rồi chuyển động sang phải 0.72s Cứ như vậycho đến khi robot đạt được quỹ đạo hình sine

3.5 Sơ đồ của chương trình điều khiển robot

3.5.1 Sơ đồ điều khiển chung

Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển chung

3.5.2 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng

Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng

3.5.3 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng lệch 1 góc 45 0

Hình 3.16: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo đường thẳng lệch 1 góc 45 0

3.5.4 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng Parabol

Hình 3.17: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng Parabol

3.5.5 Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo hình sine

Hình 3.18: Sơ đồ điều khiển cho quỹ đạo dạng sine

Vậy trong các phần trước chúng ta đã xây dựng được dạng quỹ đạo và sơ

đồ điều khiển cụ thể trên DsPIC 30F4011 để đạt được quỹ đạo yêu cầu

CHƯƠNG 4: TỔ HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG 4.1 Tổ hợp bộ điều khiển cho robot

Từ các tính toán động lực học ở chương 3 cho thấy, việc tổng hợp bộ điềukhiển PID tổng quát từ phương trình vi phân bậc 2 là một việc khá phức tạp và

có khi không hiệu quả

Dựa vào các tính toán động học cơ cấu Omni, góc chuyển động và vận tốccủa robot phụ thuộc vào tốc độ các bánh Vì vậy bằng cách thiết lập tốc độ chotrước ta có thể tính toán được tốc độ của các động cơ cơ cấu bánh omni

Do đó bài toán được đưa về điều khiển tốc độ dùng phương pháp PID chotừng động cơ

4.1.1 Xây dựng mô hình động cơ điện một chiều dưới dạng hàm truyền

Động cơ điện một chiều có thể được mô hình thành mạch điện phần ứng

và rotor như hình vẽ:

Hình 4.1: Mô hình hóa động cơ DC

Trong đó:

J: Mô men quán tính của rotor

e

e K KPhương trình (4.1) tương đương