Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ agv

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TRẦN VĂN VINH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ AGV LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử Mã số ngành : 60520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên PGS Nguyễn Tấn Tiến TS Võ Đình Tùng TS Nguyễn Hùng TS Võ Hoàng Duy TS Võ Tƣờng Quân Chức danh hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, thƣ ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng … năm …… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN VĂN VINH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/5/1982 Nơi sinh:Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV:1341840021 I- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CHO HỆ AGV II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu hệ thống AGV, mơ hình hóa hệ thống AGV, thiết kế điều khiển trƣợt cho hệ AGV Chƣơng 1: Mở đầu Chƣơng 2: Tổng quan AGV Chƣơng 3: Mơ hình tốn học AGV Chƣơng 4: Cơ sở lý thuyết thiết kế điều khiển trƣợt Chƣơng 5: Mô Matlab III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) TRẦN VĂN VINH ii LỜI CÁM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường, tơi hồn thành đề tài tốt nghiệp cao học Để có thành này,tơi nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ thầy cơ, gia đình bạn bè Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học, quý Thầy cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận văn Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS Nguyễn Thanh Phương, người nhiệt tình hướng dẫn bảo cho suốt thời gian thực nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2015 Người thực luận văn TRẦN VĂN VINH iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, điều khiển trượt đề xuất áp dụng cho AGV Đầu tiên, điều khiển động học thiết kế để vector sai số vị trí tiệm cận zezo Thứ hai,bộ điều khiển trượt thiết kế, điều khiển làm cho AGV bám theo quỹ đạo mong muốn di chuyển với vận vận tốc không đổi Sự ổn định hệ thống chứng minh phương pháp Lyapunov Mô kết thực nghiệm trình bày để chứng minh tính hiệu điều khiển đề xuất iv ABSTRACT In this paper, a sliding mode controller is proposed and applied to the AGV First, the kinematic controller is designed to make the position error vector go to zero asymptotically Second, the sliding mode controller is designed, this controller makes AGV follow desired trajectory which is moving with desired constant velocity The stability of system is proved by the Lyapunovstability theory.The simulations and experimental results are shown to prove the effectiveness of the proposed controller v MỤC LỤC Tên đề mục Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt luận văn iii Abstract iv Mục lục v Danh mục từ viết tắt vii Danh mục bảng biểu viii Danh mục hình ảnh ix Chương Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài .1 1.3 Mục tiêu đề tài .2 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Phương pháp luận .2 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Nội dung luận văn Chương Tổng quan AGV 2.1 Sơ lược trình phát triển AGV 2.2 Phân loại AGV 2.2.1 Tàu không người lái 2.2.2 Xe nâng pallet 2.2.3 Xe chở hàng .6 2.3 Tóm tắt cơng trình nghiên cứu 2.4 Nhận xét hướng tiếp cận 32 Chương Mô hình tốn học AGV .33 3.1 Cấu trúc AGV 33 vi 3.2 Xây dựng phương trình động học 34 3.3 Xây dựng phương trình động lực học 35 Chương Cơ sở lý thuyết thiết kế điều khiển .37 4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt .37 4.2 Bài tốn xác định vị trí AGV 44 4.2.1 Cấu hình hệ thống 44 4.2.2 Tính tốn vị trí 45 4.3 Thiết kế điều khiển trượt 45 4.3.1 Thiết kế điều khiển động học 45 4.3.2 Thiết kế điều khiển động lực học .47 Chương Mô Matlab 49 5.1 Kết mô .49 5.2 Kết luận hướng phát triển 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AGV Automated Guided Vehicles GPS Global Positioning System WMR Wheel Mobile Robot SMC Sliding Mode Control WP Way Point m meter cm centimeter s second DC Direct Current RPM Revolutions Per Minute 42 Thay (4.6) vào (4.8) có: ( ̇ ̈ )( ̇) ( ̇ ̇ )( ̇) (4.9) Thay tiếp (4.5) vào (4.9) ta đến: [ ( ( ) )]( ̇) (4.10) Từ suy ra: { ( ( )) ( ( ̇ )) (4.11) ̇ Từ (4.6) x1(t)  x10 có tốc độ cao, tín hiệu điều khiển u(t) phải có giá ̇ trị nhỏ , ngược lại ̇ u(t) phải có giá trị lớn Từ chọn: { ( )- ( )- , , ̇ ̇ (4.12) Và điều kiện: ( ) với t (4.13) thoả mãn với (4.7) có: { ̇ ̇ (4.14) Để (4.7) ta chọn điều khiển hai trạng thái Bộ điều khiển hai trạng thái kết hợp với khâu hiệu chỉnh ̇ tạo nên điều khiển trượt theo công thức (4.8) xem điều khiển có đặc tính tổng thể tốt nhất, xét đến tồn sai lệch tĩnh hệ thống Bộ điều khiển trượt thường dùng để loại bỏ 43 tác động nhiễu dạng xung vào hệ làm hệ bị bật khỏi điểm làm việc cách đưa nhanh hệ điểm trạng thái cũ Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển kiểu trượt Có thể minh họa nguyên lý điều khiển kiểu trượt hình 4.6, trường hợp hệ vơ hướng, mặt trượt suy biến thành đường trượt Đường trượt mặt phẳng ̇ thường chọn đường thẳng có phương trình: ̇ (4.15) Trên hình 4.6, đường thẳng qua gốc toạ độ tức S = 0, điều kiện trượt ̇ đường trượt có tính hấp dẫn Một quỹ đạo hệ thống điều khiển bám vào đường trượt nhanh chóng trượt dọc theo đường trượt gốc toạ độ, giá trị ̇ đồng thời đạt giá trị 0, tức hệ ổn định Khi hoạt động chế độ trượt, hệ có ưu điểm bật sau đây: - Đảm bảo tính bền vững: Khi hoạt động chế độ trượt, thay đổi tham số động học đối tượng điều khiển phạm vi định không làm giảm tiêu chất lượng hệ thống Sở dĩ điều kiện cần đủ cho chế độ trượt 44 thể dạng bất đẳng thức Sự thay đổi tham số động học phạm vi cho phép bất đẳng thức không làm chế độ trượt hệ - Đảm bảo tính bất biến tác động bên ngoài: Nếu hệ thống điều khiển với cấu trúc biến đổi, đảm bảo điều kiện cần đủ cho chế độ trượt với tác động điều khiển mức với tác động bên ngoài, hệ thống hoạt động với tiêu chất lượng không thay đổi, không phụ thuộc vào tác động bên ngoài, phụ thuộc vào mặt trượt Đây khả bất biến hệ thống 4.2 Bài toán xác định vị trí AGV 4.2.1 Cấu hình hệ thống Hệ thống gồm bốn cảm biến siêu âm phát bố trí bốn góc vuông không gian MNPK (axb) cảm biến siêu âm thu đặt điểm C (hình 3.1), cụ thể gắn liền trục động DC servo xoay theo chiều kim đồng hồ để thu tín hiệu từ bốn cảm biến siêu âm phát ta xác định góc Hình 4.7 Cấu hình khơng gian AGV hoạt động 45 4.2.2 Tính tốn vị trí (4.16) (4.17) (4.18) (4.19) Từ (4.16 – 4.19) hoàn toàn xác định độ dài cạnh MC, NC, PC, KC Xét hai tam giác vuông CIM CIN ta có: (4.20) ( ) (4.21) Từ (4.20 – 4.21) xác định độ dài CI Tương tự xét hai tam giác vng CJM CJK ta có: (4.22) ( ) (4.23) Từ (4.22 – 4.23) xác định độ dài CJ Khi tọa độ AGV không gian MNPK C(CI, CJ) 4.3 Thiết kế điều khiển trượt 4.3.1 Thiết kế điều khiển động học Mục tiêu đề tài thiết kế điều khiển cho AGV bám theo quỹ đạo mong muốn Nói cách khác AGV qua tập hợp điểm thuộc quỹ đạo tham chiếu với vận tốc mong muốn không đổi Khi đến đích AGV tiếp cận pallet nâng pallet đến vị trí mong muốn Vector sai số thể tương đối so với tọa độ cục cố định robot sau: [ ] [ ][ ] (4.24) Đạo hàm bậc sai số theo thời gian: ̇ { ̇ ̇ (4.25) 46 Hình 4.8 Ý tưởng AGV bám theo quỹ đạo tham chiếu Theo [7] từ (4.24) chọn hàm Lyapunov sau: ( ̇ ) ̇ ̇ ( ) (4.26) ̇ (4.27) Thay (4.24) vào (4.27) ta có: ̇ ( ) ( ) ( ) (4.28) Để ̇ mang giá trị âm luật điều khiển động học thiết kế sau: * Trong + [ ] giá trị dương (4.29) 47 4.3.2 Thiết kế điều khiển động lực học Để khắc phục hạn chế điều khiển động học thiết kế, cần phải kết hợp với mô hình động lực học Trong luận văn giới thiệu điều khiển trượt dựa phương trình động lực học (3.6) Để thiết kế điều khiển trượt, cần thực bước sau: Bước 1: chọn mặt trượt Vector mặt trượt S v theo [5] viết lại sau: Sv  ev  K v  ev dt (4.30) x1 Với ev  zd  z  ev1 ev   R vectơ sai số vận tốc K v ma trận đường chéo  S  v1 dương Sv    vector bề mặt trượt S  v2  Bước 2: xác định điều kiện tồn mặt trượt hay chọn u trạng thái hệ thống tiến mặt S v nằm Để làm điều này, dựa vào nguyên lý ổn định trực tiếp Lyapunov Tín hiệu điều khiển chọn cho ln đưa trạng thái hệ thống kín mặt trượt Xét hàm lượng V(x) hệ thống Giả sử có điểm cân z = V(x) cực tiểu Nếu chứng minh ̇ ( ) nghĩa z = gọi điểm ổn định Theo nguyên lý ổn định Lyapunov, chọn hàm sau: (4.31) ̇ ̇ ̇ Đạo hàm bậc Sv: ̇ ̇ (4.32) 48 Sv = ev + Kv ev = (zd - z) + Kv ev (4.33) Thay (3.7) vào (4.33) rút gọn, ta phương trình sau: Sv  f  u  Kvev Để ̇ chọn (4.34) ( ) thay vào (4.34) luật điều khiển u  u1 u2   có dạng: u  QSv  Psign(Sv )  Kv ev (4.35) Trong đó: 0 S  Q  P1 Sv   v1  ; Q   ; P   Q2  0  Sv  m 0  f  f  ; f      1m   P2   f   f  Qi Pi i  1, số dương f m i , i  1, giới hạn f i Nếu áp dụng luật điều khiển động học (4.29) luật điều khiển động lực học (4.35) mơ hình WMR hình 3.1 hai vector sai số vị trí e vector sai số tốc độ hội tụ không t Chọn hàm Lyapunov: (4.36) ̇ ̇ ̇ Từ chứng minh ̇ (4.37) ̇ suy ̇ Như theo định lý thứ Lyapunov hai vector sai số vị trí e vector sai số tốc độ hội tụ không 49 Chương MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB 5.1 Kết mơ Các thông số thiết kế cho điều khiển sau: P1 = 13, P2 = 15, Q1 = 15, Q2 = 22, k1 = 50, k2 = 100, C3 = Kv = [0.2 0;0 0.6] Các giá trị thông số rôbốt giá trị ban đầu cho bảng 5.1 5.2 Bảng 5.1 Các giá trị thông số mô Thông số Giá trị Đơn vị b 0.39 [ m] r 0.16 [ m] 32.67 [kg ] 2.75 [kg ] 17.85 [kgm2 ] 0.0135 [kgm2 ] 0.0068 [kgm2 ] Bảng 5.2 Các giá trị ban đầu Thông số Giá trị 0.25 0.4 0.22 0.1 0.05 Đơn vị [ m] [ m] [deg] [ m] [ m] [deg] [mm / s] [mm / s] 50 Hình 5.1 Quỹ đạo tham chiếu AGV Hình 5.2 Mặt trượt S1 51 Hình 5.3 Mặt trượt S2 Hình 5.4 Sai số tồn thời gian 52 Hình 5.5 AGV bám theo quỹ đạo tham chiếu Hình 5.6 Vận tốc góc bánh phải trái 53 Hình 5.7 Vận tốc góc AGV Hình 5.8 Vận tốc tuyến tính AGV 54 Hình 5.1 mơ tả đường dẫn tham chiếu cho hệ robot Hình 5.5 thể chuyễn động robot hàn dọc theo đường dẫn cho trước thời gian ban đầu tồn thời gian Kết mơ phịng vector sai số trình bày hình 5.4 Vector mặt trượt thể hình 5.2 5.3 Vận tốc tuyến tính vận tốc góc trình bày hình 5.7 5.8, kết thể vận tốc tuyến tính điểm C AGV nằm vùng lân cận 50mm/s theo thiết kế Kết mô thể AGV đạt khả bám đường tốt 5.2 Kết luận hướng phát triển Luận văn đưa điều khiển trượt tích hợp luật điều khiển động học động lực học AGV di chuyển bám từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc biết trước Kết mô cho thấy sai số vị trí sai số vận tốc hội tụ không Bộ điều khiển đề xuất áp dụng thực thực tế Trong tương lai phát triển hệ thống GPS indoor cho AGV dùng cảm biến siêu âm tín hiệu cảm biến siêu âm lọc nhiễu lọc Kalman với mục đích làm tăng độ xác vị trí AGV Khi giải vấn đề xác định vị trí từ đề tài phát triển số đề tài sau: - Nghiên cứu phát triển robot cắt cỏ - Nghiên cứu phát triển robot sơn đường - Nghiên cứu phát triển robot phục vụ y tế v.v 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Do-Eun Kim, Kyung-Hun Hwang, Dong-Hun Lee, Tae-Young Kuc, A Simple Ultrasonic GPS System for Indoor Mobile Robot System using Kalman Filtering, School of Information and Communication Engineering, SungKyunKwan University, Korea [2] Nguyễn Văn Tính, Phạm Thượng Cát, Phạm Minh Tuấn, Bùi Thị Thanh Quyên, Trajectory planning and control of mobile robot for transportation in warehouse, National Conference about Control and Automation- VCCA-2011 [3] Trần Thanh Tùng, Adaptive tracking control of nonholonomic mobile robot, Khoa Kỹ Thuật- Công Nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng, Quảng Ngãi [4] Vũ Thị Gấm, Trần Nguyên Châu, Phạm Hùng Kim Khánh, Nguyễn Hùng, Controller design for path-following of Automatic Guided Vehicle using Input-Output feedback linearization technique, HUTECH University [5] Nguyen Hung, Pham Hung Kim Khanh, Than Van The, “Design of nonlinear controller for two-wheeled welding mobile robot using integral sliding mode control”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2013 [6] Ngo Manh Dung, Vo Hoang Duy, Nguyen Thanh Phuong, Sang Bong Kim, and Myung Suck Oh, Two-Wheeled Welding Mobile Robot for Tracking a Smooth Curved Welding Path Using Adaptive Sliding-Mode Control Technique, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol.5, no.3,June 2007 [7] Trong Hieu Bui, Tan Tien Nguyen, Tan Lam Chung, Sang Bong Kim, A simple nonlinear control of a two – wheeled welding mobile robot, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol.1, no.1, March 2003 56 [8] Nguyen Thanh Phuong, Pham Quoc Thien, “Designed of nonlinear controller for Automated Guided Vehicle”, American Journal of Engineering Research (AJER), Volume-02, Issue-12, pp-373-378 [9] Huỳnh Thái Hoàng (2011) Điều khiển phi tuyến, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Đại học bách khoa, TP.HCM, 55-76