Điều khiển bám cho robot di động hai bánh sử dụng bộ điều khiển trượt mờ

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM PHẠM QUỐC TIẾN ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành : 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM PHẠM QUỐC TIẾN ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành : 60520202 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013 3 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày 02 tháng 02 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) 1. TS. Đinh Hoàng Bách Chủ tịch 2. TS. Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện 1 3.TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 2 4. PGS. TS. Trần Thu Hà Ủy viên 5. TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TS. Đinh Hoàng Bách 4 TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHẠM QUỐC TIẾN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 15/ 07 / 1977 Nơi sinh : Vĩnh Long Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 1181031057 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tìm hiểu về rô bốt di động 2. Xây dựng mô hình toán cho rô bốt di động hai bánh 3. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt bám quỹ đạo 4. Mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/ 2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/12 /2012 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. NGUYỄN HÙNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) 5 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Hùng. Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chƣa đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện luận văn Phạm Quốc Tiến 6 LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của rất nhiều ngƣời. Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc, chân thành tới thầy, TS Nguyễn Hùng – Phó Trƣởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM đã hƣớng dẫn, chỉ bảo và tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học trình cao học. Cuối cùng, xin cám ơn gia đình tôi và những ngƣời bạn đó luôn ở bên động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt trong quá trình thực hiện luận văn. Sự giúp đỡ này là động lực lớn để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cám ơn ! Học viên thực hiện luận văn Phạm Quốc Tiến 7 TÓM TẮT Điều khiển rô bốt là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong điều khiển tự động hiện đại. Đã có nhiều mô hình điều khiển rô bốt đƣợc xây dựng dựa trên các phƣơng pháp điều khiển với ƣu nhƣợc điểm khác nhau. Luận văn đƣa ra một phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi. Bộ điều khiển trƣợt mờ đƣợc thiết kế ở đây là một hệ mờ lai: Để đạt đƣợc tính chính xác cao, hệ thống điều khiển rô bốt di động hai bánh đƣợc thiết kế thông qua kỹ thuật điều khiển trƣợt. Kỹ thuật này là phƣơng pháp điều khiển bền vững, nó tạo ra ngõ vào để mang lại quỹ đạo mong muốn cho hệ thống. Trình tự thiết kế của nó là đầu tiên bộ điều khiển động học đƣợc thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vị trí tiến đến không một cách tiệm cận. Sau đó, chế độ điều khiển trƣợt tích phân đƣợc thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vận tốc tiến đến không một cách tiệm cận. Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng nhiễu và các thành phần bất định trong rô bốt. Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov đƣợc sử dụng để chứng minh tính ổn định toàn cục của giải thuật điều khiển Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã chứng minh tính hiệu quả bộ điều khiển. 8 ABSTRACT Robot controling is an important researching field in modern automatic control. Many robot controller models was built with different advantages and disadvantages. This thesis proposes a control scheme that makes the combination of a fuzzy mode controller and an integral sliding mode controller for a two wheeled mobile robot to track a desired trajectory with a constant velocity. This fuzzy sliding mode controller is a hybrid fuzzy system: For achieving high-precision performance the control system for the two - wheeled mobile robot is designed via sliding mode control (SMC) in this thesis. SMC is a robust control method which generates an input to yield a desired trajectory for a given system. Its design procedure is to first, the kinematic controller is designed to make the position error vector go to zero asymptotically. Then, the integral sliding mode controller is designed to make velocity error vector go to zero asymptotically. The Fuzzy controller is designed to overcome the noises and large uncertainties in robot. The stability of system is proved based on the Lyapunov stability theory. Thesis uses Matlab software to simulate. The simulation results are presented to illustrate effectiveness of the proposes control scheme 9 MỤC LỤC Tựa Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Tóm tắt iii Mục lục v Danh mục các từ viết tắt ix Danh mục các bảng x Danh mục các hình ảnh xi Chƣơng 1 : TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về rô bốt 1 1.2 Kỹ thuật điều hƣớng cho rô bốt di động bằng bánh xe 6 1.3 Tóm tắt một số công trình nghiên cứu 7 1.4 Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận 9 1.5 Mục tiêu của luận văn 11 1.6 Nhiệm vụ của luận văn 11 1.7 Giới hạn của luận văn 11 1.8 Điểm mới của luận văn 12 1.9 Nội dung của luận văn 12 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 13 2.2 Điều khiển trƣợt 14 2.2.1 Xuất phát điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt 14 10 2.2.2 Nguyên lý điều khiển trƣợt 17 2.2.3 Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển trƣợt 19 2.3 Điều khiển mờ 20 2.3.1 Khái quát 20 2.3.2 Định nghĩa tập mờ 20 2.3.3 Các thông số đặc trƣng cho tập mờ 21 2.3.4 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 22 2.3.5 Các phép toán trên tập mờ 22 2.3.6 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 24 2.3.7 Luật hợp thành mờ 25 2.3.8 Giải mờ 29 2.3.9 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 34 2.4 Điều khiển trƣợt mờ 34 Chƣơng 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH 35 3.1 Mô hình hình học của rô bốt di động hai bánh 35 3.2 Mô hình động học của rô bốt di động hai bánh 36 3.3 Mô hình động lực học của rô bốt di động hai bánh 39 Chƣơng 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ 44 4.1 Đặt vấn đề 44 4.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt 45 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học 45 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học 47 [...]... thuật điều khiển trƣợt mờ mà luận văn đƣa ra để điều khiển rô bốt di động hai bánh 1.5 Mục tiêu của luận văn 29 Mục tiêu của đề tài là Điều khiển bám theo chiến lƣợc mong muốn cho rô bốt hai bánh dùng bộ điều khiển trƣợt mờ ” Cụ thể, đề tài đƣa một giải thuật điều khiển mới đƣợc tích hợp giữa bộ điều khiển trƣợt theo nguyên tắc tích phân để điều khiển và bộ điều khiển mờ để ƣớc lƣợng nhiễu bên ngoài, cho. .. di động hai bánh bám theo chiến lƣợc mong muốn với vận tốc không đổi 1.6 Nhiệm vụ của luận văn - Tìm hiểu về rô bốt di động hai bánh - Xây dựng mô hình động lực học cho rô bốt di động hai bánh - Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ cho rô bốt di động hai bánh bám theo chiến lƣợc mong muốn - Mô phỏng và đánh giá kết quả 1.7 Giới hạn của luận văn - Chỉ khảo sát dựa vào mô hình rô bốt di động hai bánh sử dụng. .. bộ điều khiển trƣợt tích hợp của luật điều khiển động học và luật điều khiển động lực học 50 4.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ 50 4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ .51 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ 58 Chƣơng 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59 5.1 Các thông số sử dụng cho bộ điều khiển 59 5.2 Quỹ đạo đƣờng cong mong muốn cho WMR bám 60 5.3 Mô phỏng bộ. .. lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian 64 Hình 5.10 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ở thời gian ban đầu 64 Hình 5.11 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian 65 Hình 5.12 Chuyển động bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển. .. Chuyển động bám quy đạo tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian 71 Hình 5.24 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong toàn thời gian 72 Hình 5.25 Sai lệch bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ trong thời gian ban đầu 72 Hình 5.26 Chuyển động bám quy đạo vuông tròn của WMR khi sử dụng. .. thuật điều khiển mới mà đó là sự kết hợp của giải thuật điều khiển trƣợt trên cơ sở điều khiển động học và động lực học với giải thuật điều khiển mờ để ƣớc lƣợng các thành phần nhiễu Hình thành nên bộ điều khiển trƣợt mờ để điều khiển rô bốt di động hai bánh bám theo chiến lƣợc mong muốn với một vận tốc không đổi Điều khiển trƣợt dùng trực tiếp mô hình động lực học Nội dung của phƣơng pháp gồm hai bƣớc... thuật điều khiển trƣợt mờ với chiến lƣợc mong muốn cho trƣớc trên máy tính bằng phần mềm Matlab 1.8 Điểm mới của luận văn - Luận văn này đƣa ra một giải thuật điều khiển mới mà đó là sự kết hợp của giải thuật điều khiển trƣợt và giải thuật khiển mờ cho một rô bốt di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn với một vận tốc không đổi - Bộ điều khiển trƣợt mới đó là sự kết hợp của bộ điều khiển động học... toán cho rô bốt di động hai bánh Chƣơng 4: Thiết kế bộ điều khiển trƣợt mờ điều khiển rô bốt di động hai bánh Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nội dung chính của luận văn là đề xuất một thuật toán trên cơ sở kết hợp thuật toán điều khiển trƣợt (Sliding Mode Control – SMC ) và thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control – FLC) để tạo nên bộ điều. .. Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn 62 Hình 5.6 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với nhiễu lớn trong toàn thời gian 62 Hình 5.7 Sai lệch bám quy đạo cong của WMR khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt với nhiễu lớn ở thời gian ban đầu 63 17 Hình 5.8 Lƣu đồ giải thuật điều khiển trƣợt có nhiễu lớn sử dụng bộ điều khiển trƣợt mờ ... loại bánh xe 2 Hình 1.3 Cấu hình một bánh lái phía trƣớc, một bánh truyền động phía sau 3 Hình 1.4 Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dƣới trục bánh xe 4 Hình 1.5 Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc 4 Hình 1.6 Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở sau và một bánh lái ở trƣớc 4 Hình 1.7 Cấu hình hai bánh quay tự do ở sau, bánh trƣớc vừa là bánh . TÀI: ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO RÔ BỐT DI ĐỘNG HAI BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tìm hiểu về rô bốt di động 2. Xây dựng mô hình toán cho rô bốt di động hai bánh. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt 45 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học 45 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học 47 11 4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt tích hợp của luật điều khiển động. rô bốt di động hai bánh 35 3.2 Mô hình động học của rô bốt di động hai bánh 36 3.3 Mô hình động lực học của rô bốt di động hai bánh 39 Chƣơng 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT MỜ 44 4.1 Đặt