NHẬN DẠNG và điều KHIỂN CÁNH TAY máy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẠCH TUYẾT ĐỀ TÀI NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẠCH TUYẾT ĐỀ TÀI NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC Thái Nguyên - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phạm thị Bạch Tuyết Học viên: lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Công tác tại: Trường Cao đẳng nghề - Yên Bái Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về chuyên môn của cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến Tiến sỹ Nguyễn Hoài Nam đã tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn học viên cùng nhóm, các tổ chức Khoa, Trung tâm thí nghiệm, Phòng ban của Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp - những người đã luôn ủng hộ và động viên tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức, thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn! iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU Chương I: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.2.1. Hệ thống điều khiển cánh tay máy một bậc tự do 1.2.2. Thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do 1.3. GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ 1.3.1. Động cơ 1.3.2. Encoder 1.3.3. Hộp giảm tốc 1.3.4. IC L298N 1.3.5. IC SN74HC08N 1.3.6. Card Arduino 1.4. LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO Chương II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 2.2.1. Mô hình toán học i ii iii vi viii x 1 4 4 4 4 6 6 6 8 9 10 10 11 14 16 16 17 17 iv 2.2.2. Moment quán tính của cánh tay máy 2.2.3. Moment quán tính quy đổi về trục động cơ 2.2.4. Tổng moment quán tính 2.3. NHẬN DẠNG TAY MÁY…………………………… Chương III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 3.2. CẤU TRÚC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 3.2.1.1. Mờ hoá 3.2.1.2. Khối luật hợp thành 3.2.1.3. Giải mờ 3.2.2. Phân loại bộ điều khiển mờ 3.2.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh… 3.2.2.2. Bộ điều khiển mờ động… 3.2.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ 3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO CÁNH TAY MÁY 3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ bằng công cụ Fuzzy trong Matlab 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tượng 3.3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh cho đối tượng 3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ động cho đối tượng 3.3.2.3. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và động dùng 3 tập mờ 3.3.2.4. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và động dùng 5 tập mờ Chương IV: ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK VÀ THƯ VIỆN ARDUINO…………………………………… 4.1. GIỚI THIỆU THƯ VIỆN ARDUINO TRONG SIMULINK 4.1.1. Khối Arduino IO Setup 4.1.2. Khối Real - Time Pacer 4.1.3. Khối Motor out 18 19 19 20 25 25 25 25 26 26 27 29 30 31 33 34 34 38 39 40 41 43 47 47 47 48 49 v 4.1.4. Khối Encoder Read 4.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG BỘ MỜ VÀ ARDUINO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHỤ LỤC Phụ lục 1 Phụ lục 2 Phụ lục 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 53 56 57 57 58 59 60 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC Direct Current. IC Integrated Circuit. CNC Computer Numerical Control ℓ Chiều dài r Chiều rộng d Chiều dày M Khối lượng GND Ground Vcc Voltage colector to colector PWM Pulse Width Modulation θ Vị trí góc của cánh tay ω Vận tốc góc của cánh tay J Tổng moment quán tính trên trục động cơ β Hệ số ma sát nhớt k t Hệ số mô-men k i Hệ số dòng điện g Gia tốc trọng trường J m Moment của cánh tay máy quy đổi về trục của động cơ u Điện áp đầu vào J tr Moment quán tính trên trục động cơ N Tỷ số truyền của hộp số T s Chu kỳ lấy mẫu vii n Số xung xuất hiện trong một giây. Ne Số xung của đĩa Encoder. v Tốc độ động cơ. Ts Thời gian lấy mẫu. ns Số xung Encoder xuất ra trong thời gian Ts. I/O Input/Output. PID Proportional Integral Derivative viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Tên Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm 5 Hình 1.2 Cánh tay máy 6 Hình 1.3 Động cơ DC + Encodor + Giảm tốc 7 Hình 1.4 Kí hiệu các đầu nối với động cơ 7 Hình 1.5 Hình ảnh Encoder 8 Hình 1.6 Kích thước hộp giảm tốc 9 Hình 1.7 IC L298N. 10 Hình 1.8 IC SN74HC08N 11 Hình 1.9 Arduino UNO 11 Hình 1.10 Bảng mạch điều khiển 14 Hình 1.11 Mô hình cánh tay máy sau khi lắp ráp 15 Hình 2.1 Mô hình cánh tay máy một bậc tự do 17 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống đo góc của cánh tay máy sử dụng Matlab/Simulink 21 Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng cách tay máy trong Simulink 22 Hình 2.4-a Vị trí góc thực và ước lượng từ mô hình toán 23 Hình 2.4-b Sai số 23 Hình 3.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 25 Hình 3.2 Phương pháp giải mờ cực đại 28 Hình 3.3 Phương pháp giải mờ trọng tâm 28 Hình 3.4 Các bộ điều khiển mờ 30 Hình 3.5 Hệ điều khiển mờ động PI 32 Hình 3.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 32 Hình 3.7 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 33 [...]... toán cho cánh tay máy một bậc tự do nhằm mục đích để thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống điều khiển 17 trước khi đưa bộ điều khiển vào điều khiển thời gian thực 2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 2.2.1 Mô hình toán học Hệ tay máy một bậc tự do được mô tả như hình 2.1 Hình 2.1: Mô hình cánh tay máy một bậc tự do Trong đó: 1 - Động cơ 2 - Cánh tay máy 3 - Trụ đỡ động cơ Mô hình cánh tay máy một bậc... toán điều khiển khác nhau để điều khiển nó chẳng hạn như PID kinh điển, hệ mờ, mạng nơ-ron và các bộ điều khiển phi tuyến khác Thông qua chế tạo mô hình thực chúng ta có thể làm chủ được công nghệ và giảm chi phí hơn nhiều so với việc mua mới một hệ thống hoàn chỉnh 1.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.2.1 Hệ thống điều khiển cánh tay máy một bậc tự do Về mặt truyền động và điều khiển, ... bàn thí nghiệm cánh tay máy một bậc tự do được biểu diễn: Vị trí đặt Động cơ DC Encoder, Cánh tay máy Computer, Matlab Mạch cầu H Card Arduino Nguồn vào, IC L298N, IC SN74HC08N Hình 1.1: Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm 6 1.2.2 Thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do Trong quá trình thiết kế và chế tạo cánh tay máy một bậc tự do, vật liệu được lựa chọn và sử dụng để làm mô hình tay máy là một thanh... ki, kt và Jm chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển cho mô hình cánh tay máy thực Do sai số của các thông số trên được xác định còn lớn nên chúng tôi chưa xác định được mô hình toán đủ tin cậy, cho nên chúng tôi chọn bộ điều khiển mờ cho hệ thống này Ở các chương tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày về bộ điều khiển mờ và thiết kế bộ điều khiển mờ cho mô hình cánh tay máy thực Sau đó sẽ tiến hành điều khiển. .. sẽ là cơ sở và tài liệu tham khảo cho các hướng phát triển trong tương lai và phục vụ cho những thí nghiệm về Robot 3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xây dựng mô hình thực và mô hình toán học cho cánh tay máy một bậc tự do trong phòng thí nghiệm - Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng kết quả trong Matlab - Cài đặt bộ điều khiển cho bo mạch Arduino và điều khiển thời gian thực cho cánh tay máy một bậc... phỏng và điều khiển thời gian thực 3 4 Dự kiến các kết quả cần đạt được - Có được mô hình toán học cho cánh tay máy một bậc tự do - Thiết kế bộ điều khiển cho cánh tay máy một bậc tự do đảm bảo tính ổn định cũng như yêu cầu chất lượng được đặt ra 5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng cánh tay máy Nghiên cứu thực nghiệm: - Xác định mô hình toán học và các... học và các tham số cho cánh tay máy một bậc tự do trên mô hình thật Đề tài sẽ trình bày theo những nội dung sau: Chương I: Thiết kế, chế tạo và lắp ráp cánh tay máy một bậc tự do Chương II: Xây dựng mô hình toán học cho cánh tay máy một bậc tự do Chương III: Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng Chương IV: Điều khiển thời gian thực sử dụng Matlab/Simulink và thư viện Arduino Kết quả và kiến nghị 4 Chương... bậc tự do gồm 01 động cơ điện một chiều có hộp giảm tốc và một cánh tay máy Hệ tay máy này có thể quay quanh một trục nhờ vào moment tác dụng lên trục động cơ Vị trí của cánh tay θ(t) được xác định là góc hợp bởi trục thẳng đứng và phương của cánh tay như hình 2.1 Tín hiệu đầu vào là điện áp u(t) và tín hiệu đầu ra θ(t) là vị trí góc của cánh tay máy 18 Theo [2] mô hình toán học được mô tả như sau:... Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý Robot được ứng dụng rất rộng rãi, vì vậy những Robot thực sự có ích và được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp lại là những cánh tay máy Cánh tay máy là một hệ thống được sử dụng rất nhiều Trong đó cánh tay máy một bậc tự do là một đối tượng đơn giản nhất có thể thiết kế và chế tạo trong... tôi đã sử dụng card Arduino Uno để kết nối với máy tính, điều khiển động cơ và đo vị trí góc của cánh tay máy Các thông số kỹ thuật của Arduino như sau: Vi điều khiển Atmega 328 Điện áp làm việc 5V Điện áp nguồn vào 7 ÷ 12V Điện áp nguồn vào giới hạn 6 ÷ 20V Đầu vào ra số I/O 14 (6 kênh ra) Các chân vào tương tự 6 Dòng điện vào cho 1 I/O) 40 mA Dòng điện vào cho điện áp 3.3V 50 mA Flash Memory 32 KB . KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TAY MÁY MỘT BẬC TỰ DO 1.2.1. Hệ thống điều khiển cánh tay máy một bậc. chế tạo và lắp ráp cánh tay máy một bậc tự do. Chương II: Xây dựng mô hình toán học cho cánh tay máy một bậc tự do. Chương III: Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng. Chương IV: Điều khiển thời. NGHIỆP PHẠM THỊ BẠCH TUYẾT ĐỀ TÀI NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên