Xây dựng bộ điều khiển NEFCON cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng

PHẦN MỞ ĐẦU 1- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: - Nghiên cứu các bộ điều khiển nâng cao Mờ và Nơron: Đánh giá ưu nhược điểm của hai bộ điểu khiển - Ứng dụng bộ điều khiển Mờ và Nơron để điều khiển các hệ phi tuyến - Kết hợp ưu điểm hai bộ điều khiển Mờ và Nơron (NEFCON) - Khảo sát đánh giá bộ điều khiển NEFCON trên mô hình tay máy Robot 2- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Xây dựng bộ điều khiển NEFCON cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng So sánh với chất lượng khi điều khiển tay máy dung bộ điều khiển kinh điển. Kiểm chứng thuật toán bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: Điều khiển cánh tay robot theo bộ điều khiển NEFCON 4- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI a) Ý nghĩa khoa học - Xây dựng bộ điều khiển NEFCON - Ứng dụng bộ điều khiển NEFCON điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. - Đánh giá hoạt động của bộ điều khiển NEFCON trong việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot. b) Ý nghĩa thực tiễn - Nâng cao chất lượng điều khiển trong hệ điều khiển cánh tay Robot 1 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ NƠRON - MỜ (NEFCON) 1. Tổng quan về điều khiển mờ: - Giới thiệu - Cấu trúc của hệ điều khiển mờ - Nguyên lý xây dựng và hoạt động bộ điều khiển mờ 2. Tổng quan về điều khiển Nơron: - Giới thiệu - Cấu trúc của hệ điều khiển Nơron - Nguyên lý xây dựng và hoạt động bộ điều khiển Nơron 3. Kết hợp bộ điều khiển Nơron – Mờ (NEFCON): - Tiêu chí kết hợp hai bộ điều khiển - Cấu trúc bộ điều khiển Nơron – Mờ (NEFCON) - Một vài ứng dụng bộ điều khiển NEFCON6 2 1. Bộ điều khiển Mờ * Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 2. Bộ điều khiển Nơron 2.1 Cấu trúc của mạng Nơron nhân tạo a) Mạng nơron sinh học b). Mạng nơ ron nhân tạo Hình 1.13: Mô hình nơron đơn giản Mờ hoá Thiết bị hợp thành Giải mờ Hình 1.1: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ Giao diện ra Giao diện vào Nhánh Khớp nối Sợi trục Hình 1.12: Mô hình 2 nơron sinh học Thân W 1 W 2 W 3 X 1 X 2 X 3 Y Σ 3 Hình 1.14: Mạng nơron 3 lớp 2.2 Mô hình nơron a) Nơron đơn giản: b) Nơron với nhiều đầu vào (véc tơ vào) Hình 1.17: Ký hiệu noron với R đầu vào f Vào Không có độ dốc p w n a a = f(wp) f Vào có độ dốc p w n a a = f(wp+b) Σ b Hình 1.15 a,b: Mô hình nơron đơn giản 1 a) b) w 1,2 f p 1 w 1,1 n a a = f(WP+b) Σ b 1 p 2 p 3 p R w 1,R 4 Hình 1.16: Nơron với R đầu vào 2.3 Cấu trúc mạng a) Mạng một lớp . Hình 1.19: Ký hiệu mạng R đầu vào và S nơron a = f(WP+b) p 1 w 1,1 1 f n 1 a 1 Σ b 1 p 2 p 3 p R w S,R 1 f n 2s a 2 Σ b 2 1 f n S a S Σ b S Vào Các nơron P a = f(WP+b) f n W 1 R b + Sx1 a 1x1 Sx1 SxR Vào Nơron Rx1 S 5 Hình 1.18 Cấu trúc mạng nơron 1 lớp b) Mạng nhiều lớp 2.4. Huấn luyện mạng 1 Hình 1.21: Cấu trúc mạng nơron 3 lớp a 1 = f 1 (W 1,1 P+b 1 ) f 1 n 1 1 Σ b 1 1 1 f 1 n 1 2 Σ b 1 2 1 f 1 n 1 S Σ b 1 S p 1 1 p 2 p 3 p R Vào Lớp 1(lớp vào) a 2 = f 2 (W 2,1 a 1 +b 2 ) f 2 n 2 1 a 2 1 b 2 1 1 f 2 n 2 2 a 2 2 b 2 2 1 f 2 n 2 S a 2 S b 2 S Lớp 2 (lớp ẩn) a 3 = f 3 (W 3,2 a 2 +b 3 ) 1 n 3 1 Σ b 3 1 1 n 3 2 Σ b 3 2 1 n 3 S Σ b 3 S f 3 a 3 1 f 3 a 3 2 f 3 a 3 S Lớp 3 (lớp ra) a 1 1 a 1 2 a 1 S Σ Σ Σ S 2 x1 a 1 a 1 a 3 = y P Hình 1.22: Ký hiệu tắt của mạng nơron 3 lớp 1 R S 1 a 1 = f 1 (IW 1,1 P+b 1 ) n 1 IW 1, 1 b 1 + S 1 x 1 S 1 x 1 S 1 x R Vào Lớp 1 Rx 1 S 2 a 2 = f 2 (LW 2,1 a 1 +b 2 ) f 2 n 2 b 2 + S 2 x 1 S 2 x 1 S 2 x S 1 Lớp 2 LW 2 ,1 1 f 1 S 3 a 3 = f 3 (LW 3,2 a 2 +b 3 ) f 3 n 3 b 3 + S 3 x 1 S 3 x 1 S 3 x S 2 Lớp 3 LW 3 ,2 S 3 x1 1 a 3 = f 3 (LW 3,2 f 2 (LW 2,1 f 1 (IW 1,1 P+b 1 )+b 2 )+b 3 =y Đích Hàm trọng lượng (weights) giữa các nơron Vào Điều chỉnh So sánh 6 Hình 1.23: Cấu trúc huấn luyện mạng nơron 3. Bộ điều khiển Nơron – Mờ (NEFCON) 3.1. Cấu trúc chung của hệ nơron mờ Hình 1.25: Mô hình hệ nơron mờ Các hệ thống điều khiển dùng nơron mờ trong nước và trên thế giới Hình 1.27: Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC dùng nơron mờ - Ứng dụng mạng nơron mờ với con lắc nghịch đảo: - Ứng dụng mạng nơron mờ để xác định độ hút mong muốn - Ứng dụng mạng nơron mờ cho việc điều khiển nhiệt độ dùng quang phổ dạng TSK 7 Hình 1.29: Mô hình bộ điều khiển noron mờ KẾT LUẬN CHƯƠNG I Chương I đã giải quyết các vấn đề sau: - Cấu trúc của bộ điều khiển mờ, phương pháp giải mờ và tìm hiểu về các phương pháp giải mờ nâng cao. - Cấu trúc mạng nơ ron, mạng nơ ron một lớp và mạng nơ ron nhiều lớp và phương pháp huấn luyện mạng nơ ron. - Một số công trình nghiên cứu về hệ nơ ron mờ trong nước và trên thế giới. 8 CHƯƠNG II: KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT 2.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp 2.2 Ứng dụng của robot công nghiệp 2.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 2.3.1 Cấu trúc chung Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc chung của robot công nghiệp Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống cảm biến 2.3.2. Kết cấu tay máy Hình 2.3: Sơ đồ kết cấu tay máy 9 2.4 Lựa chọn sơ đồ điều khiển hệ điều khiển robot Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc robot 3 thanh nối 2.4.1 Thiết lập các phương trình động học cơ bản r0 = Biri 2.4.2 Vận tốc chuyển động thứ i. ∑ = ∂ ∂ == i 1s is s i 0 rq q B rV  2.4.3 Gia tốc của chuyển động thứ i. i i is i is i is 1s 1s i 2 s s i 0i rqq qq B q q B rva         ∂∂ ∂ + ∂ ∂ === ∑ ∑∑ = = =   2.5 Thành lập phương trình động lực học 2.5.1 Xây dựng phương trình tính động năng của hệ 32233232 2 3323 2 33 23 2 33233232 2 33 31233232 2 23 233232 2 3323 2 33 212 2 23233233323 23 2 33 2 23 2 33 2 3 2 2 2 1 2 23 2 33 2 2 2 1233233 2 233323 23 2 33 2 333233 2 33 2 212 22 22 2 11 2 1 )]cos(llm 4 1 coslm)22cos(lm 4 1 )2cos(lm 4 1 )2cos(llmcoslm 4 1 [ )]cos(llm 4 1 coslm )cos(llm 4 1 2coslm 4 1 )2cos(lm 4 1 [ ]2coslm 2 1 )2cos(llm 2 1 cosllm 2 1 )22cos(lm 4 1 lm 2 1 lm 4 1 [ ))(lm 4 1 lm 8 1 ( ))](2cos(llm 4 1 2coslm 4 1 cosllm 4 1 [ 22cos(lm 8 1 [)cosllm 2 1 2coslm 8 1 ( )(coslm 6 1 mR 2 1 ϕϕϕ+ϕ−ϕ+ϕ−ϕ− ϕ−ϕ+ϕ−ϕ−ϕ+ ϕϕϕ+ϕ−ϕ+ ϕ−ϕ−ϕ+ϕ−ϕ+ ϕϕϕ+ϕ−ϕ−ϕ− ϕ−ϕ+++ ϕ+ϕ+ϕ++ ϕ+ϕϕ−ϕ−ϕ+ϕ− ϕ−ϕ+ϕϕ−ϕ+ ϕ+ϕϕ+ϕ=        10 [...]... qui luật điều khiển kinh điển, đồng thời tiến hành mô phỏng với các quĩ đạo chuyển động khác nhau để thấy rõ mối quan hệ và tác động ảnh hưởng qua lại giữa các chuyển động đến chất lượng và độ chính xác điều khiển vị trí robot; - Xây dựng bộ điều khiển nơron mờ (NEFCON) cho mạch vòng điều khiển 2 khớp Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển nơron mờ làm việc theo cơ chế thích nghi đã cho phép khắc... 22 Sơ đồ khối bộ điều khiển NEFCON trong phần mềm Matlab – Simulink: Hình 3.30 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot Hình 3.31 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 23 Nhận xét: Bộ điều khiển NEFCON cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo đặt của biến khớp điều khiển khoảng 0.05, trong các chu kỳ tiếp... 3.16:Dạng HLT cho đầu vào 1 Hình 3.17:Dạng HLT cho đầu vào 2 Hình 3.18: Đường cong nội suy thể hiện mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào 19 Bước 5: Chạy mô phỏng với kết quả các hàm liên thuộc sau khi đã chỉnh định Hình 3.19 Quỹ đạo bám của cánh tay Robot Hình 3.20 Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot 20 Hình 3.21 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot Nhận xét: Bộ điều khiển NEFCON cho đáp... thành yêu cầu đặt ra và thu được một số kết quả sau: - Nghiên cứu lý thuyết về hệ mờ và mạng nơron; phân tích ưu nhược điểm mỗi loại và việc kết hợp chúng thành hệ nơron mờ nhằm phát phát huy ưu điểm của điều khiển mờ và mạng nơron trong điều khiển các hệ thống phi tuyến; - Xây dựng mô hình toán học robot 3 bậc tự do; mô phỏng robot trên Matlab; xây dựng hệ điều khiển các chuyển động của robot bằng các. .. điều khiển Robot 2 bậc tự do Hình 3.5 Đáp ứng đầu ra của các biến khớp Robot 16 Hình 3.6 Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của các biến khớp Hình 3.7 Tín hiệu điều khiển các biến khớp của Robot Hình 3.8 Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển PD 3.2 Thiết kế điều khiển NEFCON cho tay máy 2 bậc tự do Bước 1: Ta lấy mẫu các tập dữ liệu vào ra bao gồm 2 đầu vào và 1 đầu ra dùng để huấn luyện... 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN NEFCON 3.1 Mô hình tay máy 2 bậc tự do Hình 3.1.a Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab Hình 3.1.b Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab Hình 3.2 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển trong phần mềm Matlab 15 Hình 3.3 Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab Hình 3.4 Sơ đồ cầu trúc mô phỏng hệ điều khiển Robot 2 bậc tự do Hình 3.5 Đáp ứng đầu ra của các. .. khoảng 0.05, trong các chu kỳ tiếp theo quỹ đạo robot được điều khiển ổn định thể hiện trên hình 3.30 và hình 3.31 Sử dụng bộ điều khiển NEFCON đã khắc phục được hiện tượng giật trong quỹ đạo theo chiều xuống và hầu như không còn sai lệch tĩnh theo quỹ đạo đi lên của Robot Điều này minh chứng tính ổn định và tối ưu của bộ điều khiển theo phương pháp NEFCON 24 KẾT LUẬN Đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng... sát và xây dựng mô hình toán học robot" đã giải quyêt được một số vấn đề cơ bản sau: - Tìm hiểu sơ lược về lịch sử phát triển, ứng dụng, cấu trúc của robot công nghiệp - Thành lập được phương trình động lực học cơ bản cho tay máy ba bậc tự do - Thành lập được phương trình động lực học cho tay máy ba bậc tự do - Mô tả toán học hệ điều khiển chuyển động bằng phương trình vi phân - Mô tả hệ điều khiển. .. dạng bậc thang qua bộ lọc có dạng như Hình 3.19, cụ thể sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ tầm được biểu thị trên Hình 3.20 Đồng thời tín hiệu điều khiển cho hai biến khớp cụ thể ở đây là cung cấp giá trị điện áp đầu vào cho hai động cơ để quay hai biến khớp được thể hiện như Hình 3.21 3.3 Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển NEFCON Máy tính cài... mềm Matlab Simulink Mô hình Cánh tay robot 5 bậc tự do Mạch công suất điều khiển động cơ cánh tay robot Card Arduino Board kết nối với Simulink Hình 3.22 Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 21 Hình 3.23: Sơ đồ khối chạy thực nghiệm Hình 3.24 Cấu hình cổng kết nối Hình 3.27 Cấu hình xuất tín hiệu PWM Hình 3.25 Cấu hình thời gian thực Hình 3.25 Cấu hình đọc encoder Hình 3.28 Điều khiển tốc độ và chiều quay . Nơron (NEFCON) - Khảo sát đánh giá bộ điều khiển NEFCON trên mô hình tay máy Robot 2- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Xây dựng bộ điều khiển NEFCON cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng So. học - Xây dựng bộ điều khiển NEFCON - Ứng dụng bộ điều khiển NEFCON điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. - Đánh giá hoạt động của bộ điều khiển NEFCON trong việc điều. chất lượng khi điều khiển tay máy dung bộ điều khiển kinh điển. Kiểm chứng thuật toán bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: Điều khiển cánh tay robot theo bộ điều khiển NEFCON 4-