Mô hình hoá và điều khiển robot rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1984 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh – Quảng Ngãi Dân tộc : Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 35 Hữu Nghị - Bình Thọ - Thủ Đức – Tp.HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng:0903.084.048 Fax: E-mail:vanphuocspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 10/ 2010 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Luận văn: Nghiên Cứu Phần Mềm Revit Mep 2010 ngành điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Ngày 10 trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 10/2010 – 8/2012 3/2011 - Nơi công tác Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Công việc đảm nhiệm Học viên Giảng viên i LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 09 năm 2012 Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC ii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý tận tình quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ban Lãnh Đạo trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh Trước hết, xin chân thành cảm ơn quí thầy cô khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy cô tận tình dạy bảo cho suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Tâm, thầy dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn thạc sĩ Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh quí thầy cô khoa Điện – Điện Tử tạo nhiều điều kiện để học tập hoàn thành tốt khoá học Đồng thời, xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện cho kinh tế tinh thần suốt trình làm luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quí báu quí thầy cô bạn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Học viên Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC iii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM TÓM TẮT Luận văn “Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” giới thiệu việc xây dựng phƣơng trình động lực học mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển chuyển động robot rắn chuyển động theo đƣờng cong Serpenoid Tối ƣu thông số mô hình Điều khiển chuyển động robot rắn cách điều khiển: hƣớng, vận tốc góc phi Thiết kế điều khiển PID để điều khiển chuyển động robot rắn tối ƣu thông số PID sử dụng giải thuật bầy đàn PSO Xây dựng mô hình hoá mô sử dụng phần mềm matlab 7.6 So sánh kết giải thuật tối ƣu thông số PID sử dụng PSO giải thuật gen truyền GA Đánh giá kết giải thuật Thi công mô hình thực nghiệm cho robot rắn, điều khiển từ máy tính thông qua cổng USB HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC iv LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM ABSTRACT Thesis “Modelling and Controling of Snake Robot” presents the establishment of the motivation equation and model for snake robot, studies some methods of controlling snake robot's movements according to Serpenoid curve and optimizes parameters of the model Some motion control of the snake robot is introduced such as direction, speed and  angle Also, the design of PID controller of operating the snake robot's movements with parameters optimized by a particle swarm optimization approach (PSO) is presented Besides, a simulation for snake robot will be conducted on Matlab 7.6 The results between two algorithms optimized PID parameters using PSO and genetic algorithm GA will be compared, and the results of the two algorithms should be evaluated The experimental model for the snake robot is conducted by controlling from a computer via the USB port HVTH: NGUYỄN VĂN PHƢƠC v LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cám ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan robot kết nghiên cứu công bố 1.1.1 Tổng quan robot: 1.1.2 Các kết nghiên cứu công bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ 1.3.2 Giới hạn 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chƣơng MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN 2.1 Lực ma sát nhớt robot rắn 2.2 Phương trình chuyển động 2.3 Phân ly động lực học 14 Chƣơng 3.PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT RẮN 3.1 Đường cong Serpenoid 17 3.2 Sự di chuyển hình rắn 21 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vi LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 3.3 Hiệu suất chuyển động 24 Chƣơng GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN 4.1 Lịch sử phát triển 28 4.2 Các khái niệm giải thuật bầy đàn 31 4.3 Mô tả thuật toán 31 4.4 Những vấn đề cần quan tâm xây dựng giải thuật PSO 34 4.4.1 Mã hóa cá thể 34 4.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 36 4.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 37 4.4.4 Hàm vận tốc v 37 4.4.5 Cập nhật vị trí tốt cho quần thể 38 4.5 Đặc điểm ứng dụng giải thuật PSO 40 4.5.1 Đặc điểm 40 4.5.2 Ứng dụng 41 4.6 Hiệu chỉnh điều khiển PID giải thuật bầy đàn 41 Chƣơng XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN TRÊN MATLAB 5.1 Thiết kế điều khiển robot rắn 43 5.1.1 Bộ điều khiển địa phương 44 5.1.2 Bộ điều khiển vòng 45 5.2 Xây dựng phương trình toán học Matlab 45 5.3 Xây dựng mô hình cho điều khiển địa phương 56 5.4 Xây dựng mô hình cho điều khiển vòng 57 5.4.1 Bộ điều khiển vận tốc 57 5.4.2 Bộ điều khiển hướng 58 5.5 Xây dựng điều khiển rắn matlab 58 5.6 Kết mô sử dụng giải thuật PSO 59 5.7 Kết mô hệ thộng điều khiển robot rắn 61 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chƣơng 6.SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO VÀ GIẢI THUẬT GA 6.1 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật GA 67 6.1.1 Thiết kế điều khiển địa phương 67 6.1.2 Thiết kế điều khiển hướng vận tốc 68 6.2 Kết mô 70 6.3 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO 75 6.4 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA thay đổi vận tốc 79 6.5 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA môi trường thay đổi 84 6.6 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA thông số thay đổi 85 6.7 Nhận xét kết 86 Chƣơng THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT RẮN 7.1 Chọn động cho robot rắn 87 7.1.1 Giới thiệu động Dynamixel AX-12A 87 7.1.2 Đặc tính kỹ thuật động Dynamixel AX-12A 88 7.2 Thiết kế khí 89 7.3 Thiết kế mạch giao tiếp robot máy tính 93 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Những kết đạt 95 8.2 Những mặt hạn chế: 95 8.3 Hướng phát triển đề tài 95 Tài liệu tham khảo 97 Phụ lục 99 Phụ lục 100 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC viii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID (Proportional–Integral–Derivative): Viết tắt ba thành phần có điều khiển (khuếch đại (P)), tích phân (I), vi phân(D) PSO (Particle swarm optimization): Tối ưu hoá bầy đàn GA (Genetic Algorithms): Thuật toán di truyền HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC ix LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Các robot rắn công bố Hình 2.1: Robot rắn gồm n đoạn, (n – 1) khớp Hình 2.2: Đoạn vi phân khâu thứ i Hình 2.3: Phân tích lực tác động lên đoạn thứ I robot rắn Hình 3.1a: Đường cong serpernoid với b = 2π c = 18 𝜋 Hình 3.1b: Đường cong serpernoid với a = c = 18 𝜋 Hình 3.1c: Đường cong serpernoid với a = b = 10π 19 Hình 3.2: Đường cong serpernoid xấp xỉ đoạn thẳng 20 Hình 3.3a: Chuyển động hình rắn (γ = 0) 22 Hình 3.3b: Chuyển động hình rắn (γ = 10 deg) 23 Hình 3.4: Đồ thị tốc độ trung bình ave(v) theo ω γ 23 Hình 3.5: Đồ thị tốc độ góc trung bình ave(ξ) theo ω γ 24 Hình 3.6: Sự kết hợp tối ưu tốc độ lượng 26 Hình 3.7: Các thông số tối ưu (α, β, ω) 26 Hình 3.8: Quan hệ đoạn β số đoạn n Robot rắn 27 Hình 3.9: Đồ thị α với tỉ số ct / cn 27 Hình 4.1: Mô tả kiến tìm đường 29 Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật thuật toán PSO 33 Hình 4.3: Cá thể biểu diễn biểu thức toán học 36 Hình 4.4: Chuyển động cá thể 38 Hình 4.5: Bộ điều khiển PID giải thuật bầy đàn 41 Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển PSO-PID 42 Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển 44 Hình 5.2: Cấu trúc điều khiển địa phương 44 Hình 5.3: Sơ đồ khối tổng quát Robot rắn 51 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC x LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 5.4: Sơ đồ chi tiết khối “Snake Robot” 52 Hình 5.5: Sơ đồ điều khiển địa phương 56 Hình 5.6: Sơ đồ chi tiết điều khiển CΦ 56 Hình 5.7: Sơ đồ mô điều khiển vận tốc ( Cυ ) Robot Rắn 57 Hình 5.8: Sơ đồ mô điều khiển vận tốc ( Csi ) Robot Rắn 58 Hình 5.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật PSO 58 Hình 5.10: Đồ thị hàm thích nghi trình tối ưu 60 Hình 5.11: Đồ thị hàm Kp1, Ki1 Kd1 trình tối ưu 60 Hình 5.12: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*=0 (rad) 62 Hình 5.13: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*=0 (rad) 62 𝜋 Hình 5.14: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 63 𝜋 Hình 5.15: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 64 𝜋 Hình 5.16: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 65 𝜋 Hình 5.17: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 66 Hình 6.1: Sơ đồ mô điều khiển CΦ Matlab 67 Hình 6.2: Sơ đồ mô điều khiển Cυ Matlab 69 Hình 6.3: Sơ đồ mô điều khiển Cξ Matlab 69 Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật GA 70 Hình 6.5: Kết mô robot rắn với υ = 1m/s, ξ = rad 71 Hình 6.6: Vị trí robot rắn với υ = 1m/s, ξ = rad 72 Hình 6.7: Kết mô robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.8: Vị trí robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.9: Kết mô robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.10: Vị trí robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng giải thuật PSO 75 Hình 6.12: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.13: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.14: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 𝜋 (rad) 77 xi LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 6.15: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= 𝜋 (rad) 77 Hình 6.16: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= Hình 6.17: Vị trí robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= 𝜋 𝜋 (rad) 78 (rad) 79 Hình 6.18: Kết mô robot rắn với ν*=0.5 (m/s) ξ*= (rad) 80 𝜋 Hình 6.19: Kết mô robot rắn với ν*=0.5 (m/s) ξ*= (rad) 80 𝜋 Hình 6.20: Kết mô robot rắn với ν*=0.5 (m/s) ξ*= (rad) 80 * * Hình 6.21: Kết mô robot rắn với ν =1 (m/s) ξ = Hình 6.22: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= 𝜋 𝜋 (rad) 81 (rad) 81 Hình 6.23: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 82 Hình 6.24: Kết mô robot rắn với ν*=1.5 (m/s) ξ*= (rad) 82 𝜋 Hình 6.25: Kết mô robot rắn với ν*=1.5 (m/s) ξ*= (rad) 83 𝜋 Hình 6.26: Kết mô robot rắn với ν*=1.5 (m/s) ξ*= (rad) 83 * * Hình 6.27: Kết mô robot rắn với ν =1 (m/s) ξ = (rad) 84 Hình 6.28: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 84 Hình 6.29: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 85 Hình 6.30: Kết mô robot rắn với ν*=1 (m/s) ξ*= (rad) 85 Hình 7.1: Động Dynamixel AX-12 88 Hình 7.2: Mô hình tổng thể robot rắn 89 Hình 7.3a: Khớp liên kết hai động 90 Hình 7.3b: Sơ đồ lắp ráp hai đoạn robot rắn 90 Hình 7.4: Khớp nối robot rắn 90 Hình 7.5: Khớp nối robot rắn 91 Hình 7.6: Sơ đồ chân động 91 Hình 7.7: Sơ đồ liên kết động 91 Hình 7.8: Mặt robot rắn 92 Hình 7.9: Mạch chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp bán song công 93 Hình 7.10: Sơ đồ nguyên lý mạch FT232 94 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC xii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan robot kết nghiên cứu công bố 1.1.1 Tổng quan robot: Trong trình phát triển đất nước nói chung, nghiệp công nghiệp hoá đại hoá nói riêng quan trọng Nước ta thuộc nước phát triển có công nghiệp sản xuất lạc hậu, phương châm tắt đón đầu, ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ đại giới để đẩy nhanh giai đoạn phát triển Điều đòi hỏi phải nỗ lực đóng góp công sức Việc học tập, nghiên cứu lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn sống phát triển khoa học Trên giới gần nửa kỉ trở lại Robot ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt tự động hoá sản xuất, với ưu đặc biệt tính công nghệ, xuất hiệu sản xuất Với cách di chuyển nhẹ nhàng đa dạng, rắn cho thấy khả di chuyển hợp lý nhiều môi trường địa hình khác Vì robot di chuyển giống cách di chuyển loài rắn tự nhiên tích cực nghiên cứu, chúng cho thấy tính thích nghi với điạ hình tốt Với cách di chuyển giống loài rắn, robot luồn lách qua khe hẹp, di chuyển địa hình không phẳng hay lầy lội, chí bơi trèo lên Với khả đó, robot rắn ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: kiểm tra, nạo vét đường ống; tìm kiếm nạn nhân vụ hỏa hoạn, động đất; dò thám quân Chính vậy, chọn đề tài “ Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” để nghiên cứu  Khó khăn chủ yếu điều khiển robot rắn là: - Xây dựng mô hình robot rắn (nhiều biến) - Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức tạp HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM - Xây dựng chế chuyển động rắn - Các hệ số ma sát thay đổi phạm vi rộng tuỳ thuộc vào địa hình - So với robot di chuyển bánh xe mô hình chế chuyển động robot rắn phức tạp nhiều 1.1.2 Các kết nghiên cứu công bố nước  Các kết công bố nước: - Năm 1996, hai nhà khoa học Jim Ostrowski thuộc trường đại học kỹ thuật ứng dụng Pensylvania, Philadelphia, Hoa kỳ Joel Burdick thuộc học viện kỹ thuật ứng dụng California, Hoa kỳ, với đề tài nghiên cứu “Gait Kinematics for a Serpentin Robot”, đề tài dựa ràng buộc động học để mô tả chuyển động robot rắn trình bày kết mô chuyển động robot - Năm 2002, trường đại học kỹ thuật King Mongkut, Thái Lan, với đề tài nghiên cứu “Analysis and Design of A Multi-Link Mobile Robot” đưa kết phân tích động lực học robot rắn - Năm 2007, nhà khoa học Seif Dalilsafaei thuộc đại học Qazvin, Iran, với đề tài “Dynamic Analyze of snake robot”, đưa kết phân tích động lực học robot rắn tính toán lực dọc lực tiếp tuyến dọc theo thân robot rắn - Năm 1975, viện kỹ thuật Tokyo nghiên cứu chế tạo mô hình robot rắn có chiều dài m, nối với 20 khớp chuyển động song song với mặt đất di chuyển với vận tốc 40cm/s, robot đặt tên ACM – III Từ đời, robot ACM – III không ngừng cải tiến đời phiên Phiên robot rắn ACM – R5 đời vào năm 2006, tính vượt trội phiên robot rắn trước kích thước, tốc độ, linh hoạt … , robot có khả bơi nước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Một số kết nghiên cứu lĩnh vực công bố hình ảnh bên dưới: Hình 1.1 Các Robot rắn công bố  Các kết công bố nước: Ở nước ta nay, việc nghiên cứu chế tạo loại robot chuyển động giống loài vật tự nhiên có bắt đầu, chẳng hạn mô hình robot cá nhóm sinh viên đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên việc nghiên cứu dừng lại việc thực mô hình, chưa có nghiên cứu sâu động lực học để xây dựng mô hình toán học phương pháp điều khiển tối ưu 1.2 Mục đích đề tài - Xây dựng mô hình robot rắn - Nghiên cứu chế điều khiển chuyển động robot - Xây dựng hệ thống điều khiển theo cấp: Điều khiển địa phương điều khiển vòng - Tối ưu thông số điều khiển PID dùng giải thuật PSO - Mô hệ thống điều khiển - Thiết kế thi công mô hình robot rắn - So sánh kết tối ưu thông số PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ: Trong đề tài xây dựng mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phương thức điều khiển chuyển động robot rắn, thiết kế hệ thống điều khiển robot rắn, mô chuyển động robot rắn phần mềm Matlab thi công mô hình thực nghiệm robot rắn 1.3.2 Giới hạn: Đề tài giới hạn nghiên cứu di chuyển robot rắn không gian hai chiều, hoạt động địa hình phẳng chướng ngại vật 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết đồng thời mô chuyển động robot rắn Matlab thi công mô hình thực nghiệm robot rắn HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chương MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN Trong chương này, xây dựng mô hình toán học robot rắn Xét robot rắn gồm n đoạn kết nối với qua (n-1) khớp Giả thiết đoạn có khối lượng phân bố Ở khớp có động truyền động cho robot (hình 2.1) Đề tài xét robot rắn di chuyển mặt phẳng hai chiều Trong trường hợp hệ thống có (n+2) bậc tự ( (n-1) cho hình dạng, cho vị trí cho hướng) Chúng ta xây dựng phương trình động lực học chuyển động với robot rắn hai trường hợp ma sát nhớt ma sát Coulomb Hình 2.1 Robot rắn gồm n đoạn, n-1 khớp Robot gồm n đoạn, tọa độ trọng tâm đoạn  xi , yi  , góc hợp đoạn với phương ngang  i , chiều dài đoạn 2li ,  x  y tọa độ điểm trọng tâm theo phương x phương y HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 2.1 Lực ma sát nhớt robot rắn Xét đoạn thứ i robot rắn mô tả hình 2.2 Hình 2.2 Đoạn vi phân khâu thứ i Trong đó: Chiều dài đoạn thứ i 2li xi , yi  tọa độ trọng tâm đoạn thứ i f i lực ma sát đoạn thứ i mặt phẳng trượt p i vectơ vận tốc đoạn vi phân ds v~ti v~ni vận tốc theo phương tiếp tuyến phương pháp tuyến với đoạn thứ i s khoảng cách từ đoạn vi phân ds đến điểm trọng tâm đoạn thứ i  i góc hợp đoạn thứ i với trục x Tọa độ đoạn vi phân ds (hình 1.2) cho  x  cosi  pi   i    s y sin  i  i  (2.1.1) Lấy đạo hàm pi theo thời gian, ta vectơ vận tốc hệ trục x-y: HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC S K L 0 [...]... để xây dựng mô hình toán học và các phương pháp điều khiển tối ưu 1.2 Mục đích của đề tài - Xây dựng mô hình robot rắn - Nghiên cứu cơ chế điều khiển chuyển động của robot - Xây dựng hệ thống điều khiển theo 2 cấp: Điều khiển địa phương và điều khiển vòng ngoài - Tối ưu thông số các bộ điều khiển PID dùng giải thuật PSO - Mô phỏng hệ thống điều khiển - Thiết kế và thi công mô hình robot rắn - So sánh... (m/s) và ξ*= (rad) 83 4 𝜋 Hình 6.26: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= (rad) 83 2 * * Hình 6.27: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν =1 (m/s) và ξ = 0 (rad) 84 Hình 6.28: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 84 Hình 6.29: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 85 Hình 6.30: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 85 Hình. .. Hình 6.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 4 (rad) 77 Hình 6.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= Hình 6.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 2 𝜋 2 (rad) 78 (rad) 79 Hình 6.18: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 80 𝜋 Hình 6.19: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad) 80 4 𝜋 Hình 6.20: Kết quả mô phỏng robot. .. phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ*= (rad) 80 2 * * Hình 6.21: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν =1 (m/s) và ξ = Hình 6.22: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 2 𝜋 4 (rad) 81 (rad) 81 Hình 6.23: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 82 Hình 6.24: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ*= 0 (rad) 82 𝜋 Hình 6.25: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5... (rad) 63 4 𝜋 Hình 5.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 64 4 𝜋 Hình 5.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 65 2 𝜋 Hình 5.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad) 66 2 Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển CΦ trên Matlab 67 Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cυ trên Matlab 69 Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển Cξ trên Matlab... của Robot rắn 51 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC x LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 5.4: Sơ đồ chi tiết khối “Snake Robot 52 Hình 5.5: Sơ đồ bộ điều khiển địa phương 56 Hình 5.6: Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển CΦ 56 Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Cυ ) của Robot Rắn 57 Hình 5.8: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( Csi ) của Robot Rắn 58 Hình. .. Matlab 69 Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật GA 70 Hình 6.5: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 71 Hình 6.6: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 72 Hình 6.7: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.8: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73 Hình 6.9: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ =... rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.10: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74 Hình 6.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng giải thuật PSO 75 Hình 6.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 76 Hình 6.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 𝜋 4 (rad)... thuật PSO và giải thuật GA HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ: Trong đề tài này sẽ xây dựng mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phương thức điều khiển chuyển động của robot rắn, thiết kế hệ thống điều khiển robot rắn, mô phỏng chuyển động của robot rắn trên phần mềm Matlab và thi công mô hình thực nghiệm robot rắn 1.3.2... hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật PSO 58 Hình 5.10: Đồ thị hàm thích nghi của quá trình tối ưu 60 Hình 5.11: Đồ thị hàm Kp1, Ki1 và Kd1 trong quá trình tối ưu 60 Hình 5.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 62 Hình 5.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 62 𝜋 Hình 5.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= (rad)