Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni

Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni

Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Bài tiểu luận chủ đề: tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni I - ứng dụng giới thiệu robot sử dụng bánh omni Trên đường tiến tới công nghiệp hóa, đại hóa đất nước vấn đề phát triển khoa học kỹ thuật cao mấu chốt hàng đầu, Với xu hướng giảm tối thiểu sức người tăng suất lao động đòi hỏi phải có nhiều trang thiết bị, nhiều dây chuyền tự động hóa, lấy sức máy móc thay sức người… Để đáp ứng nhu cầu này, chắn cần phải nghiên cứu phát triển thiết bị tự động để phục vụ cho nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong Robot lĩnh vực mà nước ta nghiên cứu bước chế tạo để ứng dụng vào trình sản xuất góp phần nâng cao suất lao động Việc nghiên cứu chế tạo robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế dây chuyền sản xuất cần thiết Việc xây dựng chương trình hoạt động cho robot điều thiết yếu đặc biệt robot di động Bài toán robot di động bánh xe (Ominidirectional mobile robot – OMR) quan tâm lớn nhiều người năm gần đây, chúng ứng dụng rộng rãi ngành khác công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ … khả di chuyển linh hoạt Khác với loại robot di động sử dụng bánh truyền thống, robot di động sử dụng bánh đa hướng (gọi tắt robot di động đa hướng) có ưu điểm vượt trội như: khả thay đổi vị trí định hướng linh hoạt, độ xác cao , chúng có khả dịch chuyển quay đồng thời độc lập, robot di động đa hướng thu hút nhiều ý Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động OMR, vấn đề bám quỹ đạo tác động nhanh cần thiết Có nhiều phương pháp điều khiển rô bốt có công trình nghiên cứu dùng điều khiển trượt cho rô bốt đa hướng Robot sử dụng bánh omni di chuyển theo hướng nào,ở góc mà không cần quay trước di chuyển Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Vì có khả nên robot omni có khả tiết kiệm lượng so với robot sử dụng bánh xe thông thường Để thực khả di chuyển đó,robot omni phải có bậc tự mặt phẳng di chuyển (mp xoy),gồm: di chuyển độc lập theo trục x,y xoay theo trục z Do cần tối thiểu bánh omni với động điều khiển độc lập,vì động cho khả điều khiển bậc tự Hình 1: Khả di chuyển robot omni Để robot di chuyển đa hướng, cần sử dụng loại bánh đặc biệt Gồm bánh lớn bánh có trục theo phương tiếp tuyến với bánh lớn vuông góc với trục bánh lớn Nhờ bánh omni di chuyển theo phương song song với trục Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 2:Một số loại bánh omni Hình 3:Robot sử dụng bánh omni II- mô hình hóa robot Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 4: Mô hình robot omni 1.mô hình động học Robot gồm có ba bánh xe đa hướng cách góc 120° Ba bánh xe đa hướng có bán kính r động động DC Tâm dịch chuyển OMR đặt C giả định trùng với tâm hình học L khoảng cách từ tâm bánh xe đến điểm C OXY hệ tọa độ tham chiếu toàn cục, CX 0Y0 hệ tọa độ tham chiếu cục bộ, gắn liền với OMR Vị trí OMR hệ tọa độ tham chiếu toàn cục xác định tọa độ X , Y góc lệch Φc hai hệ tọa độ toàn cục cục bộ, nghĩa vị trí OMR hệ tọa độ tham chiếu toàn cục xác định véc tơ q = [ x, y,φ ]T ∈ ℜ 3× ,véctơ =  x y ∈ ℜ 2×1 xác định véc tơ vị trí điểm C với gốc tọa độ Ma trận quay R(Φ C ) chuyển từ hệ tọa độ dịch chuyển gắn với rô bốt sang hệ tọa độ toàn cục biểu thị sau: Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Phương trình động học robot di động đa hướng viết sau: z = (1/r).H-1 (2) theo z = [ω1 ω2 ω3 ] T vector vận tốc góc bánh xe, ma trận biểu thị sau từ (2)=> =rHz (4); 2.Mô hình hóa động lực học robot omni Hình Sắp xếp n bánh omni phân bố lực Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Tất góc trục động đo theo hướng x hệ tọa độ robot Gọi góc trục động n bánh xe θ1,θ2 ,…, θn Hướng dẫn động cho bánh xe thứ i θi + π/2 Khi n động hoạt động ta nhận n lực F1,F2,…,Fn từ động Ta có: Trong M khối lượng robot,R bán kính ro bot,fi giá trị lực Fi (Fi vecto) Chiếu lên trục tọa độ Max=-f1sin θ1-f2sin θ2-…-fn θn May=f1cos θ1+f2 θ2+…+fn θn Với khối trụ đồng ta có I=MR2/2,với vòng I=MR2 Ta có biểu diễn ma trận sau: Nếu đặt I=αMR2,ta có Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Gọi vi vận tốc quay bánh bánh xe omni thứ i (vận tốc quay động thứ i) vx,vy vận tốc tịnh tiến theo phương x y robot,ω vận tốc xoay robot Ta có mối liên hệ dạng ma trận sau: Hình 6:Minh họa vận tốc bánh thứ i robot trường hợp robot sang ngang với vận tốc 1.Vận tốc bánh lớn -sin θi,vận tốc bánh nhỏ cos θi Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni III-Giới thiệu sơ đồ điều khiển robot omni Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 7:Sơ đồ cấu trúc robot omni (trường hợp bánh,đối với bánh ta co sơ đồ tương tự) Master chip: thực đọc cảm biến,xử lý ,tính toán hướng vận tốc di chuyển,tính vận tốc bánh,truyền vận tốc cho Driver slave Driver slave:nhận giá trị vận tốc yêu cầu từ vi điều khiển master,thực PID vận tốc để điều khiển vận tốc động cho phù hợp a.Giới thiệu giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Bus) chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao hang Motorola đề xuất Đây kiểu truyền thông Master-Slave, có chip Master điều phối trình tuyền thông chip Slaves điều khiển Master truyền thông xảy Master Slave SPI cách truyền song công (full duplex) nghĩa thời điểm trình truyền nhận xảy đồng thời SPI gọi chuẩn truyền thông “4 dây” có đường giao tiếp chuẩn SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) SS (Slave Select) Hình thể kết SPI chip Master chip Slave thông qua đường Page Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 8: Giao diện SPI SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, SPI chuẩn truyền đồng nên cần đường giữ nhịp, nhịp chân SCK báo bit liệu đến Đây điểm khác biệt với truyền thông không đồng mà biết chuẩn UART Sự tồn chân SCK giúp trình tuyền bị lỗi tốc độ truyền SPI đạt cao Xung nhịp tạo chip Master MISO– Master Input / Slave Output: chip Master đường Input chip Slave MISO lại Output MISO Page 10 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Master Slaves nối trực tiếp với MOSI – Master Output / Slave Input: chip Master đường Output chip Slave MOSI Input MOSI Master Slaves nối trực tiếp với SS – Slave Select: SS đường chọn Slave cần giao tiếp, chip Slave đường SS mức cao không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS Slave xuống mức thấp việc giao tiếp xảy Master Slave Chỉ có đường SS Slave có nhiều đường điều khiển SS Master, tùy thuộc vào thiết kế người dùng Hoạt động: chip Master hay Slave có ghi liệu bits Cứ xung nhịp Master tạo đường giữ nhịp SCK, bit ghi liệu Master truyền qua Slave đường MOSI, đồng thời bit ghi liệu chip Slave truyền qua Master đường MISO Do gói liệu chip gởi qua lại đồng thời nên trình truyền liệu gọi “song công” Hình mô tả trình truyền gói liệu thực module SPI AVR, bên trái chip Master bên phải Slave Hình 9:Truyền liệu SPI Page 11 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Cực xung giữ nhịp, phase chế độ hoạt động: cực xung giữ nhịp (Clock Polarity) gọi tắt CPOL khái niệm dùng trạng thái chân SCK trạng thái nghỉ Ở trạng thái nghỉ (Idle), chân SCK giữ mức cao (CPOL=1) thấp (CPOL=0) Phase (CPHA) dùng để cách mà liệu lấy mẫu (sample) theo xung giữ nhịp Dữ liệu lấy mẫu cạnh lên SCK (CPHA=0) cạnh xuống (CPHA=1) Sự kết hợp SPOL CPHA làm nên chế độ hoạt động SPI Nhìn chung việc chọn chế độ không ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông mà cốt cho có tương thích Master Slave b.Điều khiển động DC Servo giải thuật PIC Kỹ thuật điều khiển PID kỹ thuật điều khiển mới, lại kỹ thuật phổ biến chuyên dùng để điều khiển hệ thống công nghiệp hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động AC DC Một lý điều khiển PID trở nên phổ biến tính đơn giản, dễ triển khai vi xử lý nhỏ với hiệu tính toán hạn chế Cấu trúc chung hệ thống vòng kín sau: Hình 10: Cấu trúc chung hệ thống vòng kín Trong hình vẽ trên: - Plant: hệ thống cần điều khiển - Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, thiết kế để điều khiển toàn đáp ứng hệ thống Hàm truyền điều khiển PID có dạng sau: Page 12 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ - KI: Độ lợi khâu tích phân - KD: Độ lợi khâu vi phân Biến số (e) đại diện cho sai số giá trị mong muốn (R) giá trị ngõ (Y) Sai số (e) đưa đến điều khiển PID, điều khiển tính toán vi phân tích phân tín hiệu sai số Tín hiệu (u) có giá trị sau: Tín hiệu (u) đưa đến đối tượng điều khiển ta thu tín hiệu (Y) Tín hiệu lại đưa đến cảm biến để tính toán sai số (e) Bộ điều khiển lại tính toán giá trị vi phân, tích phân sai số Quá trình lặp lặp lại Đặc tính điều khiển P, I D: Bộ điều khiển tỷ lệ (K P) có tác dụng làm giảm thời gian lên làm giảm, không triệt tiêu, sai số trạng thái xác lập (steady- state error) Bộ điều khiển tích phân (KI) triệt tiêu sai số trạng thái xác lập, lại làm giảm chất lượng đáp ứng độ Bộ điều khiển vi phân (KD) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố tăng chất lượng đáp ứng độ Tác động điều khiển KP, KI, KD trình bày bảng sau: Page 13 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Thời lên gian Thời gian Độ vọt lố Sai số xác lập độ KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏTăng KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi nhỏGiảm Giảm Thay đổi nhỏ Cần lưu ý điều khiển PID, tác động không xác, KP, KI KD phụ thuộc lẫn Thực ra, thay đổi thông số làm thay đổi tác động hai thông số lại Chỉnh định điều khiển PID phương pháp Zeigler – Nichols: Ban đầu, đặt tất độ lợi K P, KI, KDbằng Sau tăng KP lên đạt giá trị độ lợi Ku, độ lợi mà ngõ hệ thống bắt đầu dao động với biên độ không đổi K u chu kỳ dao động Tu dùng để tính toán độ lợi KP, KI, KD dựa vào công thức sau Bộ khiển điều KP KI KD P Ku/2 - - PI Ku/2.2 Tu/1.2 - PID Ku/1.7 Tu/2 Tu/8 Driver PID cho động DC: Page 14 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 11: Sơ đồ khối phần cứng Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng Nó nhận tín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động thông qua incremental encoder để tính toán giá trị PWM cần thiết xuất cho khuếch đại công suất điều khiển động đạt tốc độ/vị trí mong muốn Như nói trên, PID thuật toán điều khiển đơn giản, đó, ta sử dụng vi điều khiển từ dòng 8bit (8051, AVR, PIC16, PIC18) đến dòng cao cấp dòng 16bit (dsPIC, PIC24) 32bit (ARM, PIC 32bit, AVR 32bit) Incremental encoder phận thiếu hệ thống, cung cấp thông tin trạng thái thời hệ thống cho vi điều khiển Encoder có độ phân giải cao cho chất lượng điều khiển tốt Tuy nhiên, encoder có độ phân giải cao yêu cầu khả xử lý vi điều khiển cao Khối công suất nhằm cung cấp điện áp xác điều khiển động hoạt động dựa việc xử lý, tính toán vi điều khiển Tùy theo công suất động cần điều khiển mà ta phải thiết khối cho phù hợp IV-nguyên lý hoạt động(điều khiển robot) Page 15 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Sắp xếp bánh omni với θ1= π/2, θ2= π/2+ 2π/3= 7π/6, θ3= π/2-2π/3=π/6 (các bánh xe tạo thành tam giác có đáy nằm ngang) Từ ma trận liên hệ vận tốc phần mô hình động lực học ta có V1=-sin(π/2).Vx+cos(π/2).Vy+ Rω = -Vx+Rω =-V.cos θd +Rω V2=-sin(7π/6).Vx+cos(7π/6).Vy+ Rω = -sin(7π/6).cos θd.V+ cos(7π/6).sin θd.V+Rω = sin(π/6).cos θd.V - cos(π/6).sin θd.V+Rω =V.sin(π/6- θd)+Rω V3=-sin(-π/6).Vx+cos(-π/6).Vy+ Rω = sin(π/6).Vx+cos(π/6).Vy+ Rω =V.sin(π/6+θd)+Rω * Điều khiển robot 1.Đầu vào - Góc yêu cầu θd :góc chuyển động tịnh tiến robot so với hệ tọa độ gắn với thân Page 16 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni - Vận tốc yêu cầu V : vận tốc chuyển động tịnh tiến robot - Vận tốc xoay Vθ (=Rω) 2.Đầu Đầu ra:là vận tốc cho bánh robot để đáp ứng yêu cầu đầu vào,xác định theo công thức Những giá trị kể hiệu chỉnh hệ số cho phù hợp với yêu cầu điều khiển dễ hình dung Ở sử dụng khoảng giá trị cho vận tốc [-10000;10000]; Dưới trình bày chương trình thực việc điều khiển robot omni Chú ý hàm SPI_SendVelocity(1,(int16_t)V1) thực việc truyền yêu cầu cho động số giá trị vận tốc V1, slave điều khiển động số nhận liệu qua giao tiếp SPI thực việc điều khiển vận tốc động cho Ở thấy ưu điểm hệ thống master- multi slaves: chip vi điều khiển master việc tính toán, xử lí, truyền yêu cầu slave, slave tự thực thi yêu cầu / *********************************************************** ************ Function name: Move Page 17 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Decription: Control the movement of robot by giving velocity to each motor slave Input: V: Transition velocity Theta: angle of velocity Vtheta: Orientation velocity Output: None *********************************************************** ************/ void Robot_Move_PID (float V, float Theta, float Vtheta) { float V1, V2, V3; // Velocity given to motor slave float V1_abs, V2_abs, V3_abs, Vmax; float Temp; //Calculate Velocity V1 = -V*cos(theta*3.1416/180)+Vtheta; V2 = V*sin( (30-theta)* 3.1416/180 )+Vtheta; V3 = V*sin( (30+theta)* 3.1416/180 )+Vtheta; //Calculate the ratio V1_abs=abs(V1); V2_abs=abs(V2); Page 18 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni V3_abs=abs(V3); ///////////////////// //Calculate max value of Vi Vmax=V1_abs; if (V2_abs>Vmax) Vmax=V2_abs; if (V3_abs>Vmax) Vmax=V3_abs; if (V4_abs>Vmax) Vmax=V3_abs; ////////////////////////////////////////////// //reduce V to reach the required range if (Vmax>10000) { Temp=10000/Vmax; V1= V1*Temp; V2= V2*Temp; V3= V3*Temp; V4= V4*Temp; } } // Put the velocity value into the funtion controlling the speed of //each mechanum driver Page 19 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni SPI_SendVelocity(1,(int16_t)V1); SPI_SendVelocity(2,(int16_t)V2); SPI_SendVelocity(3,(int16_t)V3); } Hiệu chỉnh chiều quay động Chiều quay động bị sai trình lắp ráp phần cứng, dây điện nên cần hiệu chỉnh chiều quay động cho Để thực việc hiệu chỉnh, gọi hàm Robot_Move_PID(3000, 0, 0) để robot thẳng kiểm tra xem bánh có quay chiều chưa, sai cần đổi lại dây động encoder Page 20 [...]... khiển Tùy theo công suất của động cơ cần điều khiển mà ta phải thiết khối này cho phù hợp IV-nguyên lý hoạt động(điều khiển robot) Page 15 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Sắp xếp các bánh omni với θ1= π/2, θ2= π/2+ 2π/3= 7π/6, θ3= π/2-2π/3=π/6 (các bánh xe tạo thành tam giác có đáy nằm ngang) Từ ma trận liên hệ vận tốc ở phần mô hình động lực học ta có V1=-sin(π/2).Vx+cos(π/2).Vy+ Rω = -Vx+Rω... với thân Page 16 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni - Vận tốc yêu cầu V : vận tốc chuyển động tịnh tiến của robot - Vận tốc xoay Vθ (=Rω) 2.Đầu ra Đầu ra:là vận tốc cho mỗi bánh của robot để có thể đáp ứng yêu cầu của đầu vào,xác định theo các công thức ở trên Những giá trị kể trên có thể được hiệu chỉnh bằng một hệ số cho phù hợp với yêu cầu điều khiển hoặc dễ hình dung Ở đây sử dụng khoảng giá... 19 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni SPI_SendVelocity(1,(int16_t)V1); SPI_SendVelocity(2,(int16_t)V2); SPI_SendVelocity(3,(int16_t)V3); } 3 Hiệu chỉnh chiều quay động cơ Chiều quay mỗi động cơ có thể bị sai trong quá trình lắp ráp phần cứng, đi dây điện nên cần hiệu chỉnh chiều quay động cơ cho đúng Để thực hiện việc hiệu chỉnh, gọi hàm Robot_Move_PID(3000, 0, 0) để robot đi thẳng và kiểm tra xem... khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và tăng chất lượng đáp ứng quá độ Tác động của mỗi bộ điều khiển KP, KI, KD được trình bày trong bảng sau: Page 13 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Thời lên gian Thời gian Độ vọt lố Sai số xác lập quá độ KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏTăng KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi nhỏGiảm Giảm Thay đổi nhỏ Cần lưu ý rằng trong bộ điều... động Tu được dùng để tính toán các độ lợi KP, KI, KD dựa vào công thức sau Bộ khiển điều KP KI KD P Ku/2 - - PI Ku/2.2 Tu/1.2 - PID Ku/1.7 Tu/2 Tu/8 Driver PID cho động cơ DC: Page 14 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Hình 11: Sơ đồ khối phần cứng Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất Nó nhận tín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động cơ thông qua.. .Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master... được gọi là “song công” Hình 6 mô tả quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave Hình 9:Truyền dữ liệu SPI Page 11 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Cực của xung giữ nhịp, phase và các chế độ hoạt động: cực của xung giữ nhịp (Clock Polarity) được gọi tắt là CPOL là khái niệm dùng chỉ trạng thái của chân SCK ở trạng thái nghỉ Ở... chỉ việc tính toán, xử lí, truyền yêu cầu về slave, slave sẽ tự thực thi yêu cầu / *********************************************************** ************ Function name: Move Page 17 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Decription: Control the movement of robot by giving velocity to each motor slave Input: V: Transition velocity Theta: angle of velocity Vtheta: Orientation velocity Output: None ***********************************************************... -V*cos(theta*3.1416/180)+Vtheta; V2 = V*sin( (30-theta)* 3.1416/180 )+Vtheta; V3 = V*sin( (30+theta)* 3.1416/180 )+Vtheta; //Calculate the ratio V1_abs=abs(V1); V2_abs=abs(V2); Page 18 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni V3_abs=abs(V3); ///////////////////// //Calculate max value of Vi Vmax=V1_abs; if (V2_abs>Vmax) Vmax=V2_abs; if (V3_abs>Vmax) Vmax=V3_abs; if (V4_abs>Vmax) Vmax=V3_abs; //////////////////////////////////////////////... được điều khiển - Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng như sau: Page 12 Tìm hiểu xe đa hướng sử dụng bánh omni Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ - KI: Độ lợi khâu tích phân - KD: Độ lợi khâu vi phân Biến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y) Sai số này