Nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ` NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN – 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Ngô Thị Châm Sinh ngày: 13/06/1979 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt – Hung thị xã Sơn Tây – Thành phố Hà Nội Ngô Thị Châm ii , Khoa Sau Đại học Ngô Thị Châm MỤC LỤC Trang bìa phụ Trang Lời cam đoan i Lời cam ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng v Danh hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân 1.2 Tổng quan robot hai bánh tự cân nước giới 1.2.1 Các nghiên cứu robot hai bánh song song tự cân 1.2.2 Các nghiên cứu robot hai bánh trước sau tự cân giới 21 1.2.3 Các nghiên cứu robot hai bánh tự cân nước 29 1.3 Kết luận chương 29 CHƯƠNG THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân 31 2.2.1 Thiết kế phần khí 31 2.2.2 Thiết kế phần điện 38 2.3 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ-MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 48 3.1 Giới thiệu 48 3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 48 3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực 49 3.2.2 Phương thức so sánh trực tiếp 50 3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển 50 3.2.4 Công thức Ackermann 51 3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng 51 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân cho robot hai bánh tự cân 52 3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân 55 3.5 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh di chuyển tâm trọng lực 24 Bảng 1.3 Các nghiên cứu điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà 25 Bảng 1.4 Các nghiên cứu robot hai bánh sử dụng điều khiển kết hợp 28 Bảng 2.1 Thông số động điện chiều 33 Bảng 2.2 Thông số robot 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Robot hai bánh song song leo dốc xuống dốc Hình 1.5 Robot hai bánh nBot Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) 10 Hình 1.8 Robot hai bánh JOE 11 Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot 13 Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot 14 Hình 1.11 Các tầng cảm biến BaliBot 15 Hình 1.12 Robot hai bánh Bender 16 Hình 1.13 Robot phục vụ người Rolling 16 Hình 1.14 Xe Segway 18 Hình 1.15 Xe Balancing Scooter 19 Hình 1.16 Xe Spider 20 Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân Gallaspy 26 Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân Suprapto 27 Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân Pom Yuan Lam 27 Hình 1.20 Murata Boy Robot 28 Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân 32 Hình 2.2 Kích thước thiết kế bánh đà 32 Hình 2.3 Hình dạng thực tế bánh đà 33 Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 34 Hình 2.5 Sơ đồ mạch cảm biến MPU - 6050 35 Hình 2.6 Sơ đồ xác định góc nghiêng cảm biến gia tốc 36 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý cảm biến góc nghiêng 37 Hình 2.8 Cảm biến tốc độ 37 Hình 2.9 Hệ thống điều khiển tiến lùi robot 38 vii Hình 2.10 Mạch Arduino 39 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng tranzitor 42 Hình 2.12 Khối nguồn robot 42 Hình 2.13 Mạch cầu H điều khiển động tiến lùi 43 Hình 2.14 Mơ hình hồn thiệu robot hai bánh tự cân 43 Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản hệ thống cân robot 44 Hình 2.16 Đáp ứng xung mơ hình hàm truyền robot 47 Hình 3.1: Điều khiển sử dụng phản hồi trạng thái 49 Hình 3.2 Sơ đồ mơ Simulink hệ thống điều khiển cân robot sử dụng phản hồi trạng thái 54 Hình 3.3: Kết mơ hệ thống điều khiển cân robot Matlab – Simulink 54 Hình 3.4 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân khơng mang tải 55 Hình 3.5 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân có nhiễu 56 Hình 3.6 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân thay đổi tải lệch tâm 56 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu robot tự động (Autonomous robot) lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh năm gần Một khó khăn vấn đề nghiên cứu robot tự động khả trì cân ổn định địa hình khác Để giải vấn đề này, robot hầu hết có bánh xe rộng tối thiểu ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để trì cân Tuy nhiên tăng kích thước số lượng bánh xe làm giảm hiệu hệ thống điều khiển tăng trọng lượng xe, tăng ma sát tăng lực kéo tăng tổn hao lượng Robot hai bánh tự cân hướng nghiên cứu giải nhược điểm Bởi robot hai bánh tự cân sử dụng hai bánh xe nên giảm trọng lượng chiều rộng không gian Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot làm cách để robot tự cân điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo thay đổi Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, luận văn tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu robot cân đứng yên chuyển động thẳng với hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu áp dụng thuật tốn điều khiển thích hợp Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Robot hai bánh sử dụng thay người thăm dò, … Từ nghiên cứu robot hai bánh tự cân phát triển mơ hình robot hai bánh tự cân thành xe hai bánh tự cân sử dụng giao thông vận tải Xe hai bánh tự cân có khả tự cân đứng yên, chuyển động xảy va chạm Xe hai bánh tự cân 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân cho robot hai bánh tự cân Ở chương ta thu mơ hình tốn học hệ thống cân robot có dạng sau: x Ax Bu Với thông số hệ (3.10) y Cx Du 715.7 23 4.256 1.813 0.07857 0.01369 1024 0 0 0 64 0 32 0 0 0 0 0 0 0 0.25 0 A 64 B 00 0 ;C 19.92 13.27 0.1228 1.013 0.04536 0.008129 Mơ hình hàm truyền hệ có dạng W(s) (s) = g U(s) 4887 = s + 683.3s + 1208s + 109700s - 6949 (3.11) Điểm cực hệ thống cân robot s1 = - 6.8174 s2 = - 0.2671 s3 = - 0.0354 + 0.1392i s4 = - 0.0354 - 0.1392i Hệ thống có điểm cực mang giá trị dương, nên hệ thống cân robot hệ khơng ổn định Ví trí mong muốn điểm cực vòng kín có dạng = -25.3 = -12.45 = -10.23 = -1.5156 Phương trình đặc trưng vòng kín (sI-A + BK) = (s - 1)(s - 2)(s + 2s = s + Với = 49.5 = 773.9 = 4285 = 4884 3s - 3) (s - + 1s + 4) Gán điểm cực theo công thức Ackermann -1 K = [ 0 1].M (A) Trong đó: M ma trận khả điều khiển hệ thống cân robot 0 M 108 0.0047 -3.1749 0 -0.0004 0.2980 0 -0.0280 0 0 rank(M) = (A) =A + 3A 2.0110 1011 + 2A + 0.0483 1A + 0I = 0.0790 -0.0050 -0.1888 -0.0045 -0.0074 0.0005 0.0177 0.0004 0.0007 -0.0000 -0.0000 -0.0000 -0.0000 0.0000 Kết ta được: K =[-633.8044 -6.7830 -25.7361 2.8888] Kết tính tốn thể phụ lục (MophongDKRB.m) Mô hệ thống điều khiển cân robot sử dụng phản hồi trạng thái Hình 3.2 Sơ đồ mô Simulink hệ thống điều khiển cân robot sử dụng phản hồi trạng thái Kết mô Step Response 0.9 0.8 0.7 Amplitude 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Time (sec) Hình 3.3 : Kết mô hệ thống điều khiển cân robot Matlab – Simulink Nhận xét: Hệ thống điều khiển cân robot theo kỹ thuật không gian trạng thái có chất lượng sau: sai lệch tĩnh (S t% = 0), khơng có q điều chỉnh, thời gian độ 3,5 (s), thời gian đáp ứng 2,7 (s), hệ không dao động 3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân Tác giả thực điều khiển thực robot hai bánh tự cân với thiết bị thí nghiệm gồm: - Máy tính PC kết nối trực tiếp với Adruno phần mềm Matlab - Simulink - Mơ hình xe hai bánh tự cân Trình tự thí nghiệm: Tác giả viết chương trình giao tiếp phần mềm Matlab – Simulink với Adruno, sau thực nghiệm kết thiết kế Mục 3.3 sơ đồ Simulink kết nối trực tiếp với xe hai bánh tự cân bằng, kết thu sau: Hình 3.4 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân khơng mang tải Hình 3.5 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân có nhiễu Hình 3.6 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân thay đổi tải lệch tâm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nhận xét: Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân có khả cân khơng mang tải, có nhiễm tác động mang tải lệch tâm Kết chứng minh tính đắn việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 3.5 Kết luận chương Kết mô hệ thống điều khiển cân robot thiết kế theo kỹ thuật không gian trạng thái Matlab – Simulink cho chất lượng tốt: hệ khơng có sai lệch tĩnh, thời gian q độ nhỏ, khơng có q điều chỉnh Áp dụng điều khiển thiết kế vào mơ hình robot hai bánh tự cân cho kết điều khiển thực tốt: robot hai bánh tự cân có khả cân khơng mang tải, có nhiễm tác động mang tải lệch tâm Kết chứng minh tính đắn việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật khơng gian trạng thái Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Luận văn nghiên cứu giải nội dung sau: Nghiên cứu robot hai bánh tự cân hướng nghiên cứu phát triển mạnh Robot hai bánh sử dụng thay người thăm dò, … Hoặc phát triển mơ hình robot hai bánh tự cân thành xe hai bánh tự cân sử dụng giao thông vận tải Xe hai bánh tự cân có khả tự cân đứng yên, chuyển động xảy va chạm Xe hai bánh tự cân thiết kế tốt va chạm bị văng giữ phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân lắp đảm bảo an tồn cho người sử dụng Do đó, nghiên cứu robot hai bánh tự cân có tính ứng dụng lớn Qua phân tích mơ hình robot hai bánh tự cân tác giả nhận thấy: mơ hình robot sử dụng bánh đà phù hợp cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng: Mơ hình robot đảm bảo robot đứng yên không chuyển động không cần sử dụng đối trọng nên khối lượng robot giảm Xây dựng mơ hình robot hai bánh trước sau dựa định luật bảo tồn động lượng có sở là: Nếu khơng có mơ men xoắn (mơ men lực) bên tác động lên đối tượng hay hệ thống (hoặc tổng mô men xoắn mô men lực) tác động vào đối tượng không) tổng mơmen động lượng đối tượng bảo toàn Robot hai bánh tự cân trang bị bánh đà sử dụng bánh để trì cân robot Một động tạo mơ men xoắn cho bánh đà gây mô mem xoắn tương ứng tác động lên robot theo chiều ngược lại mô men dùng để cân với mômen trọng lực robot tạo Để điều khiển gia tốc bành đà, ta sử dụng động chiều DC với điện áp đặt lên động U, ta đưa toán điều khiển cân robot tốn điều khiển góc Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ nghiêng robot (đầu ra) cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động DC Nhiệm vụ đặt phải thiết kế điều khiển để giữ cho robot cân tức giữ cho góc (đầu ra) khơng Một hệ thống điều khiển tiến lùi xây dựng robot để đảm bảo robot tiến lùi theo đường thẳng Hệ thống điều khiển cân robot thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực không gian trạng thái cho kết mô Matlab – Simulink tốt: hệ khơng có sai lệch tĩnh, thời gian q độ nhỏ, khơng có q điều chỉnh Kết mô thực mô hình robot hai bánh cho thấy : Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân có khả cân khơng mang tải, có nhiễm tác động mang tải lệch tâm Kết chứng minh tính đắn việc thiết kế mơ hình khí robot thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái B Kiến nghị Cần phải thử nghiệm mơ hình robot hai bánh tự cân nhiều điều kiện để kiểm tra khả ổn định hệ thống điều khiển Cần phát triển toán robot hai bánh tự cân để robot chuyển động theo nhiều hướng khác hướng thẳng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Beznos, A.V.; Formalsky, A.M.; et al (1998) “Control of autonomous motion of two-wheel bicycle with gyroscopic stabilization” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 2670-2675 [2] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun (2008) “Balancing control of Bycirobo by PSO-based structure-specified mixed H2/H∞ control.” International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol 5(4), pp 395402 [3] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun, Le Chi Hieu (2009) “Structurespecified H∞ loop shaping control for balancing of bicycle robots”: A particle swarm optimization approach Innovative Production Machines and System Conference [4] Dag Christian Ånnestad, “Autonomous Bicycle: The First Self Balanced Ride” Master of Science in Engineering Cybernetics, September 2011 [5] Gallaspy, J.M (1999) “Gyroscopic stabilization of an unmanned bicycle” M.Sc Thesis, Auburn University, American [6] Getz, N.H & Marsden, J.E (1995) “Control for an autonomous bicycle” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 1397-1402 [7] Guo, L.; Liao, Q & Wei, S (2006) “Design of fuzzy sliding-mode controller for bicycle robot nonlinear system” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biometrics, pp 176-180 [8] Ham, W & and Choi, H (2006) “Autonomous tracking control and inverse kinematics of unmanned electric bicycle system” SICE-ICASE International Joint Conference, pp 336-339 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [9] Yavin, Y (1998) “Navigation and control of the motion of a riderless bicycle” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol 160(1-2), pp 193-202 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [10] Yavin, Y (1999) “Stabilization and control of the motion of an autonomous bicycle by using a rotor for the tilting moment” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol 178(3-4), pp 233243 [11] Yavin, Y (2005) “Point to point and collision avoidance control of the motion of an autonomous bicycle” Computers and Mathematics with Applications Vol 50(10-12), pp.1525 – 1542 [12] Iuchi, K.; Niki, H & Muratami, T (2005) “Attitude control of bicycle motion by steering angle and variable COG control” In: Proceedings of the Industrial Electronics Conference, pp 2065-2070 [13] Kawaguchi, M ; Yamakita, M., “Stabilizing of bike robot with variable configured balancer”, SICE Annual Conference (SICE), 2011 Proceedings of , pp 1057 – 1062 3018-3023 IEEE, (2011) [14] Keo, L.; Yoshino, K.; Kawaguchi, M.; Yamakita, M., “Experimental results for stabilizing of a bicycle with a flywheel balancer”, Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, pp 6150 – 6155 [15] Keo, L and M Yamakita, “Controller Design of an Autonomous Bicycle with Both Steering and Balancer Controls," IEEE Multi-conference on Systems and Control., pp 1294-1299, 2009 [16] Keo, L and M Yamakita, “Controlling Balancer and Steering for Bicycle Stabilization," IEEE/RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems., pp 4541-4546, 2009 [17] Keo, L and M Yamakita, “Control of an Unmanned Electric Bicycle with Flywheel Balancer", Transaction of the Japan Society for Simulation Technology, 2(2010), pp 32-38 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [18] Keo, L and M Yamakita, “Dynamic Model of a Bicycle with a Balancer and Its Control” Proceedings, Bicycle and Motorcycle Dynamics 2010, Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Symposium on the Dynamics and Control of Single Track Vehicles, 20– 22 October 2010, Delft, The Netherlands [19] Lenskii A.V & Formalskii A.M (2003) Two-wheel robot-bicycle with a gyroscopic stabilizer Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol 42(3), pp 482-489 [20] Lee, S & Ham, W (2002) Self-stabilizing strategy in tracking control of unmanned electric bicycle with mass balance In: Proceedigns of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 22002205 [21] Noda Y, Sumioka T, Yamakita M, “An application of fast MPC for bike robot”, SICE Annual Conference (SICE), 2012 Proceedings of, pp 540 545 [22] Pom Yuan Lam, Design and Development of a Self-Balancing Bicycle Using Control Moment Gyro, thesis, 2013 [23] Suprapto, S (2006) “Development of a gyroscopic unmanned bicycle” M.Eng Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand [24] Suryanarayanan, S.; Tomizuka, M & Weaver, M (2002) “System dynamics and control of bicycles at high speeds” In: Proceedings of the American Control Conference, pp 845-850 [25] Tanaka, Y & Murakami, T (2004) “Self sustaining bicycle robot with steering controller” In: Proceedings of International Workshop on Advanced Motion Control, pp 193-197 [26] Yamakita, M.; Utano, A & Sekiguchi, K (2006) “Experimental study of automatic control of bicycle with balancer” In: Proceedings of the International Conference of Intelligent Robots and Systems, pp 56065611 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [27] Yizhai Zhang, Jingliang Li, Jingang Yi, and Dezhen Song “Balance control and analysis of stationary riderless motorcycles” Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, page Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO TRÊN WEB [28] http://www.geology.smu.edu/ dpa-www/robo/nbot/index.html [29] ] http://www.tlb.org/scoorter.html [30] http://lewww epfl.ch/joe [31] http://www.fusionglobal.net/gallery.html [32] http://www.barello.net/gallery.html [33] http://www.wulabs.org/bbot.html [34] http://homepage.mac.com/sigfgpe/Robotics/equibot.html [35] http://web.mit.edu/sanghyuk/www/balance_bot.html [36] http://home.earthlink.net/ botronics/index/balibot.html [37] http://www.segway.com Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân 1.2 Tổng quan robot hai bánh tự cân nước giới 1.2.1 Các nghiên cứu robot hai bánh song song tự cân 1.2.2 Các nghiên. .. Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh di chuyển tâm trọng lực 24 Bảng 1.3 Các nghiên cứu điền khiển robot hai bánh. .. nhiều nhà nghiên cứu phát triển ứng dụng cho việc điều khiển cân robot hai bánh trước sau 1.2.2.1 Điều khiển cân bằng cách tắc lực ly tâm Các phương pháp điều khiển cân cho robot hai bánh cách