Nghiên cứu, thiết kế hệ bộ điều khiển cho robot cá 3 khớp dạng carangiform

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS VÕ TƯỜNG QUÂN Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày 10 tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến ……………… Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phương ……………… Phản biện TS Nguyễn Hùng ……………………… Phản biện TS Võ Hoàng Duy…………………………Ủy viên TS Võ Đình Tùng………………………… Ủy viên – thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau Luận văn sửa chữa Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Nguyễn Tấn Tiến TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh PHÒNG QLKH - ĐTSĐH phúc TP HCM, ngày 29 tháng năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHAN VĂN Y Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1972 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840023 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÁ KHÂU KHÓP DẠNG CARANGIFORM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu loại robot cá dạng Carangiform Việt Nam giới - Nghiên cứu mơ hình động lực học robot cá - Xác định phương án di chuyển robot cá mặt phẳng 2D - Tìm hiểu loại cảm biển dùng cho robot - Nghiên cứu tính tốn thiết kế điều khiển cho robot mặt phẳng 2D - Mô thông qua công cụ Matlab III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2014 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VÕ TƯỜNG QUÂN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS VÕ TƯỜNG QUÂN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Phan Văn Y ii LỜI CÁM ƠN Trong q trình thực Luận văn, gặp nhiều khó khăn, nhờ hướng dẫn tận tình TS Võ Tường Qn, tơi hồn thành luận văn thời gian quy định Để hoàn thành luận văn này, tơi xin bày tỏa lòng biết ơn sâu sắc TS Võ Tường Quân, thầy người tận tâm hết lòng học viên, hướng dẫn nhiệt tình cung cấp cho tài liệu vô quý giá thời gian thực luận văn Xin chân thành cám ơn tập thể Thầy Cô Giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh, giảng dạy truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tơi học tập nghiện cứu q trình học cao học trường Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học trường đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn cao học trường Xin chân thành cảm ơn anh, chị đồng nghiệp hỗ trợ, giúp đỡ cho tơi q trình thực luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2013 Người Thực Phan Văn Y TÓM TẮT LUẬN VĂN Robot cá (Fish robot) dạng robot sinh học (Biomimetic robot) quan tâm ngày nhiều năm gần Với ưu điểm vượt trội so với phương tiện di chuyển nước truyền thống dùng động đẩy (thruster) ROVs (Remotely Operated Vehicles) hay AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), robot cá sử dụng chuyển động thân đuôi cách linh hoạt để tạo chuyển động việc tiêu tốn lượng so với việc sử dụng động đẩy Luận văn em nghiên cứu phương pháp điều khiển mơ hình robot cá dạng Carangiform khâu, khớp Các thành phần lực đẩy, lực cản nước tác động lên robot, quy luật biến đổi góc khâu tính tốn mô phần mềm Matlab Trên sở phương pháp Lagrange, phương trình động động lực học robot cá thiết lập Sau đó, điều khiển chuyển động theo hướng robot thiết kế dựa điều khiển PID điều khiển áp dụng để thay đổi hay ổn định hướng cho robot di chuyển Nghiên cứu xem xét ảnh hưởng nhiễu sóng nước tác động vào robot để kiểm nghiệm độ bền vững điều khiển ABSTRACT The research in my composition will be based on the method of control on the model of FISH ROBOT in the form of Carangiform with links and joints Components of propulsive force, barring force of water impacting the robot, as well as rules of changing angles of phases will be calculated and reproduced by Matlab Based on the Method of Lagrange, the movement equation of the robot has been established After that, the control set of movement in the direction of the robot has been designed based on the control set of PID These control sets have been applied in order to be able to change or stabilize the direction of the moving robot This research also carries out the influence of interference from water waves impacting the robot in order to test the durability of control sets MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .iLỜI CÁM ƠN ii T Ó M T ẮT L UẬN VĂN iiiABSTRACT .ivMỤC LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viiDANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢN H viiiCHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1 T í n h c ấ p th i ế t c ủ a đ ề t i 1 Mụ c t i ê u c ủ a l u ận v ă n 1.4 Nội dung nghiên cứu P h n g p h p lu ậ n N ộ i d u n g lu ậ n v ă n CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan nghiên cứu Robot nước T ổ n g q u a n t ì n h h ì n h n gh i ê n c ứ u T ì n h h ìn h n g h iê n c ứ u t r o n g n c T ì n h h ìn h n g h iê n c ứ u t r ê n th ế g i i C H Ư Ơ N G P H Â N TÍ C H Đ Ộ N G L Ự C H Ọ C R O B O T C Á 11 Mơ h ì n h h ó a .11 T í n h to án đ ộ n g l ự c h ọ c c h o R o b o t cá .13 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 18 S đ kh ố i đ iề u k h i ển P I D 18 L u đ gi ả i t h u ậ t P ID 21 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 22 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g đ ộ n g l ự c h ọ c ro b o t 22 K ế t q u ả m ô p h ỏ n g b ộ đ i ề u kh iển P ID .23 K ẾT L U Ậ N 24 K ế t lu ậ n 24 H n g p h t t r iể n 24 T À I L I Ệ U T H AM K H Ả O 25 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1: Các thông số sử dụng 13 ρ T tr u V n t t U V n U V n x Q v u ã Cn H s 3.2 Tính toán động lực học cho Robot cá Thế năng: K0, K1, K2, K3 = Động khâu: P0, P1, P2, P3 Khâu  x0  l0 cos     y0  l0 sin  P0  1 2 m v0  w x  l0 sin 0 0 0 0   y  l  cos  i0 2  2 m0 l0   i0 2 (3.1) Khâu 1:  x1  l0 cos l1 cos(  1  )   l1  1 )  y1 l0 sin 0 sin( P 1 m l 2  l 0   1   x1  l0  sin  - l1 ( 0  1 ) sin(  1 )     y1  l0  cos  + l1 (  1 ) cos(  1 )  2l l     01 0 cos1  1 2 i 1 (3.2) Khâu 2:  x2  l0 cos l1 cos(  1 )  l2 cos(  1   )  y  l sin   l sin(   )  l sin(     ) 1 2       2  x 0l 0 sin 0 - 1l ( 0  1) sin(   1 )  l ( 0    ) sin(     )        ) cos(    1 +0 l (1    0) cos(  2 0 )  1l (0   2 y 0 l0  cos 2  )  l  2  l         0   0l 2   2l  l 2   cos    2l   x  1 1  01             p     l      cos    2l  l 2 0   cos  0          1i   0  1   2 x     (3.3)  2 Khâu 3:  x3  l0 cos l1 cos(  1 ) l2 cos(  1   )  l3 cos(  1  2   )  y  l sin   l sin(   )  l sin(     )  l sin(       )  0 1 2 3    2 0  )1 l2 (  0 1  2) sin(     3 x 0 l  sin1  - l ( 1   ) sin( )    l3 (       ) sin(  1     )    0  1   ) y  l0 0 cos  + l1 (0  1 ) cos(0  1 )  l (  1   ) cos(     ) l3 (      )  cos(   3 2  l   l    l           1 2  0         l      2l  l   cos     01 1        2l      cos   x 2l    l     1  i p3  m3  0 0 3   2   x l     cos   2l       2 3   0  2l 0 3 0    cos 1       2l1 0  1 l3 0  1   2   x     cos     2l2 0  1 l3 0  1  2   cos                               (3.4) L  l m  0 2 l   l            l    2l     l 0  1 m     2   l   2l   l     c o s     c o s          l    1    cos 1 2  i   1   x2 2   2 l       l     2                   l        l  l1    c o s    3      c o s      l x   2l 2      l  0 2 1    x  i      l 0 l     2              cos   2l l         i3 m3         l  cos 2  l         l     x 0       c o s          l3         l1                 c o s      l    l3                  x   c o s   Ứng dụng phương trình lagrange d L L    dt    : Lực bao gồm momen động momen gây phần lực đẩy FF FC   Phân tích chuyển động robot Hình 3.5: Sơ đồ lực đẩy tác dụng lên khâu [11] [11] (3.5) [11] (3.6) FV , FJ: Thành phần lực tỉ lệ với gia tốc vây đuôi, ngược hướng α: góc hợp phương tác dụng chất lỏng khâu đuôi FF  FV sin(0  1  2   )  FJ sin(0  1  2 [11]  3 ) [11] Fc  FV cos(0  1    3 )  FJ cos(0  1    3 ) Theo hình 3.5 phương trình 3.5, 3.6, lực FF FC tính sau: FF   FV  FJ  sin    FC   FV  FJ  cos    Nếu xem xét chuyển động robot cá theo hướng x , vận tốc tương đối theo hướng y trung tâm tính phương trình    )l  0 0 l cos0 0(1 1 )l cos(   0 )  1(     )  (0 1  2 3 u   cos(0 1   )l3   cos(      )  [11] Từ ta đưa phương trình động lực học robot dạng tổng quát là: (3.7) Áp dụng hàm ode45 matlab để giải Từ phương trình (3.7), ta đưa phương trình dạng ma trận sau: M 11 M    21 M 12  M M 31 M 32   M 41 22  M 13 M 14  0  M 23 M 24  1   M 33 M    34 N  N1   N   M 42 M 43 M 44  3 Phương trình (3.7) có dạng N  (3.8) mx  cx  kx  Đặt: (3.9) x1  x, x2  x1  x1  x, x2  x Thay vào (3.9), ta có x2    cx kx  m Phương trình động học viết dạng x  Ax  Bu Với:  x  0 ,0 ,1,   , ,  , 3 ,  3 (3.10)  T CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Sơ đồ khối điều khiển PID Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển PID Các điều khiển PID thiết kế điều tốc xuất từ năm 1890 Các điều khiển PID sau phát triển hệ thống lái tàu tự động Một ví dụ sớm điều khiển kiểu PID phát triển Elmer Sperry năm 1911, tác phẩm phân tích lý thuyết điều khiển PID kỹ sư người Mỹ gốc Nga Nicolas Minorsky xuất vào năm 1922 Minorsky thiết kế hệ thống lái tàu tự động cho Hải quân Mỹ, dựa phân tích ông quan sát người lái tàu, ông nhận thấy người lái tàu điều khiển tàu không dựa sai số tại, mà dựa vào sai số khứ tốc độ thay đổi tại; điều sau ơng tốn học hóa Hải qn Mỹ cuối khơng chấp nhận hệ thống, phản đối từ nhân viên Nghiên cứu tương tự tiến hành xuất nhiều người khác vào thập niên 1930 PID chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID sử dụng phổ biến số điều khiển phản hồi Một điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào đầu mong muốn Bộ điều khiển PID bao gồm thơng số riêng biệt, đơi gọi điều khiển ba thành phần: tỉ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh trình thơng qua phần tử điều khiển vị trí van điều khiển hay nguồn phần tử gia nhiệt Phương trình vi phân: Nên đánh số thứ tự công thức U t   K pe t KK i 0t e t   d de  t  dt Thành phần tỉ lệ: Pout  K p e  t  Trong đó: : Giá trị tỉ lệ đầu : Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh : Sai số t :Thời gian hay thời gian tức thời Thành phần tích phân: I out  K i  e  t  t Trong đó: : Giá trị tích phân đầu 20 : Hệ số tích phân t :Thời gian hay thời gian tức thời Thành phần vi phân: de  t D t   K d  dt Trong đó: : Giá trị vi phân đầu : Hệ số vi phân : Sai số t :Thời gian hay thời gian tức thời Để điều khiển robot cá Luận Văn đưa luật điều khiển áp cho hai động cơ[12] T1  A1 sin 2 ft [12] T2  A2 sin(2 ft  ) Ở nghiên cứu điều khiển theo hướng theo phương x: A2 , f không thay đổi PID điều khiển 2 A vận tốc r PID điều khiển theo hướng 1  A1 CMPS03 Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển PID cho robot cá 4.2 Lưu đồ giải thuật PID Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật PID CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Kết mơ động lực học robot 15 th i k h 20 0 15 th i k h 0 15 th i k h 00 15 t hờk h 15 th i k h -1 0 15 t hờk h 0 -5 0 -20 theta0(ra d/s) (theta1) (rad/s) 0 -2 theta2(ra d/s) 100 k h a 0 15 th ôø i -1 15 t hôø theta3(ra d/s) k h a 100 Hình 5.1: Sự biến thiên góc vận tốc góc khâu Robot theo thời gian với A1=2.78, A2=0.94, f=0.08, β=0.05*180/pi Nhận xét: Góc dao động vận tốc góc khâu robot có dạng hình sin đáp ứng yêu cầu điều khiển, khâu có biên độ ngược với khâu lại, điều chứng tỏ khâu nối với khâu lò xo nên tự di chuyển ngược pha với khâu có lắp RC servo Quãng đường vận tốc dài gần tuyến tính với thời gian 5.2 Kết mơ điều khiển PID Direction control of fish robot in straight motion - PID controller 35 30 D is p lac e m e n t (D e g ree ) 25 20 15 10 0 1000 2000 3000 Time (s) 4000 5000 6000 Hình 5.2: Đồ thị hướng di chuyển robot Error 0.6 D egree 0.4 0.2 -0.2 10 15 20 25 30 Time (s) 35 40 45 50 55 60 Hình 5.2: Đồ thị sai số robot cá Nhận xét: Góc định hướng điều khiển robot bám theo đường tham chiếu sai số dao động quanh đường Chứng tỏ điều khiển PID hạn chế có nhiều tín hiệu vào ra, lực đẩy phần đuôi tạo không liên tục khâu trung gian ln có qn tính thay đổi tác động từ môi trường nước KẾT LUẬN Kết luận Luận văn giải vấn đề: Nghiên cứu tổng quan loại robot cá phương pháp điều khiển Nghiên cứu động học, động học robot cá dạng caranriform điều khiển robot cá kiểm nghiệm qua mô matlab Hướng phát triển Thiết kế điều khiển bền vững cho robot cá từ phương trình động học Thực nghiệm kiểm chứng hiệu chỉnh mơ hình tốn robot cá luật điều khiển cho phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Basic Motion Control of a free-swimming Biomimetic Robot Fish, Junzhi Yu, Shuo Wang, Min Tan The 42nd IEEE Conference on Decision and Control, USA, 2003 [3] Robot cá Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật [3 ] [4] K H Low “Modelling and parametric study of modular [5] “Undulating fin rays for fish robots” Mechanism and Machine J 44, 615632 (2009) [6] D Barrett, RoboTuna I, Massachusetts Institute of Technology , 1995 (accessed October (2007) [7] D Beal M Sachinis, RoboTuna II, Massachusetts Institute of Technology.,2000 ccessed October 2007) [8] Robot cá Đại học Essen nước Anh [9] Y Toda, T Suzuki, S Uto, N Tanaka, “Fundamental study of a fishlike body With two undulating side-fins”, Bio-Mechanisms of Swimming and Flying 93–110 (2004) [10] Y Toda, N Sogihara, Y Sanada, M Danno, The motion of a fish-like under-water vehicle with two undulating side fins, in: Proceedings of the Third International Symposium on Aero Aqua Bio-mechanisms (ISABMEC06), Okinawa, Japan, (2006) [11] Motomu Nakashima, Norifumi Ohgishi and Kyosuke Ono.A Study on the Propulsive Mechanism of a Double Jointed Fish Robot Utilizing Self-Excitation Control.JSME Int Journal Advances in Motion and Vibration Control Technology 46(3), 982-990 (2003) [12] Tuong Quan Vo,Thien Phuc Tran and Byung Ryong Lee Turning motion control of a 3-Joint Carangiform Fish Robot Using Sliding Mode and Fuzzy Sliding Controller (2010) [13] Koichi HIRATA, Tadanori TAKIMOTO, and Kenkichi TAMURA.Study on Turning Performance of a Fish Robot [14] Gwenael Allard Control of a Free-swimming Fish Using Fuzzy Logic.The Int J Virtual Reality 6(3), 23-28 (2007) [15] Datasheet CMPS03 [16] Tuong Quan Vo, Tan Tien Nguyen, Thien Phuc Tran and Byung Ryong Lee “Turning motion control of a 3-Joint Carangiform Fish Robot Using Sliding Mode and Fuzzy Sliding Controller”, (2010) ... tính tốn thiết kế điều khiển cho robot mặt phẳng 2D Thiết kế số điều khiển cho robot sử dụng số điều khiển PID để điều khiển chuyển động cho robot Viết phương trình Matlab mơ hoạt động cho robot. .. 12418400 23 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÁ KHÂU KHÓP DẠNG CARANGIFORM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu loại robot cá dạng Carangiform Việt Nam giới - Nghiên. .. điều khiển chuyển động thẳng chuyển động thay đổi hướng cho robot cá Việc điều khiển chuyển động robot cá thực mặt phẳng 2D 1.4 Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu loại robot cá dạng Carangiform cá