Tóm tắt: Luận văn xây dựng bộ điều khiển cân bằng hệ thống robot dạng xe đạp dựa trên lý thuyết về cân bằng con lắc ngược quay sử dụng bánh đà. Quy trình điều khiển được chia làm 2 phần chính : điều khiển cân bằng và điều khiển bám quỹ đạo. Đầu tiên, thực hiện phân tích, mô hình hóa hệ thống bicyrobot. Sau đó, xây dựng bộ điều khiển LQR để điều khiển cân bằng hệ thống. Để điều khiển bám quỹ đạo, bộ điều khiển mờ được nghiên cứu sử dụng. Áp dụng bộ điều khiển lên hệ thống thực tế sử dụng Matlab/Simulink và Waijung Blockset thông qua kit STM32F4xx. Robot với bộ điều khiển được thiết kế được kiểm nghiệm thực tế nhiều lần nhằm tìm hệ số điều khiển tối ưu
Cơng trình hồn thành tại: Trưởng Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Cán chấm nhận xét 1: TS Trần Ngọc Huy Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Võ Công Phương Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Trọng Tài TS Nguyễn Lê Dũng TS Trần Ngọc Huy PGS.TS Võ Công Phương TS Phạm Việt Cường Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận vãn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ •••• Họ tên học viên: HUỲNH MINH SÁNG MSHV: 1670336 Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1993 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển cân bám quỹ đạo bicyrobot II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp cân robot xe đạp, từ chọn phương pháp thích hợp để điều khiển mơ hình thực tế Các nội dung cụ thể : Mơ hình hóa hệ bicyrobot Thiết kế mơ điều khiển thích hợp Giao tiếp với IMU để xác định góc nghiêng xe Điều khiển mơ hình thực tế III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018 V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2018 CÁN Bộ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA LỜI CÁM ƠN Trước hết, xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới PGS TS Huỳnh Thái Hoàng, người định hướng đề tài ln tận tình hướng dẫn tơi suốt thòi gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Điều Khiển Tự Động tận tình giảng dạy truyền đạt khơng kiến thức mà kinh nghiệm quý giá cho tơi suốt q trình học tập Cảm ơn bạn học viên khóa cao học 2016, ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mọi người người bạn đồng hành thân thiết tơi q trình học tập Đặc biệt xin cảm ơn gia đình hỗ trợ, động viên giúp tơi có động lực để phấn đấu cơng việc sống TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Tác giả Huỳnh Minh Sáng TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn xây dựng điều khiển cân hệ thống robot dạng xe đạp dựa lý thuyết cân lắc ngược quay sử dụng bánh đà Quy trĩnh điều khiển chia làm phần : điều khiển cân điều khiển bám quỹ đạo Đầu tiên, thực phân tích, mơ hình hóa hệ thống bicyrobot Sau đó, xây dựng điều khiển LQR để điều khiển cân hệ thống Để điều khiển bám quỹ đạo, điều khiển mờ nghiên cứu sử dụng Áp dụng điều khiển lên hệ thống thực tế sử dụng Matlab/Simulink Waijung Blockset thông qua kit STM32F4XX Robot với điều khiển thiết kế kiểm nghiệm thực tế nhiều lần nhằm tìm hệ số điều khiển tối ưu ABSTRACT The thesis builds a balanced robot bicycle system based on the theory of rotational pendulum balance using flywheels Process control is divided into two main parts: balance control and path tracking control First, perform an analysis, modeling the bicyrobot system Then, build the LQR controller to balance the system For path tracking control, the fuzzy controller was used Apply controller to actual system using Matlab / Simulink and Waijung Blockset via STM32F4XX kit Robots with the designed controller is tested several times to find out the optimal control factor LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS TS Huỳnh Thái Hoàng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Neu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn minh Trường đại học Bách Khoa TP HCM không liên quan đến vi phạm (nếu có) tác quyền, quyền tơi gây q trình thực TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2018 Tác giả Huỳnh Minh Sáng MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CỤM TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH _ V CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu BICYROBOT 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan _ 1.3 Mục tiêu luận văn _ 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu 15 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết 15 1.4.2 Đề xuất giải thuật 16 1.4.3 Mô kiểm chứng thực nghiệm _ 17 1.5 Cấu trúc luận văn 17 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BICYROBOT 18 2.1 Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống _ 18 2.2 Phương pháp điều khiển _ 23 2.2.1 Bộ điều khiển LQR _ 23 2.2.2 Điều khiển mờ 25 2.2.3 Thiết kế điều khiển LQR Điều khiển cân bicyrobot _ 27 2.2.4 Thiết kế điều khiển Fuzzy _ 31 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIÊN BICYROBOT _ 35 3.1 Đọc liệu IMU _ 35 3.2 Điều khiển cân 38 3.3 Điều khiến bám quỹ đạo _ 41 11 CHƯƠNG 4: XÂY DựNG MƠ HÌNH THựC NGHIỆM KẾT QUẢ THựC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BICYROBOT _ 44 4.1 Mơ hình hệ thống Bicyrobot 44 4.2 Kết điều khiển thực tế _ 55 4.2.1 Đọc liệu IMU _ 55 4.2.2 Điều khiển cân 56 KẾT LUẬN 62 * Đánh giá kết _ 62 * Hưởng phát triển 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Ill DANH MỤC CỤM TỪ VIẾT TẮT KÝHIẼU » THUẬT NGỮ I2C Inter Intergrated Cừcuit IMU Inertia Measurement Unit LQR Linear Quadretic Regulation PTTT Phương trình trạng thái PWM Pulse Width Modulation UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter 53 Mơ hình thực tế sau xây dựng Hình 4,10: Mơ hình hệ thống hồn chỉnh Các thơng số hệ thơng thục tế có đo đạc, sử dụng phần mềm tính tốn, ước lượng, thông số kỹ thuật thiết bị lựa chọn sử dụng cho bảng sau: Khối lượng xe (ml) 1.8 (kg) Khối lượng bánh đà (m2) 0.384 (kg) Chiều cao tâm xe (Ll) 0.08 (m) Chiều cao tâm bảnh đà (L2) 0.14 (m) Bảng 4.1: Giá trị cấc thơng số mơ hình thực tế 54 Điện trở động (Rm) 5.7 (Ohm) Hằng số moment (Kt) 0.0084 (Nm/A) Hằng số emf động (Ke) 0.0084 v/(rad/s) Tỉ số bánh (Ng) 33 Bảng 4.2: Giá trị thơng số động Moment qn tính bánh đà (12) 0.00082 (kg.m2) Moment quán tính xe Ợl) 0.0015 (kg.m2) Bảng 4.3: Giá trị mổ hình tính toán thực tế 55 4.2 Kết đỉều khiển thực tế 4.2.1 Đọc liệu IMU Hình 4.11: Sơ đồ khối Simulink lọc Kalman 56 I Lilt* IM 1.5 ■ Goc(deg ') 1- Hình 4.12: Két lọc Kalman liệu đọc từ IMƯ 4.2.2 Điều khiển cân E> E> Hình 4.13: Bộ điêu khiên LQR 57 m (T) X > Hình 4J4: Sơ đỏ điêu khiên cân băng 58 Giải thích khối sơ đồ Simulink: Wajjung: 17.03a c Copier: MCIJ STMMF40TVG Auíữ Compile Download: ON Fullcwp Erase: ON AJUIO run app: ON Execution Profiler None Base Ts (sec): Q.ot L -Tar gar SflLup Hình 4.15: Khối target setup bù Block ParamdcrETarget Setup X Sima2fajargeL?erup (mask) [link) ** Use this frbek to setup STM32F4 Target »1 a Sipiulnk rrcdel The sample tirrk? of this block 15 the system base 53Tir oletinne It t* autOfiSdfltaly comeuted based on sampleffliie of ev«y block in the System model and is used to configure Systfck Counter of the target Board: i Fi02; STMJ2F417IG (LQFPl?*) Paid meters Compiler GhLijsftM T MO? STM.Ì2F407VG [LQFP-00) T Clock Configuration I^EOSC-BIMH? □ Show memory contigurartioii enable Aưto Compile and Doii«nb*f Full Chip Erase before Download PnxinimpnefoDebuOTer ST-Lmk Show/Edlt Control StTTiọs (Recommended tor advanced uses oriy) Comp liar Cartrul ỉtrnọ [riBuat-abi-baid -irirpy='pi.“=-sp d-b -irast-roarh - Wall -A'L-Uij -Dfasr Assembler control string b -D_STACK_S1ZE=$:STACK SIZE) -Q_HEAP„SKE=5