Ngày nay, khoa học kĩ thuật đạt rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển được áp dụng các quy luật điều khiển cổ điển, điều khiển hiện đại, cho tới điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu được là hệ thống hoạt động với độ chính xác cao, tính ổn đinh bền vững, và thời gian đáp ứng nhanh. Trong điều khiển công nghiệp. bộ điều khiển PID là sự lựa chọn chung, tối ưu nhất cho các hệ thống điều khiển có hàm truyền (phương trình trạng thái) như điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc, điều khiển mức....Đề tài “Sử dụng PID mô hình hóa robot 2 bánh động lực”, điều khiển chính xác vị trí và tốc độ trong quá trình di chuyển hoạt động của robot. Thiết kế bộ điều khiển PID là một quá trình quan trọng giúp giảm sai xót và tăng độ chính xác cho Robot. Thực hiện đề tài giúp sinh viên ứng dụng kiến thức đã học vào mô hình thực tiễn.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - BÀI TẬP LỚN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA HỆ ROBOT BÁNH ĐỘNG LỰC Giáo viên hướng dẫn : Khổng Minh Sinh viên thực : Đào Tiến Huấn Lớp: ĐH Cơ điện tử 3- K11 Hà Nội- 2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kĩ thuật đạt nhiều tiến lĩnh vực điều khiển tự động hóa Các hệ thống điều khiển áp dụng quy luật điều khiển cổ điển, điều khiển đại, điều khiển thơng minh, điều khiển trí tuệ nhân tạo Kết thu hệ thống hoạt động với độ xác cao, tính ổn đinh bền vững, thời gian đáp ứng nhanh Trong điều khiển công nghiệp điều khiển PID lựa chọn chung, tối ưu cho hệ thống điều khiển có hàm truyền (phương trình trạng thái) điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc, điều khiển mức Đề tài “Sử dụng PID mơ hình hóa robot bánh động lực”, điều khiển xác vị trí tốc độ trình di chuyển hoạt động robot Thiết kế điều khiển PID trình quan trọng giúp giảm sai xót tăng độ xác cho Robot Thực đề tài giúp sinh viên ứng dụng kiến thức học vào mơ hình thực tiễn Trong suốt q trình thực tập lớn, nhóm chúng em nhận định hướng, dẫn tận tình thầy Khổng Minh Vì vậy, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy, cảm ơn thầy giúp đỡ ủng hộ chúng em suốt thời gian vừa qua Do lực hạn chế nên tập lớn khơng tránh khỏi nhứng sai xót, nhóm em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để tập hoàn thiện Hà Nội, tháng 11 năm 2018 Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 1.1.1 TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT GIỚI THIỆU : Thuật ngữ Robot xuất lần vào năm 1922 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Trong tác phẩm nhân vật Rossum trai tạo máy giống người để phục vụ cho người Mobile Robot loại máy tự động có khả di chuyển số môi trường định Mobile Robot nhà nghiên cứu trọng trường đại học lớn có phòng thí nghiệm để tập trung nghiêng cứu loại Robot Chúng sử dụng ngành công nghiệp, quân sinh hoạt…, sinh hoạt có Robot hút bụi, lau nhà hay cắt cỏ… 1.1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN: Hình dạng Robot xuất nước Hoa Kỳ, loại tay máy chép hình dung phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỷ trước, bên cạnh loại tay máy chép hình khí, loại tay máy chép hình thủy lực điện tử xuất Tuy nhiên, tay máy thương mại có chung nhược điểm thiếu di động, tay máy hoạt động hạn chế quanh vị trí Ngược lại, Mobile Robot lại Robot di động di chuyển từ không gian đến không gian khác cách độc lập hay điều khiển từ xa, tạo không gian hoạt động lớn Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong chiến giới lần thứ II, Robot di động xuất Nó kết thành tựu công nghệ lĩnh vực nghiên cứu có liên quan khoa học máy tính điều khiển học, hầu hết chúng bom bay, ví dụ bom nổ dãy mục tiêu định, sử dụng hệ thống hướng dẫn rada điều khiển Tên lửa V1 V2 có “ phi cơng tự động” hệ thống phát nổ, chúng tiền thân đầu đạn hạt nhân tự điều khiển đại Từ năm 1948 đến 1948: W.Gray Walter tạo nên Elmer Elsie, hai Robot trông giống đồi mồi Về mặc hành chính, chúng gọi Machina Speculatrix Robot hoạt động môi trường chim đồi mồi Elmer Elsie trang bị cảm biến sáng Nếu chúng nhận nguồn sáng, chúng di chuyển phía nguồn sáng Chúng tránh chuyển chướng ngại đường di chuyển Những Robot chứng cử phức tạp phát sinh từ thiết kế đơn giản Elmer Elsie thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast” Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh Khi pin yếu tự tìm ổ cắm điện cắm vào Năm 1969: Mowbot Robot cắt bãi cỏ cách tự động The Stanford Cart line follower Robot di động di chuyển thông qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng camera để nhìn Nó bao gồm “kênh truyền thanh” gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo tính tốn Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford xây dựng nghiên cứu Shakey Shakey có camera, dãy kính gắm, cảm biến truyền Shakey Robot lý giải chuyển động Điều có nghĩa Shakey đưa nhiều mệnh lệnh chung và Robot tính tốn bước cần thiết để hồn thiện nhiệm vụ giao Năm 1976: chương trình Vikiry, tổ chức NASA phóng hai tàu vũ trụ không người lái lên hỏa Năm 1977: Bộ phim “Chiến tranh sao” phần I, A new Hope mô tả R2D2, Robot di động hoạt động độc lập C3P0, robot hình người Họ khiến công chúng biết đến Robot Năm 1980: Thị hiếu người tiêu dùng Robot tăng, robot bày bán mua để sử dụng nhà Ví dụ RB5X tồn tới ngày loạt mẫu robot HERO Robot The Stanford Cart phát triển mạnh, lái tàu biển vượt qua trở ngại tạo lên đồ nơi qua Năm 1989: Mark Tinden phát minh BEAM robotics Năm 1990: Cha đẻ rôbốt công nghiệp Joseph Engelberger làm việc với đồng nghiệp phát minh rôbốt tự động ngành y tế bán Helpmate Sở an ninh Mỹ gây quỹ cho dự án MDARS-I dựa vào robot bảo vệ nhà Cybermotion Năm 1993-1994: Dante-I Dante-II phát triển trường đại học Carnegie Mellon, hai Robot dung để thám hiểm núi lửa hoạt động Năm 1995: Robot di động lập trình Pioneer (người tiên phong) bán sẵn mức giá chấp nhận được, điều dẫn tới gia tăng rộng rãi nghiên cứu Robot trường đại học nghiên cứu Robot suốt thập sau Robot di động trở thành phần thiếu chương trình giảng dạy trường đại học Năm 1996-1997: NASA phóng tàu Mars Pathfinder có Robot Rover Sojourner lên Hoả The Rover thám hiểm bề mặt hoả điều khiển từ mặt đất Sojourner trang bị với hệ thống tránh rủi cao Hệ thống làm cho Sojourner tìm thấy đường cách độc lập địa hình Hoả Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, rơbốt có khả lại, quan sát tác động qua lại tới môi trường Robot điều khiển từ xa dùng cho quân PackBot giới thiệu Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống bầy côn trùng khởi động Chúng bao gồm số lượng lớn Robot đơn lẻ, tác động lẫn thực nhiệm vụ phức tạp Năm 2002: Roomaba, robot di động dung gia đình, thực công việc lau nhà xuất Tiếp tục phát triển có nhiều loại Robot phục vụ cho người dần xuất ngày thân thiện Năm 2004: Robosapien, rôbốt đồ chơi, thiết kế Mark Tilden bán sẵn Trong dự án “The Centibots Project” 100 Robot làm việc với để tạo lên đồ cho vùng khơng xác định tìm vật thể mơi trường Trong thi DARPA Grand Challenge, Robot tự động tranh tài sa mạc Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo Helpmate PatrolBot trở lên phổ biến Robot di động tiếp tục cạnh tranh để trở thành mặt hàng độc quyền Sở an ninh Mỹ bỏ dự án MDARS-I, lại gây quỹ cho dự án loại Robot an ninh tự động khác TALON-Sword, loại Robot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn lựa chọn vũ khí hợp thành khác đời Asimo Honda biết cách chạy leo cầu thang với hai chân người Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thông minh tăng nhanh số lượng quy trình phân phối, Robot thơng minh phân loại theo mức độ phổ biến nội dung chúng Robot Tug trở thành phương tiện phổ biến bệnh viện dùng để vận chuyển đồ kho từ nơi sang nơi khác.ARCSinside Speci-Minder mang máu vật mẫu từ trạm y tá tới phòng xét nghiệm.Seekur, Robot dịch vụ dùng ngồi trời với mục đích phi qn kéo xe qua bãi đậu xe, lái cách độc lập (tự động) vào nhà bắt đầu học cách lái ngồi Trong đó, PatrolBot học cách theo sau người cửa mà mở đóng lại 1.1.3 PHÂN LOẠI MOBILE ROBOT Có thể phân loại robot theo phương pháp di chuyển: Robot có chân, chân giống người hay động vật Robot di chuyển xích, đai, Robot di chuyển bánh xe: bánh thường, bánh omni, mecadum, 1.2 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT HAI BÁNH ĐỘNG LỰC Robot dò line trường hợp đặc biệt Mobile robot, robot nhận biết vị trí tương đối robot bám theo đường line ( line từ, line màu ) có, dựa vào cảm biến để nhận biết đường tránh vật cản Hiện robot dò line sủa dụng rộng dãi công nghiệp đời sống hàng ngày Ứng dụng thực tế robot dò line: Sử dụng sinh hoạt: robot hút bụi, robot cắt cỏ, Hình 1.1: Máy hút bụi ILIFE máy cắt cỏ Miimo Honda Xe tự hành AGV nhà máy: Hình 3: Xe tự hành AGV vận chuyển hành nhà máy Hình 4:Robot Kiva vận hành kho Alibaba CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 2.1.1 ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG TỌA ĐỘ Để mô tả vị trí robot dò line mơi trường mình, cần phải xác định hai hệ tọa độ khác Hệ tọa độ quán tính: Hệ tọa độ gắn với môi trường mặt phẳng mà Robot di chuyển Hơn nữa, hệ tọa độ coi hệ tọa độ tham chiếu ký hiệu {x I , y I } Hệ tọa độ Robot: Hệ tọa độ hệ tọa độ cục gắn với robot, đó, di chuyển với Hệ tọa độ ký hiệu {x r , y r } Gọi A trung điểm trục hai bánh xe Khối tâm C robot giả định trục đối xứng, cách A khoảng d Như Hình 2.1, vị trí hướng robot hệ tọa độ qn tính định nghĩa là: (1) Vị trí điểm robot xác định khung robot khung quán tính sau: Sau đó, hai tọa độ có liên quan phép biến đổi sau: (2) Trong R (θ) ma trận xoay trực giao: (3) Tương tự, ta có cơng thức chuyển đổi chuyển động : 10 -Điều kiện để bánh xe lăn không trượt động quay là: (76) *Khi khởi động : Hình 3:Các lực tác dụng vào bánh xe khởi động Cân lực momen quanh tâm bánh xe ta đươc: Để cho robot leo lên dốc nghiêng (77) Từ hai điều kiện (76) (77) ta tính momen động cơ: Trong đó: -kg: khối lượng robot(bao gồm bánh) - kg: khối lượng bánh xe chủ động -=6.25.10-5 kg.m2 /s2 momen quán tính bánh chủ động -R= 2,5 cm: bán kính bánh xe chủ động -=0,6-0,85: hệ số ma sát trượt(lấy bánh cao su mặt bê tông) 18 -=0.7: hệ số ma sát nghỉ(lấy bánh cao su mặt bê tông) -: lực ma sát -: gia tốc góc bánh phải - g= 9.81: gia tốc trọng trường (các thông số mô theo Robot hút bụi Xiaomi MI Vacuum Xiaomi.) Công suất động là: Với hệ số an toàn 1.2, xét mặt phẳng (ta tính được: 0,34335≤ ≤ 0,515(*) Với hệ số an toàn 1.2, xét mặt phẳng nghiêng ( ta tính được: 0,34204≤ ≤2,159(**) Từ (*) (**) có: 0,34335≤ ≤ 2,159 (N.m) Số vòng quay: Từ ta chọn động DC-Motor M80x40/I (24V) có thơng số sau: 19 2.3 Mơ hình động : MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ DC 20 Hình 4: Mơ hình động DC Các thông số vật lý: (Jm) : momen quán tính động ( ) (b) : hệ số ma sát nhớt trục động 0,1 (Nms ) (Ke) : hệ số suất điện động e (V/rad /giây) (Kt) : số mô men ( Nm/Amp) (Rm) : điện trở kháng (Ohm) (Lm) : điện cảm (H) () : Tốc độ trục động (rad/s) Xây dựng phương trình toán: -Momen xoắn trục động : 21 -Sức điện động cảm cuộn dây: -Áp dụng Định luật Newton: (1) -Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng có: (2) -Chuyển hệ Laplace : (1) (3) (2) (4) -Gọi hàm truyền động là: G(s) Từ (3) (4) : CHƯƠNG : XÂY DỰNG BĐK PID VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 3.1.1 Xây dựng mơ hình hệ thống Simulink: Mơ hình động học : Mơ hình động học thuận xây dựng dựa phương trình: 22 (t)=+ V.t.Cos(); (t) = + V.t.Sin(); = Từ phương trình : Ta xây dựng mơ hình động học nghịch sau: Mơ hình động học : 23 Giả sử đặt đầu vào quãng đường =5m, góc so với trục Ox -70 ta có kết mơ sau: 24 25 26 3.1.2 Xây dựng mơ hình động lực học : Từ phương trình : ta xây dựng mơ hình simulink: Với đầu vào momen đặt lên hai bánh, đầu tốc độ hai bánh : Với đầu vào điện áp đầu tốc độ hai bánh, tốc độ dài tốc độ góc : Cuối kết hợp với mơ hình động học thuận động học nghịch ta : 27 Giả sử đặt đầu vào quãng đường =15m, góc so với trục Ox -30 ta có kết mô sau: 28 29 Khi ta đặt đầu vào vận tốc dài = V(m/s), vận tốc góc (rad/s).Robot chuyển động theo quỹ đạo hình elip với phương trình quỹ đạo : (t)= (t) = = Với: () tọa độ ban đầu Robot; bán kính cong quỹ đạo Ta có kết mô với V=20 (m/s); =2.5(rad/s) sau: 30 3.2 Nhận xét, đánh giá mô : − Sử dụng điều khiển PID cho chất lượng điều khiển tốt, sai số nhỏ, thời gian đáp ứng nhanh − Để mô hệ thống tốt ta nên sử dụng mơ hình động lực học tính đến yếu tố quán tính, gia tốc, ma sát, v.v − Thực tế, số tín hiệu cần điều khiển khơng nên dùng điều khiển PID làm ổn định hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO Từ khoá : DDMR, Differential-Drive Mobile Robot, Kinematic of two-wheeled mobile robot, Dynamics, Modeling, Newton-Euler, Wheeled Mobile Robot, point to point motion, PID Controller Nguồn internet: 31 https://pdfs.semanticscholar.org/97c3/1eed7656fe26a2e6b225ebbdde3f15 4ed6f5.pdf Dhaouadi R, Hatab AA (2013) Dynamic Modelling of Differential-Drive Mobile Robots using Lagrange and Newton-Euler Methodologies: A Unified Framework Adv Robot Autom 2: 107 doi: 10.4172/21689695.1000107 Position and Velocity control for Two-Wheel Differential Drive Mobile Robot(Cherry Myint#1, Nu Nu Win#2) (International Journal of Science, Engineering and Technology Research (IJSETR) Volume 5, Issue 9, September 2016 ) https://www.kag-hannover.com/en/products/motors/ec-motors/brushlessec-motor-ecm63/ 32 ... (4) Hình2 1: Mơ hình robot hai bánh động lực 11 Hình2 2: : 2. 1 .2 Mơ hình bánh xe lăn lý tưởng MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC Mơ hình động học nghiên cứu chuyển động hệ thống học mà không xem xét lực tác động. .. 0,3 420 4≤ 2, 159(**) Từ (*) (**) có: 0,34335≤ ≤ 2, 159 (N.m) Số vòng quay: Từ ta chọn động DC-Motor M80x40/I (24 V) có thơng số sau: 19 2. 3 Mơ hình động : MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ DC 20 Hình 4: Mơ hình động. .. tính momen động cơ: Trong đó: -kg: khối lượng robot( bao gồm bánh) - kg: khối lượng bánh xe chủ động -=6 .25 .10-5 kg.m2 /s2 momen quán tính bánh chủ động -R= 2, 5 cm: bán kính bánh xe chủ động -=0,6-0,85: