BAO CAO DO AN 2

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO BẰNG ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S ĐẶNG XUÂN BA SINH VIÊN THỰC HIỆN: Nguyễn Việt Tiến Vũ Đức Minh 17150106 17151106 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 8/ 2020 Lời mở đầu Việt Nam bước vào kỷ ngun Tự Động Hóa & Hiện Đại Hóa hịa giới để phát triển Việc xây dựng hệ thống điều khiển ứng dụng trình cơng nghệ vào cơng nghiệp tự động hóa nước nhà điều vô quan trọng Trên sở tiếp thu tri thức nhân loại để phục vụ cho việc tắt, đón đầu vấn đề vơ cấp thiết Đề tài hướng vào việc tìm hiểu khám phá lĩnh vực điều khiển xác để phục vụ cho yêu cầu điều khiển thực tế Hệ thống điều khiển mức dùng giải thuật PID ứng dụng thuật tốn điều khiển q trình : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí Việc ứng dụng giải thuật điều khiển xác vào thực tế nhằm làm giảm sai số kết điều khiển Với việc chiếm tỷ lệ cao so với giải thuật điều khiển khác (> 80%), giải thuật điều khiển PID chiếm vị trí vơ quan trọng giải thuật điều khiển dùng công nghiệp Việc nghiên cứu, ứng dụng thuật giải làm mở hội cho thân lĩnh vực điều khiển Mục lục Chương 1: Mở đầu Đặt vấn đề - Sự phát triển không ngừng xã hội mà động lực cách mạng khoa học cơng nghệ tạo nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho người Nhu cầu vơ hạn nên máy móc khơng ngừng phát triển để đáp ứng kịp nhu cầu Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào tín hiệu phản hồi ngày áp dụng rộng rãi Điều giúp giảm bớt sức lao động tăng suất, chất lượng cho sản phẩm bảo vệ sức khỏe người lao động - Hiện có nhiều cách điều khiển thiết bị dùng vi mạch số, vi xử lí, vi điều khiển, PLC, điều khiển máy tính, điều khiển thơng minh… Với nhiều phương pháp điều khiển khác Phương pháp điều khiển PID phương pháp sử dụng phổ biến phương pháp điều khiển PID thỏa mãn tốt yêu cầu thực tế đặt -Trong nghiên cứu này, nhóm em định tìm hiểu phương pháp điều khiển cánh tay robot với động dùng giải thuật PID Nhóm em mong muốn có thêm kiến thức điều khiển tự động nhằm phục vụ tốt cho yêu cầu công việc sau Mục đích nghiên cứu -Củng cố vận dụng kiến thức học: điện tử bản, điều khiển tự động,… vào mơ hình thực tế -Tìm hiểu phương pháp điều khiển PID -Nâng cao khả thi cơng mơ hình thực tế -Trau dồi kiến thức robot mơ hình thực tế robot Đối tượng phạm vi nghiên cứu -Thiết kế thi cơng mơ hình -Nghiên cứu giải thuật điều khiển PID, lập trình điều khiển hệ thống Chương 2: Tổng quan cánh tay hai bậc tự 2.1 Mơ hình cánh tay - Hệ thống gồm khung robot hai bậc tự hai động DC có encoder Vị trí động trả từ encoder Động cấp nguồn adapter 12V thông qua module điều khiển động điều khiển board arduino 2.2 Phần cứng mơ hình 2.2.1 Arduino -Arduino Uno R3 dòng mạch phổ biến dòng mạch Arduino, phiên Uno Revision (R3) phiên giờ, có độ xác độ bền cao nhiều so với Arduino Uno phiên cũ -Arduino UNO R3 sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ vi điều khiển thơng minh điều khiển led đơn, điều khiển động cơ, xử lý tín hiệu, thu thập liệu từ cảm biến để hiển thị lên hình Led, LCD,… nhiều ứng dụng khác Thơng số kĩ thuật Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Arduino UNO R3 có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng kết nối) 2.2.2 Module điều khiển động L298N - Module điều khiển động chiều (DC Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298 giúp điều khiển tốc độ chiều quay động DC cách dễ dàng Ngồi module L298 cịn điều khiển động bước lưỡng cực Mạch cầu H IC L298 hoạt động điện áp từ 5V đến 35V Thông số kỹ thuật mạch điều khiển động L298N: Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V Dòng tối đa cho cầu H: 2A Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ vận hành: -25 ℃ ~ +130 ℃ 2.2.3 Động DC servo GA25 Thông số kỹ thuật: Điện áp cấp cho động hoạt động: – 12VDC Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDC Đĩa Encoder 11 xung, hai kênh A-B Đường kính động cơ: 25mm Đường kính trục: 4mm 2.2.4 Khung cánh tay robot Khung cánh tay robot MK2 in 3D, khớp robot dùng cho động step động DC Chương 3: Thuật toán điều khiển 3.1 Giới thiệu điều khiển PID -Bộ điều khiển PID điều khiển vịng kín, sử dụng rộng rãi công nghiệp.Bộ điều khiển PID sử dụng để điều chỉnh sai lệch giá trị đo hệ thống( Process Variable-PV) với giá trị đặt (Set point-SP) cách tính tốn điều chỉnh giá trị ngõ -Một điều khiển gồm thành phần: • • • P(Proportional): Tạo tín hiệu tỉ lệ với sai lệch I(Integral): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian sai lệch D(Derivative): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian sai lệch Sơ đồ hệ thống dùng điều khiển PID 3.1.1 Bộ điều khiển tỉ lệ (P) Khâu P tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị sai lệch Việc thực cách nhân sai số e với số Kp gọi số tỉ lệ Pout=Kp.e(t) Trong đó: Pout: giá trị ngõ Kp: số tỉ lệ Nếu hệ số Kp lớn hệ thống ổn định Nếu hệ số Kp nhỏ làm cho điều khiển nhạy đáp ứng chậm Hơn tác động điều khiển P bé làm hệ thống không xác 3.1.2 Bộ điều khiển tích phân (I) Bộ điều khiển tích phân (I) cộng them tổng sai số trước vào giá trị điều khiển Việc tính tổng sai số thực liên tục giá trị đạt đươc giá trị đặt kết hệ thống cân sai số Khâu I tính theo cơng thức Iout =Ki Trong đó: Iout: giá trị ngõ khâu I Ki: hệ số tích phân Khâu I thường với khâu P, hợp thành điều khiển PI, sử dụng khâu I đáp ứng hệ thống chậm thường bị dao động 3.1.3 Bộ điều khiển vi phân(D) Bộ điều khiển vi phân (D) cộng them tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ngõ Nếu sai số thay đổi nhanh tạo thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển Điều cải thiện đáp ứng hệ thống, giúp trạng thái hệ thống thay đổi nhanh chóng nhanh chóng đạt giá trị mong muốn Khâu D tính theo cơng thức: Dout=Kd Trong đó: Dout: ngõ khâu D 10 Kd: hệ số vi phân Khâu D thường kèm với khâu P, hợp thành điều khiển PD, PI để hợp thành điều khiển PID 3.1.4 Tổng hợp khâu, điều khiển PID Bộ điều khiển PID tổng hợp ghép song song khâu P,I,D Phương trình PID lý tưởng u(t)=Kpe(t)+ Ki+ Kd 3.2 Lí thuyết kĩ thuật robot hai bậc tự Cánh tay robot hai bậc tự gồm hai khớp, hai liên kết Cánh tay robot hai bậc tự hoạt động mặt phẳng Sau bảng DH robot hai bậc tự với trục đặt hình Joint ai-1 aphai-1 di Thetai z0z1x0 0 Theta1 x0x1z1 z1z2x1 L1 0 Theta2 x1x2z2 z2z3x2 L2 0 x2x3z3 11 3.2.1 Động học thuận Ma trận biến đổi đồng hệ Ma trận biến đổi đồng hệ Ma trận biến đổi đồng hệ Khi ta có hai góc theta theta ta tìm vị trí điểm đầu cuối 12 3.2.2 Động học nghịch Cho trước tọa độ điểm đầu cuối X,Y Từ kết 0T2 tính tốn động học thuận trên, ta có phương trình Từ phương trình trên, phép biến đổi, ta dễ dàng tính theta Từ theta 2, ta suy theta hai nghiệm 13 Chương Mô động cánh tay Matlab 4.1 Sơ đồ khối điều khiển động Matlab Với Trajectory planning tọa độ điểm đầu cuối mà người dùng muốn robot di chuyển đến, Inverse Kinematics khâu động học nghịch, Mechanical Model of the Robot khâu điều khiển động cơ, Forward Kinematics khâu động học thuận khâu cuối Estimated position mô điềm đầu cuối 4.2 Trajectory planning Với quĩ đạo mong muốn mà em muốn robot vẽ hình trịn 14 4.3 Inver Kinematics Dựa vào lí thuyết trên, em viết chương trình để tính động học nghịch cho robot 4.4 Forward Kinematics Dựa vào lí thuyết trên, em viết chương trình tính động học thuận cho robot 15 4.5 Mechanical Model of the Robot Ở khớp robot, em mô sử dụng PID để hồi tiếp góc theta mong muốn để hệ thống tính tốn góc theta cho phù hợp Thơng số PID em sử dụng công cụ PID tuning để xác định chúng 4.6 Kết mô matlab Với Trajectory planning đặt đường trịn với bán kính 0.5, góc xuất phát pi/2 Cánh tay robot mơ phải vẽ hình trịn sau 16 Kết mơ đạt Vì mơ điều kiện lí tưởng khơng có ảnh hưởng tác động từ bên ngồi nên hình trịn tính tốn hình trịn cánh tay robot vẽ giống 4.7 Mơ hình thực tế 17 4.8 Kết thực tế Vị trí ban đầu động Khi cho vị trí động 30 Nhận xét: Khi điều chỉnh tốc độ vị trí 30 động qua vị trí 30 mong muốn 18 Kết luận Qua trình nghiên cứu thực đề tài số kết sau: • Đưa mơ hình tốn học động • Xác định hàm truyền, đặc tính thời gian, đặc tính tần số hệ thống • Khảo sát ổn định hệ thống thiết kế điều khiển PID Đề tài “Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự động DC với giải thuật PID” hỗ trợ đắc lực trình giảng dạy, học tập nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Việc áp dụng mơ hình động giúp người học kiểm chứng lại giải thuật, phương pháp điều khiển khác nhằm tìm giải thuật tối ưu cho ứng dụng cụ thể 19 Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết Điều khiển tự động, 2016, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM [2].http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [3] https://www.youtube.com/watch?v=UsnOuJe0nC0&t=770s 20 ... với trục đặt hình Joint ai-1 aphai-1 di Thetai z0z1x0 0 Theta1 x0x1z1 z1z2x1 L1 0 Theta2 x1x2z2 z2z3x2 L2 0 x2x3z3 11 3 .2. 1 Động học thuận Ma trận biến đổi đồng hệ Ma trận biến đổi đồng hệ Ma... ~ 36mA Cơng suất hao phí: 20 W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ vận hành: -25 ℃ ~ +130 ℃ 2. 2.3 Động DC servo GA25 Thông số kỹ thuật: Điện áp cấp cho động hoạt động: – 12VDC Điện áp cấp cho Encoder... kết nối) 2. 2 .2 Module điều khiển động L298N - Module điều khiển động chiều (DC Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298 giúp điều khiển tốc độ chiều quay động DC cách dễ dàng Ngồi module L298 cịn