1. CHƠNG 1 .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .1 1.1 Đặtvấn đề .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .2 1.2 Các công trình nghiêncứu có liên quan . .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .5 1.2.1 nBot 1 .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .5 1.2.2 JOE – A moblie Inverted Pendul um 2 .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .6 1.2.3 Mộtsốdạng robot hai bánhtự cânbằngcủa các hãngsản xuất .. ... .. ... ... ... .7 1.2.4 Các báo cáo nghiêncứu khoahọc có liên quan .. ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .8 1.3 Nội dung lu ậnvăn thạcsĩ ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .8 2. CHƠNG II. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 10 2.1 Mô hình hóa robot hai bánhtự cânbằng trên địa hình phẳng . ... ... ... ... ... .. ... ... .. 11 2.2 Mô hình hóa robot hai bánhtự cânbằng trên địa hì nh phẳng trong Matlab Simulink . ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 16 2.3 Mô phỏnghệ thống .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 17 2.4 Kết luận. .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 17 3. CHƠNG III ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 18 3.2 Cơsở l ý thuyếtbộlọc Kal man . ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 19 3.2.1 Giới thiệuvềbộlọc Kalman ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 19 3.2.2 Quá trình ướcl ượng:. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 20 3.2.3 Bản chất xác suấtcủabộlọc ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 22 3.2.4 Thuật toán Kal manrờirạc: .. ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 22 3.3 Lý thuyết đi ều khiển trượt .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 24 3.3.1 Thiếtkế điều khiển . .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 26 Luận văn thạc sỹ Điều khiển robot hai bánh tự cân bằng trên địa hình không phẳng GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu 3.3.2 Sựtồntại nghiệm vòng kín .. ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 28 3.3.3 Định l ý 1: Sựtồntại chế độ trượt . .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 28 3.3.4 Định l ý 2: .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 29 3.3.5 Định l ý 3: Chuyển động trượt . ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 29 4. CHƠNG IV ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 31 4.1 Phương pháp đi ều khiển toàn phương tuyến tính – LQR .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 32 4.1.1 Tuyến tính hóahệ thống . ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 32 4.1.2 Khảo sát tính điều khiển được và tính quan sát đượccủahệ thống: ... ... .. 34 4.1.3 Hàm chỉ tiêu chấtlượng điều khiển . .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 34 4.1.4 Sơ đồmô phỏng ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 35 4.1.5 Kết quả mô phỏng ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 36 4.1.6 Điều khiển dùng LQR PI cho khâuvị trí . ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 40 4.1.7 Kết quả mô phỏng LQR PI ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 41 4.1.8 Kết luận. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 41 4.2 Phương pháp đi ều khiển PID thích nghi mô hình tham chiếu ... ... ... ... ... ... .. ... .. 42 4.2.1 Đặtvấn đề . ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 42 4.2.2 Cấu trúcbộ điều khiển PI D cho robot hai bánhtự cânbằng. ... ... ... .. ... ... .. 42 4.2.3 Bộ điều khiển PID với thôngsốcố định . ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 43 4.2.4 Bộ điều khiển PID thích nghi mô hình tham chiếu cho robot hai bánhtự cânbằng 52 4.2.5 Kết luận. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 62 5. CHƠNG V . ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 63 5.1 Thiếtkếmô hình robot hai bánhtự cânbằng . ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 64 5.1.1 Thiếtkếcơ khí .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 64 Luận văn thạc sỹ Điều khiển robot hai bánh tự cân bằng trên địa hình không phẳng GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu 5.1.2 Cấu trúc điều khiển phầncứng .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 66 5.2 Bộlọc Kal man cho thành phần IMU ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 73 5.2.1 Thực hiệnbộlọc Kalman .. ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. 73 5.2.2 Kết quả thực nghiệm . ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 77 5.2.3 Kết luận. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 79 5.3 Bộ đi ều khiển nhúng robot hai bánhtự cânbằng ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 79 5.3.1 Giới thiệu .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 79 5.3.2 Bộ điều khiển LQR PI cho khâuvị trí .. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 81 5.3.3 Bộ điều khiển PI D thí ch nghi mô hình tham chiếu... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... .. 95 6. CHƠNG VI ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 106 6.1 Kết quả đạt được ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 107 6.2 Mộtsốhạn chế ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 108 6.3 Hướng phát triển ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 10
Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng MỤC LỤC CHƯƠNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 nBot [1] 1.2.2 JOE – A moblie Inverted Pendulum [2] 1.2.3 Một số dạng robot hai bánh tự cân hãng sản xuất 1.2.4 Các báo cáo nghiên cứu khoa học có liên quan 1.3 Nội dung luận văn thạc sĩ CHƯƠNG II 10 2.1 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân địa hình phẳng 11 2.2 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân địa hình phẳng Matlab Simulink 16 2.3 Mô hệ thống 17 2.4 Kết luận 17 CHƯƠNG III 18 3.2 Cơ sở lý thuyết lọc Kalman 19 3.2.1 Giới thiệu lọc Kalman 19 3.2.2 Quá trình ước lượng: 20 3.2.3 Bản chất xác suất lọc 22 3.2.4 Thuật toán Kalman rời rạc: 22 3.3 Lý thuyết điều khiển trượt 24 3.3.1 Thiết kế điều khiển 26 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 3.3.2 Sự tồn nghiệm vịng kín 28 3.3.3 Định lý 1: Sự tồn chế độ trượt 28 3.3.4 Định lý 2: 29 3.3.5 Định lý 3: Chuyển động trượt 29 CHƯƠNG IV 31 4.1 Phương pháp điều khiển toàn phương tuyến tính – LQR 32 4.1.1 Tuyến tính hóa hệ thống 32 4.1.2 Khảo sát tính điều khiển tính quan sát hệ thống: 34 4.1.3 Hàm tiêu chất lượng điều khiển 34 4.1.4 Sơ đồ mô 35 4.1.5 Kết mô 36 4.1.6 Điều khiển dùng LQR PI cho khâu vị trí 40 4.1.7 Kết mô LQR PI 41 4.1.8 Kết luận 41 4.2 Phương pháp điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu 42 4.2.1 Đặt vấn đề 42 4.2.2 Cấu trúc điều khiển PID cho robot hai bánh tự cân 42 4.2.3 Bộ điều khiển PID với thông số cố định 43 4.2.4 Bộ điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu cho robot hai bánh tự cân 52 4.2.5 Kết luận 62 CHƯƠNG V 63 5.1 Thiết kế mơ hình robot hai bánh tự cân 64 5.1.1 Thiết kế khí 64 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình không phẳng 5.1.2 Cấu trúc điều khiển phần cứng 66 5.2 Bộ lọc Kalman cho thành phần IMU 73 5.2.1 Thực lọc Kalman 73 5.2.2 Kết thực nghiệm 77 5.2.3 Kết luận 79 5.3 Bộ điều khiển nhúng robot hai bánh tự cân 79 5.3.1 Giới thiệu 79 5.3.2 Bộ điều khiển LQR PI cho khâu vị trí 81 5.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu 95 CHƯƠNG VI 106 6.1 Kết đạt 107 6.2 Một số hạn chế 108 6.3 Hướng phát triển 109 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình không phẳng CHƯƠNG TỔNG QUAN GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 1.1 Đặt vấn đề Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung điều khiển học nói riêng, mơ hình lắc ngược đối tượng nghiên cứu điển hình đặc thù đặc tính động khơng ổn định mơ hình nên việc điều khiển đối tượng thực tế đặt thử thách Kết nghiên cứu mơ hình lắc ngược bản, ví dụ mơ hình xe-con lắc, lắc ngược quay… ứng dụng kế thừa sang mơ hình tương tự khác có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn mơ hình tên lửa, mơ hình xe hai bánh tự cân bằng… Như vậy, để cân đối tính với tính ứng dụng thực tiễn đảm bảo quy mô nghiên cứu nằm khả cho phép, robot hai bánh tự cân chọn làm xuất phát điểm cho ý tưởng đề tài nghiên cứu Robot hai bánh tự cân xem cầu nối kinh nghiệm mơ hình lắc ngược với robot hai chân robot giống người Đây dạng robot có hai bánh đồng trục, khắc phục nhược điểm vốn có robot hai ba bánh kinh điển Các robot hai ba bánh kinh điển, theo có cấu tạo gồm bánh dẫn động bánh tự (hay khác) để đỡ trọng lượng robot Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh lái robot khơng ổn định dễ bị ngã, cịn đặt vào nhiều bánh hai bánh khả bám Nhiều thiết kế robot di chuyển tốt địa hình phẳng khơng thể di chuyển lên xuống địa hình lồi lõm mặt phẳng nghiêng Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng robot dồn vào đuôi xe làm khả bám trượt ngã Hình 1.1 - Robot dạng bánh xe di chuyển địa hình phẳng trọng lượng chia cho bánh lái bánh dẫn nhỏ GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 1.2 - Robot dạng bánh xe lên dốc, trọng lượng dồn vào bánh trước khiến lực ma sát giúp xe bám mặt đường khơng đảm bảo Hình 1.3 - Robot dạng bánh xe xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe bị lật úp Ngược lại, robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng linh động di chuyển địa hình phức tạp, thân robot hệ thống không ổn định Khi robot di chuyển địa hình dốc, tự động nghiêng trước giữ cho trọng lượng dồn hai bánh Tương tự, di chuyển xuống dốc, nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh Vì vậy, khơng có tượng trọng tâm xe rơi ngồi vùng đỡ bánh xe để gây lật úp GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 1.4 - Robot bánh di chuyển địa hình khác theo hướng bảo tồn thăng Chính ưu điểm tính thăng di chuyển linh hoạt trên, robot hai bánh tự cân nhận quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu hãng sản xuất robot giới GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 1.2 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 nBot [1] Hình 1.5 - nBot Robot nBot David P.Anderson chế tạo Nguyên tắc điều khiển nBot sau: bánh xe chạy theo hướng mà phần robot ngã, bánh xe lái theo cách giữ vững trọng tâm robot robot giữ cân Quá trình điều khiển sử dụng tín hiệu từ hai cảm biến: cảm biến góc nghiêng thân robot so với phương trọng lực encoder gắn bánh xe để đo vị trí robot Tín hiệu hình thành nên biến: góc nghiên thân robot, vận tốc góc nghiêng, vị trí robot vận tốc robot; biến tính tốn thành điện áp điều khiển động cho robot GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình không phẳng 1.2.2 JOE – A moblie Inverted Pendulum [2] Hình 1.1 - JOE JOE phịng thí nghiệm điện tử công nghiệp viện Công nghệ Liên bang Lausanne, Thụy Sĩ tạo vào năm 2002 Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1.5m/s, có khả leo dốc nghiêng đến 300 Nguồn điện cấp nguồn pin 32V dung lượng 1.8Ah Hình dạng gồm hai bánh xe đồng trục, bánh gắn với động DC, robot chuyển động xoay theo hình chữ U Hệ thống điều khiển gồm hai điều khiển “không gian trạng thái” (state space) tách rời nhau, kiểm soát động để giữ cân cho hệ thống Thông tin trạng thái cung cấp hai encoder quang hai cảm biến: gia tốc góc quay hồi chuyển (gyro) JOE điều khiển điều khiển từ xa RC Bộ điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu board xử lý tín hiệu số (DSP) phát triển nhóm viện Federal, kết hợp với FPGA XILINC GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 1.2.3 Một số dạng robot hai bánh tự cân hãng sản xuất Hình 1.6 - Xe Segway Hình 1.7 - Winglet TOYOTA GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 5.41 - Ngõ góc xoay robot di chuyển địa hình dốc nghiêng 12.50 , sai số khoảng 0.02 (rad) c Nhận xét Với LQR PI, robot giữ thăng di chuyển địa hình phẳng dốc nghiêng đến 12.5 độ Sai số góc nghiêng robot giữ thăng mặt phẳng lý giải robot phải nghiêng theo hướng dốc nghiêng độ định để trọng tâm robot lúc qua mặt tiếp xúc bánh xe mặt phẳng Tuy nhiên, sai số vị trí cịn q lớn, đáp ứng vị trí tương đối tốt (có vọt lố khơng dao động), trọng số ảnh hưởng vị trí ma trận Q thơng số khâu PI vị trí chưa tinh chỉnh hợp lý Q trình thực nghiệm cho thấy, thông số chọn phạm vi giới hạn, lớn dễ khiến hệ thống ổn định 5.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu a Sơ đồ khối Sơ đồ khối điều khiển robot sử dụng PID thích nghi mơ hình tham chiếu so với LQR PI khác khâu điều khiển di chuyển giữ thăng “Normal Operation Control” sau: GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 95 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng C28x3x GPIOx Enable GPIO DO Pulse Generator Digital Output4 0.000779z+0.0007585 z 2-1.922z+0.9231 Model Reference theta theta_dot x1 1/z x2 Unit Delay1 x3 1/z 1/z Unit Delay2 IW1 T erm inator1 IW2 Term inator2 T erm inator3 IW3 x4 Unit Delay3 psi y hat psi_dot phi OW Jp y phi_dot Term inator4 Adaptive NN Term inator5 theta e1 theta_ref Discrete PID u Vpsi e2 M otor_Left_Saturation T ilt PID Controller KPID Jp -K- vl theta_dot Motor_Lef t psi M otor_Left_Gain psi_dot Term inator Vphi NN based Adaptive PID Controller for Position -K- vr phi Motor_Right phi_dot M otor_Right_Saturation M otor_Right_Gain T wo Wheeled Balancing Robot Actual Plan DeCoupling right_m otor_ctr_signal left_m otor_ctr_signal Discrete PID phi_ref Rotation PID Controller Hình 5.42 - Bên khối điều khiển giữ thăng di chuyển điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu double Data Type Conversion x1 double x2 x(k ) Data Type Conversi on1 double x3 Data Type Conversi on2 double x4 Data Type Conversi on3 double y Data Type Conversi on4 single Data T ype Conversion5 yhat x (k ) x (k -1) z Uni t Delay1 IW1 e3(k-1) z Uni t Delay3 I W1(k-1) z Uni t Delay4 I W2(k-1) z Uni t Delay2 I W3(k-1) z Uni t Delay5 IW2 f in adaptiveNNwithoutBias_fcn f out Embedded MATLAB Function IW3 OW(k-1) z Uni t Delay6 z(k-1) z Uni t Delay7 OW z(k) eta eta single Data Type Conversion10 Jp Hình 5.43 - Bên khối neuron nhận dạng mơ hình đối tượng sử dụng khối Embedded Matlab function GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 96 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng e1 e2 uble e1(n) z Data Type Con versio n uble e2(n) e1(n-1) Unit Del ay1 u(n) z Data T ype Conversi on2 Unit Del ay3 singl e Data T yp e Conversi on5 u v (n-1) z Uni t Dela y2 p(n-1) z KP(n) KI(n) p(n-1) Unit Del ay5 z f in p(n-2) Unit Del ay4 ST PID_fcn_ fi nal f out KPID KD(n) Em bedde d MAT LAB Functi on z Uni t Delay9 si ngl e Data Type Co nversi on1 v (n) eta Constant2 p(n) [Ts; to] Constant1 dou ble z Jp Unit Del ay6 Data T ype Conversi on3 Hình 5.44 - Bên khối PID thích nghi cho khâu vị trí cấu trúc mạng neuron b Kết thực nghiệm § Khi robot giữ thăng địa hình phẳng: Tilt Plot Tilt output -0.005 Tilt - y (rad) -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (s) Hình 5.45 - Ngõ góc nghiêng giữ thăng địa hình phẳng, sai số vào khoảng ±0.012 (rad ) GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 97 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Position Plot 47 Posistion Ref Position output 46.8 46.6 Posistion - q (rad) 46.4 46.2 46 45.8 45.6 45.4 45.2 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (s) Hình 5.46 - Ngõ vị trí giữ thăng địa hình phẳng, sai số vị trí trung bình khoảng 0.6 (rad) § Khi robot di chuyển địa hình phẳng: GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 98 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Tilt Plot 0.06 Tilt output 0.04 0.02 Tilt - y (rad) -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 10 20 30 40 50 60 70 Time (s) Hình 5.47 - Ngõ góc nghiêng robot di chuyển địa hình phẳng với tín hiệu đặt vị trí từ remote Position Plot 80 Posistion Ref Position output 75 70 65 Posistion - q (rad) 60 55 50 45 40 35 30 10 20 30 40 50 60 70 Time (s) GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 99 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 5.48 - Ngõ vị trí robot di chuyển địa hình phẳng với tín hiệu đặt vị trí từ remote, sai số khoảng 0.3 (rad) Control Voltage Plot 80 Left Vight 60 40 Voltage (%) 20 -20 -40 -60 -80 10 20 30 40 50 60 70 Time (s) Hình 5.49 - Phần trăm điện áp điều khiển (24V) cho động trái/phải robot di chuyển mặt phẳng GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 100 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng -3 4.22 KP Plot x 10 4.2 4.18 4.16 4.14 10 20 30 50 60 70 40 50 60 70 40 50 60 70 KI Plot -4 3.2 40 x 10 2.8 2.6 2.4 2.2 10 20 30 -3 5.005 KD Plot x 10 5.0045 5.004 5.0035 5.003 5.0025 10 20 30 Hình 5.50 - Thơng số PID tự động cập nhật trình điều khiển Rotation Plot Rotation Ref Rotation output 7.5 Rotation - f (rad) 6.5 5.5 4.5 10 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu 20 30 40 Time (s) 50 60 70 80 Trang 101 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 5.51 - Ngõ góc xoay robot di chuyển địa hình phẳng với tín hiệu đặt góc xoay từ remote Control Voltage Plot 40 Left Vight 30 20 Voltage (%) 10 -10 -20 -30 -40 10 20 30 40 Time (s) 50 60 70 80 Hình 5.52 - Phần trăm điện áp điều khiển (24V) cho động trái/phải robot di chuyển mặt phẳng với tín hiệu đặt góc xoay § Khi robot di chuyển địa hình dốc nghiêng 12.50 : GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 102 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Tilt Plot 0.15 Tilt output Tilt - y (rad) 0.1 0.05 -0.05 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (s) Hình 5.53 - Ngõ góc nghiêng robot di chuyển địa hình dốc nghiêng 12.50 , sai số khoảng 0.09 (rad) Position Plot 45 Posistion Ref Position output 40 35 30 Posistion - q (rad) 25 20 15 10 -5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (s) GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 103 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 5.54 - Ngõ vị trí robot di chuyển địa hình dốc nghiêng 12.50 , sai số khoảng (rad) Control Voltage Plot 80 Left Vight 60 40 Voltage (%) 20 -20 -40 -60 -80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (s) Hình 5.55 - Phần trăm điện áp điều khiển (24V) cho động trái/phải robot di chuyển dốc nghiêng 12.50 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 104 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng -3 5.6 KP Plot x 10 5.4 5.2 4.8 4.6 10 20 30 40 -4 7.4 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 KI Plot x 10 7.2 6.8 6.6 6.4 6.2 10 20 30 40 -3 KD Plot x 10 4.999 4.998 4.997 4.996 4.995 10 20 30 40 Hình 5.56 - Thơng số PID tự động cập nhật trình điều khiển c Nhận xét Như vậy, với điều khiển PID thích nghi mơ hình tham chiếu sở cấu trúc mạng neuron, đáp ứng vị trí cải thiện cách rõ rệt điều khiển robot địa hình phẳng dốc nghiêng nhờ vào trình tự động cập nhật giá trị PID trình điều khiển Tuy nhiên, việc chọn lựa giá trị khởi tạo PID tốc độ cập nhật quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển tính ổn định hệ thống GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 105 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng CHƯƠNG VI KẾT LUẬN GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 106 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 6.1 Kết đạt Với đề tài nghiên cứu trên, tác giả đạt số kết định sau: Trong hai chương đầu, tác giả đưa mơ hình tốn học dựa ngun lý động lực học robot hai bánh tự cân địa hình phẳng, nắm đặc tính phi tuyến mơ hình đối tượng cần điều khiển Khi mơ matlab simulink với nhiều giải thuật điều khiển khác lên mơ hình đối tượng: LQR, LQR PI, PID thơng số cố định PID thích nghi mơ hình tham chiếu cấu trúc mạng neuron… cho kết tốt chứng tỏ khả điều khiển đối tượng Thơng qua q trình thiết kế mơ điều khiển, cho thấy: điều khiển LQR thiết kế ngun tắc tuyến tính hố mơ hình đối tượng điểm cân bằng, trình điều khiển nhằm đưa quỹ đạo tất biến trạng thái ngõ tiến 0, khâu PI đưa vào để giảm sai số xác lập điều khiển vị trí Trong đó, điều khiển PID với thông số cố định đưa vào khảo sát Cả hai điều khiển đáp ứng tốt với tín hiệu đặt khác Tuy nhiên, thơng số mơ hình thay đổi chất lượng điều khiển hệ thống bị giảm đáng kể nguyên tắc, điều khiển tuyến tính làm việc tốt miền làm việc giới hạn đối tượng phi tuyến Để khắc phục phần nhược điểm trên, PID thích nghi mơ hình tham chiếu cấu trúc mạng neuron đưa nhằm chỉnh định thơng số điều khiển có thay đổi thơng số mơ hình đối tượng q trình điều khiển Kết mô với thay đổi hệ số ma sát cho kết khả quan, chất lượng điều khiển hệ thống cải thiện đáng kể Tuy nhiên, giá trị khởi tạo thông số điều khiển việc chọn lựa tốc độ cập nhật thơng số q trình điều khiển quan trọng Bộ lọc Kalman khảo sát thực hố với mơ hình biến trạng thái, ước lượng giá trị góc nghiêng vận tốc góc nghiêng thân robot từ ngõ vào góc nghiêng tính tốn từ cảm biến gia tốc, vận tốc góc nghiêng từ quay hồi chuyển cho kết mô đạt kết tốt Vi điều khiển chuyên xử lý số tín hiệu mạnh mẽ chọn lựa TMS 320F28335 để thực hoá điều khiển cho mơ hình robot thực Với đặc điểm mạnh tốc độ tính tốn, ngoại vi Matlab hỗ trợ Target Support Package ưu điểm để thực hoá thiết kế Simulink thành điều khiển nhúng thực tế cách nhanh xác GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 107 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Mơ hình robot thiết kế thi cơng hồn chỉnh, nhỏ gọn (cao 185mm, nặng 0.92kg) chất lượng có tính thẩm mĩ, với số tuỳ chọn để trình điều khiển robot linh hoạt (RF bluetooth) Tất giải thuật điều khiển q trình thiết kế mơ thực hoá thành điều khiển nhúng để điều khiển robot Tất điều khiển trình thực nghiệm cho thấy khả giữ thăng robot tốt địa hình phẳng dốc nghiêng (đến 12.5 độ), nhiên, đáp ứng vị trí robot khơng cịn tốt địa hình dốc nghiêng áp dụng LQR PID thông số cố định Bộ điều khiển sử dụng PID thích nghi mơ hình tham chiếu cấu trúc mạng neuron khắc phục đáng kể nhược điểm Tuy vậy, thời gian thực có hạn nên luận văn cịn nhiều hạn chế 6.2 Một số hạn chế Đối tượng robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng chưa mơ hình hố cách cụ tốn học (hiện xem thông số sai biệt chưa biết trình điều khiển) Nhiều địa hình khác như: gồ ghề, nhấp nhơ, lượn sóng, bề mặt nhám hay bám dính cao… chưa khảo sát cụ thể mơ hình hố tính phức tạp chúng Mơ hình thực tế so với mơ cịn nhiều sai số (như moment qn tính khơng đều, độ rơ hộp số motor bánh xe ) chưa mơ hình hố cụ thể, dẫn đến kết điều khiển thực tế so với mô có khoảng cách lớn Nhiều phương pháp điều khiển phi tuyến, thông minh chưa đưa khảo sát thiết kế để điều khiển robot (tính đến thời điểm này, có phương pháp phi tuyến khảo sát trượt PI – nhiên chưa thực hố mơ hình thực nên chưa đưa ra) Robot chưa có khả tự kiểm sốt hay đưa định, như: khả tự di chuyển, vượt chướng ngại vật, tự đứng dậy (swing-up), khả quản lý lượng để ổn định trình điều khiển thời gian dài… Như vậy, tác giả xin đưa số hướng phát triển để hoàn thiện đề tài tương lai sau GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 108 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 6.3 Hướng phát triển Khảo sát xây dựng hồn chỉnh đặc tính động lực học mơ hình đối tượng điều kiện địa hình khác Xây dựng giải thuật thơng minh để nhận dạng thơng số khơng mơ hình hoá đề cập Khảo sát xây dựng nhiều giải thuật điều khiển dựa sở phi tuyến nữa, kết hợp với nhận dạng, bù sở điều khiển thông minh, thích nghi để giúp cho robot di chuyển đáp ứng ngõ xác nhiều điều kiện khác Khảo sát xây dựng khả swing-up , khả tự hành robot để giúp cho robot hoạt động độc lập hơn, khả ứng dụng cao GVHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Nguyễn Trung Hiếu Trang 109 ... 10 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng 2.1 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân địa hình phẳng Xây dựng hệ phương trình trạng thái mơ tả hệ thống robot hai bánh. .. Balancing Robot fixed PID Control Trang 44 Luận văn thạc sỹ - Điều khiển robot hai bánh tự cân địa hình khơng phẳng Hình 4.17 - Robot hai bánh tự cân sử dụng điều khiển PID cố định Trong đó, mơ hình robot. .. khoa học robot hai bánh tự cân tập trung vào vấn đề sau: § Mơ hình hóa hệ thống robot hai bánh tự cân [1] [2] [3] [22][17] § Điều khiển robot hai bánh tự cân sử dụng phương pháp điều khiển tuyến