Nghiên cứu điều khiển mô hình động học, động lực học của các loại robot platform

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ VĂN ĐỊNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC LOẠI ROBOT PLATFORM Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy trƣờng đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức cho suốt q trình học tập trƣờng Tơi xin chân thành cám ơn T.S TRẦN THIÊN PHÚC, ngƣời hƣớng dẫn khoa học đƣa lời khuyên hữu ích, định hƣớng giúp đỡ tận tình cho tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô môn Cơ Điện Tử truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức hƣớng dẫn nhƣ cung cấp tài liệu hữu ích q trình học tập sau đại học trƣờng Cuối cùng, xin cảm ơn bố mẹ ngƣời bên cạnh động viên tơi gặp khó khăn, đồng thời tạo điều kiện cho tơi để tơi hồn thành luận văn Bên cạnh đó, cảm ơn tất bạn bè ngƣời ủng hộ đƣa lời góp ý q báu để tơi hồn thiện luận văn Do thời gian thực có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót sai lầm Rất mong nhận đƣợc dẫn đóng góp q thầy bạn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011 Học viên thực Ngô Văn Định HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 TĨM TẮT NỘI DUNG Hiện nay, nhu cầu ứng dụng robot vào trình sản xuất nhƣ lĩnh vực khoa học đời sống ngày nhiều, việc chế tạo loại robot nhỏ gọn, tiện dụng phục vụ nhà máy sản xuất, tham gia vào trình lắp ráp hay cơng việc gia đình… vấn đề đƣợc nhiều nƣớc giới nghiên cứu ứng dụng Trong đó, robot platform với việc kết hợp cánh tay robot bệ platform có khả di chuyển linh động làm tăng lên tính tiện dụng khả thao tác robot lên nhiêu Từ xuất toán cần giải ta điều khiển đƣợc mobile platform di chuyển với quỹ đạo mà ta mong muốn đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Luận văn đƣa mơ hình mobile robot với hai bánh đƣợc truyền động hai động độc lập trình bày đầy đủ bƣớc khảo sát mơ hình từ tốn động học toán động lực học loại robot Kết việc nghiên cứu đƣợc kiểm chứng qua kết mô với yêu cầu bám theo quỹ đạo cho trƣớc Luận văn đƣợc bao gồm chƣơng với nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu robot platform nhƣ số nghiên cứu loại robot Từ đƣa hƣớng nghiên cứu luận văn Chƣơng 2: Mơ hình hóa hệ thống Trình bày mơ hình tốn học Mobile robot với hai bánh sau đƣợc điều khiển hai động độc lập Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển cho mơ hình động học.Áp dụng luật điều khiển vào mơ hình động học để điều khiển Mobile robot bám theo quỹ đạo cho trƣớc Chƣơng 4: Thiết kế điều khiển cho mơ hình động lực học Áp dụng luật điều khiển vào mơ hình động lực học để điều khiển robot bám theo quỹ đạo cho trƣớc Chƣơng 5: Kết mơ phỏng.Trình bày kết mô Matlab luật điều khiển từ đƣa nhận xét Chƣơng 6: Kết luận hƣớng phát triển.Đánh giá kết đạt đƣợc đƣa hƣớng phát triển cho luận văn tƣơng lai HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT NỘI DUNG DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CHƢƠNG 11 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC LOẠI ROBOT PLATFORM 11 1.1 Định nghĩa 11 1.2 Ý nghĩa khoa học 13 1.3 Ý nghĩa thực tiễn 14 1.1.1 Trong công nghiệp: 14 1.1.2 Trong gia đình: 14 1.1.3 Trong lĩnh vực giải trí: .15 1.1.4 Trong phịng thí nghiệm: 15 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 17 1.4.1 Tổng quan 17 1.4.2 Đặt vấn đề 24 1.4.3 Giải vấn đề .24 CHƢƠNG 25 MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 25 2.1 Một số giả định thiết kế 25 2.2 Mơ hình động lực học 25 2.2.1 Mơ hình động học thuận 25 2.2.2 Phƣơng trình đô ̣ng ho c̣ vi ̣trí ngƣơ ̣c của xe platform 28 HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC 2.3 Khóa 2009 Mơ hình động lực học 30 CHƢƠNG 36 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CHO HỆ THỐNG 36 3.1 Điều khiển dựa tiêu chuẩn Lyapunov 36 3.1.1 Chọn hàm lyapunov có dạng 38 3.1.2 Chọn hàm lyapunov có dạng 39 3.2 Luật điều khiển sliding mode cho mơ hình động học 40 3.2.1 Định nghĩa sai số 40 3.2.2 Thiết kế điều khiển mặt trƣợt 41 3.2.3 Thiết kế hàm dao động .41 3.2.4 Thiết kế luật điều khiển 42 3.3 Bộ điều khiển Adaptive 43 3.4 Giải thuật điều khiển chung cho điều khiển động học 47 CHƢƠNG 48 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 48 ĐỘNG LỰC HỌC 48 4.1 Bộ điều khiển động lực học 48 4.1.1 Xây dựng luật điều khiển 48 4.1.2 Xây dựng luật điều khiển động lực học dựa tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 50 4.2 Bộ điều khiển Adaptive 51 4.2.1 Phƣơng án dựa mơ hình tham chiếu .51 4.2.2 Phƣơng án .55 4.3 Giải thuật điều khiển chung cho mơ hình động lực học 58 CHƢƠNG 59 ĐỒ THỊ MINH HỌA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59 5.1 Kết Mô động học 59 HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC 5.1.1 5.1.2 Khóa 2009 Bám theo quỹ đạo đƣờng thẳng 59 Bám theo quỹ đạo hình sin 71 5.2 Kết mô động lực học 78 5.2.1 Khảo sát cho bám theo quỹ đạo đƣờng thẳng .79 5.2.2 Khảo sát cho bám theo quỹ đạo đƣờng thẳng với nhiễu tác động dạng xung 87 CHƢƠNG 89 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 89 6.1 Kết luận 89 6.2 Hƣớng phát triển đề tài 89 PHỤ LỤC 90 File matlab cho hệ thống động học 90 1.1 Lyapunov 1: .90 1.2 Lyapunov 93 1.1.3 Sliding mode 96 1.1.4 Adaptive 100 1.1.5 So sánh điều khiển 104 Mơ hình động lực học 105 2.2.1 Mơ hình động lực học 105 2.2.2 Adaptive 108 2.2.3 Adaptive 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 MỤC LỤC HÌNH Hinh 1-1: Robot ngƣới Asimo 11 Hinh 1-2: Một dạng robot platform dùng hút bụi 12 Hình 1-3: Robot thơng minh AGV đổ hàng hóa khơng cần đến khay dẫn hƣớng khơng gian làm việc 14 Hình 1-4: Robot đọc báo 15 Hình 1-5: Robot chữ robot ném banh 15 Hình 1-6: Robot đƣợc trang bị camera cho nhiệm vụ khảo sát, thăm dị 16 Hình 1-7: Các đặc trƣng hình học robot bánh ( trích trong: Asian Journal of Control, Vol 2, No 4, pp 219-229, December 2000) 18 Hình 1-8: Robot sử dụng thí nghiệm (trích trong: 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation,Roma, Italy, 10-14 April 2007) 19 Hình 1-9: Omnidirectional mobile robot với caster wheels (trích trong: Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Orlando, Florida - May 2006) 20 Hình 10: Mơ hình robot bánh xét hệ tọa độ quán tính 21 Hình 1-11: Kết cấu khí chiến lƣợc di chuyển robot bánh dạng cầu (trích : Proceedings of the International MultiConference of Engineers and 23 Computer Scientists 2009 Vol I IMECS 2009, March 18 - 20, 2009, Hong Kong) 23 Hình 2-1: Mơ hình động học Platform 26 Hình 3-1: mơ hình quỹ đạo cần bám theo 36 Hình 3-2: Sơ đồ điều khiển chung cho hệ thống động học 36 Hình 4-1: Sơ đồ điều khiển chung cho hệ thống động lực 48 Hình 5-1: Đồ thị quỹ đạo mong muốn đƣờng dịch chuyển tâm mobile robot 60 Hình 5-2: Đồ thị sai số theo phƣơng x, y sai số góc định hƣớng 61 Hình 5-3: Đồ thị vận tốc góc bánh trái phải 61 Hình 5-4: Đồ thị vận tốc dài vận tốc góc định hƣớng 62 Hình 5-5: Đồ thị quỹ đạo tham chiếu quỹ đạo thực tế 63 Hình 5-6: Đồ thị sai số theo phƣơng x, y góc định hƣớng 63 Hình 5-7: Đồ thị vận tốc góc bánh trái phải 64 Hình 5-8: Đồ thị vận tốc dài vận tốc góc tâm xe 64 Hình 5-9: Đồ thị quỹ đạo thực tế bám theo quỹ đạo tham chiếu 65 Hình 5-10: Đồ thị sai số theo phƣơng x, y góc định hƣớng 66 Hình 5-11: Đồ thị vận tốc góc hai bánh 66 Hình 5-12: Đồ thị vận tốc dài vận tốc góc tâm xe 67 Hình 5-13: Đồ thị quỹ đạo tham chiếu thực tế 68 Hình 5-14: Đồ thị sai số theo phƣơng x, y góc định hƣớng 68 Hình 5-15: Đồ thị vận tốc góc hai bánh xe 69 Hình 5-16: Đồ thị vận tốc dài vận tốc góc tâm xe 69 Hình 5-17: Đồ thị hai thông số cập nhật cho hệ thống 70 HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 Hình 5-18: Đồ thị quỹ đạo mong muốn quỹ đạo thực tế tâm xe 71 Hình 5-19: Đồ thị sai số theo phƣơng x,y góc định hƣớng 72 Hình 5-20: quỹ đạo mong muốn quỹ đạo thực tế tâm xe 73 Hình 5-21: Đồ thị sai số theo phƣơng x,y hƣớng 73 Hình 5-22: Đồ thị quỹ đạo mong muốn thực tế 74 Hình 5-23: Đồ thị sai số theo phƣơng x,y hƣớng 75 Hình 5-24: Đồ thị quỹ đạo mong muốn thực tế tâm xe 76 Hình 5-25: Đồ thị sai số theo phƣơng x,y hƣớng 76 Figure 5-26: đồ thị thông số ƣớng lƣợng 77 Hình 5-27: Đồ thị quỹ đạo 78 Hình 5-28: đồ thị quỹ đạo 79 Hình 5-29: đồ thị sai số theo phƣơng x,y hƣớng 80 Hình 5-30: đồ thị momen cấp cho hệ thống 80 Hình 5-31: Đồ thị quỹ đạo mong muốn quỹ đạo thực tế 81 Hình 5-32: Đồ thị sai số 82 Hình 5-33: Đồ thị giá trị ƣớc lƣợng m I 83 Hình 5-33: đồ thị giá trị momen 83 Hình 5.34 đồ thị quỹ đạo 84 Hình 5-35: đồ thị sai số 85 Hình 5-36: Đồ thị thơng số ƣớc lƣợng m, I 85 Hình 5-37: Đồ thị momen 86 Hình 5-38: đồ thị quỹ đạo so sánh điều khiển 87 Hình 5-39: Đồ thị quỹ đạo so sánh nhiễu dạng xung 88 HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Δx : Độ dịch chuyển theo phƣơng x platform hệ tọa độ cục Dxy Δy : Độ dịch chuyển theo phƣơng y platform hệ tọa độ cục Dxy ΔX : Độ dịch chuyển theo phƣơng x platform hệ tọa độ OXY ΔY : Độ dịch chuyển theo phƣơng x platform hệ tọa độ OXY P : Tâm quay tức thời sau xe chuyển động từ D tới E Δ : Góc quay tức thời xe chuyển động từ D tới E RD : Bán kính quay tức thời xe chuyển động từ D tới E Δs1 : Quãng đƣờng đƣợc bánh chủ động trái Δs2 : Quãng đƣờng đƣợc bánh chủ động phải r : Bán kính bánh xe b : Khoảng cách bánh xe chủ động tời trục đối xứng platform D : Góc quay ban đầu platform vị trí D so với trục OX r  : Vận tốc góc tham chiếu tâm xe : Vận tốc góc tâm xe  R , L : Góc quay bánh xe phải , trái xC , yC : Tọa độ tâm xe theo phƣơng x y xe , ye , e : Sai số theo phƣơng x,y sai số theo hƣớng tâm robot so với đƣờng tham chiếu k1,k2 : Hệ số điều khiển l : Là thành phần gây chuyển động dọc theo xe a : Là thành phần gây chuyển động quay xe HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang LUẬN VĂN CAO HỌC m Khóa 2009 : Khối lƣợng robot (kg) : Vận tốc chuyển động tâm xe theo phƣơng X (m/s) : Vận tốc chuyển động tâm xe theo phƣơng Y (m/s)  x  y      c.( L   R ) : Vận tốc góc xoay robot quanh tâm xe theo phƣơng Z c  r / 2b Với r b lần lƣợt bán kính bánh xe khoảng cách từ tâm bánh xe đến trục đối xứng xe I : Momen quán tính robot tính theo trục Z HVTH: NGƠ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang 10 LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 xr(i)=xr(1)+1.2*t(i); yr(i)=yr(1);%+2*t(i); tetar(i)=atan2((yr(i)-yr(i-1)),(xr(i)-xr(i-1))); vr(i)=sqrt(((xr(i)-xr(i-1))/dt)^2+((yr(i)-yr(i1))/dt)^2); wr(i)=(tetar(i)-tetar(i-1))/dt; end %Cac thong so cua mobile robot mn=2; In=0.5; m=4; I=2; %Khai bao cac gia tri ban dau cua tam xe x_dlh(1)=1;y_dlh(1)=1;teta_dlh(1)=0; v(1)=0; w(1)=0; %Sai so tai thoi diem dau tien xe_dlh(1)=cos(teta_dlh(1))*(xr(1)x_dlh(1))+sin(teta_dlh(1))*(yr(1)-y_dlh(1)); ye_dlh(1)=-sin(teta_dlh(1))*(xr(1)x_dlh(1))+cos(teta_dlh(1))*(yr(1)-y_dlh(1)); tetae_dlh(1)=tetar(1)-teta_dlh(1); %Cac he so kl=3; ka=3; kx=5;ky=5;kteta=5; gama1=0.1;gama3=0.1; gama2=10;gama4=10; %Vong lap chinh for i=2:n %Xac dinh cac sai so xe_dlh(i)=cos(teta_dlh(i-1))*(xr(i)-x_dlh(i1))+sin(teta_dlh(i-1))*(yr(i)-y_dlh(i-1)); ye_dlh(i)=-sin(teta_dlh(i-1))*(xr(i)-x_dlh(i1))+cos(teta_dlh(i-1))*(yr(i)-y_dlh(i-1)); tetae_dlh(i)=tetar(i)-teta_dlh(i-1); %luat dieu khien cua mo hinh dong hoc HVTH: NGÔ VĂN ĐỊNH GVHD: TS TRẦN THIÊN PHÚC Trang 106 LUẬN VĂN CAO HỌC Khóa 2009 vd(i)=vr(i)*cos(tetae_dlh(i))+kx*xe_dlh(i); wd(i)=wr(i)+vr(i)*ky*ye_dlh(i)+kteta*sin(tetae_dlh(i)); if vd(i)