Điều khiển phi tuyến robot hai bánh tự cân bằng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN GIA MINH THẢO ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá L.V Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc - -o0o Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN GIA MINH THẢO Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/09/1986 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA MSHV: 09150956 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân - Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển phi tuyến để thiết kế điều khiển cho đối tượng robot hai bánh tự cân - Thực mô điều khiển phi tuyến với đối tượng robot hai bánh tự cân phần mềm MATLAB/Simulink - Thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình phần cứng robot hai bánh tự cân - Lập trình theo phương pháp điều khiển phi tuyến tìm hiểu cho mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm - So sánh chất lượng điều khiển điều khiển phi tuyến với điều khiển PID, đặt cực kết mô thực nghiệm 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trước hết xin cảm ơn ba mẹ, gia đình nguồn động viên lớn chỗ dựa vững tơi Kính gửi đến thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy tận tình hướng dẫn suốt trình thực luận văn Thạc sĩ Xin cảm ơn quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động khoa Điện-Điện Tử tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức bổ ích khoảng thời gian học cao học Tôi xin cảm ơn quý thầy cô đồng nghiệp môn Thiết Bị Điện, tất người thân, bạn bè động viên, góp ý, giúp đỡ tơi nhiều suốt trình học tập thực luận văn Thạc sĩ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010 Nguyễn Gia Minh Thảo TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhiệm vụ đề tài tìm hiểu ứng dụng phương pháp điều khiển phi tuyến để thiết kế điều khiển phù hợp cho mơ hình robot hai bánh tự cân Phương pháp điều khiển phi tuyến tìm hiểu sử dụng luận văn điều khiển chiếu (Backstepping) điều khiển trượt (Sliding mode) Thực mô điều khiển chiếu, điều khiển trượt cho đối tượng robot hai bánh tự cân với phần mềm Matlab/Simulink Đồng thời so sánh kết mô điều khiển phi tuyến với điều khiển PID, điều khiển đặt cực (Pole-placement control), nêu ưu khuyết điểm điều khiển đề xuất luận văn Tác giả thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm Mơ hình robot gồm hai động DC-Servo có hộp số để truyền động, mơ-đun đo góc nghiêng thân robot gồm cảm biến gia tốc góc cảm biến vận tốc góc Các tín hiệu từ mơ-đun cảm biến góc nghiêng đưa vào lọc Kalman, tín hiệu ngõ của lọc Kalman tín hiệu góc nghiêng sau triệt nhiễu tiếp tục đưa vào mô-đun điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển MC9S12XDP512 hãng FreeScale Vi điều khiển trung tâm lập trình dựa phương pháp điều khiển phi tuyến thực tính tốn xuất tín hiệu điều khiển qua mô-đun động lực cầu H có cách ly để điều khiển hai động DC-Servo quay để mơ hình robot hai bánh giữ thăng Kết đạt đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tài, bao gồm : thiết kế hồn chỉnh điều góc nghiêng thân robot sử dụng phương pháp điều khiển chiếu, điều khiển trượt Ngoài ra, tác giả đề xuất điều khiển PD cho vị trí bánh xe robot Các điều khiển phi tuyến có kết mơ tốt, đáp ứng nhanh, vọt lố so với điều khiển PID, điều khiển đặt cực Mơ hình robot thực nghiệm giữ thăng tốt, di chuyển linh hoạt di chuyển lên dốc nghiêng nhỏ [độ] Ngồi ra, người dùng điều khiển hoạt động mơ hình robot thực nghiệm điều khiển từ xa MỤC LỤC Trang Chương Tổng quan đề tài 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Một số mơ hình robot hai bánh tự cân 1.2.2 Các báo cáo nghiên cứu khoa học có liên quan Phạm vi nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết 10 1.3 2.1 Nguyên lý hoạt động robot hai bánh tự cân 10 2.2 Điều khiển phi tuyến 11 2.2.1 Phương pháp điều khiển trượt 11 2.2.2 Phương pháp thiết kế chiếu 15 Chương Thiết kế điều khiển cho robot hai bánh tự cân 18 3.1 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân 18 3.2 Thiết kế điều khiển cho mơ hình robot hai bánh tự cân 27 3.2.1 Bộ điều khiển đặt cực 27 3.2.2 Bộ điều khiển PID nhiều vòng 33 3.2.3 Bộ điều khiển PD-Cuốn chiếu 35 3.2.4 Bộ điều khiển PD-Trượt 39 3.2.5 Kết mô điều khiển MatLab/Simulink 42 3.2.6 Nhận xét, đánh giá ưu khuyết điểm điều khiển 49 3.3 Phương pháp xử lý tín hiệu nhận từ cảm biến 52 3.4 Bộ lọc Kalman rời rạc 53 3.4.1 Bản chất toán học lọc 54 3.4.2 Bản chất thống kê lọc 56 3.4.3 Giải thuật lập trình lọc Kalman rời rạc cho vi điều khiển 57 Chương Thiết kế thi cơng mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm 4.1 Thiết kế mơ hình khí 64 64 4.1.1 Sơ đồ cấu trúc phần khí robot 64 4.1.2 Động DC-servo dùng để truyền động cho robot 66 4.2 Các mạch điện tử 70 4.2.1 Mạch cảm biến góc nghiêng thân robot 70 4.2.2 Mạch cầu H cơng suất điều khiển động DC có cách ly 73 4.2.3 Mạch vi điều khiển trung tâm, sử dụng vi điều khiển 16-bit hai nhân MC9S12XDP512 hãng FreeScale 75 4.2.4 Mạch giao tiếp máy vi tính 78 4.2.5 Mạch hiển thị LCD 79 4.2.6 Mạch nút nhấn điều khiển 81 4.2.7 Bộ thu phát tín hiệu qua sóng radio (RF) 82 4.2.8 Hình ảnh hai mơ hình robot hai bánh cân thực nghiệm 83 4.3 Lưu đồ giải thuật – chương trình cho mơ hình robot thực nghiệm 84 4.3.1 Chương trình 84 4.3.2 Chi tiết chương trình 85 4.3.3 Các chương trình ngắt: tạo chu kỳ lấy mẫu, đọc nút nhấn 89 Chương Kết điều khiển thực nghiệm 91 5.1 Robot giữ thăng bằng, không di chuyển 91 5.2 Robot trì thăng tác dụng ngoại lực (nhiễu) 93 5.3 Robot di chuyển đến vị trí đặt trước 95 5.4 Một số video hoạt động mơ hình robot hai bánh thực nghiệm 96 5.4.1 Robot hoạt động địa hình phẳng 96 5.4.2 Robot di chuyển lên dốc 97 Chương Kết luận 98 6.1 Các kết đạt 98 6.2 Hướng phát triển đề tài 99 6.3 Hai báo cáo khoa học liên quan đến đề tài mà tác giả thực 99 Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục 102 Nội dung báo khoa học liên quan đến đề tài mà tác giả thực Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, công nghệ robot đạt nhiều thành tựu lớn xuất nhiều lĩnh vực như: robot dân dụng giúp việc gia đình, robot thực việc giải trí-quảng cáo, robot cơng nghiệp, robot tự hành thám hiểm lòng đất, robot thăm dò hành tinh khoa học vũ trụ,… Xuất phát từ ý tưởng xe hai bánh tự cân Segway, phát minh tiếng kỹ sư người Mỹ- Dean Kamen vào năm 2001, mở hướng phát triển chế tạo robot mới, robot hai bánh tự cân Đây loại robot có hai bánh, tự giữ thăng bằng, di chuyển hoạt động dễ dàng khoảng không gian nơi mà linh hoạt, động, hiệu đặt lên hàng đầu Với ưu điểm đó, robot hai bánh tự cân nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu hãng sản xuất robot giới năm gần Tuy nhiên, loại robot hoạt động dựa mơ hình hệ lắc ngược gắn lên trục có hai bánh xe, nên khuyết điểm điểm cần phải có điều khiển để điều khiển cho robot giữ thăng bằng, di chuyển hoạt động Do vậy, toán thiết yếu đặt phải nghiên cứu, thiết kế điều khiển phù hợp với mơ hình phi tuyến có thơng số hệ thống bất định mơ hình robot hai bánh tự cân Đây mục đích đề tài 1.2 Các cơng trình liên quan 1.2.1 Một số mơ hình robot hai bánh tự cân Robot hai bánh tự cân thường có hai dạng chính: · Robot hai bánh tự cân bằng, tự di chuyển hoạt động, không chở người : N-Bot (mục 1.2.1.1) , Robot-JOE (mục 1.2.1.2), Robot dọn rác (mục 1.2.1.3), Robot phục vụ việc giải trí-chơi nhạc (mục 1.2.1.4) Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang · Xe hai bánh tự cân bằng, có chở người, phương tiện di chuyển: xe Segway (mục 1.2.1.5), robot chở người hãng Toyota (mục 1.2.1.6) 1.2.1.1 N-Bot, [19] Hình 1.1: Mơ hình N-Bot N-Bot sản phẩm David P.Anderson robot hai bánh cân thành công công nhận “Robot độc đáo tuần” NASA phong tặng (vào19/05/2003) số tổ chức, tạp chí khoa học đánh giá cao Nguyên tắc N-Bot là: điều khiển hai bánh xe robot chạy theo chiều mà phần thân phía robot có khả ngả đổ Nếu bánh lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot robot giữ cân Q trình điều khiển sử dụng tín hiệu cảm biến phản hồi : cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng robot với phương trọng lực, encoder gắn bánh để đo vị trí robot Và biến sau thể chuyển động vị trí ‘con lắc ngược’ giúp giữ cân : Góc nghiêng thân robot : q Đạo hàm góc nghiêng vận tốc góc nghiêng: q& Vị trí robot : x Đạo hàm vị trí hay vận tốc di chuyển robot: x& Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 89 · Hàm (D) – Hiển thị số thơng tin quan trọng robot + Giá trị góc nghiêng thân robot đo + Giá trị thông số điều khiển phi tuyến (cho góc nghiêng) thơng số điều khiển PD vị trí robot + Giá trị offset cảm biến vận tốc góc offset cảm biến gia tốc góc + Hiển thị robot ứng yên, di chuyển phía trước hay di chuyển phía sau, hay quay trịn Led đơn · Hàm (E) – Thực chức từ nút nhấn, gồm chức sau: + Điều chỉnh giá trị offset cho cảm biến gia tốc góc cảm biến vận tốc góc + Điều chỉnh giá trị thông số điều khiển phi tuyến (cho góc nghiêng thân robot) điều khiển PD vị trí robot + Điều chỉnh giá trị góc nghiêng đặt cho robot + Chọn chế độ hoạt động robot, gồm: đứng thăng bằng, di chuyển tiến-lùi, quay tròn 4.3.3 Cách khai báo quản lý chương trình ngắt Các ngắt tạo thời gian lấy mẫu, ngắt từ nút nhấn thiết lập để thực lõi xử lý phụ X-Gate Khi có tín hiệu ngắt xảy chương trình lõi XGate cho cờ báo tương ứng (là biến khai báo từ trước) lên mức Chương trình lõi xử lý liên tục kiểm tra cờ báo để thực chức tương ứng Việc chuyển ngắt qua lõi phụ X-Gate xử lý lõi truy xuất vào biến thuộc vùng nhớ khai báo dùng chung cải thiện đáng kể thời gian Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 90 thực chương trình vi điều khiển trung tâm MC9S12XDP512 Điều góp phần tạo hoạt động ổn định mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm Khởi đầu Khởi động ngắt Timer3 ,với chu kỳ ngắt nhỏ 2.5ms Khởi động ngắt từ nút nhấn (Key-wake up) Chuyển hai ngắt qua thực lõi xử lý phụ (lõi X-Gate) Có tín hiệu ngắt xảy ra? Thực lõi xử lý Sai Đúng Ngắt Timer, đủ 2.5ms ? Sai Ngắt từ phím nhấn ? Đúng Cho cờ báo đủ 2.5ms lên mức Đúng Cho cờ báo có phím nhấn lên mức Sai Thực lõi xử lý phụ: X-Gate Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 91 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Trong khoảng thời gian thực đề tài này, tác giả thực việc lập trình điều khiển trình bày Mục 3.2 vào mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm gồm: Bộ điều khiển PID nhiều vòng, điều khiển PD-Cuốn chiếu điều khiển PD-Trượt với mức độ thực sau: · Bộ điều khiển PID nhiều vòng: Đã lập trình cho robot thực giữ thăng bằng, di chuyển tiến-lùi, quay tròn, điều khiển từ xa RF · Bộ điều khiển PD-Cuốn chiếu: Đã lập trình cho robot thực giữ thăng bằng, di chuyển tiến-lùi, quay tròn, chống nhiễu ngoại lực tác động từ bên ngoài, leo dốc nghiêng (với dốc nghiêng nhỏ 7[độ]), điều khiển từ xa RF · Bộ điều khiển PD-Trượt: Đã lập trình cho robot thực giữ thăng bằng, Đang q trình hồn thiện việc lập trình di chuyển tiến-lùi cho robot Ở phần tiếp theo, tác giả trình bày số đáp ứng mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm sử dụng điều khiển PID nhiều vòng, điều khiển PD-Cuốn chiếu 5.1 Robot giữ thăng bằng, khơng di chuyển Hình 5.1, Hình 5.2 trình bày kết mơ hình robot hai bánh thực nghiệm giữ thăng bằng, sử dụng điều khiển PID nhiều vòng điều khiển PD-Cuốn chiếu Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 92 Hình 5.1: Robot đứng thăng chỗ - điều khiển PID nhiều vòng Hình 5.2: Robot giữ thăng chỗ - Bộ điều khiển PD-Cuốn chiếu Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 93 · Nhận xét: Trong trường hợp với điều khiển PID nhiều vòng điều khiển PD-Cuốn chiếu mơ hình robot hai bánh tự cân giữ thăng tốt độ di chuyển nhỏ Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PID nhiều vịng góc nghiêng thân robot dao động từ -1.8 [độ] đến 1.8 [độ] Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PD-Cuốn chiếu góc nghiêng thân robot dao động từ -1 [độ] đến [độ] 5.2 Robot trì thăng tác dụng ngoại lực (nhiễu) –là người tác động vào robot Hình 5.3, Hình 5.4 Hình 5.3: Robot bị tác động nhiễu – điều khiển PID nhiều vòng Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 94 Hình 5.4: Robot bị tác động nhiễu – điều khiển PD-Cuốn chiếu · Nhận xét: Trong trường hợp với điều khiển PID nhiều vòng điều khiển PD- Cuốn chiếu mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm ổn định tốt cho dù bị ngoại lực tác động vào Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PID nhiều vịng ngoại lực tác động vào robot tạo góc nghiêng thân robot tối đa 4.9[độ] robot di chuyển đến 0.4[m], sau khoảng thời gian 3[giây] thăng ổn định lại (là lúc góc nghiêng thân robot dao động nhỏ xung quanh giá trị 0[độ]) Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PID-Cuốn chiếu ngoại lực tác động vào robot tạo góc nghiêng thân robot tối đa 4.9[độ] robot di chuyển đến 0.35[m], sau khoảng thời gian 2[giây] thăng ổn định lại (là lúc góc nghiêng thân robot dao động nhỏ xung quanh giá trị 0[độ]) Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 95 5.3 Robot di chuyển đến vị trí đặt trước Hình 5.5, Hình 5.6 Hình 5.5: Robot di chuyển đến 1[m] – điều khiển PID nhiều vịng Hình 5.6: Robot di chuyển đến 1[m] – điều khiển PD-Cuốn chiếu Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 96 · Nhận xét: Trong trường hợp sử dụng điều khiển PID nhiều vòng điều khiển PD-Cuốn chiếu mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm vừa giữ thăng di chuyển đến vị trí đặt 1[m] Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PID nhiều vịng robot cần khoảng thời gian [giây] để di chuyển đến vị trí đặt Đối với trường hợp sử dụng điều khiển PID-Cuốn chiếu robot cần khoảng thời gian 3.5 [giây] để di chuyển đến vị trí đặt · Tóm lại: Trong q trình điều khiển mơ hình robot thực nghiệm, tác giả nhận thấy điều khiển PD-Cuốn chiếu cho kết đáp ứng tốt so với điều khiển PID nhiều vịng Do đó, tác giả định chọn điều khiển PD-Cuốn Chiếu để lập trình thành chương trình phần mềm hồn chỉnh cho vi điều khiển trung tâm để mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm hoạt động linh hoạt 5.4 Một số video hoạt động mơ hình robot hai bánh thực nghiệm 5.4.1 Robot hoạt động địa hình phẳng Robot giữ thăng chỗ, sau điều khiển di chuyển tiến-lùi quay trịn Tiếp theo robot chịu tác động ngoại lực (do người tác dụng đẩy robot) robot giữ thăng Cuối khảo sát tính ổn định robot cho robot mang vật nặng Video tìm thấy đường dẫn sau: - Phiên 0.1 (được thiết kế vào 04/2010): + Đứng thăng : http://www.youtube.com/watch?v=ork5lFdlT14 + Giữ thăng bằng, di chuyển tiến-lùi, quay tròn: http://www.youtube.com/watch?v=w-OxD9yikS4 Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 97 - Phiên 1.0 (được thiết kế vào 10/2010): + Đứng thăng : http://www.youtube.com/watch?v=1CMCgXJOACM + Giữ thăng bằng, di chuyển tiến-lùi, quay tròn, ổn định bị ngoại lực tác động, mang vật nặng: http://www.youtube.com/watch?v=RGbuzXyYayg 5.4.2 Robot di chuyển lên dốc Robot di chuyển lên dốc nghiêng với góc nghiêng nhỏ [độ] Việc di chuyển lên dốc thực với mơ hình robot –phiên 1.0 Video tìm thấy đường dẫn sau · http://www.youtube.com/watch?v=5bwPra-8brw · http://www.youtube.com/watch?v=8BukrH6FVEA Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 98 CHƯƠNG KẾT LUẬN 6.1 Các kết đạt Luận văn thực đầy đủ nhiệm vụ giao: - Hồn chỉnh việc xây dựng mơ hình tốn đối tượng robot hai bánh tự cân - Đã tìm hiểu lý thuyết hai phương pháp điều khiển phi tuyến: điều khiển chiếu, điều khiển trượt tìm hiểu thêm lý thuyết phương pháp điều khiển đặt cực Tác giả sử dụng phương pháp điều khiển chiếu, điều khiển trượt để thiết kế điều khiển phi tuyến ổn định góc nghiêng thân robot Đồng thời, tác giả đề xuất điều khiển vi phân tỷ lệ (PD) để điều khiển vị trí bánh xe robot - Thực mơ điều khiển phi tuyến sử dụng hai phương pháp phi tuyến cho đối tượng robot hai bánh tự cân phần mềm Matlab/Simulink so sánh chất lượng điều khiển điều khiển phi tuyến (hai điều khiển: PD-Cuốn chiếu, PD-Trượt) với điều khiển PIDnhiều vòng điều khiển đặt cực Tác giả thực nhận xét ưu khuyết điểm điều khiển đề xuất - Tìm hiểu giải thuật lọc Kalman rời rạc ứng dụng vào lập trình cho vi điều khiển để thực lọc - Thiết kế, thi cơng hồn chỉnh mơ hình robot hai bánh cân thực nghiệm - Lập trình cho vi điều khiển trung tâm mơ hình robot thực nghiệm theo điều khiển đề xuất: điều khiển PID nhiều vòng, điều khiển PD-cuốn chiếu, điều khiển PD-trượt Trong điều khiển PD-cuốn chiếu cho kết đáp ứng tốt nên tác giả chọn điều khiển để lập trình đầy đủ chức hoạt động cho mơ hình robot thực nghiệm, bao gồm: giữ thăng bằng, di chuyển tới-lui, quay tròn, điều khiển từ xa mô đun RF Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 99 - Mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm có khả giữ thăng tốt, ổn định có ngoại lực tác động vào robot hay robot mang thêm vật nặng Ngồi ra, robot cịn di chuyển tới, lùi, quay tròn từ trái sang phải hay ngược lại, di chuyển lên dốc với góc nghiêng nhỏ [độ] 6.2 Hướng phát triển đề tài - Thiết kế điều khiển góc quay cho robot hai bánh tự cân - Phát triển điều khiển phi tuyến đề tài (điều khiển chiếu, điều khiển trượt) thành điều khiển phi tuyến có thích nghi (thơng số điều khiển thay đổi phù hợp theo thơng số mơ hình) để đảm bảo tính ổn định robot thơng số mơ hình robot bị thay đổi - Tăng đường kính bánh xe, cơng suất động DC-Servo cấu truyền động robot để robot di chuyển địa hình dốc nghiêng với góc nghiêng lớn (8[độ] < góc nghiêng < 30[độ]), hay di chuyển với tốc độ nhanh - Trang bị thêm cho robot cánh tay máy thân để robot gắp, nâng di chuyển đồ vật từ vị trí đến vị trí khác - Trang bị thêm camera để robot kết hợp kỹ thuật xử lý ảnh để robot tự vận hành theo quĩ đạo định trước, di chuyển tránh vật cản, hay di chuyển bám theo đối tượng - Phát triển thành xe (hay robot) hai bánh tự cân chở người 6.3 Hai báo cáo khoa học liên quan đến đề tài mà tác giả thực · Nguyen Gia Minh Thao, Duong Hoai Nghia, Nguyen Huu Phuc; “A PID Backstepping Controller For Two-wheeled Self-Balancing Robot”; Proceedings of International Forum on Strategic Technology (IFOST) 2010, Ulsan-Korea, 13-15 October 2010 · Nguyễn Gia Minh Thảo, Dương Hoài Nghĩa, Phan Quang Ấn; “Bộ điều khiển PD Trượt cho robot hai bánh tự cân bằng”; Tạp chí Khoa Học-Cơng Nghệ trường đại học kỹ thuật Việt Nam, báo gởi nộp vào 07/2010 hội đồng phản biện chấp thuận cho đăng vào 12/2010 Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 100 Tài Liệu Tham Khảo [1] Felix Grasser, Aldo D’Arrigo, Silvio Colombi, Alfred Ruffer , “JOE: A Mobile Inverted Pendulum”, IEEE Trans Electronics, vol 49, Feb 2002, pp 107-114 [2] S.W.Nawawi , M.N.Ahmad, J.H.S Osman , “Development of Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot”, SCOReD07,Malaysia, Dec 2007, pp153158 [3] Greg Welch, Gary Bishop; “An Introduction to the Kalman Filter”; Siggraph 2001 Conference, pp 8-15 [4] Tatsuya Nomura , Yuta Kitsuka, Hauro Suemistu, Takami Matsuo , “Adaptive Backstepping Control for a Two-Wheeled Autonomous Robot”, Proceedings of ICROS-SICE International Joint Conference 2009, Aug 2009, pp 4687 4692 [5] Xiaogang Ruan , Jianxian Cai , “Fuzzy Backstepping Controller for TwoWheeled Self-Balancing Robot”, Proceedings of 2009 International Asia Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics [6] Arbin Ebrahim, Gregory V.Murphy, “Adaptive Backstepping Controller Design of an Inverted Pendulum”, Proceedings of the Thirty-Seventh Southeastern Symposium on, 2005, pp 172-174 [7] Shui-Chun Lin, Ching-Chih Tsai, Hsu-Chih Huang, “Nonlinear adaptive sliding mode control design for two-wheeled human transportation vehicle”, Proceedings of Systems Man and Cybernetics 2009, IEEE International Conference on, pp 1965 – 1970 [8] Dianwei Qian, Jianqiang Yi, Dongbin Zhao, “Hierarchical Sliding Mode Control to Swing up a Pendubot”, Proceedings of American Control Conference, 2007, ACC '07, pp 5254 – 5259 [9] Jian Huang, Hongwei Wang,T Matsuno, T Fukuda, K Sekiyama, “Robust velocity sliding mode control of mobile wheeled inverted pendulum systems”, Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 101 Proceedings of Robotics and Automation, 2009 ICRA '09 IEEE International Conference on, pp 2983 – 2988 [10] D Y Lee , Y H Kim, B S Kim, Y K Kwak , “Dynamics and Control of Non-holonomic Two Wheeled Inverted Pendulum Robot”, Proceedings of the eighth International Symposium on Artificial Life and Robotics, 2003 [11] Jingtao Li, Xueshan Gao, Qiang Huang, Matsumoto, “Controller design of a two-wheeled inverted pendulum mobile robot”, Proceedings of Mechatronics and Automation 2008, ICMA 2008, IEEE International Conference on [12] S.W.Nawawi , M.N.Ahmad, J.H.S Osman , “Real-Time Control of TwoWheeled Inverted Pendulum Mobile Robot”, www.waset.org/journals/waset [13] Lv Qiang, Wang Ke-ke, Wang Guo-sheng; “Research of LQR controller based on Two-wheeled self-balancing robot”; Proceedings of Control and Decision Conference 2009, CCDC ‘09, pp 2343 – 2348 [14] Ruan Xiaogang, Liu Jiang, Di Haijiang, Li Xinyuan; “ Design and LQ Control of a two-wheeled self-balancing robot”; Proceedings of Control Conference, 2008 CCC 2008, pp 275 – 279 [15] Ching-Chih Tsai, Hsu-Chih Huang, Shui-Chun Lin; “ Adaptive Neural Network Control of a Self-Balancing Two-Wheeled Scooter”; Industrial Electronics Journal, IEEE Transactions on, April 2010, pp 1420 – 1428 [16] Wei-Song Lin Tien, G Chia-Hsiang Tu; “Adaptive Critic Neuro-Fuzzy Control of Two-wheel Vehicle”; Proceedings of 2006 IEEE International Conference on, pp 445 – 450 [17] Dương Hoài Nghĩa; “Điều khiển hệ thống đa biến”; Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM, 2007 [18] www.bkinnovation.com/bkbot/ [19] http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/ [20] www.segway.com [21] www.freescale.com [22] www.st.com Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 102 PHỤC LỤC Nội dung báo liên quan đến đề tài tác giả, báo cáo hội nghị khoa học quốc tế IFOST 2010, tổ chức Ulsan-Hàn Quốc, ngày 13-15 tháng 10 năm 2010 · Nguyen Gia Minh Thao, Duong Hoai Nghia, Nguyen Huu Phuc; “A PID Backstepping Controller For Two-wheeled Selt-Balancing Robot”; Proceedings of International Forum on Strategic Technology (IFOST) 2010, Ulsan-Korea, 13-15 October 2010 Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng - Lý lịch trích ngang: Họ tên: NGUYỄN GIA MINH THẢO Ngày, tháng, năm sinh: 04/09/1986 Nơi sinh: Quảng Ngãi Địa liên lạc: 79/7B1, Âu Cơ, Phường 14, Quận 11, TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) - Từ 09/2004 – 02/2009: Sinh viên khoa Điện-Điện tử, chuyên ngành Điều Khiển Tự Động – lớp Kỹ Sư Tài Năng khóa 2004, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM - Từ 10/2009 – 12/2010: Học viên cao học Chuyên ngành Tự Động Hóa, theo hướng nghiên cứu, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) - Từ 04/2009 – nay: Là cán giảng dạy lý thuyết Bộ môn Thiết Bị Điện, Khoa Điện-Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng ... Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Trang 18 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3.1 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân [1],[10],[11] Mơ hình hệ thống robot. .. hai bánh tự cân bằng, tác giả so sánh chất lượng điều khiển điều khiển phi tuyến sử dụng đề tài với điều khiển PID, điều khiển đặt cực Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Khiển Phi Tuyến Robot Hai Bánh Tự Cân. .. cứng robot hai bánh tự cân - Lập trình theo phương pháp điều khiển phi tuyến tìm hiểu cho mơ hình robot hai bánh tự cân thực nghiệm - So sánh chất lượng điều khiển điều khiển phi tuyến với điều khiển