Điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho robot di động hai bánh dùng bộ điều khiển trượt

1 CHƯƠNG Nội dung: H GIỚI THIỆU LUẬN VĂN Tổng quan 1.2 Tóm tắt số cơng trình nghiên cứu 1.3 Nhận xét chung hướng tiếp cận 1.4 Mục tiêu luận văn 1.5 Nhiệm vụ luận văn 1.6 Giới hạn luận văn 1.7 Điểm luận văn H U TE C 1.1 1.8 Nội dung tổng quát luận văn CHƯƠNG GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 Tổng quan Ngày nay, việc phát triển tiến tới tự động hóa ngành trở thành vấn đề quan trọng nhiều quốc gia, viễn cảnh trước mắt thiết bị điện tử tự động hóa ứng dụng ngày rộng rãi mang lại H nhiều hiệu cao hầu hết lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật đời sống xã hội ngày Giải pháp cho vấn đề xây dựng mô hình C Robot tự động hóa di chuyển bánh nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế dây chuyền sản xuất cần thiết, Robot thay cho U TE người, làm việc mơi trường có điều kiện khắc nghiệt, độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe người, giúp tăng suất tiết kiệm sức lao động người Hiện nay, thiết bị điện tử tự động hóa xe tự hành (autonomous guided vehicle – AGV) hay Robot di động bánh (wheeled H mobile Robot – WMR) ngày quan tâm lớn nhiều người năm gần đây, chúng ứng dụng rộng rãi ngành khác công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ Để khắc phục tồn tại, đáp ứng thách thức đặt xu hướng toàn cầu hóa, thực thắng lợi cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Theo quan điểm tơi cần phải có tư thay đổi quan điểm để mở rộng ứng dụng chức tự động hóa vào ngành cơng nghiệp dịch vụ nước ta 1.2 Tóm tắt số cơng trình nghiên cứu “Structural Properties and Classification of Kinematicand Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots”, Guy Campion, Georges Bastin, and Brigitte D’ AndrCa-Nove; iEEE transactions on Robotics and automation, vol 12, no 1, february 1996.[1] Bài báo trình bày vấn đề loại Robot di chuyển bánh (WMRs) sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp dịch vụ khác giao thông vận tải, an ninh, kiểm tra thăm dị hành tinh, …, H với cấu hình di động khác ( số lượng loại bánh xe, vị trí phận điều khiển chúng, cấu trúc đơn cấu trúc đôi) Một nghiên cứu C phân tích chi tiết cấu trúc mơ hình động học động lực học H U TE Robot di chuyển bánh tìm thấy [1],[2], [3] Hình 1.1 Cấu trúc ROBOT di chuyển bánh “A Simple Nonlinear Control of a Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, T H Bui, T T Nguyen, T L Chung, and S B Kim, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol 1, No 1, pp 35-42, 2003.[5] Bài báo đề cập đến việc sử dụng mơ hình động học WMR bám quỹ đạo giải [5] Trong [5] đề xuất điều khiển phi tuyến đơn giản thiết kế dựa mơ hình động học cho Robot di động hàn hai bánh, tính bền vững dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov để bám đường hàn với vận tốc không đổi Hệ thống (xem hình 1.2) có ba bậc tự H U TE C H bao gồm hai bánh xe trượt mỏ hàn Hình 1.2 Mơ hình Robot hàn MR-SL Luật điều khiển có từ hàm lượng Lyapunov để đảm bảo ổn định tiệm cận hệ thống Bộ điều khiển có ba thơng số để điều chỉnh thực hệ thống điều khiển Cách đơn giản để đo sai số sử dụng hai cảm biến, cảm biến để đo khoảng cách cảm biến đo góc quay Trường hợp mỏ hàn cố định bám đường thẳng nhiều thời gian để sai lệch tiến 0, không bám đường cong Trường hợp mỏ hàn điều khiển bám đường cong trơn nhanh với sai số chấp nhận được, kết mơ hình 1.3, 1.4, 1.5 , tiến , U TE C H Hình 1.3 Các sai số bám , , có sai lệch H Hình 1.4 Các sai số bám Hình 1.5 Vận tốc mỏ hàn WMR Từ kết mơ hình 1.5, tác giả đến kết luận sau: - Mỏ hàn cố định bám theo đường thẳng, cần nhiều thời gian để sai số tiến không - Khơng thể sử dụng WMR có mỏ hàn cố định bám theo theo đường cong có sai số lớn - Trường hợp mỏ hàn điều khiển bám đường cong trơn nhanh với sai số chấp nhận Phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản sử dụng cho ROBOT hai H bánh C “WMR control via dynamic feedback linearization: M Vendittelli, Design, implementation and experimental validation”; Giuseppe Oriolo, Member, U TE IEEE, Alessandro De Luca, Member; IEEE, and Marilena Vendittelli, IEEE Trans Control Syst Technol., Vol 10, No 6, pp 835–852, Nov 2002.[4] Bài báo trình bày phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp sử dụng cho việc bám quỹ đạo ổn định vị trí Robot di động Việc thực H phương pháp Robot SuperMARIO - Robot di động điều khiển hai bánh xe khác nhau, mơ tả hình 1.6 Kết mơ sai lệch thể hình 1.7 Hình 1.6 Robot SuperMARIO C H Hình 1.7 Các sai số bám (m) U TE Mặc dù toán điều khiển hệ thống Robot di chuyển theo lý thuyết giải quyết, nhà thiết kế điều khiển WMR có cịn nhiều vấn đề cần quan tâm Ví dụ như, nhược điểm nhiều điều khiển ổn định vị trí q trình chuyển tiếp H “Adaptive Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot”, Takanori Fukao, Hiroshi Nakagawa, and Norihiko Adachi, IEEE transactions on robotics and automation, vol 16, no 5, october 2000.[6] Bài báo đề cặp đến giải thuật điều khiển thích nghi cho Robot di động với thơng số khơng biết trước, tích hợp điều khiển động học điều khiển mơ men cho mơ hình động học Robot di động Kết mô thể hình 1.8 , , có sai lệch C H Hình 1.8 Các sai số bám “Adaptive tracking control of two – wheeled welding mobile Robot with U TE smooth curved welding path”, Trong Hieu Bui, Tan Lam Chung, Sang Bong Kim, Tan Tien Nguyen, KSME Internatinal Journal, Vol.17 No.11, pp.1682 -1692,2003.[7] Bài báo tác giả sử dụng giải thuật điều khiển thích nghi để điều khiển cho Robot hàn hai bánh bám theo đường hàn với vận tốc không đổi Trong [7] H giải thuật điều khiển xét đến mơ hình động học, để làm cho véc tơ sai lệch vị trí tiến đến khơng nhanh mong muốn, hệ thống mơ men qn tính xem xét tới thông số trước mà ước lượng sử dụng luật điều khiển thích nghi Kết mơ kết thực nghiệm tính hiệu điều khiển đề xuất thể hình 1.9;1.10 1.11 , , bắt đầu H U TE C Hình 1.9 Các sai số bám H Hình 1.10 Các sai số bám , , cạnh góc có sai lệch H 10 Hình 1.11 Vận tốc góc mỏ hàn Robot hàn cạnh góc C Nhìn chung, thời gian đầu (2s) Robot bám theo đường thẳng tham chiếu khơng có sai số bám, thời gian sau (20s) qua cạnh góc đường U TE cong có sai lệch, vận tốc góc mỏ hàn bị dao động * Tất điều khiển xem xét đến mơ hình động học, bỏ qua động lực học hệ thống khí Gần đây, nhiều giải thuật điều khiển đề xuất để giải vấn đề điều khiển có xét đến mơ hình động lực H học Robot di động 6.“Sliding Mode Control for Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots “,Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim, IEEE transactions on Robotics and automation, vol 15, no 3, june 1999 [8] Trong báo tác giả sử dụng kỹ thuật điều khiển kiểu trượt điều khiển động lực học có nhiễu ngồi bị chặn, sử dụng để giải toán điều khiển bám cho WMR Robot sử dụng thực nghiệm có tên MICRO kết mơ Robot bám đường thẳng hình 1.12 56 450 v 400 L in e a r v e lo c it y v (m m / s ) 350 300 250 200 150 50 0 50 100 H 100 150 200 250 C Time (s) U TE Hình 5.6 Vận tốc dài WMR tồn thời gian quỹ đạo hình chữ S Hình 5.7 biểu diễn vận tốc dài WMR thời gian bắt đầu quỹ đạo mong muốn hình chữ S Từ hình cho thấy vận tốc dài tăng nhanh lên giá trị tương đối lớn, sau giảm nhanh ổn định giá trị tham chiếu (vR =50mm/s) H toàn thời gian 57 450 v 400 L in e a r v e lo c it y v (m m / s ) 350 300 250 200 150 50 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 C H 100 U TE Hình 5.7 Vận tốc dài WMR thời gian ban đầu đối quỹ đạo hình chữ S 5.3.4 Vận tốc góc WMR Hình 5.8 biểu diễn vận tốc góc WMR bám quỹ đạo mong muốn hình chữ H S Hình 5.8 cho thấy: WMR chuyển động theo đường thẳng vận tốc góc có giá trị 0, đoạn cong thứ vận tốc góc có giá trị dương (0,025rad/s) đoạn cong thứ hai có chiều ngược lại vận tốc góc có giá trị âm (0,025rad/s) C H 58 U TE Hình 5.8 Vận tốc góc WMR quỹ đạo hình chữ S 5.3.5 Vận tốc góc bánh xe WMR Hình 5.9 biểu diễn vận tốc góc bánh phải (vrw) bánh trái (vlw) WMR đối H với quỹ đạo mong muốn hình chữ S Đối với hình 5.9: Khi WMR chuyển động thẳng vận tốc góc hai bánh xe khoảng Trên đoạn cong thứ nhất, tức thời gian WMR chuyển động trịn theo chiều dương vận tốc góc bánh phải ( vận tốc góc bánh trái ) ngược lại WMR chuyển động trịn theo chiều âm vận tốc góc bánh trái ( bánh phải ) ) lớn ) lớn vận tốc góc 59 Để xác định rõ độ lớn vận tốc góc bánh xem hình 5.9 5.10, tương ứng vận tốc góc bánh phải (vrw) bánh trái (vlw) WMR quỹ đạo tham chiếu hình chữ S 250 A n g u la r v e lo c it ie s o f rig h t a n d le f t w h e e l s (d e g / s ) vlw vrw 200 150 H 100 C 50 U TE -50 50 100 150 200 250 Time (s) H Hình 5.9 Vận tốc góc bánh phải bánh trái quỹ đạo hình chữ S C H 60 U TE Hình 5.10 Vận tốc góc bánh phải bánh trái (phóng to) quỹ đạo hình chữ S 5.3.6 Các mặt trượt H Hình 5.11 5.12 biểu diễn mặt trượt thời gian bắt đầu quỹ đạo hình chữ S Kết mơ cho thấy mặt trượt tiến thời gian chưa đến 0,1s Điều đồng nghĩa với sai lệch vận tốc tiến Khi và làm cho vận tốc dài vận tốc góc WMR với giá trị mong muốn, tức 61 600 S1 500 S li d in g s u rf a c e S (m m / s ) 400 300 200 100 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 1.6 1.8 C -100 H U TE Hình 5.11 Mặt trượt S1 (mm/s) thời gian bắt đầu -100 -150 H S lid in g s u rf a c e S (1 - d /s ) -50 -200 -250 -300 -350 S2 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) 1.2 1.4 Hình 5.12 Mặt trượt S2 thời gian bắt đầu 1.6 1.8 62 5.3.7 Mô men quay bánh phải bánh trái Hình 5.13 biểu diễn mơ men quay bánh phải bánh trái toàn thời gian WMR bám quỹ đạo mong muốn hình chữ S Hình 5.13 cho thấy: Khi WMR chuyển động trịn theo chiều dương mơ men quay bánh phải lớn bánh trái chuyển động theo ngược lại H U TE C H momen quay bánh trái lớn bánh phải Hình 5.13 Mơ men quay bánh phải bánh trái toàn thời gian quỹ đạo hình chữ S 63 5.3.8 Nhận xét chung kết mô Qua kết mô trường hợp WMR bám quỹ đạo mong muốn hình chữ S cho thấy: - Quỹ đạo chuyển động WMR trùng với quỹ đạo mong muốn - Các sai lệch vị trí hội tụ với thời gian nhanh trước 4s sai lệch tốc độ tiến gần bắt đầu chuyển động Đồng thời tất H sai lệch ổn định tốt suốt thời gian chuyển động C - Vận tốc dài WMR bám tốt vận tốc mong muốn đặt trước - Vận tốc góc bánh xe, WMR thay đổi dấu U TE độ lớn phù hợp với đoạn đường khác quỹ đạo mong muốn sử dụng mơ Như vậy, q trình chuyển động WMR mơ men quay tạo có chiều độ lớn xác, nhằm tác động vào bánh phải bánh trái giúp cho H WMR bám theo quỹ đạo mong muốn 64 CHƯƠNG U TE Nội dung: C H KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tóm tắt luận văn 6.2 Những kết mà luận văn đạt 6.3 Giới hạn luận văn 6.4 Hướng phát triển luận văn H 6.1 6.5 Lời kết 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Tóm tắt luận văn Luận văn trình bày vấn đề sau: H Chương Giới thiệu luận văn Tổng quan tình hình ứng dụng tự động hóa vào ngành cơng nhiều người C nghiệp, nông nghiệp, y tế dịch vụ…, vấn đề ngày quan tâm U TE Tóm tắt số cơng trình nghiên cứu giải thuật điều khiển Robot di chuyển bánh Đưa nhận xét chung hướng tiếp cận Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ giới hạn luận văn Đưa điểm luận văn Chương Cơ sở lý thuyết H Tìm hiểu phần lý thuyết ổn định thứ Lyapunov lý thuyết điều khiển trượt Chương Xây dựng mơ hình tốn Xây dựng mơ hình hình học Robot hai bánh Xây dựng mơ hình động học Robot hai bánh Xây dựng mơ hình động lực học Robot hai bánh 66 Chương Thiết kế điều khiển trượt Nêu vấn đề cần giải quyết, phân tích đưa giải pháp Thiết kế điều khiển trượt (SMC - Sliding Mode control) Lưu đồ giải thuật điều khiển trượt (SMC) Chương Kết mơ Trình bày kết mơ điều khiển bám theo quỹ đạomong H muốn hình chữ S cho Robot di động hai bánh dùng điều khiển trượt C Nhận xét chung kết mô U TE Chương Kết luận hướng phát triển luận văn 6.2 Những kết mà luận văn đạt  Luận văn đạt số kết định sau: - Tìm hiểu tổng quan số cơng trình nghiên cứu Robot di chuyển hai bánh H - Thiết kế điều khiển cho Robot hai bánh bám quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi, điều khiển kết hợp điều khiển động học (kinematic controller - KC) điều khiển trượt ( sliding mode controller - SMC) dựa tiêu chuẩn ổn định thuyết Lyapunov  Mô hoạt động điều khiển robot di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn hình chữ S Các kết mơ gồm có: quỹ đạo chuyển động, sai lệch sai lệch vị trí, vận tốc dài vận tốc góc robot di động hai bánh, vận tốc góc bánh xe, mặt trượt mô men quay bánh 67 xe phải bánh xe trái Kết mô chứng minh khả hội tụ tính ổn định điều khiển phi tuyến Luận văn giúp làm sở khoa học cho việc thiết kế để chế tạo robot di động bánh bám theo quỹ đạomong muốn với độ xác cao vị trí tốc độ, tạo tảng với mơ hình tốn học rõ ràng, ứng dụng vào thực tế, ngành dịch vụ nước ta như: công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ y tế, vận chuyển vật tư, thiết bị nhà máy, xí nghiệp, dây chuyền tự động hóa …giúp tiết kiệm sức lao động, cách ly người khỏi môi trường xạ cao độc hại So với phương pháp điều khiển cơng trình nghiên cứu trước H  cho thấy phương pháp mà luận văn đề xuất có ưu điểm sau: C - Các sai lệch vị trí tiến khơng U TE - Kiểm soát tốc độ - Rất bền vững với sai số mơ hình  Ngồi ra, bên cạnh ưu điểm nêu tồn khuyết điểm như: khó khăn trong q trình triển khai vào thực nghiệm 6.3 Giới hạn luận văn H Bên cạnh số kết mà luận văn đạt số điểm giới hạn sau: Giới hạn đề tài thực mô chưa thực mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng hoạt động thực tế 6.4 Hướng phát triển luận văn Thiết kế mô hình thực tế để kiểm chứng hiệu điều khiển trượt dựa vào mơ hình động học động lực học robot hai bánh Ngoài ra, kết hợp với kỹ thuật điều khiển thông minh dùng mạng Neural 68 Fuzzy để đánh giá nhiễu chặn tác động lên robot thay đổi thơng số mơ hình 6.5 Lời kết Thời gian qua khơng phải q cho đề tài nghiên cứu không đủ dài đời luận văn hồn chỉnh, điều kiện cịn tồn nhiều khó khăn khách quan định Nhu cầu học hỏi nhiều khó vượt qua rào cản thời gian, kinh nghiệm, tri thức H bộn bề lo toan công việc sống, chắn khơng tránh khỏi sai sót Chúng tơi hy vọng thiếu sót luận văn chỉnh tương lai H U TE Xin chân thành cảm ơn! C người đọc cảm thông, chia sẻ giúp đỡ để bổ sung, hồn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Campion, G Bastin, and B D’AndreaNovel, “Structural properties and classification of kinematic and dynamic models of wheeled mobile robots”, IEEE Trans Robot Autom., Vol 12, No 1, pp 47–62, Feb 1996 [2] Gyula Mester “Motion control of wheeled mobile Robots” Department of Informatics, Polytechnical Engineering College Marka Oreskovica 16, 24000 [3] H Subotica, Serbia gmester@subotica.net P.Genova, M Mihailova, R.Oransky, D.Ignatova, “Kinematics and C Dynamics modelling of two wheeled Robot”, 11thNational Congress on Theoretical and applied Mechanics, 2-5 Sept 2009 Borovets,Bulgaria Giuseppe Oriolo, Member, IEEE, Alessandro De Luca, Member; IEEE, U TE [4] and Marilena Vendittelli, “WMR control via dynamic feedback linearization: M Vendittelli, Design, implementation and experimental validation”; IEEE Trans Control Syst Technol., Vol 10, No 6, pp 835–852, Nov 2002 [5] T H Bui, T T Nguyen, T L Chung, and S B Kim “A Simple H Nonlinear Control of a Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol 1, No 1, pp 35-42, 2003 [6] Takanori Fukao, Hiroshi Nakagawa, and Norihiko Adachi “Adaptive Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot”, IEEE transactions on robotics and automation, vol 16, no 5, october 2000 [7] Trong Hieu Bui, Tan Lam Chung, Sang Bong Kim, Tan Tien Nguyen, “Adaptive tracking control of two – wheeled welding mobile Robot with smooth curved welding path”, KSME Internatinal Journal, Vol.17 No.11, pp.1682 -1692,2003 70 [8] Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim “Sliding Mode Control for Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots”, IEEE transactions on Robotics and automation, vol 15, no 3, june 1999 [9] Tan Lam Chung, Trong Hieu Bui, Tan Tien Nguyen, Sang Bong Kim, “Sliding mode control of two –wheeled welding mobile Robot for tracking Smooth Curved welding path”, KSME International Journal, Vol.18 no.7, pp.1094 – 1106, 2004 [10] Dongkyoung Chwa “Sliding-Mode Tracking Control of Nonholonomic H Wheeled Mobile Robots in Polar Coordinates”, IEEE transactions on control systems technology, vol 12, no 4, july 2004 C [11] R Fierro and F L Lewis, Fellow, IEEE “Control of a Nonholonomic U TE Mobile Robot Using Neural Networks”, IEEE transactions on neural networks, vol 9, no 4, july 1998 [12] N Hung, Tuan D V, Jae S I, H K Kim and S B Kim, “Motion Control of Omnidirectional Mobile Platform for Trajectory Tracking Using Integral Sliding Mode Controller”, International Journal of Control, Automation and H Systems (IJCAS), Vol 8, No 6, December 2011 [13] Jean-Jacques E Slotine and Weiping Li, Applied Nonlinear Control, Prentice-Hall International, Inc., 1991 [14] C – Edwards and S.V.spurgeon, Sliding mode control:” Theory and Application, Prentice – Hall international, Inc, 1991 ... điều khiển 16 1.4 Mục tiêu luận văn Mục tiêu đề tài ? ?Điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho Robot hai bánh dùng điều khiển trượt ” Cụ thể, đề tài đưa giải thuật điều khiển tích hợp điều khiển. .. động mong muốn Robot hai bánh( WMR) 1.5 Nhiệm vụ luận văn H - Tổng quan cơng trình nghiên cứu cho Robot di động hai bánh - Xây dựng mơ hình động lực học cho Robot di động hai bánh - Thiết kế điều. .. Thiết kế điều khiển trượt (sliding mode control) cho Robot di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn - Mô đánh giá kết 17 1.6 Giới hạn luận văn - Chỉ khảo sát dựa vào mô Robot di động bánh sử dụng