Nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ` NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Cơng THÁI NGUN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Ngô Thị Châm Sinh ngày: 13/06/1979 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt – Hung thị xã Sơn Tây – Thành phố Hà Nội Ngơ Thị Châm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii , Khoa Sau Đại học Ngơ Thị Châm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Lời cam ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng v Danh hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân 1.2 Tổng quan robot hai bánh tự cân nước giới 1.2.1 Các nghiên cứu robot hai bánh song song tự cân 1.2.2 Các nghiên cứu robot hai bánh trước sau tự cân giới 21 1.2.3 Các nghiên cứu robot hai bánh tự cân nước 29 1.3 Kết luận chương 29 CHƢƠNG THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân 31 2.2.1 Thiết kế phần khí 31 2.2.2 Thiết kế phần điện 38 2.3 Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân 44 CHƢƠNG THIẾT KẾ-MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 48 3.1 Giới thiệu 48 3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 48 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực 49 3.2.2 Phương thức so sánh trực tiếp 50 3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển 50 3.2.4 Công thức Ackermann 51 3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng 51 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân cho robot hai bánh tự cân 52 3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân 55 3.5 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu điều khiển robot hai bánh di chuyển tâm trọng lực 24 Bảng 1.3 Các nghiên cứu điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà 25 Bảng 1.4 Các nghiên cứu robot hai bánh sử dụng điều khiển kết hợp 28 Bảng 2.1 Thông số động điện chiều 33 Bảng 2.2 Thông số robot 47 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Robot hai bánh song song leo dốc xuống dốc Hình 1.5 Robot hai bánh nBot Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) 10 Hình 1.8 Robot hai bánh JOE 11 Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot 13 Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot 14 Hình 1.11 Các tầng cảm biến BaliBot 15 Hình 1.12 Robot hai bánh Bender 16 Hình 1.13 Robot phục vụ người Rolling 16 Hình 1.14 Xe Segway 18 Hình 1.15 Xe Balancing Scooter 19 Hình 1.16 Xe Spider 20 Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân Gallaspy 26 Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân Suprapto 27 Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân Pom Yuan Lam 27 Hình 1.20 Murata Boy Robot 28 Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân 32 Hình 2.2 Kích thước thiết kế bánh đà 32 Hình 2.3 Hình dạng thực tế bánh đà 33 Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 34 Hình 2.5 Sơ đồ mạch cảm biến MPU - 6050 35 Hình 2.6 Sơ đồ xác định góc nghiêng cảm biến gia tốc 36 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý cảm biến góc nghiêng 37 Hình 2.8 Cảm biến tốc độ 37 Hình 2.9 Hệ thống điều khiển tiến lùi robot 38 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.10 Mạch Arduino 39 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng tranzitor 42 Hình 2.12 Khối nguồn robot 42 Hình 2.13 Mạch cầu H điều khiển động tiến lùi 43 Hình 2.14 Mơ hình hồn thiệu robot hai bánh tự cân 43 Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản hệ thống cân robot 44 Hình 2.16 Đáp ứng xung mơ hình hàm truyền robot 47 Hình 3.1: Điều khiển sử dụng phản hồi trạng thái 49 Hình 3.2 Sơ đồ mơ Simulink hệ thống điều khiển cân robot sử dụng phản hồi trạng thái 54 Hình 3.3: Kết mơ hệ thống điều khiển cân robot Matlab – Simulink 54 Hình 3.4 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân khơng mang tải 55 Hình 3.5 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân có nhiễu 56 Hình 3.6 Đáp ứng hệ thống xe hai bánh tự cân thay đổi tải lệch tâm 56 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu robot tự động (Autonomous robot) lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh năm gần Một khó khăn vấn đề nghiên cứu robot tự động khả trì cân ổn định địa hình khác Để giải vấn đề này, robot hầu hết có bánh xe rộng tối thiểu ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để trì cân Tuy nhiên tăng kích thước số lượng bánh xe làm giảm hiệu hệ thống điều khiển tăng trọng lượng xe, tăng ma sát tăng lực kéo tăng tổn hao lượng Robot hai bánh tự cân hướng nghiên cứu giải nhược điểm Bởi robot hai bánh tự cân sử dụng hai bánh xe nên giảm trọng lượng chiều rộng không gian Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot làm cách để robot tự cân điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo thay đổi Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mơ hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, luận văn tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu robot cân đứng yên chuyển động thẳng với hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu áp dụng thuật tốn điều khiển thích hợp Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Robot hai bánh sử dụng thay người thăm dò, … Từ nghiên cứu robot hai bánh tự cân phát triển mơ hình robot hai bánh tự cân thành xe hai bánh tự cân sử dụng giao thông vận tải Xe hai bánh tự cân có khả tự cân đứng yên, chuyển động xảy va chạm Xe hai bánh tự cân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Beznos, A.V.; Formalsky, A.M.; et al (1998) “Control of autonomous motion of two-wheel bicycle with gyroscopic stabilization” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 2670-2675 [2] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun (2008) “Balancing control of Bycirobo by PSO-based structure-specified mixed H2/H∞ control.” International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol 5(4), pp 395-402 [3] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun, Le Chi Hieu (2009) “Structurespecified H∞ loop shaping control for balancing of bicycle robots”: A particle swarm optimization approach Innovative Production Machines and System Conference [4] Dag Christian Ånnestad, “Autonomous Bicycle: The First Self Balanced Ride” Master of Science in Engineering Cybernetics, September 2011 [5] Gallaspy, J.M (1999) “Gyroscopic stabilization of an unmanned bicycle” M.Sc Thesis, Auburn University, American [6] Getz, N.H & Marsden, J.E (1995) “Control for an autonomous bicycle” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp 1397-1402 [7] Guo, L.; Liao, Q & Wei, S (2006) “Design of fuzzy sliding-mode controller for bicycle robot nonlinear system” In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biometrics, pp 176-180 [8] Ham, W & and Choi, H (2006) “Autonomous tracking control and inverse kinematics of unmanned electric bicycle system” SICE-ICASE International Joint Conference, pp 336-339 [9] Yavin, Y (1998) “Navigation and control of the motion of a riderless bicycle” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol 160(1-2), pp 193-202 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 [10] Yavin, Y (1999) “Stabilization and control of the motion of an autonomous bicycle by using a rotor for the tilting moment” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol 178(3-4), pp 233-243 [11] Yavin, Y (2005) “Point to point and collision avoidance control of the motion of an autonomous bicycle” Computers and Mathematics with Applications Vol 50(10-12), pp.1525 – 1542 [12] Iuchi, K.; Niki, H & Muratami, T (2005) “Attitude control of bicycle motion by steering angle and variable COG control” In: Proceedings of the Industrial Electronics Conference, pp 2065-2070 [13] Kawaguchi, M ; Yamakita, M., “Stabilizing of bike robot with variable configured balancer”, SICE Annual Conference (SICE), 2011 Proceedings of , pp 1057 – 1062 3018-3023 IEEE, (2011) [14] Keo, L.; Yoshino, K.; Kawaguchi, M.; Yamakita, M., “Experimental results for stabilizing of a bicycle with a flywheel balancer”, Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, pp 6150 – 6155 [15] Keo, L and M Yamakita, “Controller Design of an Autonomous Bicycle with Both Steering and Balancer Controls," IEEE Multi-conference on Systems and Control., pp 1294-1299, 2009 [16] Keo, L and M Yamakita, “Controlling Balancer and Steering for Bicycle Stabilization," IEEE/RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems., pp 4541-4546, 2009 [17] Keo, L and M Yamakita, “Control of an Unmanned Electric Bicycle with Flywheel Balancer", Transaction of the Japan Society for Simulation Technology, 2(2010), pp 32-38 [18] Keo, L and M Yamakita, “Dynamic Model of a Bicycle with a Balancer and Its Control” Proceedings, Bicycle and Motorcycle Dynamics 2010, Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 Symposium on the Dynamics and Control of Single Track Vehicles, 20– 22 October 2010, Delft, The Netherlands [19] Lenskii A.V & Formalskii A.M (2003) Two-wheel robot-bicycle with a gyroscopic stabilizer Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol 42(3), pp 482-489 [20] Lee, S & Ham, W (2002) Self-stabilizing strategy in tracking control of unmanned electric bicycle with mass balance In: Proceedigns of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 2200-2205 [21] Noda Y, Sumioka T, Yamakita M, “An application of fast MPC for bike robot”, SICE Annual Conference (SICE), 2012 Proceedings of, pp 540 - 545 [22] Pom Yuan Lam, Design and Development of a Self-Balancing Bicycle Using Control Moment Gyro, thesis, 2013 [23] Suprapto, S (2006) “Development of a gyroscopic unmanned bicycle” M.Eng Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand [24] Suryanarayanan, S.; Tomizuka, M & Weaver, M (2002) “System dynamics and control of bicycles at high speeds” In: Proceedings of the American Control Conference, pp 845-850 [25] Tanaka, Y & Murakami, T (2004) “Self sustaining bicycle robot with steering controller” In: Proceedings of International Workshop on Advanced Motion Control, pp 193-197 [26] Yamakita, M.; Utano, A & Sekiguchi, K (2006) “Experimental study of automatic control of bicycle with balancer” In: Proceedings of the International Conference of Intelligent Robots and Systems, pp 5606-5611 [27] Yizhai Zhang, Jingliang Li, Jingang Yi, and Dezhen Song “Balance control and analysis of stationary riderless motorcycles” Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, page Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO TRÊN WEB [28] http://www.geology.smu.edu/ dpa-www/robo/nbot/index.html [29] ] http://www.tlb.org/scoorter.html [30] http://lewww epfl.ch/joe [31] http://www.fusionglobal.net/gallery.html [32] http://www.barello.net/gallery.html [33] http://www.wulabs.org/bbot.html [34] http://homepage.mac.com/sigfgpe/Robotics/equibot.html [35] http://web.mit.edu/sanghyuk/www/balance_bot.html [36] http://home.earthlink.net/ botronics/index/balibot.html [37] http://www.segway.com Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ .. .Hệ thống điều khiển tiến lùi robot 2.2.2 Thiết kế phần điện Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân gồm hai hệ thống - Hệ thống điều khiển cân cho robot hai bánh tự cân bằng: Có chức trì robot ...THỰC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3.1 Giới thiệu Để điều khiển cân robot hai bánh ta sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác tổng quát có hai kiểu điều khiển - Điều khiển phi ... VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân 1.2 Tổng quan robot hai bánh tự cân nước giới 1.2.1 Các nghiên cứu robot hai bánh song song tự cân 1.2.2 Các nghiên