Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - xe cá nhân Segway), đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và con quay hồi chuyển đặt b[r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
NGUYỄN THÙY LINH
ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
NGUYỄN THÙY LINH
ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG
(3)CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ 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)
TT Họ tên Chức danh Hội đồng
1 Chủ tịch
2 Phản biện
3 Phản biện
4 Ủy viên
5 Ủy viên, Thƣ ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có)
(4)TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
TP HCM, ngày … tháng… năm 20 …
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thùy Linh .Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 03/12/1989 Nơi sinh: Long an Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử MSHV: 1341840024
I- Tên đề tài:
Điều khiển Robot bánh tự cân sử dụng điều khiển trƣợt (Sliding mode)
II- Nhiệm vụ nội dung:
- Nghiên cứu thiết kế thi cơng mơ hình robot bánh tự cân - Sử dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến điều khiển trƣợt
- Thiết kế điều khiển dựa vào phƣơng pháp điều khiển mô dựa Matlab Simulink
III- Ngày giao nhiệm vụ:27/05/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/08/2016
V- Cán hƣớng dẫn:PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(5)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác
Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc
Học viên thực Luận văn
(6)LỜI CÁM ƠN
Để hồn thành luận văn này, em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Phƣơng tận tình hƣớng dẫn suốt trình viết Luận văn tốt nghiệp
Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Sau Đại học khoa Cơ – Điện – Điện tử, Trƣờng Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập Với kiến thức đƣợc tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn hành trang q báu để em ứng dụng công việc cách vững tự tin
Cuối em kính chúc quý Thầy, Cô dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Đồng kính chúc học viên lớp cao học 13SCĐ21 dồi sức khỏe, đạt đƣợc nhiều thành công tốt đẹp công việc
(7)TÓM TẮT
Nhiệm vụ đề tài thực thi ứng dụng kỹ thuật điều khiển phi tuyến để thiết kế điều khiển phù hợp cho mơ hình xe hai bánh tự cân
Mơ hình tốn học xe hai bánh tự cân đƣợc xây dựng để làm sở thiết kế điều khiển
(8)ABSTRACT
The main point of this thesis is to design the non-linear control to manipulate the two-wheeled self-balancing robot
The controller is designed based on the mathematic model of the two-wheeled self-balancing robot which is studied in this thesis
The method used in this thesis is sliding mode controller for angular of robot and PD controller for the robot position in Matlab-Simulink presentation
(9)MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề:
1.2 Các cơng trình liên quan
1.2.1 Một số mơ hình robot hai bánh tự cân
1.2.1.1 Robot JOE - [2]
1.2.1.2 N-Bot, [19]
1.2.1.3 Xe hai bánh cân gom rác
1.2.1.4 Xe Segway PT , [20]
1.2.1.5 Xe di chuyển ngƣời hãng Toyota
1.2.2 Các báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan
1.3 Phạm vi nghiên cứu
CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
2.1 Nguyên lý hoạt động xe hai bánh cân bằng:
2.2 Lý thuyết phƣơng pháp điều khiển Trƣợt 10
2.2.1 Điều khiển bám ( Tracking ) 10
2.2.2 Ổn định hóa ( regulation ) 10
2.3 Lý thuyết lọc Kalman 11
2.3.1 Bản chất toán học lọc kalman 13
2.3.2 Bản chất thống kê lọc Kalman 14
2.3.3 Giải thuật lập trình lọc Kalman rời rạc 15
2.4 So sánh lọc với lọc Kalman 17
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO XE HAI BÁNH CÂN BẰNG 20
3.1 Mô hình hóa xe hai bánh tự cân 20
3.2 Thiết kế điều khiển trƣợt (Sliding mode) cho xe hai bánh cân 27
3.3 Đánh giá kết mô hệ thống 30
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 31
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 42
(10)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DSP Digital Signal Processor
(11)DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Robot dạng bánh xe lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám mặt đƣờng khơng đƣợc đảm bảo
2
Hình 1.2 Robot dạng bánh xe xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe bị lật úp
2
Hình 1.3 Robot JOE
Hình 1.4: Mơ hình N-Bot
Hình 1.5: Xe hai bánh “DustCart” gom rác tự động
Hình 1.6: Các kiểu dáng xe Segway
Hình 1.7: Robot chở ngƣời hãng Toyota
Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động xe hai bánh tự cân
Hình 2.2: Cách di chuyển bánh xe cân 10
Hình 2.3: Thuật tốn lọc Kalman rời rạc 15
Hình 2.4: Góc nghiêng thân xe có khơng có lọc Kalman 17
Hình 3.1: Biểu diễn lực moment mơ hình 20
Hình 3.2: Sơ đồ mơ hình xe hai bánh mơ Matlab 25
Hình 3.3: Khi xe thằng đứng khơng có moment tác động 26
Hình 3.4: Xe nghiêng góc nhỏ, khơng có moment tác động 26
Hình 3.5: Khi có moment tác động vào thời điểm giây 27
Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển trƣợt – PD mơ 28
Hình 3.7: Khối điều khiển trƣợt hệ thống mơ 29
Hình 3.8: Kết mơ hệ thống 30
Hình 4.1: Bảng vẽ thiết kế thân robot 31
Hình 4.2: Bảng thông số động GA37V1 32
(12)Hình 4.4: Bánh xe V2 65mm 33
Hình 4.5: Board Arduino Uno 33
Hình 4.6: Cấu trúc board Arduino Uno 34
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý board Arduino Uno 34
Hình 4.8: Board cảm biến MPU6050 36
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý board cơng suất L298 36
Hình 4.10: Board cơng suất L298 37
Hình 4.11: Kết nối Board Uno – Cảm biến MPU 6050 39
Hình 4.12: Kết nối board Uno - Board công suất L298 38
Hình 4.13: Lƣu đồ giải thuật 40
Hình 4.14: Cân khối lƣợng Robot 41
Hình 4.15: Robot hoạt động mặt phẳng mềm 41
(13)CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề:
Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung điều khiển học nói riêng, mơ hình lắc ngƣợc đối tƣợng nghiên cứu điển hình đặc thù đặc tính động khơng ổn định mơ hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng thực tế đặt nhƣ thử thách Công nghệ robot đạt đƣợc nhiều thành tựu lớn xuất nhiều lĩnh vực nhƣ: 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
Kết nghiên cứu mơ hình lắc ngƣợc bản, ví dụ nhƣ mơ hình xe-con lắc, lắc ngƣợc quay… ứng dụng kế thừa sang mơ hình tƣơng tự khác nhƣng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn nhƣ mơ hình tên lửa, mơ hình xe hai bánh tự cân bằng…
Xuất phát từ ý tƣởng xe hai bánh tự cân Segway, phát minh tiếng Dean Kamen – kỹ sƣ ngƣời Mỹ vào năm 2001, mở hƣớng 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 đƣợc đặt lên hàng đầu Với ƣu điểm đó, robot hai bánh tự cân nhận đƣợc nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu hãng sản xuất robot giới năm gần
Robot hai bánh tự cân đƣợc xem nhƣ cầu nối kinh nghiệm mơ hình lắc ngƣợc với robot hai chân robot giống ngƣời Đây dạng robot có hai bánh đồng trục, khắc phục đƣợc nhƣợc 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 để đỡ trọng lƣợng robot Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái robot khơng ổn định dễ bị ngã, đặt vào nhiều bánh hai bánh khả bám Nhiều thiết kế robot di chuyển tốt địa hình phẳng nhƣng khơng thể di chuyển lên xuống địa hình lồi lõm mặt phẳng nghiêng Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng robot dồn vào đuôi xe làm khả bám trƣợt ngã
(14)khiển để điều khiển cho robot giữ đƣợc thăng bằng, di chuyển hoạt động Do vậy, toán đƣợc đặt phải nghiên cứu, thiết kế đƣợc điều khiển phù hợp với mơ hình phi tuyến có thơng số hệ thống bất định nhƣ mơ hình xe hai bánh tự cân
Hình 1.1 - Robot dạng bánh xe lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám mặt đƣờng khơng đƣợc đảm bảo
Hình 1.2 - Robot dạng bánh xe xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe bị lật úp
(15)nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh Vì vậy, khơng có tƣợng trọng tâm xe rơi ngồi vùng đỡ bánh xe để gây lật úp
1.2 Các cơng trình liên quan
1.2.1 Một số mơ hình robot hai bánh tự cân
Robot hai bánh tự cân bằng, tự di chuyển hoạt động, không chở ngƣời nhƣ : Robot-JOE (mục 1.2.1.1), N-Bot (mục 1.2.1.2), Robot dọn rác (mục 1.2.1.3)
Xe hai bánh tự cân bằng, có chở ngƣời, phƣơng tiện di chuyển: xe Segway (mục 1.2.1.4), robot chở ngƣời hãng Toyota (mục 1.2.1.5)
1.2.1.1 Robot JOE - [2]
Đây sản phẩm phịng thí nghiệm Điện tử công nghiệp Viện công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ Robot JOE cao 65cm, nặng khoảng 12kg, tốc độ tối đa 1,5 m/s, di chuyển dốc nghiêng 30 độ
Nguồn điện cấp nguồn pin 32V dung lƣợng 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 đƣợc cung cấp hai encoder quang hai cảm biến gia tốc góc quay hồi chuyển (gyro) JOE đƣợc 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
(16)1.2.1.2 N-Bot, [19]
Hình 1.4: Mơ hình N-Bot
N-Bot sản phẩm David P.Anderson robot hai bánh cân thành công đƣợc công nhận “Robot độc đáo tuần” NASA phong tặng đƣợc số tổ chức, tạp chí khoa học đánh giá cao
Nguyên tắc N-Bot điều khiển hai bánh xe robot chạy theo chiều mà phần thân phía robot có khả ngã đổ Nếu bánh đƣợc lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot robot giữ đƣợc cân Quá trình điều khiển sử dụng tín hiệu cảm biến phản hồi cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng robot với phƣơng trọng lực, encoder gắn bánh để đo vị trí robot Các biến sau thể chuyển động vị trí „con lắc ngƣợc‟ giúp giữ cân bằng: Góc nghiêng thân robot (theta), đạo hàm góc nghiêng vận tốc góc nghiêng (theta-dot), vị trí robot (position), đạo hàm vị trí hay vận tốc di chuyển robot (position-dot) Bốn thông số đƣợc đƣa vào điều khiển để tính điện áp điều khiển U cho động lái hai bánh xe
1.2.1.3 Xe hai bánh cân gom rác
(17)Hình 1.5: Xe hai bánh “DustCart” gom rác tự động
DustCart di chuyển qua đƣờng hẹp, đƣợc trang bị camera thiết bị cảm biến khác Xe quan sát nơi di chuyển, chụp ảnh đƣờng phân tích thơng tin để tránh va chạm vào chƣớng ngại vật cố định Nó nhận đối tƣợng di chuyển, ví dụ nhƣ khách bộ, xe máy nhanh chóng tính tốn đƣờng đổi hƣớng để tránh va chạm Những hình ảnh hiển thị đƣợc chuyển trung tâm kiểm soát để nhân viên phụ trách giám sát hoạt động DustCart can thiệp cần thiết Xe sử dụng hệ thống tam giác thông minh để di chuyển đến nhà hộ dân cách tƣơng tác với mạng khơng dây Mạng khơng dây xác định xác vị trí xe, tính tốn tuyến đƣờng tối ƣu lần gom rác chuyển thông tin đến xe
1.2.1.4 Xe Segway PT , [20]
Segway PT (viết tắt Segway Personal Transporter - xe cá nhân Segway), đặc điểm bật Segway chế tự cân nhờ hệ thống máy tính, động quay hồi chuyển đặt bên xe, giúp cho xe dù có trục chuyển động với hai bánh nhƣng trạng thái cân bằng, ngƣời sử dụng việc ngả đằng trƣớc đằng sau để điều khiển xe tiến lùi
(18)Hình 1.6: Các kiểu dáng xe Segway
Cơ chế tự cân Segway dựa hoạt động hệ thống máy tính, hai sensor độ nghiêng năm quay hồi chuyển đặt xe Dựa số liệu sensor, máy tính tính toán để truyền lệnh cho động phụ di chuyển bánh xe phía trƣớc phía sau để tái lập cân cho xe
Với mẫu Segway PT mới, trình lặp lặp lại khoảng 100 lần giây, đủ để cân xe cho dù ngƣời lái trạng thái Khi xe đạt tới vận tốc tối đa, phần mềm Segway tự động điều khiển xe nghiêng sau giúp xe di chuyển chậm lại, chế giúp hạn chế khả ngƣời điều khiển tiếp tục nghiêng trƣớc Segway vận tốc tối đa Các Segway tự động giảm tốc dừng lại gặp chƣớng ngại vật
Về an tồn, Segway có tốc độ tối đa 20 km/giờ không chạy 20 km/h, kể xuống dốc Tất thiết bị an tồn (ắc quy, động cơ, máy tính) đƣợc gắn vào xe Trong trƣờng hợp phận bị hƣ hỏng bất ngờ, Segway ổn định ngừng cách an toàn Những lƣợng tạo đƣợc thắng trƣợt dốc đƣợc nạp lại vào bình ắc quy
1.2.1.5 Xe di chuyển ngƣời hãng Toyota
Toyota trình bày xe di động hai bánh thông minh năm 2010 Xe đƣợc sử dụng cho ngƣời già ngƣời tàn tật di chuyển địa hình gồ ghề nhiều chƣớng ngại vật xung quanh
(19)ghế khả tự điều chỉnh robot có thay đổi địa hình di chuyển
Hình 1.7: Robot chở ngƣời hãng Toyota
1.2.2 Các báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan
Xe hai bánh tự cân đã, đƣợc quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu giới nên có nhiều sách, báo khoa học viết vấn đề Các báo cáo khoa học liên quan đến đề tài thƣờng tập trung vào nội dung sau:
- Mơ hình hóa hệ thống động xe hai bánh tự cân bằng, tài liệu tham khảo số [1] , [2] , [3] , [5]
- Sử dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến để thiết kế điều khiển cho mơ hình xe hai bánh tự cân bằng, hệ lắc ngƣợc
+ Sử dụng phƣơng pháp điều khiển chiếu (Backstepping Control), tài liệu tham khảo số [4] , [5] , [6], [7]
+ Sử dụng phƣơng pháp điều khiển trƣợt, tài liệu tham khảo số [8] , [9]
+ Sử dụng giải thuật điều khiển thông minh để thiết kế điều khiển cho mơ hình robot hai bánh tự cân bằng, tài liệu tham khảo số [5], [15], [16]
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển Trƣợt Các mục tiêu đề tài bao gồm:
+ Mơ hình hóa đối tƣợng xe hai bánh tự cân
+ Thực thi ứng dụng phƣơng pháp điều khiển trƣợt cho hệ thống
(20)bánh tự cân Matlab Simulink
+ Sơ đồ điều khiển tổng quát cần thực luận văn nhƣ sau:
Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển
_
Đkhiển Vịng ngồi
Đkhiển vịng
ROBOT
+
+
+