Ngày nay, robot đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của loài người. Ngoài ra, robot còn hỗ trợ con người trong đời sống hằng ngày như robot Asimo hỗ trợ người già qua đường,[r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
NGUYỄN XUÂN TIÊN
ĐI U HI N RO OT NH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : ỹ Thuật Cơ Điện t Mã số ngành: 60 52 01 14
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
NGUYỄN XUÂN TIÊN
ĐIỀU KHIỂN RO OT NH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện t
Mã số ngành: 60 52 01 14
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH H Đ L
TS N u n Th nh Ph ơn
(3)PGS.TS CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
RƯỜ G ĐẠI HỌC CÔ G GHỆ HCM
Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TSKH H Đ TS
Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
Cán chấm nhận xét 1: TS ô Cao C Cán chấm nhận xét 2: TS V H Duy
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) PGS.TS Ch t ch
2.TS ô C C Phản biện 3.TS H Phản biện 4.TS H y vi n 5.TS H y vi n Thư k
Xác nhận c a Ch t ch Hội đồng đánh giá luận văn hoa quản l chuy n ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có)
(4)TRƯỜNG ĐẠI H C CƠNG NGHỆ TP HCM HỊ G KH - Đ ĐH
CỘ G HÒA XÃ HỘI CHỦ GHĨA IỆ AM Đ lập - ự d - Hạ p ú
TP HCM, ngày30 tháng 12 năm 2013
HIỆM Ụ UẬ Ă HẠC Ĩ
Họ t n học vi n: GUYỄ XUÂ IÊ Giới tính: Nam Ngày tháng năm sinh: 19/06/1965 Nơi sinh: Hu Chuy n ngành: ỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018 I- Ê ĐỀ ÀI:
ĐIỀU KHIỂ R H
II- HIỆM Ụ À ỘI U G:
- Nghi n cứu l thuy t điều khiển hồi ti p n tính hoá, điều khiển LQR - Áp dụng phương pháp điều khiển hổi ti p n tính hố điều khiển LQR
điều khiển hệ robot bánh t c n b ng
- Mô k t điều khiển đối tượng tr n Matlab\Simulink
- Kiểm chứng k t mô b ng th c nghiệm điều khiển đối tượng th c III- GÀY GIA HIỆM Ụ: 12/06/2013
IV- GÀY H À HÀ H HIỆM Ụ: 30/12/2013 V- C Ộ HƯỚ G Ẫ : PGS.TSKH H Đ
TS
Cán hướng dẫn khoa học Quản l chuy n ngành
(5)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan r n u n v n v i n i dun ” là trình n hiên cứu riên tơi dư i hư n dẫn PGS.TSKH Hồ Đắc c TS N uyễn Thanh Phươn
Tôi xin cam đoan r n iúp đỡ cho việc thực u n v n được cảm ơn thơn tin trích dẫn tron u n v n rõ n uồn ốc Các số liệu, kết nêu tron lu n v n trun thực, có n uồn trích dẫn chưa t n bố tron b t trình khác
Tp Hồ Chí Minh, n ày 30 thán 12 n m 2013
Học viên thực luận văn
(6)
LỜI CÁM ƠN
Trong trình thực luận văn, gặp nhiều khó khăn nhờ hướng dẫn tận tình Th y P T c c, Th y TS guy n Thanh hư ng, tơi hồn thành luận văn thời gian quy định ể hồn thành luận văn tơi xin bày tỏ lòng biết n sâu s c Th y PGS.TSKH c c, Th y TS guy n Thanh hư ng, Th y người tận tâm hết lịng học viên, hướng dẫn nhiệt tình cung cấp cho tài liệu vô quý giá thời gian thực luận văn
Xin chân thành cám n tập thể th y cô giáo trường ại học Cơng ghệ T Chí Minh, giảng dạy truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tơi học tập nghiên cứu q trình học cao học trường
Xin chân thành cảm n Ban giám hiệu, hòng quản lý Khoa học - tạo sau đại học phòng ban trường ại học Cơng ghệ T Chí Minh, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập làm luận văn cao học trường
Xin chân thành cảm n anh, chị đ ng nghiệp hỗ trợ giúp đỡ cho tơi q trình thực luận văn
Xin chân thành cảm n bạn học viên lớp cao học chuyên ngành “ ỹ thuật C iện t -12SC 11” đóng góp ý kiến cho tơi q trình thực luận văn
TP Hồ Chí Minh, n ày 30 thán 12 n m 2013 Học viên thực luận văn
(7)TÓM TẮT LUẬN VĂN
iện obot ứng d ng ph biến sản xuất công nghiệp obot m t bánh tự cân b ng gọi Ballbot nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng d ng m t số l nh vực Do đ ng nó, m t robot m t bánh cao hẹp trở thành m t ứng c viên lý tưởng cho robot di đ ng cá nhân ó hoạt đ ng m t robot dịch v hiệu nhà văn phòng Do đó, robot m t bánh có m t loạt ứng d ng ngành công nghiệp giải trí bao g m đ ch i
uận văn sâu vào nghiên cứu khái quát hệ robot m t bánh tự cân b ng , nghiên cứu mặt lý thuyết điều khiển hệ robot m t bánh tự cân b ng thông qua phư ng pháp điều khiển h i tiếp tuyến tính hóa, phư ng pháp điều khiển LQR, thuật tốn b lọc Kalman rời rạc tiến hành mô kiểm tra hệ thống b điều khiển uận văn nghiên cứu điều khiển ph n cứng chủ yếu dựa vào vi điều khiển ATmega 328 dạng chip 28 chân ph n mềm ngôn ngữ lập trình dựa ngơn ngữ C++ , nh m m c đích giám sát điều khiển hệ robot m t bánh để
có thể n định thăng b ng di chuyển không bị t ngã
uận văn tập trung chủ yếu xây dựng mơ hình thực nghiệm robot m t bánh tự cân b ng m t robot m t bánh thực tế bao g m thi công thực nghiệm ph n cứng bao g m : C cấu b lái bóng chọn lựa bóng; Mạch cảm biến; Mạch vi điều khiển; Mạch ngu n; Mạch công suất điều khiển đ ng c khung ph n thân robot ng thời tiến hành viết chư ng trình điều khiển để điều khiển mơ hình thực nghiệm hệ robot m t bánh giữ n định thăng b ng di chuyển theo mong muốn
(8)ABSTRACT
Nowadays, robot has been applying popularly in production industry A self-balancing ball robot called ballbot is used by scientists in a number of fields Due to its dynamic, a tall and thin ballbot could become an ideal candidate for personal mobile robot It can be operated efficiently as a serviced robot at home and in offices Therefore, ballbot would have various applications in the entertainment industry, including toys
My thesis studies deeply the general of a self-balancing ball robot system Studying about control theory of a self-balancing ball robot system via linearised feedback methods, the ways to control the Linear quadra regulator, unconnected Kalman filter algorithm and to conduct simulation system inspection for each controller.This thesis studies the hardware drivers mtic reainly based on ATmega 328 micro-controller, is a 28-pins micro chip, and C++ programing language software Aiming to monitor and control one-ball robot system in order to stablize balancing and move robot without being falling
This thesis focuses mainly to build a self- balancing ball robot model as a practical ball robot covering hardware experimental execution including : balloon driver and balloon selection structure; sensor circuit; micro-controller circuit; power circuit, motor power rating circuit and robot meromorphic At the same time, conducting controlling program in order to controll experimental model of one-ball robot system, keeping balance stability and moving as expecting
(9)MỤC LỤC
Tên đề mục Trang
ời cam đoan i
ời cảm n .ii
Tóm t t luận văn iii
Abstract iv
M c l c v
Danh m c từ viết t t ix
Danh m c bảng biểu x
Danh m c s đ , hình ảnh xi
Chƣơng 1: T ng qu n hƣ ng nghiên c u
1.1 ặt vấn đề
1.2 Thế robot m t bánh tự cân b ng
1.3 Tính cấp thiết đề tài, ý ngh a khoa học thực ti n đề tài
1.4 Tình hình nghiên cứu nhu c u thực tế
1.5 M c đích nghiên cứu , khách thể , đối tượng nghiên cứu
1.6 hiệm v nghiên cứu giới hạn đề tài
1.6.1 hiệm v nghiên cứu
1.6.2 iới hạn đề tài
1.7 hư ng pháp nghiên cứu
(10)Chƣơng 2: Mơ hình hó to n học hệ ro ot m t nh 11
2.1 Mơ hình đ n giản hóa robot m t bánh 11
2.1.1 Các giả định 11
2.1.2 hư ng pháp Euler- Lagrange 11
2.1.3 Tham số vật lý 14
2.1.4 Các quan hệ tọa đ 15
2 ối với bóng 15
2 ối với thân robot 16
2 ối với đ ng c 16
2.2 hư ng trình Lagrange –Euler 16
2.3 hảo sát đặc tính phi tuyến 18
2.4 Tuyến tính hóa 21
2.5 hư ng trình trạng thái đ y đủ 23
2.6 ết luận 23
Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển 25
3.1 Xây dựng b điều khiển tồn phư ng tuyến tính 25
3.1.1 Mơ hình khơng gian trạng thái tuyến tính 25
3.1.2 Tính tốn đ lợi b điều khiển 27
3.1.3 Mô kiểm tra hệ thống 28
3.2 Xây dựng b điều khiển h i tiếp tuyến tính hóa TTT 33
3.2.1 Cấu trúc nhiệm v điều khiển 33
(11)3.2.3 Mô kiểm tra hệ thống 34
3.3 Xây dựng b điều khiển HTTTH kết hợp LQR 38
3.3.1 đ mô điều khiển TTT – LQR 38
3.3.2 Mô kiểm tra hệ thống khơng có tín hiệu nhi u 39
3.3.3 Mơ kiểm tra hệ thống có tín hiệu nhi u 41
3.4 ết luận 44
Chƣơng 4: Mơ hình thực nghiệm- Kết q 45
4.1 Mơ hình thực nghiệm 45
4.1.1 Thiết kế mơ hình 3D 45
4.1.2 Thiết kế mơ hình thực nghiệm 46
4.2 Mạch điều khiển trung tâm 46
4.2.1 Mạch ngu n 47
4.2.2 Mạch vi điều khiển Tmega 328 48
4.2.3 Mạch công suất điều khiển đ ng c 49
4.3 ưu đ giải thuật hệ thống vi điều khiển 49
4.4 Chư ng trình điều khiển 50
4.5 ết 51
Chƣơng : Kết luận hƣ ng nghiên c u ph t triển 52
5.1 ết đạt 52
5.2 ạn chế 53
5.3 ướng phát triển 53
(12)PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tài liệu liên quan hệ robot m t bánh bao g m
phư ng trình chuyển đ ng, thiết kế mơ hình c khí c chế lái bóng 56 Phụ lục 2: ý thuyết h i tiếp tuyến tính hóa b lọc Kalman 72 Phụ lục 3: Chư ng trình m file chạy Matlab\Simulink điều khiển b ng
(13)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- CMU- Carnegie Mellon University: Ballbot ại học Carnegie Mellon- oa k - TGU- Tohoku Gakuin University: Ballbot ại học Tohoku akuin- hật - ETH - Ballbot Rezero Viện Công ghệ liên bang -Th y ỹ
- CWWU- M t đề xuất b lái bóng kết hợp bánh xe mni bánh c u đ n vị wu wang ,2
- DC - Direct current : Dòng điện m t chiều
(14)DANH MỤC CÁC B NG BIỂU
Trang
Bảng 1: Bảng thông số kỹ thuật hệ robot m t bánh t n
Bảng 2.1: Bảng t ng quát quan hệ tọa đ bóng 15
Bảng 2.2: Bảng t ng quát quan hệ tọa đ thân robot 16
(15)DANH MỤC CÁC LƢU ĐỒ, HÌNH NH
Trang
ình 1: Xe vận tải đ n người seway
ình 2: Ballbot CMU năm
ình 3: Ballbot T U năm
ình 4: Ballbot LEGO –NXT Yorihisa Yamamoto năm ình 1.5: Ballbot Rezero- ET Zurich, witzerland năm ình 1: Mơ hình đ n giản hóa hệ robot m t bánh theo m t mặt ph ng 12
ình 2: Mơ hình phi tuyến hệ robot m t bánh 18
ình 3: óc nghiêng thân robot 19
ình : Vận tốc góc nghiêng thân robot 19
ình 2.5: óc nghiên đ ng c 19
ình 6: Vận tốc góc nghiên đ ng c 20
ình 7: óc nghiên thân robot 20
ình 8: Vận tốc góc nghiên thân robot 20
ình 9: óc nghiên đ ng c 21
ình : Vận tốc góc nghiên đ ng c 21
ình 1: đ mô hệ robot m t bánh dùng giải thuật 28 ình 2: óc nghiêng vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X 28 ình 3: óc nghiêng vận tốc góc nghiên đ ng c robot theo tr c X 29
ình 4: Tín hiệu điều khiển theo tr c X 29
ình 5: óc nghiên vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X 30 ình 6: óc nghiên vận tốc góc nghiên đ ng c robot theo tr c X 30
ình 7: Tín hiệu điều khiển theo tr c X 31
ình 8: óc nghiêng vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X 31 ình 9: óc nghiêng vận tốc góc nghiên đ ng c robot theo tr c X 32
ình : Tín hiệu điều khiển theo tr c X 32
(16)ình 12: áp ứng với ngõ vào hàm nấc hệ thống so với hệ 1/s2 35
ình 13: óc nghiên thân robot so với đáp ứng ngõ vào hàm nấc 36 ình 14: iện áp điều khiển Vx với đáp ứng ngõ vào hàm nấc 36 ình 15: áp ứng với ngõ vào sóng sin hệ thống so với hệ 1/s2 37
ình 16: óc nghiên thân robot so với đáp ứng ngõ vào sóng sin 37 ình 17: iện áp điều khiển Vx với ngõ vào sóng sin 38
ình 18: đ mơ điều khiển 38
ình 19: Tín hiệu điều khiển 39
ình : óc nghiên vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X 39 ình 21: óc nghiên vận tốc góc nghiên đ ng c theo tr c X 40 ình 22: óc nghiên vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c Y 40 ình 23: óc nghiên vận tốc góc nghiên đ ng c theo tr c Y 41
ình 24 : Tín hiệu điều khiển 41
ình 25: óc nghiên vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X 42 Hình 3.26 : óc nghiên vận tốc góc nghiên đ ng c theo tr c X 42 ình 3.27 : óc nghiên vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c Y 43 ình 3.28 : óc nghiên vận tốc góc nghiên đ ng c theo tr c Y 43
ình 1: Hệ robot m t bánh 3D 45
ình 2: C chế b lái bóng hệ robot m t bánh 3D 45
ình 3: ệ robot m t bánh thực nghiệm 46
ình 4: C chế lái bóng mơ hình thực nghiệm 46
ình 4.5: đ khối hệ robot m t bánh 47
ình 6: đ khối mạch ngu n 5V 47
ình 7: đ khối mạch vi điều khiển Atmega 328 48
ình 8: Mạch vi điều khiển Atmega 328 48
ình 9: đ khối mạch công suất điều khiển đ ng c 49
ình : Mạch công suất điều khiển đ ng c 49
(17)Chương
T N QU N V N N N C U
1.1. n
Ngày nay, robot đóng vai trị quan trọng phát triển loài người Trong khoa học kỹ thuật, robot hỗ trợ người thực nhiệm vụ nguy hiểm dị mìn, thăm dị đại dương, thám hiểm vệ tinh, hoạt động quân Ngoài ra, robot hỗ trợ người đời sống ngày robot Asimo hỗ trợ người già qua đường, chăm sóc em bé, robot thổi kèn Toyota phục vụ cho việc giải trí Có thể thấy ứng dụng này, việc nghiên cứu cách thức di chuyển robot vơ quan trọng , định đến chức tính ưu việc trình hoạt động Gần đây, số loại robot hai bánh phát triển mạnh, robot hai bánh ứng dụng cho việc hỗ trợ di chuyển siêu thị, văn phòng, trường học
Từ cách thức di chuyển thông thường mobile robot hai bánh, ba bánh, bốn bánh ho c robot bước kiểu chân người …, khơng tính đến u cầu đ t thù mơi trường ta thấy số nhược điểm như: không linh hoạt việc xoay chuyển hướng bán kính xoay lớn, chiếm nhiều diện tích sử dụng…Từ đề xuất nghiên cứu phương thức di chuyển bánh xe hình cầu… ví dụ, bóng) dựa ngun lý cân lắc ngược Đây ý tưởng cho đề tài luận văn Phạm vi luận văn giải toán điều khiển hệ robot bánh tự cân ổn định
1.2. Th n nh n ng
(18)bóng s hoạt động bánh xe hình cầu, cho phép robot di chuyển theo vài hướng Trái ngược với robot truyền thống, hệ robot bánh dựa vào trọng tâm khối dựa bánh xe để cân hệ robot bánh di chuyển dọc theo m t nghiêng lái bóng mà không bị đổ
1.3. T nh hi i ngh h h h i n i
Con người mơ ước từ lâu trợ lý người máy cá nhân, tạo để thực nhiệm vụ Một yêu cầu tạo robot có kích thước hình dạng tương tự người Nhiều robot có liên quan đến việc sử dụng hai, ba ho c bốn bánh xe, thiết lập bánh xe sở đủ lớn để robot đứng thẳng đứng Tuy nhiên, dựa vào kích thước bánh xe sở làm giới hạn việc thực robot, bánh xe sở phải nhỏ đáng kể so với chiều cao hình dạng giống người Vì vậy, có thay đổi nhỏ vị trí trọng tâm đủ để làm cho robot trở nên không ổn định Điều sửa chữa cách hạ thấp trọng tâm robot để giảm bất ổn định Tuy nhiên, việc sửa chữa thường kèm với chi phí đáng kể thêm vào robot Ngoài ra, bất ổn định robot, nên tốc độ di chuyển thường bị hạn chế qn tính robot làm cho lật
Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển để nâng cao chất lượng hệ thống robot cịn có liên quan đến chương trình giáo dục sinh viên học sinh th vị vấn đề nhà khoa học quan tâm Trong thực tế khơng tránh khỏi tác động tín hiệu nhiểu, nên tốn ổn định chuyển động có ý ngh a quan trọng m t lý thuyết m t thực ti n Chính điều mà nhiều nhà học nhà tốn học lỗi lạc tập trung nghiên cứu vấn đề ơn nữa, việc nghiên cứu robot di chuyển địa hình hẹp cần thiết, đ c biệt thành phố lớn trường đại học lớn giới quan tâm
(19)t nh Vấn đề ổn định động lực học sử dụng tiếng robot hai bánh tự cân Segway năm gần hình 1.1)
nh 1: X n i ơn ngư i -Segway
ơn việc kiểm tra sửa đổi điều khiển cho hệ robot bánh s cần thiết thực để đạt robot bánh tự cân ổn định Khi đạt mục đích này, điều khiển cho hệ robot bánh s phát triển thêm phép điều khiển cách sử dụng điều khiển cầm tay
Hy vọng với phát triển robot bánh công nghệ liên quan, robot bánh tự cân hành động người hỗ trợ người
1.4. T nh h nh nghi n nh h
(20)xây dựng thử nghiệm Đại học Tohoku akuin T U) Nhật năm 2008 hình 1.3) tương tự , sử dụng hệ thống khí phức tạp có giải pháp hình dáng lịch
Ballbot CMU có chiều cao chân giống hình dáng người hình 1.2) iáo sư alph ollis cộng chứng minh Ballbot CMU mạnh m , xử lý va chạm với đồ vật trang trí nội thất tường ọ cho thấy loạt hành vi th vị robot người phát triển có hoạch định kế hoạch kiểm soát thuật toán điều khiển ballbot CMU ọ đồng thời chứng minh khả tự điều hướng giám sát nhiệm vụ ballbot CMU Năm 2010 ballbot CMU cấp sáng chế năm 2011 ballbot CMU thiết kế gắn thêm hai cánh tay hai bậc tự để phục vụ nghiên cứu ứng dụng số l nh vực