Điều khiển cân bằng và bám quỹ đạo bicyrobot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  HUỲNH MINH SÁNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ BÁM QUỸ ĐẠO BICYROBOT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  HUỲNH MINH SÁNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ BÁM QUỸ ĐẠO BICYROBOT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Cán chấm nhận xét 1: TS Trần Ngọc Huy Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Võ Công Phương Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Trọng Tài TS Nguyễn Lê Dũng TS Trần Ngọc Huy PGS.TS Võ Công Phương TS Phạm Việt Cường Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH MINH SÁNG MSHV: 1670336 Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1993 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển cân bám quỹ đạo bicyrobot II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp cân robot xe đạp, từ chọn phương pháp thích hợp để điều khiển mơ hình thực tế Các nội dung cụ thể : Mơ hình hóa hệ bicyrobot Thiết kế mơ điều khiển thích hợp Giao tiếp với IMU để xác định góc nghiêng xe Điều khiển mơ hình thực tế III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA … ……… LỜI CÁM ƠN Trước hết, xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới PGS TS Huỳnh Thái Hoàng, người định hướng đề tài ln tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Điều Khiển Tự Động tận tình giảng dạy truyền đạt khơng kiến thức mà kinh nghiệm quý giá cho tơi suốt q trình học tập Cảm ơn bạn học viên khóa cao học 2016, ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mọi người người bạn đồng hành thân thiết tơi q trình học tập Đặc biệt xin cảm ơn gia đình hỗ trợ, động viên giúp tơi có động lực để phấn đấu cơng việc sống TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Tác giả Huỳnh Minh Sáng TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn xây dựng điều khiển cân hệ thống robot dạng xe đạp dựa lý thuyết cân lắc ngược quay sử dụng bánh đà Quy trình điều khiển chia làm phần : điều khiển cân điều khiển bám quỹ đạo Đầu tiên, thực phân tích, mơ hình hóa hệ thống bicyrobot Sau đó, xây dựng điều khiển LQR để điều khiển cân hệ thống Để điều khiển bám quỹ đạo, điều khiển mờ nghiên cứu sử dụng Áp dụng điều khiển lên hệ thống thực tế sử dụng Matlab/Simulink Waijung Blockset thông qua kit STM32F4xx Robot với điều khiển thiết kế kiểm nghiệm thực tế nhiều lần nhằm tìm hệ số điều khiển tối ưu ABSTRACT The thesis builds a balanced robot bicycle system based on the theory of rotational pendulum balance using flywheels Process control is divided into two main parts: balance control and path tracking control First, perform an analysis, modeling the bicyrobot system Then, build the LQR controller to balance the system For path tracking control, the fuzzy controller was used Apply controller to actual system using Matlab / Simulink and Waijung Blockset via STM32F4xx kit Robots with the designed controller is tested several times to find out the optimal control factor LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS TS Huỳnh Thái Hoàng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Bách Khoa TP HCM không liên quan đến vi phạm (nếu có) tác quyền, quyền tơi gây q trình thực TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2018 Tác giả Huỳnh Minh Sáng i MỤC LỤC MỤC LỤC _ i DANH MỤC CỤM TỪ VIẾT TẮT _ iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU BICYROBOT _1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3 Mục tiêu luận văn _ 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu 15 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết 15 1.4.2 Đề xuất giải thuật 16 1.4.3 Mô kiểm chứng thực nghiệm _17 1.5 Cấu trúc luận văn _ 17 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BICYROBOT _18 2.1 Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống _ 18 2.2 Phương pháp điều khiển _ 23 2.2.1 Bộ điều khiển LQR _23 2.2.2 Điều khiển mờ _25 2.2.3 Thiết kế điều khiển LQR_Điều khiển cân bicyrobot 27 2.2.4 Thiết kế điều khiển Fuzzy _31 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BICYROBOT 35 3.1 Đọc liệu IMU _ 35 3.2 Điều khiển cân _ 38 3.3 Điều khiến bám quỹ đạo _ 41 ii CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BICYROBOT 44 4.1 Mơ hình hệ thống Bicyrobot 44 4.2 Kết điều khiển thực tế 55 4.2.1 Đọc liệu IMU _55 4.2.2 Điều khiển cân 56 KẾT LUẬN _62 * Đánh giá kết _ 62 * Hướng phát triển _ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO _63 53 Mơ hình thực tế sau xây dựng Hình 4.10: Mơ hình hệ thống hồn chỉnh Các thơng số hệ thơng thực tế có đo đạc, sử dụng phần mềm tính tốn, ước lượng, thơng số kỹ thuật thiết bị lựa chọn sử dụng cho bảng sau: Khối lượng xe (m1) 1.8 (kg) Khối lượng bánh đà (m2) 0.384 (kg) Chiều cao tâm xe (L1) 0.08 (m) Chiều cao tâm bánh đà (L2) 0.14 (m) Bảng 4.1: Giá trị thông số mơ hình thực tế 54 Điện trở động (Rm) 5.7 (Ohm) Hằng số moment (Kt) 0.0084 (Nm/A) Hằng số emf động (Ke) 0.0084 V/(rad/s) Tỉ số bánh (Ng) 33 Bảng 4.2: Giá trị thông số động Moment quán tính bánh đà (I2) 0.00082 (kg.m2) Moment quán tính xe (I1) 0.0015 (kg.m2) Bảng 4.3: Giá trị mơ hình tính tốn thực tế 55 4.2 Kết điều khiển thực tế 4.2.1 Đọc liệu IMU Hình 4.11: Sơ đồ khối Simulink lọc Kalman 56 Hình 4.12: Kết lọc Kalman liệu đọc từ IMU 4.2.2 Điều khiển cân Hình 4.13: Bộ điều khiển LQR 57 Hình 4.14: Sơ đồ điều khiển cân 58 Giải thích khối sơ đồ Simulink: Hình 4.15: Khối target setup Hình 4.16: Thiết lập thông số kết nối STM32 Matlab 59 Hình 4.17: Khai báo I2C UART Hình 4.18: Đáp ứng góc nghiêng theta ban đầu nhỏ 60 Hình 4.19: Đáp ứng xe góc ban đầu = 5o Hình 4.20: Đáp ứng với góc ban đầu = 6o R lớn 61 Hình 4.21: Đáp ứng có ngoại lực tác động Nhận xét: Khi R lớn, hệ thống nhanh đạt đến vị trí cân bằng, đồng thời xuất hiện tượng “chattering”, xe bị rung, dao động nhiều Khi R nhỏ, trọng số lượng nhỏ, góc nghiêng xe bị dao dộng nhiều, hệ thống khó đạt cân hơn, có ưu điểm xe chạy êm 62 KẾT LUẬN * Đánh giá kết Qua việc thực mô chạy thực tế mơ hình, đề tài đạt kết sau: • Xây dựng điều khiển LQR điều khiển cân hệ bicyrobot • Sử dụng điều khiển LQR mơ hình bicyrobot Điều khiển cân mơ hình thực tế • Chưa áp dụng điều khiển mờ vào mô hình thực tế để điều khiển robot bám quỹ đạo đặt Trong q trình thực điều khiển mơ hình thực tế, học viên nhận thấy: • Khi sử dụng LQR, thơng số mơ hình quan trọng, thơng số mơ hình đưa xác đảm bảo hệ thống đứng yên điểm cân Ngược lại, hệ thống dao động quanh điểm cân bằng, điểm hạn chế đề tài điều khiển thực tế mơ hình * Hướng phát triển Để điều khiển hệ bicyrobot có độ ổn định cao ta cần phát triển đồng thời phần cứng phần mềm mơ hình: • Về phần cứng: Sử dụng phần mềm (Solidworks, CAD ) để thiết kế, tính tốn thơng số mơ hình cách xác • Về phần mềm (giải thuật điều khiển): Thiết kế điều khiển khác Neural, điều khiển trượt áp dụng bicyrobot để tìm kết điều khiển tốt • Nhận dạng xác thơng số hệ thống ước lượng thông số động cơ, áp dụng phương pháp điều khiển LQR • Sử dụng diều khiển mờ điều khiển robot bám quỹ đạo thực tế để kiểm chứng 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BEZNOS A.V., FORMAL’SKY A.M., GURFINKEL E.V., JICHAREV D.N., LENSKY A.V., SAVITSKY K.V AND TCHESALIN L.S., Control of Autonomous Motion of TwoWheel Bicycle with Gyroscopic Stabilisation Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, May 1998, pp 2670 - 2675 [2] SPRY S.C., GIRARD A.R., Gyroscopic Stabilization of Unstable Vehicles: Configurations, Dynamics, and Control (International Journal of) VEHICLE SYSTEM DYNAMICS, 46 (2008), Suppluement S1, pp 247 - 260 [3] THANH B.T., PARNICHKUN M., Balancing Control of Bicyrobo by Particle Swarm Optimization-Based Structure-Specified Mixed H2/ H∞ Control INTERNATIONAL JOURNAL of ADVANCED ROBOTIC SYSTEMS, (2008), pp 395 - 402 [4] SUNTHARASANTIC S, RUNGTWEESUK P AND WONGSAISUWAN, M., Piecewise affine model approximation for unmanned cicycle, Proceedings of the SICE Annual Conference 2011, September 13-18, 2011, Waseda University, Tokyo, Japan, 2011, pp 1063 - 1068 [5] YETKIN, H., KALOUCHE S., VERNIER M., COLVIN G., REDMILL K AND ÖZGüNER Ü., Gyroscopic Stabilization of an Unmanned Bicycle, Proceedings of the 2014 American Control Conference (ACC) June 4-6, 2014 Portland, Oregon, USA, 2014, pp 4549 - 4554 [6] LAM P.Y., Gyroscopic stabilization of a kid–size bicycle, Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS), 2011, pp 246 - 252 [7] ZHANG Y., WANG P., YI J., SONG D AND LIU T., Stationary Balance Control of a Bikebot, Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Hong Kong Convention and Exhibition Center May 31 - June 7, 2014 Hong Kong, China, pp 6706 - 6711 64 [8] HE J., ZHAO M., Control system design of self–balanced bicycles with control momemnt gyroscope Proceedings of the 2015 China Intelligent Automation Conference LECTURE NOTES in ELECTRICAL ENGINEERING, 338 (2015), pp 205 - 214 [9] FAJANS J., Steering in bicycles and motorcycles, AMERICAN JOURNAL of PHYSICS, 68 (2000), No.7, pp 654 - 659 and http://socrates.berkeley.edu/~fajans/Teaching/bicycles.html [10] COADY S., HATHEWAY B., MASSON CH AND VIRTANEN T., Self – Stabilizing Bicycle Final Project Report of MECH 4020 (Team #7 Project) - Design Project [11] ANDREO D., CERONE V., DZUNG D AND REGRUTO D., Experimental results on LPV stabilization of a riderless bicycle, Proceedings of the 2009 American Control Conference Hyatt Regency Riverfront, St Louis, MO, USA June 10-12, 2009 pp 3124- 3129 Paper ThB15.3 [12] CERONE V., ANDREO D., LARSSON M AND REGRUTO D., Stabilization of a Riderless Bicycle: A Linear-Parameter-Varying Approach, IEEE CONTROL SYSTEMS MAGAZINE, 23 (2010/October), pp 23 - 32 [13] GUO L., LIAO Q AND WEI S., Nonlinear Stabilization of Bicycle Robot Steering Control System, Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August - 12, Changchun, China, pp 3185- 3189 [14] GUO L., LIAO Q., WEI S LEI GUO AND ZHUANG Y., Design of Linear Quadratic Optimal Controller for Bicycle Robot, Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics Shenyang, China August 2009, pp 1968 1972 [15] SMERPITAK K., UKAKIMAPARN P., TRISUWANANWAT T AND TRAKOONKOOTAWORN S., An Unmanned Bicycle versus Linear Quadratic Optimal Controls Proceedings of the 12th International Conference on Control, Automation and Systems Oct 17-21, 2012 in ICC, Jeju Island, Korea 2012, pp 1337- 1341 65 [16] YU W.S.,YEH C.C., Steering and Balance Controls of an Electrical Bicycle Using Integral Sliding Mode Control, Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation Shanghai International Conference Center May 9-13, 2011, Shanghai, China, 2011, pp 6168- 6173 [17] KANJANAWANISHKUL K., LQR and MPC controller design comparison for a stationary self–balancing bicycle robot with a reaction wheel, KYBERNETIKA, 51 (2015), pp 173 - 191 [18] KIM Y., KIM H AND LEE J., Stable control of the bicycle robot on a curved path by using a reaction wheel JOURNAL of MECHANICAL SCIENCE and TECHNOLOGY, 29 (2015), No.5, pp 2219 - 2226 [19] ARGI A.F, BAYRAKTAROGLU Z.Y., Modelling, control system design and simulation of an autonomous bicycle, Proceedings of the IASTED International Conference Modelling, Identification and Control (MIC 2014) February 17 - 19, 2014 Innsbruck, Austria, 2014, pp 62 - 68 [20] GETZ N.H., MARSDEN J.E., Control for an autonomous bicycle, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 21-27 May 1995, Nagoya, Japan, vol 2., pp 1397–1402 [21] YAMAKITA M, UTANO A., Automatic Control of Bicycle with Balancer, Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Monterey, California, USA, 24-28 July, 2005, pp 12451250 Paper WA5-03 [22] YAMAKITA M., UTANO A AND SEKIGUCHI K., Experimental Study of Automatic Control of Bicycle with Balancer, Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems October - 15, 2006, Beijing, China, 2006, pp 5606 - 5611 [23] KEO L., YAMAKITA M., Trajectory Control for an Autonomous Bicycle with Balancer, Proceedings of the 2008 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics July - 5, 2008, Xi’an, China, pp 676 - 681 66 [24] KEO L., YAMAKITA M., Controlling Balancer and Steering for Bicycle Stabilization, Proceedings of the 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems October 11-15, 2009 St Louis, USA, 2009, pp 4541 - 4546 [25] KEO L., YAMAKITA M., Control of an Unmanned Electric Bicycle with Flywheel Balancer TRANSACTIONS of the JAPAN SOCIETY for SIMULATION TECHNOLOGY, (2010), No.1, pp 32 - 38 [26] KEO L., YAMAKITA M., Control of an Autonomous Electric Bicycle with both Steering and Balancer Controls, ADVANCED ROBOTICS, 25 (2011), pp - 22 [27] KEO L., YOSHINO K., KAWAGUCHI M AND YAMAKITA M., Experimental Results for Stabilizing of a Bicycle with a Flywheel Balancer, Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation Shanghai International Conference Center May 9-13, 2011, Shanghai, China, 2011, pp 6150 - 6155 [28] Y Tanaka and T Murakami, Self Sustaining Bicycle Robot with Steering Controller, The 8th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, 2004 AMC ’04, IEEE, Piscataway, NJ, 2004, pp 193–197 [29] Passino K., Yurkovich S., Fuzzy control, Addison Wesley, 1998 [30] C D Jung, J Mook, Kang and C H Park, “Study of Engine Oil Replacement Time Estimate Method using Fuzzy and Neural Network Algorithm in Ubiquitous Environment”, International Journal of Control and Automation (IJCA), vol 6, no 3, (2013), pp 267-280 [31] Mark W.Spong, Peter Corke, Rogelio Lozano, “Nonlinear control of the reaction wheel pendulum”, Automatica 37 (2001), pp1845-1851 67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HUỲNH MINH SÁNG Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1993 Nơi sinh: Tây Ninh Địa liên lạc: 15 Nguyễn Du, Lộc Du, Trảng Bàng, Tây Ninh Điện thoại: 01264183414 Email: huynhminhsang93@gmail.com Khóa (năm trúng tuyển) 2016 – Đợt QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2011 – 2016: Học đại học trường Đại học Bách Khoa TP HCM Chuyên ngành: Hệ thống điện 2016 – nay: Học cao học trường Đại học Bách Khoa TP HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Q TRÌNH CƠNG TÁC 06/2017 – nay: làm việc phận Kỹ thuật – Công ty TNHH Schindler Vietnam ... đầu vào cho điều khiển mờ, tín hiệu điều khiển vận tốc Hình 2.8: Phương pháp điều khiển bám quỹ đạo Thiết kế điều khiển mờ: Xác định biến vào, đối tượng cần điều khiển (bicyrobot) Các biến vào:... tích, mơ hình hóa hệ thống bicyrobot Sau đó, xây dựng điều khiển LQR để điều khiển cân hệ thống Để điều khiển bám quỹ đạo, điều khiển mờ nghiên cứu sử dụng Áp dụng điều khiển lên hệ thống thực tế... công điều khiển LQR, điều khiển dự báo dựa vào mơ hình để điều khiển cân hệ BicyRobot Việc nghiên cứu thực mô môi trường Matlab/Simulink thực điều khiển cân mơ hình thực tế Các kết từ hai điều khiển