Đề tài được thực hiện với mục đích chính là chế tạo một mô hình để nghiên cứu về các thuật toán điều khiển phức tạp ứng dụng trong việc giảng dạy tại trường Ngoài ra nếu mô hình này thành công có thể có một số ứng dụng như sau Robot lễ tân robot an ninh hoặc robot vận chuyển hàng trong kho… Đề tài tiến hành nghiên cứu một số nội dung sau • Tìm hiểu tổng quan về đề tài lịch sử ra đời và các nguyên mẫu trước đây đã được thực hiện trên thế giới • Từ mô hình được thiết kế ta sẽ tiến hành mô hình hóa mô hình đó bằng mô hình toán từ đó có thể phân tích về động học cũng như động lực học Từ những phân tích trên ta sẽ tiến hành nghiên cứu các thuật toán điều khiển phù hợp • Hai phương pháp điều khiển được đưa ra để nghiên cứu điều khiển cho mô hình đó là Bộ điều khiển PID và Bộ điều khiển LQR Đề tài cũng nghiên cứu tìm hiểu về hai bộ điều khiển này ưu nhược điểm cũng như là phương pháp tính toán phương pháp thực nghiệm • Nghiên cứu thiết kế mô hình cơ khí phù hợp với các ứng dụng cụ thể • Tìm hiểu các thành phần phần cứng phù hợp để điều khiển mô hình như mạch xử lý góc mạch xử lý trung tâm và động cơ là những thành phần quan trọng • Đề tài cũng nghiên cứu qua một số chuẩn giao tiếp của vi điều khiển để ứng dụng trong mô hình Cuối cùng của đề tài sẽ rút ra được một số kết luận về ảnh hưởng của các kết cấu đến việc điều khiển và hiệu quả của các bộ điều khiển đối với mô hình
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT CÂN BẰNG TRÊN QUẢ CẦU Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Số thẻ sinh viên : Lớp: TS NGUYỄN DANH NGỌC CAO THANH BỘ PHẠM TRƯỜNG HƯNG 101130153 101130164 13CDT1 Đà Nẵng, 2018 TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot cân băng cầu Sinh viên thực hiện: Phạm Trường Hưng Số thẻ SV: 101130164 Lớp: 13CDT1 Sinh viên thực hiện: Cao Thanh Bộ Số thẻ SV: 101130153 Lớp: 13CDT1 Đề tài thực với mục đích chế tạo mơ hình để nghiên cứu thuật toán điều khiển phức tạp, ứng dụng việc giảng dạy trường Ngồi mơ hình thành cơng có số ứng dụng sau: Robot lễ tân, robot an ninh robot vận chuyển hàng kho… Đề tài tiến hành nghiên cứu số nội dung sau: • Tìm hiều tổng quan đề tài, lịch sử đời nguyên mẫu trước thực giới • Từ mơ hình thiết kế, ta tiến hành mơ hình hóa mơ hình mơ hình tốn, từ phân tích động học động lực học Từ phân tích ta tiến hành nghiên cứu thuật toán điều khiển phù hợp • Hai phương pháp điều khiển đưa để nghiên cứu điều khiển cho mô hình Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển LQR Đề tài nghiên cứu tìm hiểu hai điều khiển này, ưu nhược điểm phương pháp tính tốn, phương pháp thực nghiệm • Nghiên cứu thiết kế mơ hình khí, phù hợp với ứng dụng cụ thể • Tìm hiểu thành phần phần cứng phù hợp để điều khiển mô mạch xử lý góc, mạch xử lý trung tâm động cơ, thành phần quan trọng • Đề tài nghiên cứu qua số chuẩn giao tiếp vi điều khiển để ứng dụng mơ hình Cuối đề tài rút số kết luận ảnh hưởng kết cấu đến việc điều khiển hiệu điều khiển mơ hình ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành Phạm Trường Hưng 101130164 13CDT1 Cơ điện tử Cao Thanh Bộ 101130153 13CDT1 Cơ điện tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo Robot cân cầu Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… ………………………………………………………………………………………… … ………………………………….… ……………………… ……………………… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung Phạm Trường Hưng Cao Thanh Bộ • Tìm hiểu tổng quan đề tài • Xây dựng mơ hình tốn • Kết luận đánh giá kết b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Phạm Trường Hưng Cao Thanh Bộ Nội dung • Thiết kế chế tạo ngun mẫu robot • Tìm hiểu thiết kế thiết kế điều khiển Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): TT Họ tên sinh viên Phạm Trường Hưng Cao Thanh Bộ Nội dung • • • • • Kết cấu khí Sơ đồ mạch Mơ hình mơ Sơ đồ khối chức Lưu đồ thuật toán Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung: TS Nguyễn Danh Ngọc Thiết kế điều khiển TS Lê Hoài Nam Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Thiết kế khí …… /……./201… …… /……./201… Đà Nẵng, ngày tháng năm 201 Trưởng Bộ mơn……………………… Người hướng dẫn LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với phát triển công nghiệp, cách mạng công nghiệp lần thứ tư diễn Các nhà máy dây chuyền ngày đại với mức độ xác tự động hóa cao, điều địi hỏi người kĩ sư làm việc cần phải có kiến thức chun mơn vững vàng phải rèn luyện kĩ sinh viên Đặc biệt sinh viên nghành Cơ điện tử, với đặc thù ngành phải biết nhiều rộng, từ khí, điện tử lập trình phải rèn luyện kĩ hơn, nên có kinh nghiệm thực tế nhiều Với mong muốn tạo mơ hình, mà từ đưa vào ứng dụng vào việc giảng dạy nhà trường để nâng cao khả sinh viên, chúng em định chọn đề tài “Thiết kế chế tạo Robot cân cầu” Mơ hình kết hợp khó nhiều kĩ năng, yêu cầu phải có kiến thức thiết kế CAD/CAM, có khả tính tốn mơ hình hóa mơ hình, xử lý tín hiệu cảm biến, thiết kế điều khiển khả lập trình nhúng Từ đó, sinh viên có nhiều kiến thức thơng qua việc học tập dựa mơ hình thực Nếu thành cơng, ngồi mục đích ứng dụng vào giảng dạy với khả linh động kích thước mình, mơ hình cịn ứng dụng vào làm Robot lễ tân, Robot an ninh Robot chở hàng kho… Nội dung báo cáo Đồ án tốt nghiệp gồm chương: Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÂN BẰNG TRÊN QUẢ CẦU Chương MÔ HÌNH TỐN HỌC Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO NGUYÊN MẪU ROBOT Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nhân đây, em xin đại diện cho nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đên thầy Khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà nẵng, suốt năm qua giảng dạy, truyền thụ kiến thức cho chúng em Xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến Thầy TS Nguyễn Danh Ngọc, người hỗ trợ mặt kiến thức cho nhóm, kịp thời động viên lúc khó khăn Tuy kết mơ hình chưa thành công, thực giúp đỡ thầy vơ có ý nghĩa với nhóm Một lần em xin chân thành cảm ơn.! Nhóm sinh viên thực i CAM ĐOAN Tôi xin cam đaong đồ án tơi tự tính tốn, thiết kế nghiên cưứu hướng dẫn TS Nguyễn Danh Ngọc Để hồn thành đồ án nầy, tơi sử dụng tài liệu ghi mục taài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Nhóm sinh viên thực Phạm Trường Hưng Cao Thanh Bộ ii Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án Lời nói đầu cảm ơn Lời cam đoan liêm học thuật i ii Mục lục Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ iii vi Danh sách cụm từ viết tắt viii Trang Chương 1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÂN BẰNG TRÊN QUẢ CẦU Khái niệm cấu trúc 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Cấu trúc 1.2 Lịch sử phát triển Chương 2.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC Giả thiết mơ hình 3D 2.1.1 Giả thiết 2.1.2 Mô hình 3D 2.2 Hệ tọa độ phép biến đổi hệ toạ độ 2.2.1 Định nghĩa hệ toạ độ 2.2.2 Các phép biến đổi hệ tọa độ 2.3 Xây dựng mơ hình tốn học 2.3.1 Các biến số mơ hình 2.3.2 Tham số mơ hình 11 2.3.3 Phương trình chuyển động 14 2.3.4 Mơ hình khơng gian trạng thái 15 2.4 Mô đáp ứng hệ thống 19 2.4.1 Đáp ứng tự 20 2.4.2 Đáp ứng cưỡng 21 iii Chương 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 22 Nền tảng lí thuyết điều khiển PID 22 3.1.1 Cấu trúc tổng quan 22 3.1.2 Điều chỉnh thông số điều khiển PID 23 3.2 Nền tảng lí thuyết điều khiển LQG 23 3.2.1 Điều khiển không gian trạng thái 23 3.2.2 Bộ điều chỉnh LQR 24 3.2.3 Bộ lọc Kalman 27 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho BBR 29 3.3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển PID 29 3.3.2 Bộ điều khiển LQG 31 3.3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển 32 Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO NGUYÊN MẪU ROBOT 35 4.1 Kiến trúc tổng quan 35 4.2 Thiết kế kết cấu khí 36 4.2.1 Yêu cầu chung 36 4.2.2 Ảnh hưởng thơng số mơ hình đến chất lượng điều khiển 36 4.2.3 Thiết kế mơ hình 3D 37 4.2.4 Lựa chọn vật liệu, phương pháp gia công chi tiết khí 39 4.2.5 Thơng số mơ hình 40 4.3 Thiết kế hệ thống điện tử 40 4.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử 40 4.3.2 Khối xử lý trung tâm 41 4.3.3 Khối nguồn 43 4.3.4 Khối cảm biến góc nghiêng 45 4.3.5 Khối điều khiển động 46 4.3.6 Khối điều khiển từ xa 49 4.3.7 Khối thu thập liệu, giao tiếp máy tính 49 iv 4.4 Chế tạo nguyên mẫu 49 4.4.1 Chế tạo lắp ráp nguyên mẫu robot 49 4.4.2 Chế tạo hệ thống giá treo di động hỗ trợ thực nghiệm 50 4.5 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển 51 4.5.1 Chương trình xử lý góc 51 4.5.2 Chương trình điều khiển trung tâm 53 4.5.3 Chương trình điều khiển động 54 4.6 Hệ thống thu thập liệu 55 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 5.1 Kết luận 57 5.2 Một số kinh nghiệm hướng phát triển 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Phụ lục A – Xác định ma trận Jacobian ánh xạ từ vector vận tốc biến khớp đến khâu chấp hành cuối Phụ lục B - Momen quán tính khối lăng trụ đặc với trục quay B1 – Momen quán tính khối lăng trụ đặc với trục x y B2 – Momen quán tính khối lăng trụ đặc với trục z Phụ lục C - Xác định ma trận J Phụ lục D - Xác định ma trận M, C, G 15 Phụ lục E - Xác định ma trận A, B, C 22 Phụ lục F - Các thông số mơ hình BBR 28 Phụ lục G – Chương trình điều khiển 30 v DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 - Môt số nguyên mẫu robot (từ trái qua phải) Đại học CMU , TGU, ETH Zurich Hình 2.1- Mơ hình BBR 3D Hình 2.2 - Các hệ tọa độ Hình 2.3 - Vector vận tốc bóng Hình 2.4 - Vị trí xếp bánh xe đa hướng 10 Hình 2.5 - Ước lượng momen qn tính phần thân 12 Hình 2.6 - Mơ tả hệ hở Simulink 19 Hình 2.7 - Khối BBR_3D Simulink 20 Hình 2.8 - Đáp ứng tự với góc pitch ban đầu 0.10 21 Hình 2.9 - Đáp ứng cưỡng với momen ban đầu 0.01N.m 21 Hình 3.1 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian trạng thái [2] 24 Hình 3.2 - Q trình dự đốn cập nhật 29 Hình 3.3 - Hệ thống điều khiển BBR với điều khiển PID 30 Hình 3.4 Hệ thống điều khiển BBR với điều khiển LQG 32 Hình 3.5 Đáp ứng hệ thống cân 32 Hình 3.6 - Đáp ứng hệ thống với điều khiển LQG PID vọt lố nhỏ tín hiệu đặt thay đổi: (a) thay đổi xs; (b) thay đổi ys (c) thay đổi 𝜓𝑧 33 Hình 3.7 - Đáp ứng hệ thống với điều khiển LQG PID đáp ứng nhanh tín hiệu đặt thay đổi: (a) thay đổi xs; (b) thay đổi ys (c) thay đổi 𝜓𝑧 33 Hình 4.1 - Kiến trúc tổng quan nguyên mẫu BBR 35 Hình 4.2 - Mơ hình 3D ngun mẫu BBR 37 Hình 4.3 - Mơ hình 3D nguyên mẫu BBR: phần đế 38 Hình 4.4 - Mơ hình 3D ngun mẫu BBR: phận 38 Hình 4.5 - Bóng rổ size 39 Hình 4.6 - Bánh xe đa hướng loại hàng (trái) nối trục (phải) 40 Hình 4.7 – Sơ đồ khối hệ thống điện tử 40 Hình 4.8 - Arduino Mega2560 42 Hình 4.9 - Module thu phát HC-11 CC1101 43 Hình 4.10 - Acquy 44 Hình 4.11 - Module hạ áp LM2596 44 Hình 4.12 - Kit điều khiển Arduino Nano 45 Hình 4.13 - Cảm biến góc nghiêng MPU6050 HMC5883L 46 vi ... chương: Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÂN BẰNG TRÊN QUẢ CẦU Chương MÔ HÌNH TỐN HỌC Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO NGUYÊN MẪU ROBOT Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nhân... TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÂN BẰNG TRÊN QUẢ CẦU 1.1 Khái niệm cấu trúc 1.1.1 Khái niệm Robot cân cầu (ball balancing robot – BBR), gọi Ballbot gọi theo tên nguyên mẫu nghiên cứu chế tạo vào năm 2006... dựng mơ hình tốn • Kết luận đánh giá kết b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Phạm Trường Hưng Cao Thanh Bộ Nội dung • Thiết kế chế tạo ngun mẫu robot • Tìm hiểu thiết kế thiết kế điều khiển Các