Luận án tiến sĩ điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2020 i VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Phan Xuân Minh TS Phạm Văn Bạch Ngọc Hà Nội – 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, hoàn thành hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh TS Phạm văn Bạch Ngọc Các kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà nội, tháng 10 năm 2020 Tác giả Hà Thị Kim Duyên iii LỜI CẢM ƠN Luận án hồn thành với nỗ lực khơng ngừng tác giả giúp đỡ từ thầy giáo hướng dẫn, bạn bè người thân Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời tri ân tới GS.TS Phan Xuân Minh TS Phạm Văn Bạch Ngọc, giáo, thầy giáo tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo cán Viện Công nghệ thông tin, Học viện Khoa học Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam) nhiệt tình giúp đỡ tạo môi trường nghiên cứu tốt để tác giả hồn thành cơng trình mình; cảm ơn thầy, cô đồng nghiệp nơi mà tác giả tham gia viết có góp ý xác để tác giả có công bố ngày hôm Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, đồng nghiệp khoa Điện tử nơi tác giả công tác ủng hộ để luận án hoàn thành thời hạn Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn chân thành đồng hành tác giả suốt thời gian qua Hà Nội, tháng 10 năm 2020 Nghiên cứu sinh Hà Thị Kim Duyên iv MỤC LỤC Trang phụ bìa……… ………………………………………………… ……… i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG 1.1 Robot tự hành di chuyển bánh đa hướng 1.2 Bài toán điều khiển bám quỹ đạo 1.2.1 Giai đoạn lập phương án chuyển động 1.2.2 Giai đoạn thiết kế quỹ đạo 1.2.3 Điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 11 1.4 Kết luận chương 16 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG 17 2.1 Xây dựng mơ hình động học, động lực học cho robot tự hành bốn bánh đa hướng 17 2.1.1 Bánh xe Omni 17 2.1.2 Mơ hình động học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42] 19 2.1.3 Mơ hình động lực học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42] 22 2.1.4 Mơ kiểm chứng kết mơ hình hóa mơ hình robot 23 2.2 Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng thông dụng 24 2.2.1 Bộ điều khiển PID cho FWOMR 25 v 2.2.2 Bộ điều khiển trượt cho FWOMR 26 2.2.3 Bộ điều khiển đa mặt trượt cho FWOMR 28 2.2.4 Mô kiểm chứng thuật toán 31 2.3 Kết luận chương 35 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG 36 3.1 Thuật toán điều khiển mặt trượt động 36 3.1.1 Xây dựng thuật toán điều khiển bám quĩ đạo mặt trượt động cho FWOMR… 36 3.1.2 Mơ kiểm chứng kết thuật tốn 40 3.2 Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR 44 3.2.1 Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ 44 3.2.2 Mơ kiểm chứng thuật tốn 47 3.3 Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi nơ ron mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR 50 3.3.1 Xấp xỉ thành phần bất định mơ hình FWOMR sử dụng mạng nơ ron bán kính xuyên tâm 50 3.3.2 Xây dựng luật mờ cho AFNNDSC 55 3.3.3 Kết mô 56 3.4 Kết luận chương 62 CHƯƠNG CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 64 4.1 Thiết kế chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng 64 4.1.1 Thiết kế cấu, khí xây dựng Omni thực tế 64 4.1.2 Thiết kế cấu trúc mạch điều khiển cho robot 65 4.1.3 Phần mềm điều khiển cho robot 66 4.2 Cài đặt thuật toán chạy thử nghiệm 67 4.2.1 Lập trình phần mềm nhúng vi xử lý thuật tốn điều khiển 67 4.2.2 Kết robot môi trường Gazebo Rviz để mô kiểm chứng…… 69 4.2.3 Kết chạy thực nghiệm thực tế 70 vi 4.3 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 86 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt NCS FWOMR OMR RBFNN DSC AFDSC ANNDSC Nghiên cứu sinh Four-wheeled Omnidirectional Robot tự hành bốn bánh đa Mobile Robot hướng Omnidirectional Mobile Robot Robot tự hành đa hướng Radial Basis Function Neural Mạng Nơ ron bán kính xuyên Network tâm Dynamic Surface Control Mặt trượt động Adaptive Fuzzy Dynamic Surface Điều khiển mặt trượt động Control Adaptive thích nghi mờ Neural Network Điều khiển mặt trượt động Dynamic Surface Control thích nghi nơ ron Adaptive Fuzzy Neural Network Điều khiển mặt trượt động Dynamic Surface Control thích nghi mờ, nơ ron Multi Surface Sliding Control Điều khiển đa mặt trượt Proportional–Integral– Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích Derivative phân Personal Computer Máy tính cá nhân SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt VSS Variable Structure System Hệ thống có cấu trúc thay đổi MCU Micro Control Unit Vi điều khiển FLS Fuzzy Logic System Hệ logic mờ ROS Robot Operating System Hệ điều hành robot AFNNDSC MSSC PID PC viii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ( x, y ,  ) Hệ tọa độ tồn cục (q)  Góc lệch robot so hệ tọa độ gốc Rad/s vi Vận tốc bánh m/sec ωi Vận tốc góc bánh fi Lực kéo bánh N M Khối lượng robot kg d Khoảng cách tâm robot tới bánh m H Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ vx Vận tốc dài m/s vy Vận tốc pháp tuyến m/s r Bán kính bánh xe M (q) Ma trận khối lượng momen quán tính G (q) Vector trọng lực, G ( q )  d Vector thành phần nhiễu bất định e1 Sai lệch bám quỹ đạo robot e2 Sai lệch bám vận tốc robot J Mô men quán tính xe q Biến khớp F Lực ma sát C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát culomb  Đầu vào lọc thông thấp x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu  Hệ số mặt trượt  Tín hiệu điều khiển hệ thống  eq Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái hệ thống hệ rad/sec m N.m N s ix thống mặt trượt  sw Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái hệ thống mặt trượt c1 , c2 , c3 Hệ số điều khiển DSC  Véc tơ chứa thành phần bất định mơ hình robot  Ma trận trọng số mạng Nơ ron S Mặt trượt  Sai lệch mạng nơ ron Chuẩn ma trận bậc F Chuẩn ma trận bậc không gian F ... toán điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng OMR Phân tích đề xuất thuật tốn điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng nhằm nâng cao chất lượng bám khả thích nghi robot. .. bày phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng sử dụng mặt trượt động, thuật toán DSC tảng cho đề xuất cải tiến điều khiển bám quỹ đạo thích nghi cho FWOMR Từ phân... ….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN,