Điều khiển ballbot cân bằng và di chuyển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGUYÊN NGHĨA ĐIỀU KHIỂN BALLBOT CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, Tháng 06 Năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG 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) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA QLCN TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN NGUYÊN NGHĨA Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1984 Nơi sinh: Tỉnh Cà Mau Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ MSHV: 10150044 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BALLBOT CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Thành lập phƣơng trình tốn cho hệ robot cân bóng  Thiết kế hệ thống điều khiển PD nhiều vòng LQR cho hệ robot cân bóng Mơ hệ thống robot cân bóng phần mềm Malab/Simulink  Xây dựng điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 với giải thuật điều khiển PD nhiều vòng LQR để điều khiển robot cân di chuyển  Đánh giá, nhận xét hƣớng phát triển 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 7-2012 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6-2013 5- HỌ VÀ TÊN CB HƢƠNG DẪN: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Nội dung đề cƣơng Luận văn đƣợc hội đồng chuyên ngành thông qua C BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) KHOA QL CH NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Đức Thành nhiệt tình giúp đỡ, hƣớng dẫn nghiên cứu, định hƣớng đánh giá suốt trình thực luận văn cao học Xin chân thành cảm ơn tất thầy cô môn Điều Khiển Tự Động, thầy cô khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM giảng dạy, cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích q trình nghiên cứu học tập trƣờng Tơi xin chân thành cảm ơn cha mẹ ngƣời thân gia đình khơng ngừng khích lệ để tơi hồn thành tốt luận văn Xin cảm ơn bạn bè khoá cao học Tự Động Hoá 2010 giúp đỡ tơi q trình học tập làm đề tài TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 TRẦN NGUYÊN NGHĨA TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, robot đóng vai trị quan trọng phát triển loài ngƣời Trong hoạt động nghiên cứu khoa học kỹ thuật, sản xuất ngành công nghiệp, robot hỗ trợ ngƣời thực nhiệm vụ nguy hiểm nhƣ dị mìn, thăm dị dƣới đại dƣơng, thám hiểm vệ tinh, hoạt động quân Ngồi ra, robot cịn hỗ trợ ngƣời đời sống ngày nhƣ robot Asimo hỗ trợ ngƣời già qua đƣờng, chăm sóc em bé, nhƣ robot thổi kèn Toyota phục vụ cho việc giải trí Gần đây, số loại robot hai bánh phát triển mạnh, robot bánh ứng dụng cho việc hỗ trợ di chuyển siêu thị, văn phòng, trƣờng học Bên cạnh đó, robot bánh đời nhằm khắc phục hạn chế robot hai bánh Đề tài “Điều khiển ballbot cân di chuyển” đề tài mới, có nhiều nhóm thực nhƣng cịn hồn thiện để đến tạo sản phẩm ứng dụng phục vụ sống ngƣời Luận văn thực thiết kế, thi cơng điều khiển giữ cho robot cân bóng Hệ thống robot cân bóng đƣợc mơ hình hóa thành phƣơng trình chuyển động thực mơ đối tƣợng thơng qua chƣơng trình Matlab/Simulink Các điều khiển giữ thăng cho robot đƣợc nghiên cứu đề tài bao gồm: điều khiển PD nhiều vịng, LQR, điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa, điều khiển chế độ trƣợt Các điều khiển sau đƣợc thiết kế lý thuyết mô đƣợc kiểm chứng cách áp dụng vào điều khiển đối tƣợng thực Mục lục MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề: 1.2 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan: 1.2.1 CMU Ballbot: 1.2.2 BallIP: 1.2.3 LEGO NXT Ballbot: 1.2.4 Rezero: 1.2.5 Các công trình nghiên cứu ballbot khác: 1.3 Giới thiệu luận văn: 1.3.1 Mục đích: 1.3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu: 10 1.3.3 Cấu trúc luận văn: 10 CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 11 2.1 Tài liệu liên quan: 12 2.1.1 Các cấu chấp hành 12 2.1.2 Cơ chế lái robot bánh: 13 2.1.3 Bóng: 15 2.1.4 Cảm biến đo góc: 17 2.2 Thiết kế phần cứng: 18 2.3 Xây dựng mơ hình hóa robot cân bóng đơn giản mặt phẳng: 19 2.4 Ngõ vào điều khiển gia tốc thay cho moment: 24 2.5 Tính tốn vận tốc bánh xe: 25 2.6 Khảo sát đặc tính phi tuyến: 28 CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang Mục lục CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 31 3.1 Nguyên lý hoạt động robot bánh tự cân bằng: 32 3.2 Bộ điều khiển PID nhiều vòng: 32 3.3 Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến: 33 3.3 ĐIẾU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƢỢT 36 3.3.1 Tổng quan điều khiển chế độ trƣợt: 36 3.3.2 Quá trình thiết kế điều khiển chế độ trƣợt 37 3.4 Cơ sở lý thuyết lọc Kalman: 40 3.4.1 Giới thiệu lọc Kalman: 40 3.4.2 Thuật toán kalman rời rạc: 41 CHƢƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 44 4.1 Xây dựng điều khiển tồn phƣơng tuyến tính: 45 4.1.1 Tuyến tính hóa hệ thống: 45 4.1.2 Khảo sát tính điều khiển đƣợc tính quan sát đƣợc hệ thống: 46 4.1.3 Hàm tiêu chất lƣợng điều khiển: 47 4.1.4 Sơ đồ mô phỏng: 47 4.1.5 Kết mô phỏng: 48 4.1.6 Kết luận: 52 4.2 Phƣơng pháp PD nhiều vòng: 52 4.2.1 Cấu trúc điều khiển PD cho robot cân bóng: 52 4.2.2 Sơ đồ mô phỏng: 53 4.2.3 Kết mô phỏng: 54 4.2.4 Kết luận: 58 4.3 Xây dựng điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa 58 4.3.1 Cơ sở lý thuyết: 58 4.3.2 Xây dựng điều khiển cho hệ hồi tiếp tuyến tính hóa: 60 CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang Mục lục 4.3.2.3 Bộ điều khiển PD – LQR – Tuyến tính hóa vào ra: 4.4 66 Xây dựng điều khiển trƣợt: 69 4.4.1 Cơ sở lý thuyết: 69 4.4.2 Xây dựng điều khiển cho mặt trƣợt: 71 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ 75 5.1 Xây dựng hệ thống khí robot bánh: 76 5.1.1 Thiết kế khí: 76 5.1.2 Mạch điều khiển: 78 5.2 Xây dựng lọc Kalman cho cảm biến đo góc nghiêng: 80 5.2.1 Thực lọc Kalman: 80 5.2.2 Kết luận: 83 5.3 Bộ điều khiển nhúng robot cân bóng: 83 5.3.1 Giới thiệu: 83 5.3.2 Bộ điều khiển PID nhiều vòng: 85 5.3.3 Bộ điều khiển LQR: 93 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN 99 6.1 Kết đạt đƣợc: 100 6.2 Một số hạn chế: 101 6.3 Hƣớng phát triển: 102 CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang Chƣơng 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Đặt vấn đề: Robot cân bóng đối tƣợng chƣa có nhiều đề tài nghiên cứu Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM Hiện nay, trƣờng đề tài luận văn Thạc sỹ có đề tài nghiên cứu Đỗ Đăng Nguyên “Điều khiển cân robot bánh” Cho nên đề tài mới, mang nhiều tính hấp dẫn nghiên cứu cấu tạo khí, nhƣ giải thuật điều khiển Khi nghiên cứu đối tƣợng robot bánh, ta thấy có nhiều điểm tƣơng đồng với đối tƣợng robot xe bánh tự cân bằng, ta kế thừa đƣợc nghiên cứu xe bánh tự cân để tiếp tục nghiên cứu phát triển cho đối tƣợng robot cân bóng Những nét tƣơng đồng kể đến nhƣ: cách thu nhận tín hiệu cảm biến, driver điều khiển động hay thuật toán điều khiển Và điều đặc biệt ta xem việc điều khiển cân cho robot cân bóng điều khiển cân lúc xe lắc ngƣợc hƣớng theo nằm mặt phẳng trực giao Oxz Oyz Ngoài ra, tùy theo kết cấu khí robot mà ta cần khơng cần chuyển đổi lực/moment gia tốc động để điều khiển vị trí/vận tốc bóng, mơ hình robot cân bóng bóng đƣợc xem nhƣ bánh xe robot (bánh xe ảo để phân biệt với bánh xe thật – thƣờng dùng bánh xe đa hƣớng (omnidirection wheel)) Trong nhiều năm từ xuất ý tƣởng xây dựng robot cân bóng, tính đến có nhiều cơng trình nghiên cứu giới, cơng trình nghiên cứu xét kết cấu khí, thuật tốn điều khiển hay mục đích nghiên cứu riêng biệt nhau, phục vụ cho nhiều mục đích khác Trong luận văn tác giả thực xây dựng mơ hình điều khiển robot cân bóng với mục tiêu giữ robot cân di chuyển bám theo tín hiệu đặt CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Hình 5.14 Ngõ điều khiển PD nhiều vòng giữ thăng CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 90 Chƣơng CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Trang 91 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Hình 5.1.4 Tín hiệu điều khiển động giữ thăng điều khiển PD nhiều vòng CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 92 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ 5.3.3 Bộ điều khiển LQR: a Sơ đồ khối: Hình 5.15 Bộ điều khiển LQR Hình 5.16 Bên khối Normal Control điều khiển LQR CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 93 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Hình 5.17 Bên khối LQR Controller Các khối lại tƣơng tự nhƣ điều khiển PD nhiều vịng trình bày CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 94 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ b Kết thực nghiệm: Hình 5.18 Ngõ góc nghiêng giữ thăng điều khiển LQR CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 95 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Hình 5.19 Ngõ điều khiển LQR giữ thăng CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 96 Chƣơng CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Trang 97 Chƣơng KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ Hình 5.20 Tín hiệu điều khiển động giữ thăng điều khiển LQR CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 98 Chƣơng KẾT LUẬN CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 99 Chƣơng KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt được: Trong chƣơng đầu, tác giả đƣa mơ hình tốn dựa nguyên lý động lực học lắc ngƣợc, nắm đƣợc đặc tính phi tuyến mơ hình đối tƣợng cần điều khiển, đồng thời có kiểm chứng tính đắn đối tƣợng nghiên cứu Luận văn thực đƣợc nhiệm vụ đƣợc giao:  Hồn chỉnh việc xây dựng mơ hình tốn đối tƣợng robot cân bóng  Mơ điều khiển PD nhiều vòng LQR Matlab Bộ điều khiển PD nhiều vòng đƣợc xây dựng với chất lƣợng tƣơng đối ổn định  Áp dụng điều khiển thiết kế vào điều khiển đối tƣợng thực tế để kiểm chứng lý thuyết thực nghiệm CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 100 Chƣơng KẾT LUẬN 6.2 Một số hạn chế:  Về phần khí: việc sử dụng động bƣớc có ƣu điểm điều khiển đơn giản nhƣng bị hạn chế moment cần hạn chế khối lƣợng mơ hình để tránh tƣợng trƣợt bƣớc động thay động DC Servo  Bóng: dùng làm bánh xe yêu cầu phải có độ ma sát cao bóng địa hình di chuyển, bóng bánh xe động cơ, việc sử dụng bóng rổ đạt đƣợc yêu cầu ma sát nhƣng độ cứng thấp nên dƣới trọng lƣợng robot thi cơng làm cho bề mặt trái bóng bị lõm xuống, tƣợng làm cho trình điều khiển cần cung cấp gia tốc moment lớn Hiện tƣợng khắc phục cách bơm căng bóng để gia tăng áp suất bên thay vật liệu hình trịn khác có độ cứng cao mà đảm bảo độ ma sát theo yêu cầu  Về phần điều khiển: việc lựa chọn thông số cho điều khiển hầu hết đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp thử sai thơng số đƣợc lựa chọn chƣa phải tối ƣu CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 101 Chƣơng KẾT LUẬN 6.3 Hướng phát triển:  Xây dựng điều khiển thích nghi, bền vững, đồng thời phát triển giải thuật tìm kiếm tối ƣu cho điều khiển nhƣ giải thuật di truyền, điều khiển học để đạt đƣợc điều khiển có chất lƣợng cao  Tập trung hƣớng việc nghiên cứu đề tài tới việc tạo sản phẩm hoàn thiện phục vụ sống ngƣời, nhƣ tạo phƣơng tiện di chuyển mang ƣu điểm vốn có robot cân bóng di chuyển linh hoạt CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 102 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lý thuyết điều khiển đại, Nguyễn Thị Phƣơng Hà [2] Điều khiển phi tuyến, Dƣơng Hồi Nghĩa [3] Bài giảng mơn học “Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống”, Huỳnh Thái Hồng [4] Điều khiển thơng minh, Huỳnh Thái Hồng [5] MATLAB ứng dụng điều khiển, Nguyễn Đức Thành [6] Péter Fankhauser, Corsin Gwerder Modeling and control of a ballbot [7] Justin Fong, Simon Uppill Design and build a ballbot [8] Yorihisa Yamamoto NXT ballbot model based design [9] Masaaki Kumagai, Takaya Ochiai Development of a robot balanced on a ball [10] Masaaki Kumagai, Ralph L Hollis Development of a three-dimensional ball rotation sensing system using optical mouse sensors [11] T B Lauwers, G A Kantor, R.L Hollis A dynamically stable singlewheeled mobile robot with inverse mouse-ball drive [12] Ya-Fu Peng, Chih-Hui Chiu, Wen-Ru Tsai, Ming-Hung Chou Design of an Omni-directional Spherical robot: Using fuzzy control [13] www.arduino.cc [14] www.mathworks.com [15] www.reprap.org [16] http://ctms.engin.umich.edu CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 103 Phụ lục PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG - Họ tên: Trần Nguyên Nghĩa - Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1984 - Nơi sinh: TP Cà Mau, Tỉnh Cà Mau - Địa liên lạc: nghiatn2906@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ tháng 09/2002 đến 05/2007 học Đại học Trƣờng Đại học Cần Thơ, chun ngành Kỹ Thuật Điện Q TRÌNH CƠNG TÁC: Từ tháng 07/2007 đến giảng dạy Trƣờng Trung cấp nghề Tỉnh Cà Mau CBHD: TS Nguyễn Đức Thành HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Trang 104 ... luật điều khiển (3.8) 3.3 ĐIẾU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƯỢT 3.3.1 Tổng quan điều khiển chế độ trượt: Trong lý thuyết điều khiển, điều khiển trƣợt dạng điều khiển thay đổi cấu trúc Đây phƣơng pháp điều khiển. .. thống robot cân bóng phần mềm Malab/Simulink  Xây dựng điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 với giải thuật điều khiển PD nhiều vòng LQR để điều khiển robot cân di chuyển  Đánh... robot cân bóng Những nét tƣơng đồng kể đến nhƣ: cách thu nhận tín hiệu cảm biến, driver điều khiển động hay thuật toán điều khiển Và điều đặc biệt ta xem việc điều khiển cân cho robot cân bóng điều