THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 3 BÁNH XE đa HƯỚNG TRÊN ROBOT TỰ HÀNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** LA KHẢI KHẢI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁNH XE ĐA HƯỚNG TRÊN ROBOT TỰ HÀNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đông Nai, Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** LA KHẢI KHẢI THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁNH XE ĐA HƯỚNG TRÊN ROBOT TỰ HÀNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ PHƯƠNG TRƯỜNG Đơng Nai, Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Qua khóa học q trình hồn thành luận văn, tơi lĩnh hội nhiều kiến thức, nhận nhiều quan tâm giúp đỡ từ Cấp lãnh đạo, quý thầy cô bạn bè đồng nghiệp Bên cạnh tơi thu thập phát triển thêm nhiều kiến thức bổ ích cho cơng viện nghiệp tương lai, gặp gỡ người Thầy uyên bác tâm huyết người bạn đáng quý Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, Khoa sau đại học, Khoa Cơ Điện – Điện Tử trường Đại Học Lạc Hồng quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học Ngành Kỹ thuật điện khóa 1, tạo điều kiện hỗ trợ thời gian học tập nghiên cứu Đặc biệt, xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Lê Phương Trường tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Trong suốt q trình làm luận văn nổ lực chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp xây dựng quý Thầy Cô, anh chị bạn bè đồng nghiệp Biên Hòa, tháng 06 năm 2019 Tác giả La Khải Khải LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực xác Thuật tốn, mơ hình mơ thực nghiệm luận văn tác giả nghiên cứu Học viên thực La Khải Khải TÓM TẮT Đề tài đưa phương pháp Thiết kế thi cơng thuật tốn điều khiển bánh xe đa hướng robot tự hành Hệ thống bao gồm động Planet DC 60W cho bánh, encoder phản hồi tốc độ, encoder phản hồi khoảng cách di chuyển, cảm biến la bàn kỹ thuật số đo góc quay Hệ thống phần cứng bao gồm hệ thống để điều khiển hướng di chuyển góc robot thơng qua việc điều khiển ba bánh xe Omni dựa tín hiệu nhận từ cảm biến la bàn encoder đo khoảng cách sau điều khiển ba driver để điều chỉnh tốc độ chiều bánh xe Mỗi driver điều khiển động DC cho bánh xe Omni với thuật tốn PID tích hợp Hệ thống phát triển dựa STM32F407 hệ thống phụ vi điều khiển STM32F103 Trong đó, thuật tốn định hướng phát triển để điều khiển ba bánh xe Omni thuật toán PID áp dụng để điều khiển động tốc độ động DC cho bánh xe Từ kết thu được, hệ thống có ưu điểm sau (1) tự động điều chỉnh góc vị trí; (2) bỏ cảm biến dị vạch cho robot tự hành; (3) giảm chi phí hiệu quả; (4) độ xác cao MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN 35 1.1 Đặt vấn đề 35 1.2 Các nghiên cứu bánh xe đa hướng omni khác 35 1.3 Các nội dung nghiên cứu 38 1.4 Mục tiêu đề tài 38 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ HÌNH ROBOT BA BÁNH OMNI 40 2.1 Thiết kế khí hệ thống thực nghiệm 41 2.1.1 Bánh xe đa hướng (Omni wheel) Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thiết kế khí 43 2.2 Thiết kế hệ thống điện điều khiển 46 2.2.1 Mạch điều khiển – STM32F407 MCU 46 2.2.2 Mạch điều khiển PID 51 2.2.3 La bàn 54 2.2.4 Encoder 52 CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BA BÁNH XE ĐA HƯỚNG 54 3.1 Xây dựng phương trình chuyển động 55 3.2 Xây dựng phương trình vận tốc đầu vào cho bánh xe 56 3.3 Phương trình góc quay robot tự hành 57 3.4 Phương trình PID 57 3.5 Sơ đồ thuật toán 57 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Hình Bánh xe đa hướng Mecanum 35 Hình Bánh xe đa hướng Omni 35 DANH MỤC BẢNG Bảng So sánh với thuật toán khác điều khiển Omni Mecanum 36 Bảng Phương trình chuyển động bánh Omni 37 CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Cuộc thi Sáng tạo robot Châu Á Thái Bình Dương (The ABU Asia-Pacific Robot Contest) thách thức khoa học, nơi để áp dụng nghiên cứu tiên tiến để tạo phát triển Robot với nhiệm vụ định sẵn lĩnh vực tự động hóa, điện tử, xử lý hình ảnh hệ thống điện tử Tốc độ robot tự động kết hợp với độ xác cao quan trọng thi Hơn hết, bánh xe robot tự trị Mecanum Omni, giải pháp tốt nhất, đơn giản linh hoạt cho việc di chuyển đa hướng robot thi Cấu trúc bánh xe Omni bánh mecanum thể Hình Hình Bánh xe đa hướng Mecanum Hình Bánh xe đa hướng Omni Trong trường hợp này, bánh xe Omni dùng để tạo hệ thống chuyển động Mỗi bánh xe Omni động DC điều khiển bánh xe Omni hoạt động cách độc lập với bánh cịn lại, có khả điều khiển đồng thời độc lập chuyển động quay tịnh tiến chúng Những ưu điểm giúp cho hệ thống chuyển động bánh xe đa hướng có ưu loại bánh xe khác như: có khả vừa di chuyển vừa xoay, phần đế dễ thiết kế đơn giản hơn, cần bánh xe động cơ, quảng đường tiêu thụ lượng Tất điều thúc đẩy việc nghiêng cứu thuật toán điều khiển bánh xe Omni tất yếu 1.2 Các nghiên cứu bánh xe đa hướng omni khác Trong năm gần đây, số tác giả nghiên cứu tập trung vào Mecanum bánh xe omni bảng Bảng So sánh với thuật toán khác điều khiển Omni Mecanum Thuật toán Loại bánh xe Mục tiêu điều khiển Số bánh PSO based Fuzzy-PI Omni On-board computer Directional Hsuan-Ming Feng [1] Fuzzy-PI Omni MRL Robo Cup SSL Directional Ehsan Hashemi [2] Side-slip angle estimation method Omni None Directional Boyuan Li [3] Omni PIC32 family of Microcontroller Directional Omni Arduino Mega2560 two-wheeldrive omnidirectional Tatsuro Terakawa[5] Model Predictive Control and filtered Smith predictor Barrelshaped frictiondriven Phần cứng Tài liệu tham khảo Jessivaldo Santos [4] closed-loop control and deadreckoning for navigation Mecanum Mitsubishi M16C/62 microcontroller Directional J.ACooney [6] Kinematic equation Mecanum none Directional Shuai Guo [7] Hình x.x Sơ đồ mạch nguyên lý mạch chủ STM32F4 (Em nên tách khối ví dụ khối nguồn, khối cảm biến… ) Hình x.x Hình 3D mạch chủ STM32F4 Hình x.x Hình thực tế mạch chủ STM32F4 2.2.2 Mạch điều khiển PID Mạch điều khiển PID phần thiếu quan trọng việc điều khiển xác Mạch hoạt động dựa thuật tốn PID lập trình sẳn MCU STM32F103C8T6 thông qua ic lái IR2184 điều khiển MOSFET công suất kênh N IRFS3207 với ID=180A Mạch phát triển nhằm phục vụ điều khiển xác động DC servo có thơng số sử dụng sau :  Điện áp ngõ vào: 15-30VDC  Dòng điện ngõ max: 110A  Ngõ vào Encoder: 5V, 100-1000 xung (ppr)  Tốc độ động max: 3000 vịng/phút (rpm)  Thuật tốn điều khiển: PID, cầu H vị trí  Sử dụng vi điều khiển ARM STM32FF103C8T6  Tín hiệu điều khiển: PWM UART  Có phần mềm thiết lập thơng số cho driver thơng qua giao tiếp với máy tình chuẩn UART Hình x.x Mạch 3D driver PID (a), Mạch driver PID thực tế (b) Mạch driver tác giả sử dụng để quản lý tốc độ động Mạch chủ có nhiệm vụ truyền vận tốc xuống mạch driver tương ứng, driver quản lý tốc độ động theo yêu cầu không phản hồi mạch điều khiển trung tâm 2.2 1Hệ thống cảm biến 2.2.4 Encoder Đề tài sử dụng encoder 500 xung vòng gắn vào bánh xe omni có đường kính 45mm Bánh omni gắn encoder gắn lên cấu trượt có trục thẳng đứng vng góc với mặt phẳng chạy để đảng báo lúc robot di chuyển bánh xe omni encoder tiếp xúc với mặt sàn đảm bảo việc đo khoản cách di chuyển xác Do robot bánh di chuyển đa hướng nên tác giả phải chọn bánh xe encoder đo đường bánh xe đa hướng robot có encoder đo đường theo phương x y mặt phẳng di chuyển Thông số kỹ thuật Giá trị Hộp trượt Omni đường kính 45mm Encoder 5V-500 xung 2.2.3 La bàn Trong đề tài này, tác giả sử dụng IMU để đọc giá trị góc quay robot Đây sở chủ đạo để thuật toán điều khiển bánh xe dự vào để tính tốn tốc độ bánh xe robot di chuyển IMU thiết kế dự cảm biến MPU6050 MCU lấy thông số trục sau dùng thuật tốn lọc tín hiệu trục truyền mạch chủ theo giao thức UART Mạch chủ cần lấy liệu từ IMU sau xác định xem robot góc hay khơng Ở đây, đề tài sử dung thông số trục Z không dùng thông số trục X Y Hình x.x CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BA BÁNH XE ĐA HƯỚNG Khác với loại robot tự hành sử dụng bánh truyền thống, robot tự hành sử dụng bánh đa hướng tác giả có ưu điểm vượt trội như: khả thay đổi vị trí định hướng linh hoạt, độ xác cao , chúng có khả dịch chuyển quay đồng thời độc lập Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động robot đa hướng vấn đề bám quỹ đạo tác động nhanh cần thiết Robot sử dụng bánh omni di chuyển theo hướng nào, góc mà khơng cần quay trước di chuyển Vì có khả nên robot omni có khả tiết kiệm lượng so với robot sử dụng bánh xe thơng thường Để thực khả di chuyển đó,robot omni phải có bậc tự mặt phẳng di chuyển (mp xoy), gồm: di chuyển độc lập theo trục x, y xoay quanh trục z Hình x.x: Khả linh hoạt robot bánh omni Do cần tối thiểu bánh omni với động điều khiển độc lập, động cho khả điều khiển bậc tự Ở tác giả chọn giải pháp bánh xe omni liên kết với theo hình tam giác cân có bánh xe dc gắn đỉnh tam giác cân Robot gồm ba bánh xe đa hướng cách góc 120° Ba bánh xe đa hướng có bán kính r động động DC Tâm dịch chuyển OMR đặt C giả định trùng với tâm hình học L khoảng cách từ tâm bánh xe đến điểm C OXY hệ tọa độ tham chiếu toàn cục, CX 0Y0 hệ tọa độ tham chiếu cục bộ, gắn liền với OMR 3.1 Xây dựng phương trình chuyển động Các trình điều khiển đa hướng xây dựng cách sáng tạo dựa theo định luật chuyển động Newton [10] phương trình chuyển động [11] sau: A z  B z  C ( ) v(t) (1) Trong z vector trạng thái v vận tốc điều khiển viết lại sau:  v1  x     z   y  v   v2  , ,   v     3 m   A0   0  m     sin    C   cos       3    2    , B     h     L  (2)       3 L    (3)       sin     sin      3  3        cos      cos      3  3   1   (4) 3 2 Trong x, y  chuyển vị tuyến tính góc, m khối lượng robot vi tín hiệu vận tốc đầu vào cho động dẫn động bánh xe thứ i Các số đặc trưng động ký hiệu   , L khoảng cách 3.2 Xây dựng phương trình vận tốc đầu vào cho bánh xe Một thông số quan trọng để phát triển thuật tốn điều khiển bánh xe đa hướng tín hiệu điện áp đầu vào cho động DC điều khiển bánh xe tương ứng, cung cấp bởi: 𝜋 𝑉1 = 𝜔𝑑 sin (𝜃𝑑 + ) + 𝜔𝜃 (5) 𝑉2 = 𝜔𝑑 cos (𝜃𝑑 + ) − 𝜔𝜃 (6) 𝑉3 = 𝜔𝑑 cos (𝜃𝑑 + ) + 𝜔𝜃 (7) 𝜋 𝜋 Trong V1, V2, V3 tín vận tốc đầu vào động bánh đa hướng 1, bánh đa hướng bánh đa hướng 3, 𝜔𝑑 vận tốc góc bánh xe, 𝜔𝜃 góc quay robot, 𝜃𝑑 góc robot Trong trường hợp này, giá trị 𝜔𝑑 𝜔𝜃 viết sau: 𝜔𝑑 = [ −1, 1] (8) 𝜔𝜃 = [-1, 1] (9) 3.3 Phương trình góc quay robot tự hành Cho rằng, lúc đầu robot tự hành có góc (  ), hướng góc (  ) góc phản hồi từ cảm biến la bàn (  cs ) Tuy nhiên, robot di chuyển góc robot tự hành có góc lệch (  ) Các góc lệch viết là:  =  cs -  (10) Xét trường hợp 1: Giá trị  = robot tự hành tiếp tục di chuyển Xét trường hợp 2: Giá trị   hệ thống cần điều khiển góc xoay theo phương trình đây: a     (11) Trong  a góc hiệu chỉnh 3.4 Phương trình PID Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) phản hồi vòng điều khiển Bộ điều khiển PID liên tục tính tốn giá trị lỗi e(t) dựa khác biệt điểm đặt mong muốn biến quy trình đo áp dụng hiệu chỉnh dựa thuật ngữ tỷ lệ, tích phân đạo hàm Chức điều khiển PID viết là: t u (t )  k p e(t )  ki  e(t ' )dt '  kd de(t ) dt (12) Ở k p , ki , k p hệ số cho tỷ lệ, tích phân đạo hàm 3.5 Sơ đồ thuật toán Thuật toán bánh xe đa hướng phát triển Hình 2.x Lúc bắt đầu, góc tốc độ robot tự trị thiết lập Hệ thống tính tốn tốc độ đầu vào cho bánh xe dựa phương trình (5), (6), (7) sau kiểm tra tốc độ sai tốc độ cho bánh xe tăng giảm thiết lập tốc độ tốc độ Hơn nữa, tầm quan trọng điều khiển đa hướng góc cạnh robot tự hành Trong trường hợp này, góc robot tự hành khơng góc thiết lập, hệ thống tính tốn góc xoay dựa phương trình (10), (11) Start Set-up angular, speed Reset compass sensor Calculate voltage inputs for DC motors of wheels Current speed = speed setup False Re-calculate speed Calculate the rotation angular False True Current angular = angular set up Keep current speed True End Hình Sơ đồ thuật toán ba bánh xe đa hướng [] CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 thiết đặt thực nghiệm 4.2 Phân tích kết Như hình hiển thị góc điều chỉnh vị trí robot di tự hành Mong muốn thực robot tự hành với định hướng 30 độ 2000 xung phản hồi từ encoder để di chuyển phía trước chạy ngược phía sau robot tự hành theo chiều giảm giá trị xung từ encoder từ 2000rpm Từ kết quả, robot tự hành cần giây để điều chỉnh góc giây để chuyển từ sang vị trí phải đến 2000rpm (phản hồi từ encoder) lùi lại, robot di động di chuyển từ 2000rpm sang lúc Hơn nữa, Hình hiển thị thơng số điều chỉnh tốc độ lái bánh xe Hướng bánh xe 0h có nhiệm vụ điều chỉnh hướng robot tự hành nên tốc độ bánh xe thấp so với hướng bánh xe 4h 8h Bên cạnh đó, kết hình hiển thị thời gian robot tự giảm tốc độ từ tối đa xuống bánh xe 0,5 giây 40 Adjust angle Adjust postion Desired position for forward directional 2000 30 Target postion 20 Desired position for backward directional -2000 10 Backward directional -4000 Time (s) 10 Hình Điều chỉnh góc lái vị trí robot tự hành 12 Angle (degree) The positional feedback from encoder 4000 60 Caculated Measured Wheel 8h 40 Speed of each wheel (Rpm) 20 Wheel 4h Wheel 4h -20 Wheel 0h -40 Wheel 0h Wheel 8h -60 -80 -100 Time (s) 10 12 ` Hình Điều chỉnh tốc độ lái bánh xe đa hướng 4.2 Phân tích độ xác Để dễ dàng đánh giá độ xác hệ thống đề xuất, khác biệt kết đo tính tốn tốc độ đầu bánh xe đa hướng robot tự hành góc xác định là: e  xi  xˆi (13) Trong xi xˆi giá trị thứ i phép đo tính tốn, n tổng số mẫu lấy Kết phân tích chênh lệch tốc độ đầu đa hướng cho bánh xe mơ tả hình Wheel 0h Wheel 4h Wheel 8h Difirence of speed (rpm) -1 -2 -3 -4 Time (s) 10 12 Hình Phân tích khác biệt kết đo tính tốn Khoản cách khác tốc độ đầu bánh xe đa hướng tốc độ liệt kê Bảng Hơn nữa, lỗi bình phương trung bình gốc (RMSE) tương ứng với tham chiếu đến mô đưa tương ứng Chouder cộng sự, [12] n  x  xˆ   RMSE  i i 1 i (14) n Bảng Phân tích khác biệt hệ thống đề xuất  RMSE (rpm) e(rpm) Wheel 0h -3 1.66 Wheel 4h -3 0.59 Wheel 8h -3.52 1.40 Mặt khác, bảng cho thấy kết RMSE tốc độ đầu đa hướng 1,66rpm, 0,59rpm 1,40rpm cho bánh xe 0h, 4h 8h Dựa độ tin cậy thuật toán cho thiết bị đa hướng, hệ thống đề xuất xác nhận để có đủ độ xác độ tin cậy khả điều khiển CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Đề tài “Thiết kế thi cơng thuật tốn điều khiển bánh xe đa hướng robot tự hành” Để tài trình bày cách tự phát triển thuật toán định hướng để điều khiển ba bánh xe đa hướng hệ thống robot di động tự hành bao gồm hệ thống encoder cảm biến la bàn dựa STM32F407 điều khiển trung tâm STMF103 quản lý chương trình PID động Từ quan điểm thực tế việc tự phát triển thuật toán để điều khiển ba bánh xe đa hướng robot di động tự hành cho hệ thống robot di động tự động có ưu điểm (1) để tự động điều chỉnh góc vị trí; (2) để xóa cảm biến cho dịng theo dõi robot tơ; (3) chi phí hiệu quả; (4) độ xác cao Nói cách khác, ý nghĩa thực tế quan trọng khác hiệu điều khiển cấp thấp dẫn đến việc đơn giản hóa điều khiển cấp cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hsuan-Ming Feng, Chih-Yung Chen, Ji-Hwei Horng, “Intelligent omnidirectional vision-based mobile robot fuzzy systems design and implementation”, Expert Systems with Applications 37 (2010) 4009–4019 [2] Ehsan Hashemia, Maani Ghaffari Jadidi, Navid Ghaffari Jadidi, “Model-based PI–fuzzy control of four-wheeled omni-directional mobile robots”, Robotics and Autonomous Systems 59 (2011) 930–942 [3] Boyuan Li, Haiping Du, Weihua Li , Yongjun Zhang, “Side-slip angle estimation based lateral dynamics control for omni-directional vehicles with optimal steering angle and traction/brake torque distribution”, Mechatronics xxx (2014) xxx–xxx [4] Jessivaldo Santos _ Andr´e G S Concei¸c˜ao _ Tito L M Santos, “ Trajectory tracking of Omni-directional Mobile Robots via Predictive Control plus a Filtered Smith Predictor”, IFAC Papers OnLine 50-1 (2017) 10250–10255 [5] Tatsuro Terakawa, Masaharu Komori, Yuuta Yamaguchi, Yugo Nishida “Active omni wheel possessing seamless periphery and omnidirectional vehicle using it”, Precision Engineering, (2019) [6] J A Cooney, W L Xu, G Bright, “Visual dead-reckoning for motion control of a Mecanum-wheeled mobile robot”, Mechatronics Volume 14, Issue 6, July 2004, Pages 623-637 [7] Guo S, Jin Y, Bao S, Xi FF “Accuracy analysis of omnidirectional mobile manipulator with mecanum wheels” Advances in Manufacturing, 2016;4(4):363−70 [8] Yamada N, Komura H, Endo G, Nabae H, Suzumori K Spiral mecanum wheel achieving omnidirectional locomotion in step-climbing Proceedings of the IEEE international conference on advanced intelligent mechatronics 2017:1285–90 [9] Mirosław Galicki, “Collision-free control of an omni-directional vehicle”, Robotics and Autonomous Systems 57 (2009) 889–900 [10] Kalmár T, Nagy, D’Andrea R, Ganguly P “Near-optimal dynamic trajectory generation and control of an omnidirectional vehicle” RobotAuton Syst, 2004; 46:47–64 [11] TamásKalmár-Nagy “Real-time trajectory generationforomnidirectionalvehicles by constrained dynamic inversion” Mechatronics 000 (2016) 1–10 [12] Chouder, A., Silvestre, S., Sadaoui N., Rahmani, “Modeling and simulation of a grid connected PV system based on the evaluation of main PV module parameters” Simul Modell Pract Theory 20 (2012), 46–58 ... 35 1.1 Đặt vấn đề 35 1.2 Các nghiên cứu bánh xe đa hướng omni khác 35 1 .3 Các nội dung nghiên cứu 38 1.4 Mục tiêu đề tài 38 CHƯƠNG 2: THI? ??T KẾ... BÁNH XE ĐA HƯỚNG 54 3. 1 Xây dựng phương trình chuyển động 55 3. 2 Xây dựng phương trình vận tốc đầu vào cho bánh xe 56 3. 3 Phương trình góc quay robot tự hành 57 3. 4... −