Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI TĨM TẮT Mục đích Luận văn tập trung nghiên cứu việc sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thơng số PID điều khiển Robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Giải thuật di truyền hỗ trợ phần mềm MATLAB nhằm tìm thơng số Kp, Ki Kd điều khiển PID Bước đầu, tơi tìm thơng số PID mong muốn kết mô cho thấy khả tìm kiếm giải thuật GA tốt Vùng tìm kiếm rộng lợi Sau đó, tơi tiến hành kiểm chứng kết tìm kiếm giải thuật di truyền mơ hình thực nghiệm Kết thực nghiệm cho thấy hình dạng quỹ đạo di chuyển Robot tương đối giống kết mô Hạn chế giải thuật GA thời gian đáp ứng chậm so với nhiều phương pháp khác Giải thuật điều khiển đề xuất thực nghiệm việc sử dụng KIT vi điều khiển PIC18F4431 kết nối với Robot SCARA ABSTRACT The major purpose of this thesis is how to apply the Genetic Algorithm (GA) to estimate the PID controller’s parameters: Kp, Ki and Kd which is used to control the robot SCARA’s moving based on a given trajectory planning First, the PID’s parameters are estimated, and the simulation result also show that the proposed algorithm for search using GA is good The large range searching is an advantage After that I perform verifiable the results of the GA on the experimental model The experimental results show the shape and movement trajectory of the Robot that is relatively like the simulation results The GA’s disadvantage is the response time slower than the different methods The indicated control algorithm is experimented by using KIT of PIC18F4431 processing unit to connect with a SCARA Robot v KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Phiếu nhận xét luận văn thạc sỹ Biên chấm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ_năm 2015 Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt viii Danh sách hình ix Danh sách bảng xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Một số kết nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Giới thiệu luận văn 11 1.2.1 Mục đích luận văn 11 1.2.2 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 11 1.2.3 Phương pháp thực 12 1.2.4 Tính luận văn 13 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) 14 2.2 Điều khiển thích nghi 14 2.3 Cơ sở lý thuyết Robot 16 vi KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 25 3.1 Xây dựng mơ hình tốn 25 3.2 Thiết kế điều khiển bám theo quỹ đạo hình trịn 29 3.3 Lưu đồ giải thuật di truyền 30 Chƣơng 4: MƠ HÌNH HĨA MÔ PHỎNG 32 4.1 Sơ đồ mô Simulink 32 4.2 Giao diện điều khiển giám sát Visual # 40 4.3 Lưu đồ chương trình C 41 Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 44 5.1 Giới thiệu sơ mơ hình 44 5.2 Kết thực nghiệm 46 Chƣơng 6: KẾT LUẬN 48 6.1 Kết đạt 48 6.2 Hạn chế 49 6.3 Hướng khắc phục phát triển đề tài 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Code chương trình Mathlab 53 Phụ lục 2: Code chương trình C 58 Phụ lục 3: Code chương trình C# 69 vii KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AUTEQ Automatic Equiqment GA Genetic Algorithm DC Direct Current KIT Karlsruhe Institute of Technology PWM Pulse Width Modulation PID Proportional Integral Derivative IREX International Robot Exhibition CP Cổ Phần TNHH Trách Nhiệm Hữu Hạn RR Rotation Rotation LED Light emitting diode IC Integrated Circuit PIC Programmable Intelligent Controller viii KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Robot Scara bậc tự Hình 1.2: Robot cơng nghiệp SCARA Hình 1.3: Robot bậc tự Hình 1.4: Cấu hình robot SCARA Hình 1.5: Vận tốc với biên dạng tam giác Hình 1.6: Hệ thống điều khiển vịng lặp Hình 1.7: Giản đồ vận tốc dạng tam giác thu Hình 1.8: Quỹ đạo mong muốn Hình 1.9: Hệ thống Robot SCARA máy tính Hình 1.10: quỹ đạo Robot SCARA 10 Hình 1.11: Biểu đồ vị trí, vận tốc gia tốc theo thời 10 Hình 2.1: Mơ hình động học robot SCARA khớp quay 16 Hình 2.2: Hình chiếu đứng mơ hình động học robot SCARA khớp quay 17 Hình 2.3: Hình chiếu mơ hình động học robot SCARA khớp quay 17 Hình 3.1: Hình chiếu Robot Scara 25 Hình 3.2: Mơ hình giải thuật điều khiển GA-PID 30 Hình 4.1: Mơ hình hóa mơ Simulink 32 Hình 4.2: Cấu hình thơng số cho khối Robot Arm 33 Hình 4.3: Thiết lập phương trình quỹ đạo hình trịn 34 Hình 4.4: Quỹ đạo di chuyển đầu công tác 34 Hình 4.5: Biểu đồ đáp ứng ngõ 35 Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển khớp 35 Hình 4.7: Tín hiệu điều khiển khớp 36 Hình 4.8: Đáp ứng ngõ với nguồn xung vuông 36 Hình 4.9: quỹ đạo đầu công tác dùng nguồn xung vuông 37 ix KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI Hình 4.10: Đáp ứng ngõ với nguồn xung tam giác 37 Hình 4.11: Quỹ đạo đầu công tác dùng nguồn xung tam giác 38 Hình 4.12: Đáp ứng ngõ với nguồn sóng sin 38 Hình 4.13: Quỹ đạo đầu cơng tác dùng nguồn sóng sin 39 Hình 4.14: Đáp ứng ngõ với hàm bước 39 Hình 4.15: Quỹ đạo đầu công tác dùng hàm bước 40 Hình 4.16: Giao diện điều khiển giám sát 40 Hình 5.1: Mơ hình thiết kế 3D Robot SCARA 44 Hình 5.2: Mơ hình Robot SCARA thực tế 44 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Drive nguồn cho DC servo 45 Hình 5.4: KIT điều khiển PIC 18F4431 46 Hình 5.5: Bám theo quỹ đạo đường thẳng 46 Hình 5.6: Bám theo quỹ đạo đường tròn 47 x KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Kết hai phương pháp Fuzzy logic đặt cực Bảng 2.1: Thông số DH 16 Bảng 4.1: Kết tìm kiếm giải thuật GA 34 Bảng 4.2: Thông số đáp ứng ngõ 35 Bảng 5.1: Thông số điều khiển PID thật tế 46 xi KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI Chƣơng TỔNG QUAN Giới thiệu chương Ở chương 1, tác giả tìm hiểu tình hình nghiên cứu đề tài liên quan đến lĩnh vực cánh tay Robot nước Điều giúp tác giả có nhìn tổng quan đối tượng SCARA Robot mục tiêu điều khiển mà tác giả lựa chọn để nghiên cứu khóa luận Tiếp theo, tác giả trình bày mục đích luận văn, nhiệm vụ giới hạn đề tài phương pháp thực 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu Hiện nay, phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp đại khơng thể thiếu hỗ trợ tay máy công nghiệp Dẫn đến tay máy ngày ứng dụng rộng rãi “Robot SCARA” điển hình cho tay máy với khả hoạt động linh hoạt, xác dễ điều khiển Chính tác giả chọn Robot SCARA làm đối tượng nghiên cứu khóa luận 1.1.1 Một số kết nghiên cứu nƣớc Thông qua kênh thông tin internet, tạp chí khoa học, luận văn… cho thấy số tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu tác giả  Nghiệm thu dự án Thiết kế chế tạo Robot Scara bậc tự [7] Trong hu n hổ chương tr nh chế tạo Robot c ng nghiệp, ngày 04 2013, Sở Khoa học C ng nghệ thành phố tổ chức nghiệm thu dự án “T S ” ThS han Văn Đức làm chủ nhiệm dự án C ng ty TNHH Sản xuất Thương mại D ch vụ AUTE làm Cơ quan chủ tr Sản ph m dự án g m: HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI tay máy Scara bậc tự do, tay máy Scara bậc tự m theo tài liệu g m thực hành Hình 1.1: Robot Scara b c t Ở PID ượ , ú PID ươ S ô ố PID Rê , ặ ;Đ ì ă e q PID ị í) K q lặ l l 1.5 ố ã ì ũ l í ũ ươ ù ợ Q ượ ( , ằ De ỉ ườ ị l ê ằ ượ : Đ ườ ươ ọ í ị ịl  Robot Việt Nam dự triển lãm lớn giới [8] Bốn mẫu robot công nghiệp "made in Vietnam" tham dự International Robot Exhibition (IREX 2009) - triển lãm lớn giới robot diễn trung tâm triển lãm Tokyo Big Sight (Nhật Bản), ngày 25-28/11/2009 HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI Đây sản ph m Công ty CP Robot TOSY Việt Nam nghiên cứu chế tạo Hai Arm Robot tay máy đa làm nhiều cơng việc hàn, sơn, lắp ráp, đóng gói, di chuyển vật liệu, xếp dỡ pallet Còn SCARA Robot Parallel Robot có tốc độ cao, ứng dụng gắp sản ph m băng chuyền chuyển động nhanh Các robot có độ xác 0,1 mm, tầm hoạt động 0,6-2 mét, tải trọng 1-30 kg Hì 1.2: R SCARA Ngồi giải thưởng Sản ph m u thích tạp chí Popular Science Magazine bình chọn Robot nhảy TOSY vinh dự xuất nhiều kênh truyền hình lớn Mỹ Fox News, NBC, MTV điểm sáng triển lãm CES 2013 Robot nhảy TOSY sử dụng công nghệ cảm biến âm  Nghiên cứu ứng dụng chuyển động cánh tay người cho Robot [5] Mạng thần inh (Neural networ ) phát triển để điều khiển cánh tay robot cần tạo đường di chuyển cho robot Trong nghiên cứu này, mạng thần kinh nhiều lớp bac propagation sử dụng để tạo đường chuyển động nằm mặt phẳng thẳng đứng từ liệu chuyển động cánh tay HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang KTĐT2013A GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI { for(f = diem_dau_y;f>diem_cuoi_y;f=f - 0.1) { scara_pos(diem_cuoi_x,f); while(x2==0) {;} x2=0; } } //""""""""""""" if(diem_dau_y < diem_cuoi_y) { for(f=diem_dau_y;f