Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot tự hành dạng non-holonomic bám mục tiêu di động trong phòng thí nghiệm cơ điện tử với mục đích phục vụ cho công tác nghiên cứu các thuật toán xử lý ảnh và điều khiển hiện đại làm tiền đề cho việc chế tạo các sản phẩm phục vụ đào tạo, y tế, công nghiệp và xa hơn nữa là ứng dụng cho an ninh, quốc phòng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -oOo - NGÔ MẠNH TIẾN XÂY DỰNG ROBOT TỰ HÀNH DẠNG NONHOLONOMIC VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 62520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA HÀ NỘI - 2014 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Phan Xuân Minh TS Hồng Ngọc Minh DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Ngô Mạnh Tiến, Phạm Xuân Khánh, Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên; Nghiên cứu chế tạo điều khiển thông minh đa DSPIC33F microchip, Hội nghị điện tử toàn quốc lần thứ VCM2010, tr 78-83, 10/2010 Ngô Mạnh Tiến, Phạm Xuân Khánh, Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Một đề xuất cải tiến phương pháp chỉnh định thích nghi tham số PID Zao-tomizuka-Isaka để tăng khả thích nghi cơng nghệ số, Tạp chí khoa học cơng nghệ số 05/2011 - Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội ISSN 1859 3585, Tr 25-30, 5/2011 Ngô Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Nghiên cứu phát triển hệ robot tự hành có gắn camera tự động tìm kiếm bám mục tiêu di động, Hội Nghị toàn quốc điều khiển tự động hóa VCCA2011 ISBN 978-604-911-020-7, tr 506-512, 11/2011 Phản biện 1: PGS.TSKH Phạm Thượng Cát Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Tăng Cường Phản biện 3: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ngô Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên; Một phương pháp sử dụng lọc Kalman kết hợp với thuật toán bám ảnh Camshift nhằm nâng cao chất lượng bám hệ thống robot tự động tìm kiếm bám bắt mục tiêu, Hội Nghị toàn quốc điều khiển tự động hóa VCCA2011, ISBN 978-604-911-020-7, tr 513-518, 11/2011 Ngơ Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Phan Quốc Thắng; Một thuật tốn điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho robot tự hành non-holonomic với tham số bất định, Hội Nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ VCM6, ISBN 978-60462-0753-5; tr 607-613, 12/2012 Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào …giờ……ngày…….tháng…… năm…… Ngô Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên, Phạm Ngọc Minh; Một số kết nghiên cứu phát triển hệ robot tự hành có gắn camera tự động tìm kiếm bám mục tiêu di động, Hội Nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ VCM6, ISBN 978604-62-0753-5; 708-716, 12/2012 Ngô Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Trần Đức Hiếu, Nguyễn Doãn Phước, Bùi Thu Hà, Hà Thị Kim Duyên; Điều khiển bám Robot tự hành có tham số bất định chịu tác động nhiễu sai lệch mơ hình thuật tốn thích nghi theo mơ hình mẫu, Hội Nghị tồn quốc điều khiển tự động hóa VCCA2013, ISBN 978-604-911-517-2, tr 548-555, 11/2013 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thư viện Quốc gia Ngô Mạnh Tiến, Phan Xuân Minh, Lê Trung Kiên, Trần Đức Hiếu, Hà Thị Kim Duyên, Phạm Văn Quyết, Nguyễn Ngọc Anh, Nguyễn Phương Nam; Omni mobile robot tránh vật cản sử dụng cảm biến camera Kinect; Hội Nghị tồn quốc điều khiển tự động hóa VCCA2013, ISBN 978-604-911-517-2, tr 389-396, 11/2013 Tien-Ngo Manh, Minh-Phan Xuan, Phuoc-Nguyen Doan, Thang-Phan Quoc, Tracking Control for Mobile robot with Uncertain Parameters Based on Model Reference Adaptive Control, International Conference on Control, Automation and Information Sciences ICCAIS2013; IEEE catalog number: CFP1226S-CDR; ISBN: 978-1-4673-0811-3, tr 18-23, 11/2013 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Robot tâm điểm cách mạng lớn sau Internet, ngày ứng dụng rộng rãi công nghiệp, sống, an ninh quốc phịng, thám hiểm khơng gian Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện tăng tính linh hoạt khả thích ứng làm việc vị trí ứng dụng khác cho robot tự hành thu hút nhà nghiên cứu Bên cạnh ứng dụng cải tiến thiết kế khí, cấu chấp hành chuyển động linh hoạt việc ứng dụng “mắt máy” phần mềm xử lý, điều khiển đem lại cho robot tính linh hoạt thơng minh Ngày nay, với phát triển công nghệ điện tử, tốc độ tính tốn vi xử lý tăng vượt trội, chức hỗ trợ giao tiếp với ngoại vi tích hợp chip, nhờ mà phương pháp xử lý ảnh đại phương pháp điều khiển phức tạp điều khiển thích nghi bền vững thực thi cách dễ dàng hơn, hệ thống bám mục tiêu di động cải thiện nhiều mặt chất lượng Vì thế, nghiên cứu phát triển thuật toán xử lý ảnh đại thuật toán điều khiển bám thích nghi, bền vững ngày trở nên cấp thiết khả thực thuật toán thực tế giúp cho hệ thống điều khiển bám mục tiêu ổn định, xác bền vững hệ thống hoạt động mơi trường thực tế có nhiễu tác động có thay đổi tham số mơ hình Thời gian gần đây, robot tự động bám mục tiêu thu hút tập trung nghiên cứu Với hệ thống bám robot tự hành độ phức tạp tăng lên, công bố khoa học liên quan lại ít, đặc biệt cơng trình liên quan đến việc thiết kế, chế tạo Tại Việt Nam, kết nghiên cứu lĩnh vực chưa nhiều, đặc biệt sở nghiên cứu không trực thuộc quốc phịng chưa hỗ trợ kinh phí để phát triển nghiên cứu chế tạo thử nghiệm sản phẩm nên khả tiếp cận trình độ giới cịn nhiều khó khăn Xuất phát từ luận điểm nêu trên, Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài cho luận án là: “Xây dựng robot tự hành dạng Non-holonomic tổng hợp điều khiển bám quỹ đạo” Luận án đề cập đến việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot tự hành dạng non-holonomic bám mục tiêu di động phịng thí nghiệm điện tử với mục đích phục vụ cho cơng tác nghiên cứu thuật tốn xử lý ảnh điều khiển đại làm tiền đề cho việc chế tạo sản phẩm phục vụ đào tạo, y tế, công nghiệp xa ứng dụng cho an ninh, quốc phòng Mục tiêu luận án Mục tiêu luận án nghiên cứu, đề xuất thuật tốn điều khiển thích nghi cho robot tự hành bám quỹ đạo sở hệ phi tuyến bất định, đặc biệt ý đến chất lượng bám thay đổi tham số robot (bởi mục đích ứng dụng robot tương tác với đối tượng môi trường khác nhau) chịu tác động nhiễu hoạt động địa hình khác Một yếu tố cần ý thuật tốn phải hướng đến lập trình nhúng vi xử lý chạy thử nghiệm thực tế thuật tốn đề xuất nhiệm vụ phải thiết kế, chế tạo robot tự hành có gắn camera tự động bám mục tiêu di động phạm vi ứng dụng phịng thí nghiệm Bên cạnh việc tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển mới, việc nghiên cứu đề xuất thuật toán xử lý ảnh để cải thiện chất lượng phát định vị mục tiêu phải tiến hành song song, tốc độ, độ xác tổng thể tồn hệ thống gắn liền với độ xác “sensor ảnh” Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Về lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan hệ thống quang điện tử tích hợp, robot tự hành, tình hình nghiên cứu ngồi nước, từ rút hướng nghiên cứu thích hợp cho luận án Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh bám bắt mục tiêu di động, đề xuất phương pháp cải thiện nâng cao chất lượng tốc độ bám Mơ hình hóa mơ động học, động lực học, động học ngược mơ hình robot tự hành, toán quy đổi tọa độ, trục tọa độ toán điều khiển bám robot theo ảnh Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi robot, mục đích nâng cao chất lượng bám khả thích nghi robot có tham số thay đổi có nhiễu tác động hoạt động môi trường thực tế tương tác với mục tiêu (có tham số khối lượng mơ men qn tính thay đổi chịu tác động nhiễu sai lệch mơ hình) Thiết kế cấu trúc phần mềm điều khiển hoàn chỉnh, đồng hóa có khả cài đặt cho robot thực tế để kiểm định kết nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu vào thực tế robot sản phẩm Về thực hành: Với mục tiêu sản phẩm phải có khả ứng dụng, cơng việc khảo sát, đánh giá sản phẩm có nước nhằm rút tiêu chuẩn cho sản phẩm luận án công việc Thiết kế chế tạo đồng phần cứng thiết bị ngoại vi với phần khí vỏ theo tiêu chuẩn công nghiệp, thuận tiện cho người sử dụng dễ dàng lắp ghép thao tác nâng cấp Chế tạo mạch điện tử, điều khiển giao tiếp ngoại vi với mục tiêu đủ nhanh, mạnh theo hướng mở rộng nâng cấp Nghiên cứu, thiết kế chế tạo cảm biến định vị mục tiêu sở công nghệ phần mềm xử lý ảnh kết hợp với lọc Kalman Thiết kế cấu trúc, lập trình cài đặt thuật toán nghiên cứu cho robot, chạy thử nghiệm đánh giá kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Một thuật tốn thích nghi theo mơ hình mẫu đề xuất để điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành robot có tham số m, I bất định có tác động nhiễu Thuật toán chưa cài đặt robot trước ngồi nước, có tính linh hoạt cao, cấu trúc đơn giản dàng cho việc lập trình cài đặt vi xử lý, có khả thích nghi có nhiễu tác động tham số m I robot thay đổi đặc biệt thích hợp với mơ hình robot sản phẩm luận án Bộ điều khiển đề xuất kết hợp hai khâu: điều khiển phi tuyến cho mơ hình động học điều khiển thích nghi mơ hình mẫu cho mơ hình động lực học sử dụng thơng tin phản hồi từ cấu chấp hành robot tự hành Ý nghĩa mặt công nghệ thực tiễn: Thiết kế, chế tạo chạy thử nghiệm thành công robot tự hành có gắn camera sản phẩm Sản phẩm sử dụng đào tạo thực tiễn cho sinh viên, học viên cao học ngành robot, tự động hóa, điều khiển điện tử… cần Việt Nam Sản phẩm sử dụng để phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học cho sinh viên ngành điều khiển tự động, trường Đại học Bách khoa HN, Đại học KH&CN – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, ngành điện tử, điện tử trường Đại học Công nghiệp Hà Nội trường Cao đẳng nghề Công nghệ cao Hà Nội Hướng phát triển đến ứng dụng thực tiễn chế tạo robot dị tìm lỗi hàn tự động, dò đường trải thảm nhựa đường tự động, robot quan trắc môi trường nơi có điều kiện mơi trường độc hại, robot phục vụ chăm sóc ý tế, robot dị phá bom mìn… Nội dung luận án Luận án có bố cục bao gồm chương, 101 trang; phụ lục gồm 35 trang Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ROBOT THÍ NGHIỆM Trong nội dung Chương tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan hệ robot tự hành có gắn camera, phân tích tình hình nghiên cứu nước nhằm rút hướng nghiên cứu trọng tâm luận án Chương trình bày việc xây dựng phát triển hoàn thiện phần cứng cho robot tự hành có gắn camera 1.1 Nghiên cứu tổng quan hệ thống quang điện tử tích hợp 1.1.1 Tổng quan hệ robot tự hành có gắn camera bám mục tiêu di động - Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 1/- Hệ thu nhận tín hiệu hình ảnh; 2/- Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D; 3/- Hệ thống điều khiển trung tâm; 4/- Máy tính chương trình phần mềm nhận dạng xử lý ảnh tự động; 5/Hệ Sensor hỗ trợ khác; 6/- Hệ thống truyền động(các động cơ);7/- Hệ thống thiết bị ngoại vi và kết nối với trạm khác; 8/- Hệ thống cung cấp điện 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Trên giới có cơng bố liên đến hệ thống quang tích hợp Các cơng bố đa số nghiên cứu, giới thiệu tổng quan khơng có cơng bố cụ thể, chi tiết bí cơng nghệ Vì hệ thống tích hợp có tính chất đa ngành, ứng dụng nhiều cho an ninh, quốc phịng việc bí mật bí cơng nghệ tất yếu Với tập đồn, cơng ty chuyên sản xuất thiết bị cho An ninh, Quốc phòng lớn giới như: NASA, Northrop Grumman, lockheed martin,, Kollmorgen, Santa Barbara, Raytheon, Radamec, Newcon Optics, Flir…thì cơng bố tính kỹ thuật, chức hoạt động hệ thống quang điện tử tích hợp sản phẩm mình, tất tài liệu nghiên cứu, thiết kế, tích hợp chun sâu khơng đề cập Thời gian gần đây, nghiên cứu dân tập trung hướng robot di động có gắn camera (Hình 1.1) bám theo mục tiêu di động, cơng trình nghiên cứu tập trung vào hướng nghiên cứu Hình 1.1 robot Talon, robot MARRS robot Spirit thám hiểm hỏa NASA 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước Từ nhiều năm nay, số quan nghiên cứu chủ yếu thuộc Bộ quốc phòng đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng hệ thống Đánh giá chung đa số hệ thống sản phẩm phục vụ bám mục tiêu bay, hệ quang điện tử tích hợp đặt cố định, phục vụ cho phịng khơng, có tầm quan sát bám bắt xa (>2Km) Mặc dù nghiên cứu có kết khẳng đinh, nhiên hệ thống đòi hỏi kết hợp nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ cao đặc biệt lĩnh vực ứng dụng cho quốc phịng thông tin hạn chế Đối với hệ robot tự hành gắn camera bám mục tiêu di động, có số cơng trình thuộc quan nghiên cứu ngồi Bộ Quốc phịng cơng phát triển: Viện Công nghệ thông tin, Đại học Công nghệ, Đại Học Bách Khoa Hà Nội TP HCM Tuy nhiên nhận thấy hệ robot tự hành có gắn camera kết nghiên cứu nước cịn 1.1.3 Kết luận lựa chọn hướng nghiên cứu, phát triển luận án Cụ thể nhiệm vụ cần phải thực luận án: - Xây dựng robot tự hành có gắn camera: công việc cần thiết sở cho việc thực hóa kết nghiên cứu thuật toán luận án Lý khác chủ động cấu hình cứng khả nâng cấp mở rộng Ngoài ra, việc chủ động xây dựng, chế tạo robot có ý nghĩa thực tiễn robot loại trường đại học, cao đẳng, đơn vị nghiên cứu quân thiếu, ứng dụng sản phẩm trang bị cho phịng thí nghiệm điện tử, tự động hóa, điều khiển tự động sở đào tạo - Xây dựng cảm biến từ camera (xử lý ảnh, xác định vị trí mục tiêu): ngồi việc nghiên cứu ứng dụng thuật tốn xử lý ảnh có, vấn đề nâng cao chất lượng, tốc độ bền vững trình bám ảnh nhiệm vụ nghiên cứu Chú ý vào việc nâng cao chất lượng bám - Thiết kế hệ thống điều khiển: trước tiên mơ hình hóa mơ tổng thể hệ thống robot tự hành xây dựng từ vị trí mục tiêu, vị trí robot quy hệ trục tọa độ nằm tâm robot Tính tốn động học thuận, động học ngược hệ để phục vụ cho toán điều khiển Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành có tham số khối lượng, moment thay đổi nhiễu ma sát robot di chuyển địa hình khác nhau, việc thường xuyên xẩy robot tự hành sản phẩm luận án có hoạt động mơi trường tương tác với đối tượng bám Một yêu cầu thuật tốn có cấu trúc đơn giản bền vững nhằm mục đích lập trình nhúng thử nghiệm robot 1.2 Xây dựng mơ hình robot tự hành 1.2.1 Xây dựng cấu trúc hệ robot tự hành 1.2.1.1 Cấu trúc tổng quan hệ robot tự hành bám mục tiêu chuyển động Hình 1.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống robot tự hành bám mục tiêu di động 1.2.1.2 Cấu trúc phần cứng robot tự hành bám mục tiêu chuyển động Hình 1.3 Ảnh chụp toàn hệ robot di động sản phẩm Cấu trúc hệ bám gồm hai phần chính: - Phần 1: Máy tính PC với nhiệm vụ thu nhận ảnh xử lý ảnh dựa vào chuỗi hình ảnh thu từ camera để nhận dạng tính tốn vị trí đối tượng mục tiêu Cung cấp liệu vị trí cho mạch chủ điều khiển đặt robot (cơng đoạn mang tính chất cảm biến phản hồi cho mạch chủ điều khiển robot) - Phần 2: Là mạch chủ điều khiển đặt robot, phần chứa thuật toán điều khiển cho hoạt động robot: dựa vào thơng số vị trí đối tượng nhận từ phần PC (cảm biến hình ảnh) tính tốn tín hiệu điều khiển robot bám theo cho đối tượng di chuyển trì vị trí định mặt phẳng ảnh khoảng cách định, giao tiếp với đối tượng Chương THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ XỬ LÝ ẢNH CHO BÀI TỐN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG Trình bày kết nghiên cứu, mô thực nghiệm xử lý ảnh xác định vị trí mục tiêu nhằm cung cấp cho toán điều khiển bám Các kết nghiên cứu, mô thực nghiệm việc kết hợp thêm lọc Kalman vào nâng cao chất lượng độ bền vững bám ảnh trình bày 2.1 Tổng quan hệ thống bám ảnh tự động 2.1.1 Tổng thể hệ bám 2.1.2 Kiến trúc tổng thể hệ bám 2.2 Lập trình xử lý ảnh bám mục tiêu chuyển động Trong khuôn khổ luận án này, tập trung vào phương pháp sau: Bám theo đặc điểm, đặc trưng ảnh (KLT: Kanade–Lucas–Tomasi (KLT) feature tracker) - Bám theo hình dạng, màu sắc (MeanShift, Camshift) 2.2.1 Phương pháp bám theo đặc điểm ảnh (Thuật toán KLT) 2.2.2 Thuật toán bám ảnh Camshift 2.2.3 Kết hợp lọc Kalman với thuật toán bám ảnh Camshift 2.1 Sơ đồ kết hợp lọc Kalman Camshift Chương 3: MƠ HÌNH HĨA HỆ ROBOT TỰ HÀNH CĨ GẮN CAMERA Chương trình bày mơ hình hóa mơ động học, động lực học, động học ngược mơ hình robot di động có gắn camera xây dựng Chương sản phẩm luận án Quy đổi tọa độ mục tiêu tọa độ tâm robot để xây dựng quỹ đạo đặt cho tốn điều khiển bám quỹ đạo 3.1 Mơ hình hóa hệ thống Pan/Tilt - Bảng thơng số DH; Tính ma trận i 1 Ai Tính ma trận U ij ; Mơ men qn tính hai khâu;- Tính ma trận D( ); Tính ma trận h( ,) ; Tính ma trận véc tơ lực trọng trường C( ); Phương trình động lực học hệ Pan-Tilt-camera 3.2 Quy chiếu tọa độ mục tiêu camera tọa độ tâm robot Hình 3.1 Mơ hình robot tự hành có gắn camera Gọi Cc ( xccd , yccd , zccd ) điểm cuối cho vector từ vị trí trung tâm robot di động đến tâm ống kính camera vị trí tính theo hai góc quay 1 , 2 đế xoay Pan/Tilt sau: xccd = l2cos(θ1 )cos(θ2 ); yccd = l2 sin(θ1 )cos(θ2 ); zccd = l0 + l1 + l2 sin(θ2 ) (3.1) Ở l0 chiều cao xe tính đến vị trí đặt đế xoay Pan/Tilt Để tính vị trí thực tế ( x0 , y0 ) , 0 r0 ước tính cách sử dụng mối quan hệ tuyến tính đối tượng thực góc nhìn khung hình ảnh Khi điểm ảnh chụp (j′, k′) trung tâm khung hình ảnh, vị trí đối tượng thực sự, r0 tính tốn sau (hình 3.2): Hình 3.2 Tính tốn vị trí đối tượng theo tọa độ robot zccd r0 cos( k' P ry ) Py ; 0 j' rx Px Với rx ry góc hướng nhìn x- y- camera CCD, tương ứng Khi vị trí đối tượng hệ tọa độ robot (x,y), là: x rccd cos(Y ) r0 cos(Y ); y rccd sin(Y ) r0 sin(Y ) (3.2) Với Y góc quay robot camera, rccd ( xccd yccd ) khoảng cách từ tâm robot tới tâm ống kính camera - Động học ngược để điều khiển tâm ống kính đến vị trí mong muốn: l l l 2l (l r )(l r ) d d d cos 1 (l12 rd ) ; tan 1 yd d x sin( d ) d Với d d góc quay camera, ( xd , yd ) vị trí mong muốn camera, rd xd yd 3.3 Mơ hình động học, động lực học robot di động Một lớp rộng hệ thống non-holonomic mô tả dạng công thức động lực học sau dựa công thức Euler-Lagrange: M (q ) q C ( q, q ) q G ( q ) d B( q ) J T (q ) (3.3) Với điều kiện ràng buộc non-holonomic là: J ( q ) q (3.4) Trong đó: + q vector n chiều ứng với n biến khớp, M(q) ma trận đối xứng xác định dương cỡ n x n, C ( q, q )q thành phần mômen nhớt hướng tâm, G(q) n vectơ mômen trọng lực, d vectơ nhiễu sai lệch mơ hình, bị chặn và: d (d x , d y , d )T , B(q) ma trận chuyển đổi đầu vào cỡ n x r (r0 Đạo hàm nhận thay me từ phương trình: V1 mee 2 (m m)m 2 mx (mx dmx )mx 2 my (my dmy )my mT 1e2(m m)(evd eT 1vd eT 1v2m)(mx dmx )(e cos 2 mxmx ) (4.35) (my dmy )(e sin 2 mymy ) Luật thích nghi định nghĩa cách làm thừa số thứ 2, thứ thứ để khiến V xác định âm với giá trị m0 : e vd T 1(vd v ) d m dt 2 t e cos mx dt 2 mx d mx e cos dt 2 mx d my dt e vd T 1(vd v ) t m 0 dt 2 t e sin e sin my dt 2 my 2 my (4.36) (4.37) (4.38) Tương tự với vận tốc góc: a I w d I T 1( wd w) I (4.39) Từ phương trình (4.13) ta có: a Id a d I I w d I T 1 ( wd w) I d I Iw (4.40) Suy giá trị lý tưởng tham sơ điều khiển vận tốc góc là: I* I ; I* d I Phương trình mơ hình mẫu vận tốc góc: Iw m Iw d IT 1wd IT 1wm 18 (4.41) Sai số thích nghi hiệu vận tốc góc (w) vận tốc mơ hình mẫu (w m ):e ' w w m : Đạo hàm theo thời gian e’ cho sai số động lực học: I de' 1 1 1 T w T w) d IT e ' ( I )(w I d d I I dt (4.42) Sử dụng hàm Lyapunov sau: I 2 V e ' ( I ) ( d ) ; 2 I I I (4.43) I 0, 0, V2 IT 1e '2 ( I I )(e 'w d e 'T 1w d e ' T 1w I ) ( I d I )(e ' I ) T 1(w d w) e ' w d d I e ' dt 2 2 (4.44) (4.45) Các tham số ( , mx , my , , ) chỉnh định để hệ đạt chất lượng bám theo yêu cầu 4.4 Kết mô 4.4.1 Khi quỹ đạo đặt đường thẳng Tọa độ ban đầu robot (1,1), góc trục robot Ox( ) 0: x(0) 1; y (0) 1; (0) Các tham số điều khiển phương trình (4.26) (4.28) chọn là: k x k y k , hệ số khuyếch đại thích nghi 0.5; 0.5; T 0.05; 5; Các tham số ban đầu m=5kg , I=2.5Kg.m2, d x d y 5N ; d 5Nm Hình 4.4 4.5 thể hội tụ biến sai lệch bám sử dụng điều khiển động học thường điều khiển thích nghi mơ hình mẫu tương ứng a 19 b m=5kg , I=2.5Kg.m2, d x d y 5N ; d 5Nm Hình 4.4 (a) hội tụ biến sai lệch; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng điều khiển thường a b Hình 4.5 (a) hội tụ biến sai lệch; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng MRAS Nhận xét: Hình 4.4 Hình 4.5 ta chưa thấy khác biệt chất lượng tham số hệ biết trước Hiệu điều khiển với tồn thành phần bất định thể Hình 4.6 Hình 4.7 Trong Hình 4.4, tham số đặt giá trị ban đầu xác định m=5 I=2.5, d x d y d Với điều khiển thích nghi tất biến sai lệch hội tụ khoảng 3s, với điều khiển thường khoảng gần 4s Trong Hình 4.6 giá trị tham số robot thay đổi thành m=20kg; I=10kg.m2; d x d y 10 N ; d 10 Nm (điều thường xuyên xảy xe robot gắp thêm vật mang thêm vật nó) chịu tác động nhiễu ma sát thay đổi địa hình di chuyển khác nhau) Hình 4.6 sử dụng điều khiển khơng thích nghi kéo thời 20 gian hội tụ 7s thể dao động sai lệch bám, tồn sai lệch tĩnh lớn Trong trạng thái sử dụng điều khiển thích nghi MRAS (Hình 4.7) chất lượng khơng đổi so với Hình 4.5 Các biến sai lệch trở gần tới khoảng 3s a b m=20kg; I=10kg.m2; d x d y 10 N ; d 10 Nm Hình 4.6 (a) hội tụ biến sai lệch; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng điều khiển thường tham số robot thay đổi a b m=20kg; I=10kg.m2; d x d y 10 N ; d 10 Nm Hình 4.7 (a) hội tụ biến sai lệch; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng điều khiển MRAS tham số robot thay đổi 21 4.4.2 Khi quỹ đạo đặt đường trịn có tâm gốc tọa độ (0,0), bán kính Tọa độ ban đầu robot (1,1), góc trục robot Ox ( ) 0: x(0) 1; y (0) 1; (0) Các tham số điều khiển chọn là: k x k y k , hệ số khuyếch đại thích nghi 0.5; 0.5; T 0.01; mx my 5; Các tham số ban đầu m=5kg , I=2.5Kg.m2, d x d y 5N ; d 5Nm Khi giá trị tham số xe robot thay đổi thành m=20kg; I=10kg.m2; d x d y 10 N ; d 10 Nm Hình 4.8 thể dao động sai lệch bám quỹ đạo sử dụng điều khiển khơng thích nghi đáng kể Trong trạng thái sử dụng điều khiển thích nghi MRAS (Hình 4.9) chất lượng đảm bảo (các vận tốc thực bám theo vận tốc mơ hình mẫu tốt hơn, dao động so với điều khiển khơng thích nghi tham số bất định biết trước) TRACKING TRAJECTORY Y a x is ( m ) a -2 -4 -6 -6 -4 -2 X axis(m) LINEAR AND ANGULAR VELOCITIES 35 30 b v (m/s); w (rad/s) 25 20 15 10 -5 -10 -15 10 Time(sec) Hình 4.8 (a) Quỹ đạo bám; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng điều khiển thường tham số robot thay đổi TRACKING TRAJECTORY Y (m ) a -1 -2 -3 -4 -5 -6 -4 -2 X (m) 22 LINEAR AND ANGULAR VELOCITIES 70 60 v (m/s); w(rad/s) 50 b 40 30 20 10 -10 10 Time(sec) Hình 4.9 (a) Quỹ đạo bám; (b) vận tốc tịnh tiến vận tốc quay sử dụng điều khiển MRAS tham số robot thay đổi 4.5 Kết chạy thực nghiệm Hình 4.10 Một số hình ảnh chạy thực nghiệm robot di động bám đối tượng bóng màu vàng R=5cm Tốc độ bám chậm (