ĐỀ tài NCKH nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do pendubot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT MÃ SỐ: SV2020-158 SKC007343 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT SV2020-158 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN MINH ĐỨC TP Hồ Chí Minh, 08/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT SV2020-158 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điều khiển học kỹ thuật SV thực hiện: Trần Minh Đức Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16151CL3 - Đào tạo Chất Lượng Cao Năm thứ:4/Số năm đào tạo: Ngành học: Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Minh Tâm TP Hồ Chí Minh, 08/2020 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT Đặt vấn đề Lý chọn đề tài Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5 Phạm vi nghiên cứu 6 Ý nghĩa khoa học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ PENDUBOT 1.1 Giới thiệu hệ pendubot 1.2 Mơ tả tốn học hệ Pendubot 1.2.1 Cơ sở khoa học 1.2.2 Thành lập phương trình động học cho hệ Pendubot 1.3 1.3.1 Yêu cầu điều khiển hệ pendubot vị trí bất ổn định 14 Xét tính điều khiển vị trí TOP 15 1.3.2 Xét tính điều khiển vị trí MID 16 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM .18 2.1 Vi xử lí LAUNCHXL-F28379D C2000 18 2.3 Động 24VDC M.A.E 19 2.4 Cầu H IR2184 19 2.5 Module giao tiếp UART sử dụng IC CP2102 20 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG PENDUBOT 21 3.1 Phân tích đáp ứng độ phương pháp phân tích đáp ứng xung 21 3.1.1 Nhiễu DC (Mean) = 0; Nhiễu AC (Var) = 21 3.1.2 Nhiễu DC (Mean) = 0.1; Nhiễu AC (Var) = 22 3.1.3 Nhiễu DC (Mean) = 0; Nhiễu AC (Var) = 0.01 22 3.1.4 Nhiễu DC (Mean) = 0.1; Nhiễu AC (Var) = 0.01 23 3.2 Phân tích đáp ứng độ phương pháp phân tích đáp ứng nấc .23 3.2.1 Nhiễu DC=0; VAR=0 24 3.2.2 Nhiễu DC=0.1, VAR=0 24 3.2.3 Nhiễu DC=0; VAR=0.001 25 3.2.4 Nhiễu DC=0.1; VAR=0.001 26 3.3 Phân tích đáp ứng độ phương pháp phân tích tương quan .26 3.3.1 Nhiễu DC=0; VAR=0 27 3.3.2 Nhiễu DC=0.1; VAR=0 28 3.3.3 Nhiễu DC=0; VAR=0.001 28 3.3.4 Nhiễu DC=0.1, VAR=0.001 28 3.3.5 Nhận xét cho phân tích đáp ứng độ phương pháp phân tích tương quan 29 3.4 Phân tích đáp ứng tần số phương pháp kiểm tra sóng sin 29 3.4.1 Khảo sát link đối tượng 29 3.4.2 Khảo sát link đối tượng 31 3.4.3 Nhận xét phương pháp 32 3.5 Phân tích tần số phương pháp tương quan 32 3.5 Phương trình hàm truyền hệ thống Pendubot 34 3.6 Nhận dạng mơ hình có tham số khơng nhiễu 34 3.6.1 Cấu trúc ARX 34 3.6.2 Cấu trúc ARMAX 35 3.6.3 Cấu trúc OE 37 3.6.4 Cấu trúc BJ 38 3.6.5 Nhận xét mơ hình khơng có nhiễu 39 3.7 Nhận dạng mơ hình có tham số có nhiễu 40 3.7.1 Nhiễu DC=0.1; AC=0 40 3.7.2 Nhiễu DC = 0.3; AC=0 42 3.7.3 Nhiễu DC=0; AC=0.03 43 3.7.4 Nhiễu DC=0; AC=0.1 45 3.7.5 Nhiễu DC=0.15; AC=0.03 46 3.3.6 Nhận xét 48 CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 49 4.1 Giới thiệu giải thuật điều khiển tuyến tính dạng tồn phương LQR 49 4.2 Giới thiệu giải thuật Swing up 50 4.2.1 Thiết kế điều khiển swing-up vị trí top ( 4.2.2 Thiết kế điều khiển swing-up vị trí middle ( 52 = =− = ) 50 = ) 4.3 Giới thiệu giải thuật di truyền GA 53 4.3.1 4.4 Lưu đồ giải thuật thuật toán di truyền 55 Giới thiệu phần mềm Matlab Matworks 55 CHƯƠNG ĐÁP ỨNG THỰC TẾ KHI ĐIỀU KHIỂN 56 5.1 Kết mô điều khiển swing up (top+middle) cân LQR 56 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 62 6.1 Kết đạt 62 6.2 Hướng phát triển 62 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên Bảng 1.1 Thông số đại lượ Bảng 1.2 Bảng DH hệ Pendub Bảng 3.1 So sánh cấu trúc DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trục hệ Pendubot trục tọa độ Oxyz Hình 1.2 Cấu trúc động DC Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 2.1 Vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D C2000 Hình 2.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR Hình 2.3 Động 24VDC M.A.E Hình 2.4 Cầu H IRF3205 Hình 2.5 Cởng kết nối UART giữa máy tính và vi điều khiển Hình 3.1 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích đáp ứng xung Hình 3.2 Phân tích đáp ứng xung thiết kế cho hệ Pendubot Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng không nhiễu; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu DC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễU DC và AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.7 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích đáp ứng nấc Hình 3.8 Phương pháp phân tích đáp ứng nấc thiết kế cho hệ Pendubot Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng không nhiễu; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễU DC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễU AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu DC và AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.13 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích tương quan Hình 3.14 Phân tích phương pháp hệ Pendubot Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng không nhiễu; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu DC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau nhận dạng nhiễu DC và AC; Sai số hệ sau nhận dạng Hình 3.19 Sơ đồ Simulink mơ tả phương pháp kiểm tra sóng sin cho hệ Pendubot Hình 3.20 Đáp ứng ngỏ vào hệ Pendubot và giản đồ Bode hệ thống Hình 3.21 Giản đồ Bode pha sau thu thập dữ liệu 40 lần Hình 3.22 Giản đồ Bode biên sau thu thập dữ liệu 40 lần Hình 3.23 giản đồ bode thực hệ xét link Hình 3.24 giản đồ Bode pha và biên sau thu thập dữ liệu Hình 3.25 Gian đồ Bode thực hệ link Hình 3.26 giản đồ Bode pha sau nhận dạng Hình 3.27 giản đồ Bode biên sau nhận dạng Hình 3.28 Tín hiệu vào hệ thống khơng nhiễu Hình 3.29 Đồ thị về cấu trúc ARX tùy chỉnh theo bậc khác Hình 3.30 Giá trị best fits cấu trúc ARX khơng nhiễu Hình 3.31 Kết phương trình [arx441], best fit = 96.18 Hình 3.32 Tín hiệu vào hệ thống Pendubot với cấu trúc ARMAX Hình 3.33 Đồ thị về cấu trúc ARMAX tùy chỉnh theo bậc khác Hình 3.34 giá trị best fits cấu trúc ARMAX khơng nhiễu Hình 3.35 Kết phương trình [amx2221], best fit = 95.58 Hình 3.36 Đồ thị về cấu trúc OE tùy chỉnh theo bậc khác Hình 3.37 giá trị best fits cấu trúc OE khơng nhiễu Hình 3.38 Kết phương trình [oe421], best fit = 99.51 Hình 3.39 Đồ thị về cấu trúc BJ tùy chỉnh theo bậc khác Hình 3.40 giá trị best fits cấu trúc BJ khơng nhiễu Hình 3.41 Kết phương trình [bj42122], best fit = 89.41 Hình 3.42 Hệ Pendubot thiết kế với cấu trúc ARX, ARMAX, OE, BJ có nhiễu DC nhỏ và khơng nhiễu AC Hình 3.43 Các giá trị best fits với cấu trúc Hình 3.44 Phương trình cấu trúc ARX Hình 3.45 Phương trình cấu trúc ARMAX Hình 3.46 Phương trình cấu trúc OE Hình 3.47 Phương trình cấu trúc BJ Hình 4.5 Vị trí Middle hệ Pendubot Với điều khiển để swing-up vị trí middle, sinh viên thực sử dụng điều khiển hồi tiếp tuyến tính (3.9) thêm điều kiện vị trí ban đầu để swing-up link link đến vị trí mong muốn = 11 { = −1.4 sin(5 ) − Với { 4.3 Giới thiệu giải thuật di truyền GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithms - GA) phương pháp tìm kiếm toàn cục ngẫu nhiên dựa chế chọn lọc tự nhiên di truyền học tự nhiên Chúng lặp lặp lại việc tìm kiếm sử dụng rộng rãi tốn tối ưu hóa số ngành khoa học công nghệ Chúng ta xem tiến trình qui trình vịng kín (tạo hệ mới) Quá trình lai ghép, đột biến, chọn lọc bắt đầu lại từ điểm sở mẫu tốt chọn Việc lựa chọn thể di truyền (sản phẩm kết hợp cá thể cha mẹ) q trình ngẫu nhiên định hướng việc lựa chọn mẫu tốt quần thể Thực tế, để kết thúc trình GA sau số lượng hệ tạo sau tiến hành kiểm tra chất lượng tập hợp Nếu khơng tìm thấy giải pháp tối ưu, GA khởi động lại tìm kiếm bắt đầu 53 Đối với việc thiết kế điều khiển LQR, Backstepping Giải thuật gen di truyền áp dụng để tìm kiếm thơng số ma trận Q , trọng số luật điều khiển phương pháp Backstepping, thông số tiền xử lý, hậu xử lý cho điều khiển LQR, Backstepping Để áp dụng giải thuật GA cho việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động Cần nắm bắt rõ cấu trúc, thông số, chất hệ thống Từ thành lập chương trình với hỗ trợ khoa học máy tính để tìm kiếm cá thể, thông số ý Ở đề tài này, giải thuật GA tiến hành phần mềm Matlab Tuy nhiên, việc chọn lọc, lai ghép cá thể diễn theo thể thức random-tự do, để tìm cá thể tốt, máy tính chạy vài ngày Hình 4.6 Sơ đồ giải thuật di trùn tởng qt Tóm lại, để giải toán giải thuật di truyền, cần thực bảy bước quan trọng sau đây:  Bước 1: Chọn mơ hình cho lời giải tốn, chọn số lời giải tượng trưng cho toàn lời giải (tương đương quần thể) có toán  Bước 2: Chỉ định cho lời giải (cá thể) ký hiệu (mã hóa) Ký hiệu dãy số hay dãy số thập phân, dãy chữ hay hỗn hợp số chữ Ký hiệu đơn giản thƣờng dùng dãy số  Bước 3: Tìm hàm số thích nghi cho tốn tính hệ số thích nghi cho lời giải (cá thể)  Bước 4: Dựa hệ số thích nghi lời giải để thực chọn lọc phép (Selection) toán di truyền như: lai ghép (Crossover), đột biến (Mutation) 54  Bước 5: Tính hệ số thích nghi cho lời giải (cá thể) mới, loại bỏ cá thể để giữ lại số định cá thể tương đối tốt  Bước 6: Nếu chưa tìm lời giải mong muốn (tối ưu) hay tương đối tốt hay chưa hết thời gian ấn định, quay lại bước để tìm lời giải  Bước 7: Tìm lời giải tối ưu hay thời gian ấn định hết kết thúc giải thuật đưa kết tìm Hàm mục tiêu để tối ưu hóa thơng số điều khiển cho điều khiển LQR điều khiển backstepping áp dụng giải thuật di truyền GA trình bày sau: n Je1 (i ) e1 (i ) e2 (i ) e2 (i ) i e Với x sai số lắc cánh tay Trong trường hợp này, thời gian chạy 100 giây, với thời gina lấy mẫu 0.01 giây, có n = 10001 mẫu 4.3.1 Lưu đồ giải thuật thuật tốn di truyền Hình 4.7 Sơ đồ giải thuật di truyền GA 4.4 Giới thiệu phần mềm Matlab Matworks Xem thêm mục I phần PHỤ LỤC 55 CHƯƠNG ĐÁP ỨNG THỰC TẾ KHI ĐIỀU KHIỂN 5.1 Kết mô điều khiển swing up (top+middle) cân LQR Sinh viên thực mơ Matlab Hình 5.1 Sơ đồ thiết kế điều khiển Thông qua việc sử dụng việc đo đạc từ datasheet nhà sản xuất, sinh viên thu tham số hệ thống sau: 1= 0.02735 0.003931 = 0.0054179 = 0.21683 = 0.036405 =0.011074 = 0.14941 = 0.022629 2= 2= 7.1283 ∗ 10−6 = 3.6373 ∗ 10−5 Ta có ma trận K điều khiển LQR sau chọn: 56 − 1== ̇ { ̇= 2= Giải phương trình Riccati: +−−1+=0 Sau thay vào =− −1 Ta thu được: 0 = [0 0 Ta chọn { = 25 _ _ Bộ switch điều khiển LQR Swing-up khi: | −  Vị trí top : { _  Vị trí middle : { | _ ≤15 Kết mô thực nghiệm: Vị trí top 57 ≤15 | | ≤ 0.5 { Hình 5.2 Kết mơ góc và vận tốc link và link vị trí top hệ Pendubot Hình 5.3 Kết mô điện áp cấp cho hệ Pendubot vị trí TOP 58 Hình 5.4 Kết thực nghiệm góc và vận tốc link và link thực nghiệm vị trí TOP Hình 5.5 Kết điện áp cấp cho động thực nghiệm vị trí top Vị trí middle { 59 Hình 5.6 Kết góc và vận tốc link và link mơ vị trí middle Hình 5.7 Kết điện áp cấp từ động mô vị trí middle 60 Hình 5.8 Góc và vận tốc link và link thực nghiệm vị trí middle Hình 5.9 Điện áp cấp cho động thực nghiệm vị trí middle 61 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt Qua trình nghiên cứu thực đề tài số kết sau: Nghiên cứu áp dụng thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors để điều khiển hệ thống bồn nước đơn thông qua phần mềm Matlab/Simulink Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý LAUNCHXL-F28379D vào điều khiển hệ thống bồn nước đơn Tác giả xây dựng thành cơng mơ hình hệ thống Pendubot hoạt động ổn định, thẫm mỹ Nghiên cứu giải thuật điều khiển LQR, giải thuật di truyền GA, swing up phương pháp lượng áp dụng mơ hình lắc ngược cho kết mơ tốt Matlab Nghiên cứu mơ hình hóa nhận dạng hệ Pendubot Đề tài “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT” hỗ trợ đắc lực trình giảng dạy, học tập nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Việc áp dụng mơ hình hệ thống bồn nước đơn giúp người học kiểm chứng lại giải thuật, phương pháp điều khiển khác nhằm tìm giải thuật tối ưu cho ứng dụng cụ thể 6.2 Hướng phát triển Điều khiển hệ thống Pendubot link 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hoàng Chinh, Điều khiển PID-Fuzzy cho hệ Pendubot, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, 2018 [2] Tran Thien Dung, Nguyen Nam Trung, Nguyen Van Lanh, Control design using backstepping technique for a cart-inverted pendulum system, International Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS), Volume-6, pp.70-75, 2019 [3] Philippe Faradja, Guoyuan Qi, Martial Tatchum, Sliding mode control of a Rotary Inverted Pendulum using higher order differential observer, 14th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014), pp 1123-1127, 2014 [4] K Furuta, M Iwase, Swing-up time analysis of pendulum, Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences Vol 52, No 3, pp 153-163, 2004 [5] Yung-Chih Fu, Jung-Shan Lin, Nonlinear Backstepping Control Design of the Furuta Pendulum, IEEE Conference on Control Applications, pp 96-101, 2005 [6] Nguyễn Văn Đông Hải, Xây dựng điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào cho hệ xe lắc ngược, Luận văn Thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa TPHCM, 2011 [7] Iraj Hassanzadeh, Saleh Mobayen, Controller Design for Rotary Inverted Pendulum System Using Evolutionary Algorithms, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2011, pp 1-17, 2011 [8] Vo Anh Khoa, Nguyen Minh Tam, Tran Vi Do, Nguyen Thien Van, Nguyen Van Dong Hai, Model and control algorithm construction for rotary inverted pendulum in laboratory, Journal of Technical Education Science No.49, pp 32-40, 2018 [9] Li Chun Lai - Yu Yi Fu - Chia-Nan Ko, “MQPSO Algorithm Based Fuzzy PID Control for a Pendubot System “, International Conference on Artificial Life and Robotics (ICAROB 2017), pp 19-22, Seagaia Convention Center, Miyazaki, Japan, 2017 [10] Xiao Qing Ma A Thesis in The Department of Mechanical Engineering, Fuzzy Control for an under-actuated Robotic Manipirlator: Pendubot, August 2001 [11] Navin John Mathew, K Koteswara Rao, N Sivakumaran, Swing Up and Stabilization Control of a Rotary Inverted Pendulum, the 10th IFAC International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems, pp 654-659, 2013 [12] Mahsa Rahmanian, Mohammad Teshnehlab, Mahdi Aliyari Shoorehdeli, An off- line fuzzy backstepping controller for rotary inverted pendulum system, International Conference on Intelligent and Advanced Systems, pp 109-113, 2007 [13] Quanser rotary inverted pendulum workbook [14] Varunendra Kumar Singh, Vijay Kumar, Nonlinear Design for Inverted Pendulum using Backstepping Control Technique, International Journal of Scientific Research Engineering & Technology (IJSRET), Vol 2, pp 807-810, 2014 [15] Pavol Seman, Boris Rohal’-Ilkiv, Martin Juh´as, Michal Salaj, Swinging up the Furuta pendulum and its stabilization via model predictive control, Journal of Electrical Engineering, vol 64, No 3, pp 152-158, 2013 ... ứng dụng mà giải pháp điều khiển thông thường không thực Đề tài ? ?Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự - Pendubot? ?? mang lại kết nghiên cứu cho điều khiển phi tuyến hệ under-actuated... BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT SV2020-158 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điều khiển học kỹ thuật... PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT - SV thực hiện: Trần Minh