(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và điều khiển robot tự cân bằng trên một quả bóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÙ MINH PHUỚC MƠ HÌNH HĨA VÀ ÐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ CÂN BẰNG TRÊN MỘT QUẢ BÓNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 SKC006003 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÙ MINH PHƯỚC MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ CÂN BẰNG TRÊN MỘT QUẢ BÓNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÙ MINH PHƯỚC MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ CÂN BẰNG TRÊN MỘT QUẢ BÓNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: CÙ MINH PHƯỚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1991 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: An Nhơn, Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 203/8, Đường 11, Khu phố 4, Linh Xuân, Thủ Đức, HCM Điện thoại nhà riêng: 01682813763 Điện thoại quan: E-mail: minhphuocbinhdinh@gmail.com Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 12/ 2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ Điện tự động Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: Mơ hình hóa điều khiển Robot hai bánh tự cân Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 12/2014 – i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên, xin gửi đến Thầy Nguyễn Minh Tâm người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm giúp tơi hồn thành luận văn Bên cạnh đó, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô mơn Điều Khiển Tự Động, Cơ Khí hỗ trợ giúp tơi làm mơ hình cho tơi học hỏi kiến thức bổ ích trình học tập để ứng dụng lý thuyết vào nghiên cứu phát triển đề tài Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất bạn cao học Kỹ thuật điện tử khóa 2014A động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với suốt khóa học Tp.HCM, ngày tháng 04 năm 2016 Tác giả CÙ MINH PHƯỚC iii TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC Robot tự cân bóng hệ thống khó có tính phi tuyến cao, nghiên cứu phát triển số nước thành cơng Mơ hình sử dụng để kiểm chứng tính xác thực giải thuật tuyến tính lẫn phi tuyến, cổ điển đại Trong luận văn xem xét giải vấn đề liên quan đến Robot tự cân bóng mơ khảo nghiệm mơ hình Robot, thiết kế điều khiển tự cân Trong luận văn học viên dựa giải thuật tối ưu hóa tồn phương tuyến tính LQR, điều khiển cân Robot, làm tảng để phát triển Robot điểu khiển theo vi trí linh hoạt sau Autonomous balancing on a ball is a difficult system because of high nonlinearity, is research and development in some countries succeed The model above can be used to verify the authenticity of the linear algorithm and nonlinear, as well as a modern classic In this essay will examine and resolve issues related to self-balancing robot on a ball like Robot simulation models, design controls balance In this thesis students will be based on sustainable LQR algorithm, balancing robot controller, the foundation for the development of robot control placement is flexible in the future iv PHỤ LỤC TRANG TỰA LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ BẢNG SỐ LIỆU Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Robot tự cân bóng 1.2 Tình hình phát triển Robot tự cân mộ 1.2.1 Robot tự cân 1.2.2 Robot tự cân 1.2.3 Robot tự cân 1.2.4 Robot tự cân 1.2.5 Robot tự cân 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Nội dung đề tài 1.6 Giới hạn nội dung đề tài Chương THI CÔNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN CỨNG 2.1 Tổng quan thiết kế hệ thống điều khiển 2.2 Những phần cứng robot tự cân trê 2.2.1 Bánh Omni 2.2.2 Vi điều khiển Arduino 2.2.3 Cảm biến IMU DOF 2.2.4 Nguồn DC 12V 2.2.5 Driver PID cho động c 2.2.6 Động DC Servo v 2.2.7Module thu phát, truyền nhậ 2.3 Sơ đồ tổng quan mạch điện điều khiển robot 2.4 Thi cơng mơ hình thực tế Robot tự cân m Chương KHẢO SÁT LÝ THUYẾT 3.1 Bộ điều khiển PID 3.1.1Cấu trúc điều khiển PID 3.1.2Bộ điều khiển PID 3.2 Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) 3.2.1Bài tốn LQR liên tục 3.2.2Bài toán LQR liên tục thời g 3.2.3Bài toán LQR rời rạc thời gi 3.3 Bộ lọc Kalman 3.3.1Quá trình ước lượng 3.3.2Bản chất xác suất lọc 3.3.3Thuật toán Kalman rời rạc 3.4 Bộ lọc bổ sung Complementary filter Chương MƠ PHỎNG VÀ KHẢO NGHIỆM MƠ HÌNH ROBOT 4.1 Phân tích Robot tự cân bóng the 4.1.1Các điều kiện giả thiết ban đ 4.1.2Chọn hệ tọa độ qui chiếu 4.1.3Chọn hệ tọa độ Descartes the 4.1.4Chọn hệ tọa độ Descartes the 4.2 Phương trình động lực học theo mặt phẳng tọa độ y 4.2.1Động h 4.2.2Moment xoắn ngoại lực 4.2.3Thành lập công thức Euler-L 4.2.4Tuyến tính hóa, thành lập ph 4.3 Phương trình động lực học theo mặt phẳng tọa độ x 4.3.1Động h 4.3.2Moment xoắn ngoại lực 4.3.3Thành lập phương trình Eule vi if(pwm_1>=PWM_LIMIT) pwm_1=PWM_LIMIT; if(pwm_1=PWM_LIMIT) pwm_2=PWM_LIMIT; if(pwm_2=PWM_LIMIT) pwm_3=PWM_LIMIT; if(pwm_3=0) {int tram = (int) a/100; int chuc = (int) (a/10)%10; int donvi= (int) a%10; Serial.write('+'); 80 Serial.write(tram+48); Serial.write(chuc+48); Serial.write(donvi+48); Serial.write(' '); } else if(a=0) {int tram = 0;//(int) compAngleX/100; int chuc = 0;//(int) (compAngleX/10)%10; int donvi= 0;//(int) compAngleX%10; Serial.write('+'); Serial.write(tram+48); Serial.write(chuc+48); Serial.write(donvi+48); Serial.write(' '); } else if(b