Bộ điều khiển PID+Động lực học ngược được thiết kế chi tiết và trình bày trong mục 4.1.2 của Chương 4, mô hình của bộ điều khiển cho trong Hình 4.4, trong mục này sẽ áp dụng bộ điều khiển này vào việc điều khiển robot di động hai chân thực hiện chuyển động theo quỹ đạo cho trước trong ba trường hợp. Thứ nhấtlà khi đã xác định chính xác các đại lượng động lực và hai trường hợp còn lại là đại lượng động lực bị thiếu và có sai số trong mô hình động lực. Mục đích đưa ra ba trường hợp sử dụng của bộ điều khiển ở đây là để so sánh chất lượng điều khiển của bộ điều khiển.
Các ma trận hệ số khuếch đại tỷ lệ, vi phân, đạo hàm được chọn như sau: {0, 16000, 8100, 8100, 8100, 22000, 22000} P K =diag (5.1) {0, 1000, 300, 600, 600, 600, 1000} I K =diag (5.2)
106
{0, 180, 180, 160, 160, 180, 180}
D
K =diag (5.3)
Ở đây các phần từ đầu tiên của KP, KI, KD bằng không bởi vì không điều khiển tọa độ q1 là góc giữa bàn chân trụ và mặt đất.
Các thông số kích thước, thông số động lực và momen quán tính các khâu được cho trong các bảng 5.1÷5.3. Chương trình thực hiện điều khiển robot chuyển động bám theo quỹ đạo của các khớp cho dưới dạng các file ma trận dữ liệu của Matlab, đó là dữ liệu của bài toán động học ngược thực hiện trên quỹ đạo của khớp hông và khớp cổ chân như cho trong các hình 2.18÷2.20. Như vậy đầu vào của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược sẽ là các file dữ liệu pqtsj.mat, vqtsj.mat, aqtsj.mat tương ứng với chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khớp.
Sơ đồ của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong phần mềm Matlab SIMULINK được mô tả trong Hình 5.1 bên dưới.
Hình 5.1 Mô hình điều khiển trong SIMULINK
Khối Input là khối nhập dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển gồm các file dữ liệu ma trận như mô tả ở trên, là các giá trị đặt của bộ điều khiển.
Khối PD Control là khối bao gồm sự kết hợp của điều khiển PID và Động lực học ngược.
107
Hình 5.3 Khối chương trình con – Control PID
Hình 5.4 Khối chương trình con –Tính động lực học ngược
Khối Robot là thể hiện của robot di động hai chân, nếu bộ điều khiển được ứng dụng trực tiếp vào mô hình robot thực tế thì đầu ra của bộ điều khiển sẽ được đấu nối làm sao để điều chỉnh các động cơ dẫn động tại các khớp và dữ liệu trả về là các thông tin của sensor đo các chuyển vị, vận tốc tại các khớp. Tuy nhiên ở đây thì sử dụng một khối để thay thế cho robot thực, có chức năng giải động học thuận để tìm ra chuyển vị, vận tốc, gia tốc thực của các khớp như trong Hình 5.5.
Hình 5.5 Khối cơ cấu chấp hành – Robot
Khối Graph là khối hiện thị kết quả của bộ điều khiển.
Như đã trình bày ở trên, phần tiếp sẽ thực hiện áp dụng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược cho robot di động hai chân trong ba trường hợp. Thứ nhất là khi các đại lượng động lực đã biết chính xác, thứ hai là khi robot bị tác động bởi các lực nhiễu và lực cản nhưng không được tính đến trong bộ điều khiển, thứ 3 là khi robot bịlực cản, lực nhiễu tác động và sai số của mô hình động lực lên đến 50% nhưng không được tính đến trong bộ điều khiển.
108
5.2.1.1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp 1 - đã biết được chính xác các đại lượng động lực.
Giả thiết robot chịu tác động của lực nhiễu và lực cản có công thức như sau:
1 2 3 4 4 5 6 7
15 sin cos sin sin cos sin 2 cos 2 sin
dis Q = q q q q q q q q (5.4) 1 2 3 4 5 6 7 5 fr Q = q q q q q q q (5.5)
a) Kết quả điều khiển ở bước khởi động 1
Hình 5.6 là kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp đã biết được chính xác các đại lượng động lực của robot và thực hiện cho bước khởi động 1 có quỹ đạo khớp hông và khớp mắt cá chân được thiết kế ở Hình 2.13 trong Chương 2.
109
Hình 5.6 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1ở bước khởi động 1
b) Kết quả điều khiển ở bước khởi động 2
Hình 5.7 là kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp đã biết được chính xác các đại lượng động lực của robot và thực hiện cho bước khởi động 2 có quỹ đạo của khớp hông và khớp mắt cá chân được thiết kế trong Hình 2.15.
110
Hình 5.7 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước khởi động 2
c) Kết quả điều khiển ở bước đi đều
Trong Hình 5.8 là kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược cho bước đi đều có quỹ đạo bước đi ở Hình 2.16 trong trường hợp đã biết được chính xác các đại lượng động lực trong phương trình vi phân của robot.
111
Hình 5.8 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước đi đều
d) Kết quả điều khiển ở bước kết thúc
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược cho bước đi kết thúc được cho trong Hình 5.9 với quỹ đạo bước điđã đưa raở Hình 2.17.
112
Hình 5.9 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước kết thúc
Bộ điều khiển PID+Động lực học ngượcđượcáp dụng cho robot di động hai chân trong trường hợp đã biết được chính xác các đại lượng động lực cho tất cả các bước đi đều cho kết quả điều khiển chính xác, sai số điều khiển hội tụ rất nhanh, với khoảng 0,05s thì quỹ đạo thực đã gần như trùng với quỹ đạo đặt. Kết quả trên hoàn toàn phù hợp bởi ta đã giả thiết là đã xác định được đầy đủ và chính xác tất cả các đại lượng động lực do đó trường hợp này hoàn toàn có thể được sử dụng làm cơ sở để so sánh với các điều khiển khác.
Tuy nhiên trong thực tế không thể nào xác định được chính xác mô hình động lực của robot ví dụ như các hệ số ma sát, hệ số cản nhớt, lực cản bên ngoài tác động vào robot nhưng không thể xác định chính xác được.
Phần tiếp theo sẽ sử dụng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược điều khiển robot trong trường hợp robot bị tác động bởi lực nhiễu và lực cản như trong trường hợp 1 nhưng không biết được để đưa vào bộ điều khiển.
5.2.1.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp 2 –không biết được lực nhiễu và lực cản tác động lên robot.
Trong trường hợp này giả thiết robot chịu tác động của lực nhiễu và lực cản tương tự như trong trường hợp 1 có công thức như trong (5.4) và (5.5). Nhưng không thể biết được để đưa vào bộ điều khiển. Ví dụ ở đây là trong biểu thức tính động lực học thuận của khối robot thì có sự xuất hiện của lực nhiễu và lực cản, nhưng trong biểu thức tính động lực học ngược của bộ điều khiển thì lại không có biểu thức của lực nhiễu và lực cản.
Tất cả các thông số khác và đầu vào của bộ điều khiển được giữ nguyên như trong trường hợp 1. Thực hiện việc điều khiển robot chuyển động theo các quỹ đạo bước đi đã thiết kế trong Chương 2 ta được các kết quả như trong các hình bên dưới. Hình 5.10 và Hình 5.11 là kết quả điều khiển trong các bước khởi động 1 và 2. Hình 5.12 và Hình 5.13 là kết quả điều khiển trong các bước đi đều và bước kết thúc.
113
a) Kết quả điều khiển ở bước khởi động 1
114
b) Kết quả điều khiển ở bước khởi động 2
115
c) Kết quả điều khiển ở bước đi đều
116
d) Kết quả điều khiển ở bước kết thúc
Hình 5.13 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước kết thúc
Phần tiếp theo sẽ trình bày bộ điều khiển PID+Động lực học ngược áp dụng cho trường hợp không tính được lực cản, lực nhiễu và sai lệch mô hình động lực lên đến 50%.
117
5.2.1.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp 3 –không biết được lực nhiễu và lực cản tác động lên robot, mô hình động lực sai lệch 50%.
Trong trường hợp này giả thiết tương tự như trường hợp 2 robot chịu tác động của lực nhiễu và lực cản tương tự như trong trường hợp 1 có công thức như trong (5.4) và (5.5), sai lệch của mô hình động lực lên đến 50%. Nhưng không thể biết được để đưa các đại lượng bị thiếu và sai lệch mô hình vào bộ điều khiển.
Tất cả các thông số khác và đầu vào của bộ điều khiển được giữ nguyên như trong trường hợp 1. Mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp này cho tất cả các bước đi của robot gồm bước khởi động, bước đi đều và bước kết thúc. Tuy nhiên do giới hạn về số trang trình bày của luân nên phần sau chỉ đưa ra kết quả mô phỏng cho bước khởi động 1 có quỹ đạo khớp hông và khớp mắt các chân như trong Hình 2.13 ở Chương 2. Với các bước đi còn lại thì kết quả mô phỏng cũng gần như tương đương với trường hợp 2 ở bên trên.
118
Hình 5.14 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 3ở bước khởi động 1
Kết quả của bộ điều khiển PID+Động lực học ngược trong trường hợp 3 này cũng giống như trong trường hợp 2 ở bên trên, với tất cả các bước đi đều cho kết quả điều khiển rất kém. Nhiều tọa độ xuất hiện dao động hoặc không điều khiển được, quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực không hội tụ hoặc hội tụ rất chậm một số tọa độ hai quỹ đạo này còn song song với nhau.
Phương pháp điều khiển là chính xác nhưng không thể điều khiển robot chuyển động chính xác trong các trường hợp 2 và 3 này. Bản chất của phương pháp điều khiển là dựa trên mô hình động lực nên là phải biết chính xác được mô hình động lực của robot, nhưng trên thực tế thì khó xác định được đầy đủ và chính xác mô hình động lực được. Vậy nên không có cách nào xử lý trong các trường hợp này cho bộ điều khiển PID+Động lực học ngược.
Như vậy cần phải sử dụng phương pháp điều khiển khác để khắc phục các hạn chế này. Như đã trình bày ở chương trước thì nhóm các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mở, điều khiển đại số gia tử, điều khiển sử dụng mạng noron có thể khắc phục những hạn chế trên. Phần tiếp theo sẽ trình việc áp dụng các bộ điều khiển mờ và các kết quả điều khiển của nó.