Nghiên cứu, thiết kế hệ bộ điều khiển cho robot cá 4 khâu 3 khớp dạng carangiform

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHAN VĂN Y Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1972 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840023 I- TÊN ĐỀ T

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS VÕ TƯỜNG QUÂN

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP HCM ngày 10 tháng 5 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến ……… Chủ tịch 2 TS Nguyễn Thanh Phương ……… Phản biện 1 3 TS Nguyễn Hùng ……… Phản biện 2 4 TS Võ Hoàng Duy………Ủy viên 5 TS Võ Đình Tùng……… Ủy viên – thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Nguyễn Tấn Tiến

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN VĂN Y Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/12/1972 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840023

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÁ 4 KHÂU

3 KHÓP DẠNG CARANGIFORM

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu các loại robot cá dạng Carangiform hiện nay trên Việt Nam và trên thế giới

- Nghiên cứu mô hình động lực học của robot cá

- Xác định phương án di chuyển của robot cá trong mặt phẳng 2D

- Tìm hiểu các loại cảm biển dùng cho robot

- Nghiên cứu tính toán thiết kế bộ điều khiển cho robot trong mặt phẳng 2D

- Mô phỏng thông qua công cụ Matlab

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2014

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VÕ TƯỜNG QUÂN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS VÕ TƯỜNG QUÂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Phan Văn Y

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS Võ Tường Quân, tôi đã hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin bày tỏa lòng biết ơn sâu sắc đối với

TS Võ Tường Quân, thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình

và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cám ơn tập thể Thầy Cô Giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập

và nghiện cứu trong quá trình học cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học trường đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2013

Người Thực hiện

Phan Văn Y

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Robot cá (Fish robot) là một dạng robot phỏng sinh học (Biomimetic robot) được quan tâm ngày càng nhiều trong những năm gần đây Với ưu điểm vượt trội so với phương tiện di chuyển dưới nước truyền thống là dùng động cơ đẩy (thruster) như ROVs (Remotely Operated Vehicles) hay AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), robot cá sử dụng sự chuyển động của thân và đuôi một cách linh hoạt để tạo ra chuyển động và việc tiêu tốn năng lượng sẽ ít hơn so với việc sử dụng động

cơ đẩy Luận văn của em sẽ nghiên cứu phương pháp điều khiển trên mô hình robot

cá dạng Carangiform 4 khâu, 3 khớp Các thành phần lực đẩy, lực cản của nước tác động lên robot, các quy luật biến đổi góc của các khâu được tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab

Trên cơ sở phương pháp Lagrange, phương trình động động lực học của robot

cá được thiết lập Sau đó, bộ điều khiển chuyển động theo hướng của robot được thiết kế dựa trên bộ điều khiển PID bộ điều khiển này được áp dụng để có thể thay đổi hay ổn định hướng cho robot khi di chuyển Nghiên cứu này cũng xem xét ảnh hưởng của nhiễu do sóng nước tác động vào robot để kiểm nghiệm độ bền vững của các bộ điều khiển

ABSTRACT

The research in my composition will be based on the method of control on the model of FISH ROBOT in the form of Carangiform with 4 links and 3 joints Components of propulsive force, barring force of water impacting the robot, as well

as rules of changing angles of phases will be calculated and reproduced by Matlab Based on the Method of Lagrange, the movement equation of the robot has been established After that, the control set of movement in the direction of the robot has been designed based on the control set of PID These control sets have been applied

in order to be able to change or stabilize the direction of the moving robot

This research also carries out the influence of interference from water waves impacting the robot in order to test the durability of control sets

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM T ẮT L UẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC B ẢNG BI ỂU vii

DANH MỤC CÁC LƯ U Đ Ồ, HÌNH ẢNH viii

CHƯ ƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1 1 Đặt vấn đ ề 1

1 2 Tính cấp th iết củ a đ ề tài 1

1 3 Mụ c tiêu củ a lu ận v ăn 2

1 4 Nộ i d un g n gh iên cứu 2

1 5 Ph ươn g p h áp lu ận 2

1 6 Nộ i d un g lu ận văn 3

CHƯ ƠNG 2 TỔNG QUAN 4

2 1 Tổ n g qu an về n gh iên cứu Robo t d ưới nư ớc 4

2 2 Tổ n g qu an tình h ình n gh iên cứu 5

2 2 1 Tình h ình n gh iên cứu tron g n ước 5

2 2 2 Tình h ình n gh iên cứu trên th ế giới 6

CHƯƠNG 3 P HÂN TÍCH ĐỘNG LỰ C HỌC ROB OT CÁ 11

3 1 Mô h ình hó a 11

3 2 Tính to án đ ộ n g lực họ c ch o Ro bo t cá 13

CHƯ ƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 18

4 1 Sơ đồ kh ố i đ iều kh iển P ID 18

4 2 Lưu đồ giải th u ật P ID 21

CHƯ ƠNG 5 K ẾT QUẢ MÔ P HỎNG 22

5 1 Kết q u ả mô p h ỏn g độn g lực h ọ c robo t 22

5 2 Kết q u ả mô p h ỏn g bộ đ iều kh iển P ID 23

KẾT LUẬN 24

Kết lu ận 24

Hướ n g ph át triển 24

TÀI LIỆU T H AM KH ẢO 25

DANH M ỤC CÁC BẢNG B IỂU

Trang Bảng 3.1: Các thông số sử dụng 13

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2.1: Robot cá của Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật [4] 5

Hình 2.2: Một số nghiên cứu về robot cá dạng BCF [5] 6

Hình2.3: Robot cá của National Maritimes Research Institute [6] 7

Hình 2.4: Robot Tuna I – EMIT USA [7] 7

Hình 2.5: Robot Tuna II - MIT U.S.A [7] 8

Hình 2.6: Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8) [8 8

Hình 2.7: Robot dạng mực của đại học Osaka [9] 9

Hình 2.8: Robot dạng knifefish [10] 9

Hình 3.1: Sơ đồ động các khâu của Robot 13

Hình 3.2: các lực tác dụng khi robot cá di chuyển 14

Hình 3.3: Sơ đồ lực đẩy robot 18

Hình 3.4: Sơ đồ lực quán tính của chất lỏng và lực đẩy tác dụng lên khâu 3 19

Hình 4.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 22

Hình 4.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID cho robot cá 22

Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật 25

Hình 5.1: Sự biến thiên của góc và vận tốc góc các khâu của Robot theo thời gian với A1=2.78, A2=0.94, f=0.08, β=0.05*180/pi 26

Hình 5.2 Đồ thị hướng di chuyển của robot 27

Hình 5.3 Đồ thị sai số 27

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, việc xây dựng các mô hình robot mô phỏng theo các loại động vật không còn trở là điều gì xa lạ Các loại động vật qua quá trình tiến hóa có được sự thích nghi với môi trường, đặc biệt là ở chức năng vận động Ở các loài cá cũng vậy Nhờ

sự chọn lọc thích nghi của môi trường, khả năng vận động của các loài cá đạt được mức tối ưu hóa cao về dáng điệu chuyển động cũng như năng lượng tiêu tốn

Robot cá có nhiều ưu điểm hơn so với các loại robot hoạt động trong môi trường nước khác Cơ chế tạo ra lực đẩy của cá làm tiêu tốn ít năng lượng, ít tạo ra gợn sóng cho môi trường xung quanh Robot cá có thể đạt được vận tốc cũng như gia tốc lớn Ngoài ra, phạm vi ứng dụng của robot cá là rất lớn Ví dụ, chúng ta có thể

sử dụng robot cá trong việc phát hiện rò rỉ hóa chất, dầu, nước…, phát hiện các hư hỏng trong đường ống ngầm trong môi trường chất lỏng, phát hiện việc xả chất thải độc hại ra môi trường, không bị hạn chế tầm hoạt động do rác, rong rêu, bèo…Ngoài ra, chúng ta còn có thể sử dụng robot cá trong các lĩnh vực thám hiểm đại dương, lập bản đồ đáy biển, tìm kiếm tài nguyên dưới lòng biển, cũng như các hoạt động đánh bắt cá…Robot cá còn có thể ứng dụng trong quân sự, cũng như giải trí

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tự nhiên, loài cá đã có hàng ngàn năm phát triển khả năng bơi uyển chuyển của chúng Ví dụ như loài cá ngừ có khả năng bơi ở tốc độ và hiệu suất cao; cá chó

có thể tăng tốc cực nhanh bằng tốc độ đèn flash và lươn có thể bơi khéo léo trong phạm vi hẹp Khả năng bơi đáng kinh ngạc này của loài cá truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khoa học cải thiện hiệu suất của những hệ thống robot do con người tạo ra và được gọi là robot cá Môi trường nước luôn là một ẩn số với con người, và nhu cầu khám phá, thám hiểm nó là vô cùng quan trọng Hiểu rõ về môi trường nước giúp con người trong rất nhiều lĩnh vực như: khai thác dầu mỏ, khai thác thủy

hải sản, bảo vệ môi trường biển, quân sự, Việc có một dụng cụ, thiết bị phù hợp để đáp ứng nhu cầu đó là rất cần thiết, do đó có rất nhiều nghiên cứu chế tạo ra các thiết bị dưới nước được áp dụng vào thực tế

1.3 Mục tiêu của luận văn

Phân tích, tính toán động lực học của robot cá dạng Carangiform có 4 khâu 3 khớp Robot cá có phần đầu cố định là 1 khâu còn 2 khớp động được dẫn động bằng động

cơ RC servo và một khớp tĩnh được liên kết với khâu phía trước bằng 2 lò xo xoắn Mục đích của việc liên kết bằng 2 lò xo xoắn của khớp tĩnh nhằm mục đích tăng tính linh hoạt cho khâu đuôi (tail fin) của robot cá và giúp robot cá có chuyển động đuôi nhẹ nhàng tương tự như cá thật trong tự nhiên Chọn 4 khâu 3 khớp để tạo tạo

ra lực đẩy mạnh và khi bơi sẽ linh hoạt hơn

Tìm hiểu và thiết kế các bộ điều khiển như PID ứng dụng trong điều khiển chuyển động thẳng và chuyển động thay đổi hướng cho robot cá Việc điều khiển chuyển động của robot cá được thực hiện trên mặt phẳng 2D

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu các loại robot cá dạng Carangiform như cá heo, cá ngừ, cá kiếm hiện nay trên Việt Nam và trên thế giới

- Tìm hiểu tính toán phân tích mô hình động lực học của robot cá

- Xác định phương án di chuyển của robot cá trong mặt phẳng 2D

- Tìm hiểu các loại cảm biển dùng cho robot

- Nghiên cứu tính toán thiết kế bộ điều khiển cho robot trong mặt phẳng 2D Thiết

kế 1 số bộ điều khiển cho robot sử dụng 1 số điều khiển như PID để điều khiển chuyển động cho robot Viết phương trình Matlab mô phỏng hoạt động cho robot

1.5 Phương pháp luận

Khi đặt robot cá vào môi trường thực tế và xác định hướng chuyển động đến 1 vị trí đích bất kỳ nào đó có thể xảy ra trường hợp góc lệch giữa hướng chuyển động của

robot và hướng đích đến lệch rất nhiều Khi đó cần xây dựng các thuật toán cho robot như: quẹo 1 góc 85o, 75o, 30o, trước khi bắt đầu chuyển động đến đích, điều

đó sẽ giúp cho việc chuyển động theo 1 hướng bất kỳ được tốt hơn

Trong việc điều khiển này, đề tài sẽ quan tâm đến chuyển động của bộ phận đầu của robot Đây chính là bộ phận chính làm thay đổi hướng di chuyển của robot Tuy nhiên, để việc thiết kế các bộ điều khiển cho robot cá được tốt, phần nội dung này

sẽ tập trung nghiên cứu phân tích động lực học cho robot cá

1.6 Nội dung luận văn

Chương 1: Mở đầu

Chương 2 : Tổng quan về robot cá

Chương 3: Phân tích động học cho robot cá

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 5: Mô phỏng

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về nghiên cứu Robot dưới nước

Những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng của phương tiện tự hành dưới nước AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), phương tiện không người lái UUVs (Unmanned Undersea Vehicles) hay phương tiện bán tự động dưới nước ROVs (Remotely Operated Vehicles) có bước phát triển vượt bậc Lịch sử phát triển của các phương tiện này gắn liện với các nghiên cứu về cơ chể phát sinh lực đẩy trong môi trường nước.Cánh quạt (propeller) hay áp lực khí được sử dụng cho AUVs đầu tiên và được ứng dụng trong quân sự Stan Murphy, Bob Francois và sau đó là Terry Ewart ở phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng (Applied Physics Laboratory) của đại học Washington bắt đầu phát triển AUVs thực sự đầu tiên vào cuối những năm

1950 Thiết bị này còn được gọi là SPURV (The Self Propelled Underwater Research Vehicle) SPURV I hoạt động được vào những năm đầu 1960 và tham gia các hoạt động nghiên cứu vào giữa thập niên 70 Thiết bị này nặng 480kg, đạt tốc

độ 2.2m/s và có thể làm việc 5.5 giờ ở độ sâu 3km Naval Ocean System Center, nay là SPAWAR bắt đầu phát triển AUSS (Advanced Unmanned Search System) trong năm 1973 và đến năm 1983 phương tiện này được trình diễn, AUSS nặng 907

kg, mang theo 2kwh điện bằng pin silver zinc [1] Trong các năm 90, các nghiên cứu về AUVs lại được nhen nhóm trở lại Học viện công nghệ MIT đã phát triển 6 phương tiện Odyssey Với khối lượng 160kg, nó có thể đạt vận tốc 1.5m/s thời gian hoạt động 6 giờ Nó hoạt động dưới băng trong năm 1994 và cũng được sử dụng để

hỗ trợ các hoạt động thực nghiệm trong thời gian nay [2] Các nghiên cứu về phương tiện tự hành được phát triển mạnh trong quân sự Công ty công nghệ tầu ngầm quốc gia đã phát triển Theseus – phương tiện cho bộ quốc phòng của Mỹ và Canada Theseus nặng 8600kg, đạt tốc độ 2m/s, thời gian hoạt động 100 giờ ở 1km

độ sâu [3] Các thiết bị tự hành dưới nước (AUVs) đẩy nhờ cánh quát có một số nhược điểm là độ linh hoạt của robot không cao, tiêu tốn nhiều năng lượng Một

hướng nghiên cứu khác tạo ra lực đẩy dựa vào cơ chể đẩy của các loài cá, đó là các nghiên cứu phỏng sinh học Như chúng ta biết, các loài cá sử dụng sử biến đổi uyển chuyển thân, các vây, đuôi để để di chuyển cơ thể một cách linh hoạt Dựa vào các đặc điểm này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các robot “bắt chước” theo các loài

cá thật trong tự nhiên Các robot này còn được gọi là các robot phỏng sinh học.Các loài cá trải qua quá trình tiến hóa, chức năng vận động cũng hoàn thiện hơn, thích nghi với điều kiện của môi trường sống

2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ngày 16/12/2009, Sở Khoa học - Công nghệ TPHCM đã nghiệm thu đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, hiện thực robot cá trong hồ bơi điều khiển bằng sóng vô tuyến” của kỹ

sư Phạm Tiến Trung, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, và các cộng sự Đây được xem là rôbôt cá đầu tiên ở Việt Nam

Hình 2.1: Robot cá của Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật [4]

Robot cá có kích thước khoảng 35 cm x 70 cm x 110 cm, nặng 600 g, được điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến Nó có thể bơi trong hồ bơi (môi trường nước trong

và tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6 m mỗi giây, ở độ sâu tối đa khoảng 2 m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên, lặn xuống, chuyển hướng một cách nhịp nhàng

Tuy nhiên, robot cá vẫn còn một số nhược điểm như: các khớp nối chưa thật tối ưu, làm hạn chế khả năng bơi uyển chuyển, bơi lên và bơi xuống chưa nhanh Khả năng bơi xuống độ sâu còn hạn chế do sóng vô tuyến chưa đủ đáp ứng Khi cá bơi xuống sâu, camera không thể truyền tín hiệu được

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Ở nước ngoài, việc nghiên cứu và ứng dụng robôt mô phỏng sinh học, đặc biệt là robôt cá bắt đầu từ rất lâu và có những bước tiến mạnh mẽ Có thể phân loại các loại cá theo cơ chế đẩy: Loại một dựa trên sự thay đổi hình dạng của phần thân và đuôi để tạo ra lực đẩy (BCF - body and/or caudal fin) Loại thứ hai là dạng mở rộng của cánh đẩy dựa trên cơ sở sự tạo các dải gợn song của vây lưng và/ hoặc vây hông (MPF- median and/or paired fin) Ta hãy điểm qua một số mẫu rôbôt cá tiêu biểu sau:

Theo dạng BCF:

Hình 2.2: Một số nghiên cứu về robot cá dạng BCF [5]

Robot cá của National Maritimes Research Institute (PPF-09)

Hình 2.3: Robot cá của National Maritimes Research Institute [6] Các thông số kỹ thuật:

+ Robot có 2 khớp điều khiển chuyển động bơi và có thể bơi lên, lặn xuống

+ Được điều khiển bởi bộ điều khiển Fubuta 4 kênh

+ Robot được làm bằng gỗ

+ Tốc độ bơi tối đa 0.9m/s, lặn được tối đa 1m, bán kính quẹo 0.4m.Robot cá

PPF-09 chỉ có thể hoạt động điều khiển bằng tay, không tích hợp bất kỳ cảm biến nào Hoạt động của robot không uyển chuyển do chỉ có 2 khớp tạo chuyển động bơi

 Robot Tuna I là dự án của học viện công nghệ Massachusetts [6], được bắt đầu năm 1993 Mục tiêu của dự án nhằm phát triển cơ chế đẩy của phương tiện tự hành dưới nước Tốc độ đạt được của robot có thể đạt được là 74km/h

Hình 2.4: Robot Tuna I – EMIT USA [7]

Hình 2.5: Robot Tuna II - MIT U.S.A [7]

Sau Tuna I, MIT phát triển tiếp phiên bản thứ 2 Robot Tuna II có 8 đốt sống, sử dụng hệ thống các gân và cơ để tạo ta dáng điệu của phần đuôi, nhờ vậy nó đó được

sự linh hoạt và mền mại trong di chuyển

 Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8):

Hình 2.6: Robot cá của Đại học Essex nước Anh (G8) [8]

Các thông số kỹ thuật:

+ Đây là robot phiên bản thứ 8 của Đại học Essen, từ G1 – 2005 đến G8,G9 năm

2005

+ Robot có 3 khớp điều khiển chuyển động bơi Có thể bơi lên lặn xuống

+ Là robot tự hành trong nước

+Chiều dài thân cá 50cm, trọng lượng 3 kg

+ Có thể nói đây là 1 trong các mẫu robot cá thành công trên thế giới Tuy nhiên giá thành robot quá cao và vẫn còn mang tính nghiên cứu là chủ yếu