Mô hình hoá và điều khiển robot rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp... H

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, năm 2012

S K C0 0 3 5 9 7

Trang 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Trang 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN MINH TÂM

Tp Hồ Chí Minh, năm 2012

Trang 4

LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1984 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh – Quảng Ngãi Dân tộc : Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 35 Hữu Nghị - Bình Thọ - Thủ Đức – Tp.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:0903.084.048 Fax: E-mail:vanphuocspkt@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Đại học:

Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 10/ 2010 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Ngành học: Điện Công Nghiệp

Luận văn: Nghiên Cứu Phần Mềm Revit Mep 2010 trong ngành điện

Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Ngày 10 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010 – 8/2012 Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Học viên 3/2011 - nay Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao

Đẳng Công Thương Tp.HCM Giảng viên

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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

Tp Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 09 năm 2012

Nguyễn Văn Phước

Trang 6

HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC iii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý tận tình của quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và Ban Lãnh Đạo trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là những thầy

cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Tâm, thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn tôi nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh cùng quí thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã tạo nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khoá học

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi về kinh tế cũng như tinh thần trong suốt quá trình làm luận văn

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012

Học viên

Nguyễn Văn Phước

Trang 7

TÓM TẮT

Luận văn “Mô Hình Hoá Và Điều Khiển Robot Rắn” giới thiệu về việc xây dựng phương trình động lực học và mô hình cho robot rắn, nghiên cứu phương pháp điều khiển chuyển động của robot rắn chuyển động theo đường cong Serpenoid Tối

ưu các thông số của mô hình

Điều khiển chuyển động của robot rắn bằng cách điều khiển: hướng, vận tốc

và góc phi Thiết kế các bộ điều khiển PID để điều khiển chuyển động của robot rắn

và tối ưu các thông số PID sử dụng giải thuật bầy đàn PSO Xây dựng mô hình hoá

Trang 8

ABSTRACT

Thesis “Modelling and Controling of Snake Robot” presents the

establishment of the motivation equation and model for snake robot, studies some methods of controlling snake robot's movements according to Serpenoid curve and optimizes parameters of the model

Some motion control of the snake robot is introduced such as direction, speed and  angle Also, the design of PID controller of operating the snake robot's movements with parameters optimized by a particle swarm optimization approach (PSO) is presented Besides, a simulation for snake robot will be conducted on Matlab 7.6

The results between two algorithms optimized PID parameters using PSO and genetic algorithm GA will be compared, and the results of the two algorithms should be evaluated

The experimental model for the snake robot is conducted by controlling from

a computer via the USB port

Trang 9

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cám ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot và các kết quả nghiên cứu đã công bố 1

1.1.1 Tổng quan về robot: 1

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố 2

1.2 Mục đích của đề tài 3

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 4

1.3.1 Nhiệm vụ 4

1.3.2 Giới hạn 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 2 MÔ HÌNH HOÁ ROBOT RẮN 2.1 Lực ma sát nhớt của robot rắn 6

2.2 Phương trình chuyển động 9

2.3 Phân ly động lực học 14

Chương 3.PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT RẮN 3.1 Đường cong Serpenoid 17

3.2 Sự di chuyển hình rắn 21

Trang 10

3.3 Hiệu suất chuyển động 24

Chương 4 GIẢI THUẬT TỐI ƯU BẦY ĐÀN 4.1 Lịch sử phát triển 28

4.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn 31

4.3 Mô tả thuật toán 31

4.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO 34

4.4.1 Mã hóa cá thể 34

4.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 36

4.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 37

4.4.4 Hàm vận tốc v 37

4.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể 38

4.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO 40

4.5.1 Đặc điểm 40

4.5.2 Ứng dụng 41

4.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn 41

Chương 5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN TRÊN MATLAB 5.1 Thiết kế bộ điều khiển robot rắn 43

5.1.1 Bộ điều khiển địa phương 44

5.1.2 Bộ điều khiển vòng ngoài 45

5.2 Xây dựng phương trình toán học trên Matlab 45

5.3 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển địa phương 56

5.4 Xây dựng mô hình cho bộ điều khiển vòng ngoài 57

5.4.1 Bộ điều khiển vận tốc 57

5.4.2 Bộ điều khiển hướng 58

5.5 Xây dựng bộ điều khiển rắn trên matlab 58

5.6 Kết quả mô phỏng sử dụng giải thuật PSO 59

5.7 Kết quả mô phỏng hệ thộng điều khiển robot rắn 61

Trang 11

Chương 6.SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO VÀ GIẢI THUẬT GA

6.1 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật GA 67

6.1.1 Thiết kế bộ điều khiển địa phương 67

6.1.2 Thiết kế bộ điều khiển hướng và vận tốc 68

6.2 Kết quả mô phỏng 70

6.3 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO 75

6.4 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi thay đổi vận tốc 79

6.5 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi môi trường thay đổi 84

6.6 So sánh kết quả của phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO và giải thuật GA khi các thông số thay đổi 85

6.7 Nhận xét kết quả 86

Chương 7 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT RẮN 7.1 Chọn động cơ cho robot rắn 87

7.1.1 Giới thiệu về động cơ Dynamixel AX-12A 87

7.1.2 Đặc tính kỹ thuật của động cơ Dynamixel AX-12A 88

7.2 Thiết kế cơ khí 89

7.3 Thiết kế mạch giao tiếp giữa robot và máy tính 93

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Những kết quả đạt được 95

8.2 Những mặt hạn chế: 95

8.3 Hướng phát triển của đề tài 95

Tài liệu tham khảo 97

Phụ lục 1 99

Phụ lục 2 100

Trang 12

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PID (Proportional–Integral–Derivative): Viết tắt của ba thành phần cơ bản

có trong bộ điều khiển (khuếch đại (P)), tích phân (I), và vi phân(D)

PSO (Particle swarm optimization): Tối ưu hoá bầy đàn

GA (Genetic Algorithms): Thuật toán di truyền

Trang 13

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các robot rắn đã được công bố 3

Hình 2.1: Robot rắn gồm n đoạn, (n – 1) khớp 5

Hình 2.2: Đoạn vi phân của khâu thứ i 6

Hình 2.3: Phân tích lực tác động lên đoạn thứ I của robot rắn 9

Hình 3.1a: Đường cong serpernoid với b = 2π và c = 0 18

Hình 3.1b: Đường cong serpernoid với a = 𝜋 2 và c = 0 18

Hình 3.1c: Đường cong serpernoid với a = 𝜋 2 và b = 10π 19

Hình 3.2: Đường cong serpernoid được xấp xỉ bởi 4 đoạn thẳng 20

Hình 3.3a: Chuyển động hình rắn (γ = 0) 22

Hình 3.3b: Chuyển động hình rắn (γ = 10 deg) 23

Hình 3.4: Đồ thị của tốc độ trung bình ave(v) theo ω và γ 23

Hình 3.5: Đồ thị của tốc độ góc trung bình ave(ξ) theo ω và γ 24

Hình 3.6: Sự kết hợp tối ưu tốc độ và năng lượng 26

Hình 3.7: Các thông số tối ưu (α, β, ω) 26

Hình 3.8: Quan hệ giữa đoạn β và số đoạn n của Robot rắn 27

Hình 3.9: Đồ thị α với tỉ số c t / c n 27

Hình 4.1: Mô tả kiến tìm đường 29

Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO 33

Hình 4.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học 36

Hình 4.4: Chuyển động cá thể 38

Hình 4.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn 41

Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID 42

Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển 44

Hình 5.2: Cấu trúc bộ điều khiển địa phương 44

Hình 5.3: Sơ đồ khối tổng quát của Robot rắn 51

Trang 14

Hình 5.4: Sơ đồ chi tiết khối “Snake Robot” 52

Hình 5.5: Sơ đồ bộ điều khiển địa phương 56

Hình 5.6: Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển C Φ 56

Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( C υ ) của Robot Rắn 57

Hình 5.8: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc ( C si ) của Robot Rắn 58

Hình 5.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật PSO 58

Hình 5.10: Đồ thị hàm thích nghi của quá trình tối ưu 60

Hình 5.11: Đồ thị hàm Kp1, Ki1 và Kd1 trong quá trình tối ưu 60

Hình 5.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* =0 (rad) 62

Hình 5.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* =0 (rad) 62

Hình 5.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋4 (rad) 63

Hình 5.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 4 (rad) 64

Hình 5.16: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 2 (rad) 65

Hình 5.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 2 (rad) 66

Hình 6.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển C Φ trên Matlab 67

Hình 6.2: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển C υ trên Matlab 69

Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển C ξ trên Matlab 69

Hình 6.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID sử dụng giải thuật GA 70

Hình 6.5: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 71

Hình 6.6: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = 0 rad 72

Hình 6.7: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73

Hình 6.8: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/4 rad 73

Hình 6.9: Kết quả mô phỏng robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74

Hình 6.10: Vị trí của robot rắn với υ = 1m/s, ξ = π/2 rad 74

Hình 6.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng giải thuật PSO 75

Hình 6.12: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*=0 (rad) 76

Hình 6.13: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* =0 (rad) 76

Hình 6.14: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* = 𝜋 4 (rad) 77

Trang 15

Hình 6.15: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*

= 𝜋

4 (rad) 77

Hình 6.17: Vị trí của robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* = 𝜋 2 (rad) 79

Hình 6.18: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ* = 0 (rad) 80

Hình 6.19: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=0.5 (m/s) và ξ* = 𝜋 4 (rad) 80

Hình 6.21: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ*= 𝜋 2 (rad) 81

Hình 6.23: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1 (m/s) và ξ* = 0 (rad) 82

Hình 6.24: Kết quả mô phỏng robot rắn với ν*=1.5 (m/s) và ξ* = 0 (rad) 82

Hình 7.1: Động cơ Dynamixel AX-12 88

Hình 7.2: Mô hình tổng thể của robot rắn 89

Hình 7.3a: Khớp liên kết giữa hai động cơ 90

Hình 7.3b: Sơ đồ lắp ráp hai đoạn của robot rắn 90

Hình 7.4: Khớp nối trên của robot rắn 90

Hình 7.5: Khớp nối dưới của robot rắn 91

Hình 7.6: Sơ đồ chân của động cơ 91

Hình 7.7: Sơ đồ liên kết giữa các động cơ 91

Hình 7.8: Mặt trên của robot rắn 92

Hình 7.9: Mạch chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp bán song công 93

Hình 7.10: Sơ đồ nguyên lý mạch FT232 94

Trang 16

Trên thế giới gần nửa thế kỉ trở lại đây Robot đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là tự động hoá sản xuất, với ưu thế đặc biệt

về tính công nghệ, năng xuất và hiệu quả sản xuất

Với cách di chuyển nhẹ nhàng và đa dạng, rắn cho thấy khả năng di chuyển hợp lý trên nhiều môi trường và địa hình khác nhau Vì vậy những robot di chuyển giống cách di chuyển của loài rắn trong tự nhiên đang được tích cực nghiên cứu, chúng cho thấy tính thích nghi với điạ hình rất tốt Với cách di chuyển giống như loài rắn, robot này có thể luồn lách qua các khe hẹp, có thể di chuyển ở những địa hình không bằng phẳng hay lầy lội, thậm chí có thể bơi hoặc trèo lên cây Với những khả năng đó, robot rắn ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: kiểm tra, nạo vét các đường ống; tìm kiếm nạn nhân trong các vụ hỏa

hoạn, động đất; dò thám trong quân sự Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “ Mô Hình Hoá

Và Điều Khiển Robot Rắn” để nghiên cứu

 Khó khăn chủ yếu trong điều khiển robot rắn là:

- Xây dựng mô hình robot rắn (nhiều biến)

- Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức tạp

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	6,06 MB