Điều khiển robot đa hướng bám theo quỹ đạo dùng kỹ thuật điều khiển trượt

TÓM TẮT Khác với loại robot di động sử dụng bánh truyền thống, robot di động sử dụng bánh đa hướng gọi tắt là robot di động đa hướng có những ưu điểm vượt trội như: khả năng thay đổi vị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ TRƯỜNG AN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA HƯỚNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO

DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 3 1 0 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

LÊ TRƯỜNG AN

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA HƯỚNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO

DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

LÊ TRƯỜNG AN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA HƯỚNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO

DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ và tên: LÊ TRƯỜNG AN Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18-3-1973 Nơi sinh: Tân Kỳ - Nghệ An Quê quán: Vĩnh Linh - Quảng Trị Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 188/64/29 - Lê Đức Thọ - Phường 6

Gò Vấp - Tp.Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: 08.38952345 Điện thoại nhà riêng: 08.39841728 Fax: Email: truonganttg@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: dài hạn tập trung Thời gian đào tạo từ 09/1995 - 07/1998 Nơi học (trường, thành phố): Trường CĐKT VinHem Pích - BQP Ngành học: Cơ khí động lực

2 Đại học:

Hệ đào tạo: không chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 - 10/2005 Ngành học: Điện tử - Viễn thông

Tên đồ án tốt nghiệp: “Máy đo tốc độ vòng quay không tiếp xúc”

Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 7/2005 - ĐHBK TP.HCM

Người hướng dẫn: Giảng viên Lư Công Văn

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

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2005 đến nay Khoa Tăng-Thiết giáp - Trường

CĐKT VinHem Pích (nay là Trường Đại học Trần Đại Nghĩa - BQP)

Giáo viên

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 12 tháng 4 năm 2011 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

LÊ TRƯỜNG AN

CẢM TẠ

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo - TS Nguyễn Thanh Phương, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã nhiệt tình truyền thụ kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin trân trọng cám ơn các thầy giáo và đồng nghiệp tại Khoa Tăng - Thiết giáp, Trường Sỹ quan KTQS đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện

để tôi được học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố

Hồ Chí Minh

Xin trân trọng ghi nhớ những chân tình, những sự giúp đỡ của các bạn học, những người đã cung cấp và chia sẻ những tài liệu, thông tin quý báu trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận văn này

Lê Trường An

TÓM TẮT

Khác với loại robot di động sử dụng bánh truyền thống, robot di động sử dụng bánh đa hướng (gọi tắt là robot di động đa hướng) có những ưu điểm vượt trội như: khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác cao , bởi vì chúng có khả năng dịch chuyển và quay đồng thời hoặc độc lập, vì vậy robot di động đa hướng đã thu hút được nhiều sự chú ý hơn

Luận văn này trình bày một thuật toán điều khiển robot di động đa hướng bám theo quỹ đạo mong muốn bằng phương pháp điều khiển trượt như sau:

Đầu tiên, mô hình động học của robot di động đa hướng 3 bánh được trình bày và mô hình động lực học với sự tác động của lực ma sát và sự trượt được suy ra

từ định luật thứ hai của Newton Thứ hai, một bộ điều khiển bám kết hợp bộ điều khiển động học với bộ điều khiển động lực học kiểu trượt tích phân được thực hiện

để bám theo một quỹ đạo mong muốn Một véc tơ sai số bám được định nghĩa và bộ điều khiển động học được thiết kế để đưa véc tơ sai số bám tiệm cận về không Một véc tơ mặt trượt được định nghĩa dựa trên véc tơ sai số vận tốc bám và tích phân của nó Bộ điều khiển động lực học kiểu trượt tích phân được thiết kế để đưa véc tơ mặt trượt tích phân và véc tơ sai số vận tốc bám tiệm cận về không Độ ổn định của

hệ thống được đảm bảo bởi tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab được kèm theo để hiển thị và chứng minh tính khả thi của thuật toán đã đề xuất

Từ khóa: Robot di động, robot di động đa hướng, điều khiển trượt tích phân.

ABSTRACT

Different from many mobile robot with conventional regular wheels, Mobile Robot with driving omnidirection wheels (Omnidirection Mobile Robot) has some advantages such as: changing position ability and flexible navigation, high accuracy , because they have the ability to move simultaneously and independently

in translation and rotation So the omnidirectional mobile robot have attracted much

on the velocity tracking error vector and its integral term An integral sliding mode dynamic controller is designed to make the integral siding surface vector and the tracking velocity error vector go to zero asymptotically Stability of the system is guaranteed by Lyapunov stability theory Simulation results using Matlab software is included to display and prove the feasibility of the proposed algorithm

Keywords: Mobile robot, omnidirection mobile robot, integral sliding mode

controller

MỤC LỤC

TRANG Trang tựa

Quyết định giao đề tài

1.1.4 Những xu hướng phát triển của robot hiện đại 7

1.1.6 Các kết quả nghiên cứu về robot đa hướng đã công bố 9 1.2 Mục tiêu khách thể và đối tượng nghiên cứu 10

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 12

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 12

2.1.3 Phương pháp trực tiếp Lyapunov 20 2.1.4 Tiêu chuẩn Lyapunov phục vụ thiết kế bộ điều khiển 24 2.2 Các hệ thống Điều khiển Robot 25 2.2.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt 26 2.2.2 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính 27 2.2.3 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến 28 2.2.4 Các phương pháp điều khiển Robot 32

Chương 3 Mô hình toán học của robot di động đa hướng 47

3.1 Cấu trúc hình học và các giả thiết 47

3.1.1 Cấu trúc hình học của robot di động đa hướng 47 3.1.2 Các giả thiết cho mô hình nghiên cứu 48 3.2 Mô hình toán học của robot di động đa hướng 48

Chương 4 Điều khiển chuyển động của OMR

sử dụng phương pháp điều khiển trượt 53

4.2 Bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) thiết kế cho OMR 53

6.2 Hướng phát triển của đề tài 76

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IR: Industrial Robot – robot công nghiệp

PLC: Programmable Logic Controller – bộ điều khiển logic lập trình được

PI: Tỷ lệ - tích phân

PD: Tỷ lệ - vi phân

PID: Tỷ lệ - vi phân - tích phân

OMR: Omnidirectional Mobile Robot – robot di động đa hướng

KC: Kinematic Controller – bộ điều khiển động học

ISMC: Integral Sliding Mode Controller – bộ điều khiển trượt tích phân

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Điểm gốc O là điểm ổn định (1) và là điểm không ổn định (2) 17

Hình 2.5 Sự phân kỳ trạng thái khi chuyển động dọc theo

các đường năng lượng thấp 22

Hình 2.19 Hệ trượt với luật chuyển đổi mạch phản hồi 41

Hình 2.21 Quỹ đạo pha với đường chuyển đổi S = – (y 1 +y 2 ) = 0 42

Hình 5.19 Véc tơ sai số vận tốc bám ev ở thời điểm ban đầu (II) 71

Hình 5.20 Véc tơ sai số vận tốc ev bám ở toàn bộ thời gian (II) 71

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot

Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn, trong các trang bị của các lực lượng vũ trang ngày một nâng cao Xu hướng tạo ra những dây chuyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành

và không ngừng phát triển mạnh mẽ… Và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực nêu trên ngày càng tăng nhanh

Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để quan sát,

do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng

cụ, các vật phẩm thông qua các truyền động được lập trình trước hoặc được điều khiển từ xa Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh Thường robot được sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán ; nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu được thực hiện bởi con người

Các robot đã được sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay

từ khi kỹ thuật này ra đời Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa dạng của nó được gia tăng

và công nghệ ngày càng dễ sử dụng

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển

Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác phẩm R.U.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý nghĩa người làm tạp dịch Kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi

Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình được

bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng

xạ Các cánh tay này được thiết kết mô phỏng một cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người

Giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất hiện các cánh tay thuỷ lực và điện từ Cũng trong những năm này, George C.Devol đã thiết

kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyển có khớp nối được lập trình (programmed artculated transfer device) Đây là một cánh tay máy mà hoạt động của nó có thể được lập trình để thực hiện một chuỗi các bước chuyển động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình Phát triển xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động

Khi robot được lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sức mạnh trong sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor Tiếp đó H.A.Ernst đã công

bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với môi trường

Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng đồng nghiệp đã công bố sự phát triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone Năm 1968 Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiển robot bằng máy tính, trong khi

đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới hạn điều khiển tay máy

Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho robot Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại robot có các sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm hai mươi cụm chi tiết

Một lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành, robot

di động Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật

Trong những thập kỷ 80 – 90, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc

Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động

* Thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp với môi trường bên ngoài Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi năng lượng Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ điều khiển robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó Nhờ các sensor này robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot

điều khiển thích nghi cấp thấp Đây gọi là cơ cấu điều khiển servo vòng kín loop servo controller system)

(closed-* Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt

* Thế hệ thứ bốn: khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++ , để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến

* Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo) để xử

lý, ra những quyết định hợp lý Ngoài ra robot được trang bị mạng Neuron giúp nó

có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức

1.1.3 Robot di động

Robot di động (robot di động, thường được gọi tắt là mobots) được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng dịch chuyển, vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động hoặc điều khiển xa để thực hiện thành công công việc được giao

Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot di động có thể là đất, nước, không khí, không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm

Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot di động làm hai lớp: chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled) Trong lớp đầu tiên, chuyển động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người và động vật (hình 1.1a,b,c) Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức tạp Tuy nhiên, cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực kỳ khó khăn Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm việc tốt trên hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều

khiển robot di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot Lớp này có thể chia làm ba loại robot: Loại chuyển động bằng bánh xe (phổ biến - hình 1.1d,e), loại chuyển động bằng xích (khi cần mô men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát, băng tuyết hoặc địa hình phức tạp khác - hình 1.1f,g), và loại dùng hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp - hình 1.1h)

Trong việc sử dụng cơ cấu chuyển động, bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng được Khi robot có số bánh nhiều hơn ba thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn

đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động…

Tiềm năng ứng dụng của robot di động hết sức rộng lớn Có thể kể đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra trong môi trường nguy hiểm; robot canh gác, do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh; robot hàn, sơn trong nhà máy; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình

Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của robot di động, như chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi Một nhược điểm khác của robot di động phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau