Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số pid điều khiển robot scara bám theo quỹ đạo cho trước

Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác... v TÓM TẮT Mục đích chính của Luận văn này là tập trung nghiên c

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ và tên: Lê Minh Ngọc Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09/11/1989 Nơi sinh: Gia Lai

Quê quán: Phú Vang, TT Huế Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 58/48, đường số 5, tổ 6, KP 2, p Linh Trung, Q Thủ Đức,

TP Hồ Chí Minh

Di động: 0933365637 Email: minhngoctd08@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 2008 đến 2012

Nơi học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.Hồ Chí Minh

Ngành học: Tự động hóa công nghiệp

Tên luận văn tốt nghiệp: Robot 5 bậc tự do

Năm và nơi tốt nghiệp: năm 2012 tại Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

Ngày và nơi bảo vệ luận văn: ngày 18 tháng 10 năm 2015 tại Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái

3 Trình độ ngoại ngữ: Anh văn trình độ B1

Hình 3x4

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu ra 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 ….tháng …năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Minh Ngọc

iv

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Thái đã tận tình hướng

dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho em

Cảm ơn quý thầy cô, các anh chị phòng Đào tạo Sau đại học trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, giải đáp các vướng mắc về các thủ tục hành chính cho em trong thời gian học vừa qua

Xin chân thành cảm ơn cha mẹ và gia đình luôn sát cánh bên con trong những ngày tháng khó khăn Con xin nguyện cầu cho cha được an lành và bình yên Con hứa sẽ vững vàng trong cuộc sống Hãy an tâm vào chúng con cha nhé!

Vì kinh nghiệm cũng như kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện luận văn, em không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm Em rất mong sự góp ý tận tình của quý thầy cô trong Hội đồng bảo vệ để luận văn của em được hoàn chỉnh hơn

Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn

v

TÓM TẮT

Mục đích chính của Luận văn này là tập trung nghiên cứu việc sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển Robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Giải thuật di truyền được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB nhằm tìm ra

các thông số K p , K i và K d của bộ điều khiển PID Bước đầu, tôi đã tìm ra được bộ

thông số PID mong muốn và kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tìm kiếm của giải thuật GA là tốt Vùng tìm kiếm rộng là một lợi thế Sau đó, tôi tiến hành kiểm chứng kết quả tìm kiếm của giải thuật di truyền trên mô hình thực nghiệm Kết quả thực nghiệm cho thấy hình dạng và quỹ đạo di chuyển của Robot là tương đối giống kết quả mô phỏng Hạn chế của giải thuật GA là thời gian đáp ứng chậm so với nhiều phương pháp khác

Giải thuật điều khiển đề xuất được thực nghiệm bằng việc sử dụng KIT vi điều khiển PIC18F4431 kết nối với một Robot SCARA

ABSTRACT

The major purpose of this thesis is how to apply the Genetic Algorithm (GA) to estimate the PID controller’s parameters: Kp, Ki and Kd which is used to control the robot SCARA’s moving based on a given trajectory planning First, the PID’s parameters are estimated, and the simulation result also show that the proposed algorithm for search using GA is good The large range searching is an advantage After that I perform verifiable the results of the GA on the experimental model The experimental results show the shape and movement trajectory of the Robot that is relatively like the simulation results The GA’s disadvantage is the response time slower than the different methods

The indicated control algorithm is experimented by using KIT of PIC18F4431 processing unit to connect with a SCARA Robot

vi

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Phiếu nhận xét luận văn thạc sỹ

Biên bản chấm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ_năm 2015

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các hình ix

Danh sách các bảng xi

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 1

1.1.1 Một số kết quả nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6

1.2 Giới thiệu về luận văn 11

1.2.1 Mục đích luận văn 11

1.2.2 Nhiệm vụ giới hạn của đề tài 11

1.2.3 Phương pháp thực hiện 12

1.2.4 Tính mới của luận văn 13

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) 14

2.2 Điều khiển thích nghi 14

2.3 Cơ sở lý thuyết Robot 16

vii

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ THIẾT

KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 25

3.1 Xây dựng mô hình toán 25

3.2 Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo hình tròn 29

3.3 Lưu đồ giải thuật di truyền 30

Chương 4: MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG 32

4.1 Sơ đồ mô phỏng Simulink 32

4.2 Giao diện điều khiển giám sát bằng Visual # 40

4.3 Lưu đồ chương trình C 41

Chương 5: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 44

5.1 Giới thiệu sơ bộ về mô hình 44

5.2 Kết quả thực nghiệm 46

Chương 6: KẾT LUẬN 48

6.1 Kết quả đạt được 48

6.2 Hạn chế 49

6.3 Hướng khắc phục và phát triển đề tài 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC Phụ lục 1: Code chương trình Mathlab 53

Phụ lục 2: Code chương trình C 58

Phụ lục 3: Code chương trình C# 69

KIT Karlsruhe Institute of Technology

PWM Pulse Width Modulation

PID Proportional Integral Derivative

IREX International Robot Exhibition

ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Robot Scara 3 và 4 bậc tự do 2

Hình 1.2: Robot công nghiệp SCARA 3

Hình 1.3: Robot 5 bậc tự do 5

Hình 1.4: Cấu hình robot SCARA 7

Hình 1.5: Vận tốc với biên dạng tam giác 7

Hình 1.6: Hệ thống điều khiển vòng lặp 8

Hình 1.7: Giản đồ vận tốc dạng tam giác thu được 8

Hình 1.8: Quỹ đạo mong muốn 8

Hình 1.9: Hệ thống Robot SCARA và máy tính 9

Hình 1.10: quỹ đạo của Robot SCARA 10

Hình 1.11: Biểu đồ vị trí, vận tốc và gia tốc theo thời 10

Hình 2.1: Mô hình động học robot SCARA 2 khớp quay 16

Hình 2.2: Hình chiếu đứng mô hình động học robot SCARA 2 khớp quay 17

Hình 2.3: Hình chiếu bằng mô hình động học robot SCARA 2 khớp quay 17

Hình 3.1: Hình chiếu bằng Robot Scara 25

Hình 3.2: Mô hình giải thuật điều khiển GA-PID 30

Hình 4.1: Mô hình hóa mô phỏng bằng Simulink 32

Hình 4.2: Cấu hình các thông số cho khối Robot Arm 33

Hình 4.3: Thiết lập phương trình quỹ đạo hình tròn 34

Hình 4.4: Quỹ đạo di chuyển của đầu công tác 34

Hình 4.5: Biểu đồ đáp ứng ngõ ra 35

Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển khớp 1 35

Hình 4.7: Tín hiệu điều khiển khớp 2 36

Hình 4.8: Đáp ứng ngõ ra với nguồn xung vuông 36

Hình 4.9: quỹ đạo của đầu công tác khi dùng nguồn xung vuông 37

x

Hình 4.10: Đáp ứng ngõ ra với nguồn xung tam giác 37

Hình 4.11: Quỹ đạo của đầu công tác khi dùng nguồn xung tam giác 38

Hình 4.12: Đáp ứng ngõ ra với nguồn sóng sin 38

Hình 4.13: Quỹ đạo của đầu công tác khi dùng nguồn sóng sin 39

Hình 4.14: Đáp ứng ngõ ra với hàm bước 39

Hình 4.15: Quỹ đạo của đầu công tác khi dùng hàm bước 40

Hình 4.16: Giao diện điều khiển và giám sát 40

Hình 5.1: Mô hình thiết kế 3D Robot SCARA 44

Hình 5.2: Mô hình Robot SCARA thực tế 44

Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Drive và nguồn cho DC servo 45

Hình 5.4: KIT điều khiển PIC 18F4431 46

Hình 5.5: Bám theo quỹ đạo đường thẳng 46

Hình 5.6: Bám theo quỹ đạo đường tròn 47

xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 1.1: Kết quả của hai phương pháp Fuzzy logic và đặt cực 6

Bảng 2.1: Thông số DH 16

Bảng 4.1: Kết quả tìm kiếm bằng giải thuật GA 34

Bảng 4.2: Thông số đáp ứng ngõ ra 35

Bảng 5.1: Thông số bộ điều khiển PID thật tế 46

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 1

Chương 1

TỔNG QUAN

Giới thiệu chương

Ở chương 1, tác giả sẽ tìm hiểu tình hình nghiên cứu các đề tài liên quan đến lĩnh vực cánh tay Robot ở trong và ngoài nước Điều này giúp tác giả có cái nhìn tổng quan về đối tượng SCARA Robot và mục tiêu điều khiển mà tác giả lựa chọn

để nghiên cứu trong khóa luận này Tiếp theo, tác giả trình bày mục đích luận văn, nhiệm vụ giới hạn đề tài và phương pháp thực hiện

1.1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp hiện đại thì không thể thiếu sự hỗ trợ của các tay máy công nghiệp Dẫn đến các tay máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn và “Robot SCARA” là một điển hình cho các tay máy với khả năng hoạt động linh hoạt, chính xác và dễ điều khiển Chính vì vậy tác giả chọn Robot SCARA làm đối tượng nghiên cứu trong khóa luận này

1.1.1 Một số kết quả nghiên cứu trong nước

Thông qua các kênh thông tin trên internet, tạp chí khoa học, luận văn… cho thấy một số tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu của tác giả

 Nghiệm thu dự án Thiết kế chế tạo Robot Scara 3 và 4 bậc tự do [7]

Trong hu n hổ chương tr nh chế tạo Robot c ng nghiệp, ngày 04 0 2013,

Sở Khoa học và C ng nghệ thành phố đã tổ chức nghiệm thu dự án “T

S 3 4 ” do ThS han Văn Đức làm chủ nhiệm dự án và C ng ty TNHH

Sản xuất Thương mại D ch vụ AUTE làm Cơ quan chủ tr Sản ph m dự án g m:

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 2

1 tay máy Scara 3 bậc tự do, 1 tay máy Scara 4 bậc tự do và m theo bộ tài liệu

g m 1 bài thực hành cơ bản

Hình 1.1: Robot Scara 3 và 4 b c t do

Ở , PID ô ố PID ượ ú ừ ươ S , ũ ã

ờ ằ ươ ì

ô ố PID ù ợ Q ũ ỉ ừ l ở R ê De ì ă ườ ê ườ , ặ l e q ò ằ ươ ọ

ượ ( PID ị í) K q ượ : Đ í ị ị l

1 ; Đ í lặ l l 1.5

 Robot Việt Nam dự triển lãm lớn nhất thế giới [8]

Bốn mẫu robot công nghiệp "made in Vietnam" tham dự International Robot Exhibition (IREX 2009) - triển lãm lớn nhất thế giới về robot diễn ra tại trung tâm triển lãm Tokyo Big Sight (Nhật Bản), ngày 25-28/11/2009

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 3

Đây là các sản ph m mới nhất do Công ty CP Robot TOSY Việt Nam nghiên cứu và chế tạo Hai Arm Robot là tay máy đa năng có thể làm nhiều công việc như hàn, sơn, lắp ráp, đóng gói, di chuyển vật liệu, xếp dỡ pallet Còn SCARA Robot

và Parallel Robot có tốc độ cao, ứng dụng gắp các sản ph m trên băng chuyền chuyển động nhanh Các robot này có độ chính xác 0,1 mm, tầm hoạt động 0,6-2 mét, tải trọng 1-30 kg

Hì 1.2: R ô SCARA

Ngoài giải thưởng Sản ph m được yêu thích nhất do tạp chí Popular Science Magazine bình chọn thì Robot nhảy TOSY còn vinh dự được xuất hiện trên nhiều kênh truyền hình lớn của Mỹ như Fox News, NBC, MTV như một điểm sáng của triển lãm CES 2013 Robot nhảy TOSY sử dụng công nghệ cảm biến âm thanh

 Nghiên cứu ứng dụng chuyển động của cánh tay người cho Robot [5]

Mạng thần inh (Neural networ ) được phát triển để điều khiển cánh tay robot khi cần tạo ra những đường di chuyển cho robot Trong nghiên cứu này, một mạng thần kinh nhiều lớp bac propagation đã được sử dụng để tạo ra các đường chuyển động nằm trong mặt phẳng thẳng đứng từ bộ dữ liệu chuyển động cánh tay

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 4

của con người Các mạng thần inh được huấn luyện để có thể tạo ra các đường chuyển động theo thời gian thực Các bộ dữ liệu của chuyển động cánh tay của người trong mặt phẳng thẳng đứng thu được từ hệ thống chụp chuyển động VICON

và được phân loại thành hai loại đường chuyển động trước khi chuyển đến hệ thống thần kinh Loại đường I, chuyển động cánh tay của con người đơn giản, có thể được dạy học và lặp lại một cách ổn đ nh Tuy nhiên, độ chính xác lặp lại chưa cao 1.2

cm trên 10 lần lấy mẫu; Nhưng loại đường II - chuyển động của cánh tay con người phức tạp hơn do đó mạng thần kinh cần được sửa đổi trước khi thực hiện các đường chuyển động dạng này Một thuật toán huấn luyện hiệu quả đã được phát triển và tạo ra những chuyển động giống như cánh tay con người

 Nghiên cứu chế tạo Robot 5 bậc tự do [6]

Luận văn xây dựng thành công cánh tay máy 5 bậc tự do với những phương pháp điều khiển điểm đến điểm dùng kỹ thuật PWM Luận văn cũng phát huy khả năng thiết kế và kỹ năng sử dụng các công cụ hỗ trợ, thực hành gia công các chi tiết,

sử dụng các cơ cấu một cách linh hoạt và hợp lý nhất Làm chủ được quá tr nh điều khiển động cơ RC servo dựa trên nền tảng vi điều khiển, phát huy tư duy lập trình, tính toán…tác giả cũng đã ết hợp một cách hài hòa giữa cơ hí và điện tử, đ ng thời qua đó cũng đã thấy được sợi dây ràng buộc vững chắc giữa lý thuyết và thực hành Luận văn đã giúp tác giả vận dụng một cách hoàn hảo lý thuyết vào trong thực tế và dùng thực tế để kiểm tra lại lý thuyết

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 5

Hì 1.3: R 5

Đâ í l l ướ â ủ T l ă ẫ ò

ươ ơ (PMW), q ơ ( ) í ễ ADC â ở ớ

ớ ượ l ở, í lặ l ủ l 2.1 ê

15 lầ l ẫ ; N ễ ADC ũ â ì lắ q ì ọ … ư ũ í l ê ứ ắ

ữ ê â í ọ ằ (GA) ằ ì ô ố PID SCARA e q

ì ò ở l lầ ẽ ô ở l í ADC ằ â ễ ADC ô ố

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 6

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

 Vibration Control Comparison Of A Single Link Flexible Manipulator Between Fuzzy Logic Control And Pole Placement Control [8]

Bài báo này nhóm tác giả đưa ra hai phương pháp điều khiển Fuzzy Logic và Đặt cực nhằm kiểm soát các dao động và sai lệch ở các khớp đơn ua đó so sánh đối chiếu để tìm ra giải pháp tối ưu Nhóm tác giả đã xây dựng thuật toán trên môi trường MATLAB Simulink và thuật toán Fuzzy Logic đã được lựa chọn Kết quả cho thấy phương pháp Fuzzy Logic iểm soát các dao động và sai lệch ở các khớp đơn tốt hơn hẳn so với phương pháp Đặt Cực Tham khảo bảng 1.1

Kết quả:

hương pháp

điều khiển

Vọt lố (đơn v độ) với tải trọng 0g

Vọt lố (đơn v độ) với tải trọng 30g

Sai lệch tối đa (đơn v độ) với tải trọng 0g

Sai lệch tối đa (đơn v độ) với tải trọng 30g

Bảng 1.1: Kết quả của hai phương pháp Fuzzy logic và đặt cực

 From Motion Planning to Kinematic control of SCARA robot [9]

Các công nghệ mới bên trong robot, đòi hỏi hệ thống của nó ngày càng trở nên th ng minh hơn Điều quan trọng là kết hợp các hệ thống phụ khác nhau cho phép một robot d ch vụ nhận được nhiều hơn ứng dụng làm việc trong các lĩnh vực hác nhau Như vậy, việc phát triển các ứng dụng cụ thể là cần thiết Bài viết này đề

ra cách thay thế ứng dụng cho các robot bằng tay kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nhau thuộc lĩnh vực Robot, chẳng hạn như: hoạch đ nh chuyển động, hoạch đ nh và kiểm soát quỹ đạo mục tiêu Điều này liên quan đến cấu hình một SCARA robot và cuối cùng là thực hiện xác nhận mô phỏng