Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot" nhằm giới thiệu vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D và bộ thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors trên phần mềm Matlab/Simulink; Lắp ráp mô hình phần cứng và điện tử cho mô hình thực hệ cánh tay robot 2 bậc tự do.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: SV2020-158 S KC 0 0 7 3 4 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT SV2020-158 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN MINH ĐỨC TP Hồ Chí Minh, 08/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT SV2020-158 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điều khiển học kỹ thuật SV thực hiện: Trần Minh Đức Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16151CL3 - Đào tạo Chất Lượng Cao Năm thứ:4/Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm TP Hồ Chí Minh, 08/2020
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 1 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 2 TÓM TẮT ...................................................................................................................... 3 1. Đặt vấn đề .............................................................................................. 4 2. Lý do chọn đề tài .................................................................................... 4 3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 5 4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 5 5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 6 6. Ý nghĩa khoa học .................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ PENDUBOT .................................................... 8 1.1 Giới thiệu về hệ pendubot ....................................................................... 8 1.2 Mô tả toán học hệ Pendubot ................................................................... 8 1.2.1 Cơ sở khoa học ....................................................................................... 8 1.2.2 Thành lập phương trình động học cho hệ Pendubot ................................ 9 1.3 Yêu cầu điều khiển hệ pendubot ở các vị trí bất ổn định ....................... 14 1.3.1 Xét tính điều khiển được ở vị trí TOP ................................................ 15 1.3.2 Xét tính điều khiển được ở vị trí MID ................................................... 16 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ............................ 18 2.1 Vi xử lí LAUNCHXL-F28379D C2000 ................................................. 18 2.3 Động cơ 24VDC M.A.E ........................................................................ 19 2.4 Cầu H IR2184 ...................................................................................... 19 2.5 Module giao tiếp UART sử dụng IC CP2102 ........................................ 20 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG PENDUBOT .... 21 3.1. Phân tích đáp ứng quá độ bằng phương pháp phân tích đáp ứng xung ... 21 3.1.1. Nhiễu DC (Mean) = 0; Nhiễu AC (Var) = 0 ....................................... 21 3.1.2. Nhiễu DC (Mean) = 0.1; Nhiễu AC (Var) = 0 .................................... 22 3.1.3. Nhiễu DC (Mean) = 0; Nhiễu AC (Var) = 0.01 .................................. 22 3.1.4. Nhiễu DC (Mean) = 0.1; Nhiễu AC (Var) = 0.01 ................................ 23 3.2 Phân tích đáp ứng quá độ bằng phương pháp phân tích đáp ứng nấc....... 23 3.2.1 Nhiễu DC=0; VAR=0......................................................................... 24 3.2.2 Nhiễu DC=0.1, VAR=0 ...................................................................... 24 3.2.3 Nhiễu DC=0; VAR=0.001 .................................................................. 25 3.2.4 Nhiễu DC=0.1; VAR=0.001 ............................................................... 26 3.3 Phân tích đáp ứng quá độ bằng phương pháp phân tích tương quan ........ 26
3.3.1 Nhiễu DC=0; VAR=0......................................................................... 27 3.3.2 Nhiễu DC=0.1; VAR=0 ...................................................................... 28 3.3.3 Nhiễu DC=0; VAR=0.001 .................................................................. 28 3.3.4 Nhiễu DC=0.1, VAR=0.001 ................................................................ 28 3.3.5 Nhận xét cho phân tích đáp ứng quá độ bằng phương pháp phân tích tương quan ................................................................................................ 29 3.4 Phân tích đáp ứng tần số bằng phương pháp kiểm tra sóng sin ................ 29 3.4.1. Khảo sát tại link 1 của đối tượng ...................................................... 29 3.4.2 Khảo sát tại link 2 của đối tượng ....................................................... 31 3.4.3 Nhận xét phương pháp ...................................................................... 32 3.5 Phân tích tần số bằng phương pháp tương quan ...................................... 32 3.5. Phương trình hàm truyền của hệ thống Pendubot ................................... 34 3.6. Nhận dạng mô hình có tham số khi không nhiễu ..................................... 34 3.6.1. Cấu trúc ARX .................................................................................. 34 3.6.2. Cấu trúc ARMAX ............................................................................ 35 3.6.3. Cấu trúc OE ..................................................................................... 37 3.6.4. Cấu trúc BJ ...................................................................................... 38 3.6.5. Nhận xét các mô hình khi không có nhiễu ......................................... 39 3.7. Nhận dạng mô hình có tham số khi có nhiễu ........................................... 40 3.7.1. Nhiễu DC=0.1; AC=0........................................................................ 40 3.7.2. Nhiễu DC = 0.3; AC=0 ...................................................................... 42 3.7.3. Nhiễu DC=0; AC=0.03 ...................................................................... 43 3.7.4. Nhiễu DC=0; AC=0.1........................................................................ 45 3.7.5. Nhiễu DC=0.15; AC=0.03 ................................................................. 46 3.3.6. Nhận xét ........................................................................................... 48 CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 49 4.1 Giới thiệu giải thuật điều khiển tuyến tính dạng toàn phương LQR ......... 49 4.2 Giới thiệu giải thuật Swing up ............................................................... 50 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển swing-up vị trí top ( 𝒒𝟏 = 𝝅𝟐 và 𝒒𝟐 = 𝟎 ) ..... 50 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển swing-up vị trí middle ( 𝒒𝟏 = −𝝅𝟐 và 𝒒𝟐 = 𝝅 ) .................................................................................................................. 52 4.3 Giới thiệu giải thuật di truyền GA ..................................................... 53 4.3.1 Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền ..................................... 55 4.4 Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks ........................................... 55 CHƯƠNG 5 ĐÁP ỨNG THỰC TẾ KHI ĐIỀU KHIỂN ......................................... 56
5.1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển swing up (top+middle) và cân bằng LQR ..................................................................................................................... 56 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ........................................................................................... 62 6.1 Kết quả đạt được ..................................................................................... 62 6.2 Hướng phát triển ..................................................................................... 62
DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Trang số Bảng 1.1 Thông số các đại lượng của hệ thống hệ Pendubot 9 Bảng 1.2 Bảng DH hệ Pendubot 10 Bảng 3.1 So sánh các cấu trúc 40 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Tên biểu đồ, sơ đồ, hình ảnh Trang số Hình 1.1 Cấu trục hệ Pendubot trên trục tọa độ Oxyz 9 Hình 1.2 Cấu trúc động cơ DC 13 14   Hình 1.3   ;0  2  14  Hình 1.4  ;     2  15  Hình 1.5  ;      2  15  Hình 1.6  ;0    2  Hình 2.1 Vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D C2000. 18 Hình 2.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR. 18 Hình 2.3 Động cơ 24VDC của M.A.E. 19 Hình 2.4 Cầu H IRF3205 19 Hình 2.5 Cổng kết nối UART giữa máy tính và vi điều khiển 20 Hình 3.1 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích đáp ứng xung 21 Hình 3.2 Phân tích đáp ứng xung được thiết kế cho hệ 21 Pendubot Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 21 dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 22 dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 23 khi nhiễU DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.7 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích đáp ứng nấc 23 Hình 3.8 Phương pháp phân tích đáp ứng nấc được thiết kế 23 cho hệ Pendubot Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 24 dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 25 dạng khi nhiễU DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 25 dạng khi nhiễU AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 26 khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.13 Thí nghiệm thu thập dữ liệu phân tích tương quan 26 Hình 3.14 Phân tích phương pháp trên hệ Pendubot 27 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 27 dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 28 dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 28 dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 29 khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.19 Sơ đồ Simulink mô tả phương pháp kiểm tra sóng 29 sin cho hệ Pendubot Hình 3.20 Đáp ứng ngỏ vào ra của hệ Pendubot và giản đồ 30 Bode hệ thống Hình 3.21 Giản đồ Bode pha sau khi thu thập dữ liệu 40 lần 30 Hình 3.22 Giản đồ Bode biên sau khi thu thập dữ liệu 40 lần Hình 3.23 giản đồ bode thực của hệ xét tại link 2 31
Hình 3.24 giản đồ Bode pha và biên sau khi thu thập dữ liệu 31 Hình 3.25 Gian đồ Bode thực của hệ tại link 1 32 Hình 3.26 giản đồ Bode pha sau khi nhận dạng 33 Hình 3.27 giản đồ Bode biên sau khi nhận dạng 33 Hình 3.28 Tín hiệu vào ra của hệ thống khi không nhiễu 34 Hình 3.29 Đồ thị về cấu trúc ARX được tùy chỉnh theo các bậc 35 khác nhau Hình 3.30 Giá trị best fits của cấu trúc ARX khi không nhiễu 35 Hình 3.31 Kết quả phương trình [arx441], best fit = 96.18 35 Hình 3.32 Tín hiệu vào ra của hệ thống Pendubot với cấu trúc 36 ARMAX Hình 3.33 Đồ thị về cấu trúc ARMAX được tùy chỉnh theo các 36 bậc khác nhau Hình 3.34 giá trị best fits của cấu trúc ARMAX khi không 37 nhiễu Hình 3.35 Kết quả phương trình [amx2221], best fit = 95.58 37 Hình 3.36 Đồ thị về cấu trúc OE được tùy chỉnh theo các bậc 38 khác nhau Hình 3.37 giá trị best fits của cấu trúc OE khi không nhiễu 38 Hình 3.38 Kết quả phương trình [oe421], best fit = 99.51 38 Hình 3.39 Đồ thị về cấu trúc BJ được tùy chỉnh theo các bậc 39 khác nhau Hình 3.40 giá trị best fits của cấu trúc BJ khi không nhiễu 39 Hình 3.41 Kết quả phương trình [bj42122], best fit = 89.41 39 Hình 3.42 Hệ Pendubot được thiết kế với cấu trúc ARX, 40 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC nhỏ và không nhiễu AC Hình 3.43 Các giá trị best fits với các cấu trúc 41 Hình 3.44 Phương trình cấu trúc ARX 41 Hình 3.45 Phương trình cấu trúc ARMAX 41 Hình 3.46 Phương trình cấu trúc OE 41 Hình 3.47 Phương trình cấu trúc BJ 42
Hình 3.48 Hệ Pendubot được thiết kế với cấu trúc ARX, 42 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC lớn và không nhiễu AC Hình 3.49 Các giá trị best fits với các cấu trúc 42 Hình 3.50 Phương trình cấu trúc ARX 42 Hình 3.51 Phương trình cấu trúc ARMAX 43 Hình 3.52 Phương trình cấu trúc OE 43 Hình 3.53 Phương trình cấu trúc BJ 43 Hình 3.54 Hệ Pendubot được thiết kế với cấu trúc ARX, ARMAX, 43 OE, BJ khi có nhiễu AC nhỏ và không nhiễu DC Hình 3.55 Các giá trị best fits với các cấu trúc 44 Hình 3.56 Phương trình cấu trúc ARX 44 Hình 3.57 Phương trình cấu trúc ARMAX 44 Hình 3.58 Phương trình cấu trúc OE 44 Hình 3.59 Phương trình cấu trúc BJ 45 Hình 3.60 Hệ Pendubot được thiết kế với cấu trúc ARX, 45 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC lớn và không nhiễu DC Hình 3.61 Các giá trị best fits với các cấu trúc 45 Hình 3.62 Phương trình cấu trúc ARX 46 Hình 3.63 Phương trình cấu trúc ARMAX 46 Hình 3.64 Phương trình cấu trúc OE 46 Hình 3.65 Phương trình cấu trúc BJ 46 Hình 3.66 Hệ Pendubot được thiết kế với cấu trúc ARX, 46 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC và nhiễu DC Hình 3.67 Các giá trị best fits với các cấu trúc 47 Hình 3.68 Phương trình cấu trúc ARX 47 Hình 3.69 Phương trình cấu trúc ARMAX 47 Hình 3.70 Phương trình cấu trúc OE 47 Hình 3.71 Phương trình cấu trúc BJ 48 Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển LQR 49 Hình 4.2 Sơ đồ khối giải thuật điều khiển Swing-up 50 Hình 4.3 Vị trí TOP của hệ Pendubot 51 Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển swing-up vị trí TOP 52
Hình 4.5 Vị trí Middle của hệ Pendubot 53 Hình 4.6 Sơ đồ giải thuật di truyền tổng quát 54 Hình 4.7 Sơ đồ giải thuật di truyền GA 55 Hình 5.1 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển 56 Hình 5.2 Kết quả mô phỏng góc và vận tốc của link 1 và link 58 2 vị trí top của hệ Pendubot Hình 5.3 Kết quả mô phỏng điện áp cấp cho hệ Pendubot ở 58 vị trí TOP Hình 5.4 Kết quả thực nghiệm góc và vận tốc của link 1 và 59 link 2 trên thực nghiệm ở vị trí TOP Hình 5.5 Kết quả điện áp cấp cho động cơ thực nghiệm ở vị 59 trí TOP Hình 5.6 Kết quả góc và vận tốc link 1 và link 2 trên mô 60 phỏng ở vị trí middle Hình 5.7 Kết quả điện áp cấp từ động cơ trên mô phỏng ở vị 60 trí middle. Hình 5.8 Góc và vận tốc link 1 và link 2 trên thực nghiệm ở vị 61 trí middle. Hình 5.9 Điện áp cấp cho động cơ trên thực nghiệm ở vị trí 61 middle. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nguyên nghĩa LQR Linear–quadratic regulator GA Genetic Algorithm PID Proportional–Integral–Derivative SIMO Single Input Multiple Output ARX Auto-Regressive eXternal Input Model ARMAX Auto-Regressive Moving Average eXternal Input Model OE Output Error Model BJ Box-Jenkins Model
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT - SV thực hiện: Trần Minh Đức Mã số SV: 16151019 - Lớp: 16151CL3 Khoa: CLC Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4 - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 VÕ MINH TÀI 16151313 16151CL3 CLC 2 TRẦN QUỐC CƯỜNG 16151008 16151CL3 CLC - Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm 2. Mục tiêu đề tài: Xây dựng phương trình động học hệ thống Pendubot dựa trên động học nghịch – thuận của Kỹ thuật Robot. Nhận dạng hệ thống Pendubot bằng các phương pháp nhận dạng mô hình có tham số và không tham số. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink, mô phỏng điều khiển ổn định hệ thống bằng giải thuật điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR, mô phỏng điều khiển Swing up hệ thống bằng phương pháp năng lượng. Xây dựng mô hình thực của hệ thống, điều khiển thực tế hệ thống để đánh giá kết quả với mô phỏng. Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống Pendubot bằng phương pháp có tham số và không tham số. 3. Tính mới và sáng tạo:
Chương trình điều khiển hệ thống được nhúng bằng phần mềm Matlab với thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors của vi xử lý LAUNCHXL-F28379D. 4. Kết quả nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán phương trình động học cho hệ thống Pendubot. Nghiên cứu tìm hiểu về lý thuyết nhận dạng mô hình hệ thống, lý thuyết bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR, phương pháp Swing up bằng năng lượng, tìm thông số tối ưu bằng phương pháp giải thuật di truyền GA. Thực hiện mô phỏng hệ thống, mô hỏng các giải thuật điều khiển với đối tượng Pendubot, tìm thông số tối ưu cho hệ thống. Nghiên cứu xây dựng mô hình thực tế hệ thống Pendubot, áp các bộ điều khiển lên hệ thống thực, sau đó đánh giá lại kết quả thực tế. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Đề tài “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT” sẽ hỗ trợ đắc lực trong quá trình giảng dạy, học tập và nghiên cứu khoa học cho giảng viên cũng như sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Việc áp dụng mô hình hệ thống sẽ giúp người học kiểm chứng lại các giải thuật khác, phương pháp điều khiển khác nhau nhằm tìm ra giải thuật tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên)
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài: Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Minh Tâm, người đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp nhóm sinh viên hoàn thành đề tài Nghiên cứu khoa học này. Và quan trọng hơn hết, thầy là người đã gợi mở cho nhóm sinh viên một hướng nghiên cứu mà nhóm cảm thấy quan tâm và mong muốn theo đuổi. Bên cạnh đó, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn đến thầy Đặng Xuân Ba, thầy Nguyễn Văn Thái, thầy Vũ Văn Phong thuộc bộ môn Tự động điều khiển đã định hướng và hỗ trợ một số phần quan trọng cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài. Ngoài ra, nhóm sinh viên cũng gởi lời cảm ơn đến tập thể lớp 16151CL3 đã hỗ trợ nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình. TP Hồ Chí Minh, Ngày… tháng …năm … Nhóm sinh viên thực hiện 1
LỜI NÓI ĐẦU  Thế giới ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, khoa học kỹ thuật đem lại những giá trị thiết thực cho cuộc sống con người. Với việc cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0 đang đến gần, sự phát triển không ngừng của ngành kỹ thuật Điều Khiển Tự Động đã mang đến những thay to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong nhu cầu đời sống con người. Nhờ sự phát triển đó, các thiết bị máy móc, robot ngày càng trở nên thông minh và chính xác hơn, các công việc được thực hiện nhanh chóng và hiệu quả. Trong lĩnh vực điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển thông minh, điều khiển hiện đại với các ứng dụng của mạng nơron, PID kinh điển, logic mờ, điều khiển lai… đang được xem là ngành kỹ thuật của tương lai, nhờ có nó mà máy móc, robot ngày càng đạt được sự ổn định tối ưu nhất. Đối với sinh viên chuyên ngành Điều khiển Tự động, với sự yêu thích, đam mê, cùng với nhận thấy đây là một lĩnh vực mới, hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng mới. Nhằm đóng góp nghiên cứu, người thực hiện quyết định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO PENDUBOT” để tiến hành nghiên cứu. Mặc dù người thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng thời hạn quy định nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm. Người thực hiện đề tài rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn nữa. Xin chân thành cảm ơn! NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TRẦN MINH ĐỨC VÕ MINH TÀI TRẦN QUỐC CƯỜNG 2
TÓM TẮT Trong công trình này, nhóm sinh viên đã xây dựng mô hình thực tế hệ Pendubot. Nhóm sinh viên thực hiện tính toán động học thuận và động học nghịch của robot. Dựa trên cơ sở này, nhóm sinh viên lập trình bằng phần mềm Matlab và sử dụng nền tảng vi xử lý LAUNCHXL-F28379D để điều khiển hệ thống Pendubot. Kết quả thực nghiệm đạt được: sinh viên đã xây dựng thành công mô hình thực nghiệm hệ thống Pendubot thông qua giao tiếp máy tính giữa phần mềm Matlab/Simulink với vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D bằng bộ thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors được Matlab hỗ trợ. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển swing up và ổn định hệ thống có hiệu quả cao. Nhiệm vụ  Giới thiệu vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D và bộ thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors trên phần mềm Matlab/Simulink.  Lắp ráp mô hình phần cứng và điện tử cho mô hình thực hệ cánh tay robot 2 bậc tự do.  Lập trình chương trình điều khiển trên Simulink của Matlab.  Điều khiển Swing-up và ổn định hệ pendubot.  Tìm hiểu lý thuyết về động lực robot, các lý thuyết của kỹ thuật robot để xây dựng hệ thống.  Tìm hiểu lý thuyết swing-up bằng phương pháp năng lượng.  Tìm hiểu lý thuyết giải thuật di truyền.  Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống Pendubot. 3
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong những thập niên gần đây, khái niệm robot để phục vụ nhu cầu sản xuất trong môi trường công nghiệp. Gần đây hàng loạt robot đã được sản xuất với những mục đích và những yêu cầu khác nhau. Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế chế tạo robot và ứng dụng chúng trong các hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học – kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Cùng với sự phát triển của xã hội, khoa học kĩ thuật, các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh, ra đời. Các phương pháp này ngày càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi. Hệ thống Pendubot được thực hiện trong để tài là một hệ SIMO (Single- Input and Multiple-Output) với nhiều ngõ vào điều khiển và nhiều ngõ ra. Nhằm nâng cao khả năng áp dụng các giải thuật điều khiển tôi ưu cho hệ cánh tay robot trước tiên chúng ta cần nắm rõ về phương trình động học hệ thống. Thực hiện đề tài “Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot” là rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thời điểm hiện tại. Vì đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Cao đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành điều khiển tự động hóa, điện công nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên tại trường. 2. Lý do chọn đề tài Hệ thống Pendubot rất thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm điều khiển tự động. Thiết kế cơ khí đơn giản và có tính phi tuyến làm mô hình này phù hợp trong việc thử nghiệm các giải thuật điều khiển cũng như việc giảng dạy điều khiển tự động trong các chương trình đại học hay cao học. Hai bài toán cơ bản nghiên cứu về hệ thống Pendubot là Swing up, Balancing:  Swingup: đây là bộ điều khiển đưa 2 thanh của hệ thống Pendubot từ vị trí hướng xuống đến lân cận vị trí thẳng đứng hướng lên. 4
 Balancing: đây là bộ điều khiển giúp 2 thanh trên hệ thống đứng ở vị trí MID và TOP không bị ngã và đồng thời cũng giữ xe ở vị trí cố định cho trước. Các giải pháp điều khiển thông minh, điều khiển hiện đại ngày càng được quan tâm nghiên cứu để thực hiện các ứng dụng mà các giải pháp điều khiển thông thường không thực hiện được. Đề tài “Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot” mang lại kết quả nghiên cứu cho một bộ điều khiển phi tuyến trên hệ under-actuated. Đồng thời, mô hình phần cứng hệ Pendubot cũng là một mô hình thí nghiệm để tiếp tục công việc nghiên cứu, đưa ra các giải thuật điều khiển khác. 3. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu phương trình toán học của hệ Pendubot. - Nghiên cứu bất đẳng thức Lyapunov tìm kiếm thông số điều khiển của bộ điều khiển trượt thứ bậc. - Nghiên cứu giải thuật di truyền tìm kiếm thông số điều khiển tối ưu cho bộ điều khiển trượt thứ bậc. - Nghiên cứu lập trình mô phỏng Matlab cho hệ thống để ổn định cân bằng hệ Pendubot. - Nghiên cứu lập trình trên Matlab/Simulink để điều khiển mô hình thực nghiệm Pendubot. - Nghiên cứu nhận dạng hệ Pendubot bằng phương pháp không tham số và có tham số. 4. Phương pháp nghiên cứu Dựa vào cấu tạo phần cứng và các đặc tính vật lý của hệ thống, sinh viên xây dựng phương trình toán học của hệ thống (dùng phương pháp động học thuận – nghịch). Hệ thống không chỉ có cấu trúc cơ khí mà còn bị ảnh hưởng bởi loại động cơ DC được sử dụng. Tuy động cơ DC là một mô hình đơn giản nhưng phương trình toán học cũng như thông số của nó cũng cần đề cập tới. Sau đó, phương pháp điều khiển (ở đây là trượt thức bậc cho hệ SIMO) cũng sẽ được trình bày và phân tích để có thể điều khiển được cả vị trí cân bằng cố định cho hệ Pendubot. Do sự sai lệch của việc đo đạc thông số mô hình cũng như sai số trong 5
việc nhận dạng động cơ, giải thuật GA cần được áp dụng để tìm thông số tối ưu nhất trên mô phỏng để thông số điều khiển tìm được trên mô phỏng sát nhất với thông số điều khiển được trên mô hình thực nghiệm. Bộ điều khiển trượt được xây dựng và tối ưu hóa thông qua việc lập trình trên công cụ Matlab/Simulink. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm: - Khảo sát, phân tích tổng hợp: Khảo sát một số mô hình, mô phỏng thực tế đang có từ các luận văn trước và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab/simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng. - Mô phỏng trên máy tính: Phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink. - Thiết kế mô hình thực nghiệm: Mô hình thực nghiệm được xây dựng để kiểm chứng lại và đánh giá lại các kết quả mô phỏng. 5. Phạm vi nghiên cứu - Giới thiệu vi điều khiển LAUNCHXL-F28379D và bộ thư viện Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors trên phần mềm Matlab/Simulink. - Lắp ráp mô hình phần cứng và điện tử cho mô hình thực hệ cánh tay robot 2 bậc tự do. - Lập trình chương trình điều khiển trên Simulink của Matlab. - Điều khiển Swing-up và ổn định hệ pendubot. - Tìm hiểu lý thuyết về động lực robot, các lý thuyết của kỹ thuật robot để xây dựng hệ thống. - Tìm hiểu lý thuyết swing-up bằng phương pháp năng lượng. - Tìm hiểu lý thuyết giải thuật di truyền. - Mô hình hóa và nhận dạng hệ thống Pendubot. 6. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu hệ Pendubot và giải thuật trượt (cân bằng) giúp kiểm chứng lại giải thuật phi tuyến trên đối tượng thực. Qua đó, hỗ trợ kiến thức nền tảng cho việc nghiên cứu giải thuật trượt, phương pháp điều khiển cân bằng cho hệ Pendubot. Ngoài ra, việc nghiên cứu có thể mở rộng cho các hệ SIMO khác như 6