Điều khiển ballbot cân bằng và di chuyển
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.55 MB, 109 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------
TRẦN NGUYÊN NGHĨA
ĐIỀU KHIỂN BALLBOT
CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HĨA
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, Tháng 06 Năm 2013
CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ......................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ......................................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. .........................................................................
2. .........................................................................
3. .........................................................................
4. .........................................................................
5. .........................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƢỞNG KHOA QLCN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
----------------
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN NGUYÊN NGHĨA
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1984
Nơi sinh: Tỉnh Cà Mau
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
MSHV: 10150044
1- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BALLBOT CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Thành lập phƣơng trình tốn cho hệ robot cân bằng trên bóng.
Thiết kế hệ thống điều khiển PD nhiều vịng và LQR cho hệ robot cân bằng trên
bóng. Mơ phỏng hệ thống robot cân bằng trên bóng bằng phần mềm
Malab/Simulink.
Xây dựng bộ điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 với giải
thuật điều khiển PD nhiều vòng và LQR để điều khiển robot cân bằng và di chuyển.
Đánh giá, nhận xét và hƣớng phát triển.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
7-2012
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
6-2013
5- HỌ VÀ TÊN CB HƢƠNG DẪN: TS. NGUYỄN ĐỨC THÀNH
Nội dung và đề cƣơng Luận văn đã đƣợc hội đồng chuyên ngành thơng qua.
C. BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QL CH. NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Đức Thành đã rất nhiệt tình giúp
đỡ, hƣớng dẫn nghiên cứu, định hƣớng và đánh giá trong suốt quá trình thực hiện
luận văn cao học.
Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động,
các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM đã
giảng dạy, cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích trong q trình nghiên cứu và
học tập tại trƣờng.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn cha mẹ và những ngƣời thân trong gia đình
đã khơng ngừng khích lệ để tơi hồn thành tốt luận văn này.
Xin cảm ơn các bạn bè trong khoá cao học Tự Động Hoá 2010 đã giúp đỡ tơi
trong q trình học tập và làm đề tài.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013
TRẦN NGUYÊN NGHĨA
TĨM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, robot đóng vai trị rất quan trọng trong sự phát triển của loài ngƣời.
Trong các hoạt động nghiên cứu khoa học và kỹ thuật, sản xuất của các ngành công
nghiệp, robot hỗ trợ con ngƣời thực hiện những nhiệm vụ nguy hiểm nhƣ dị mìn,
thăm dò dƣới đại dƣơng, thám hiểm vệ tinh, hoạt động qn sự... Ngồi ra, robot
cịn hỗ trợ con ngƣời trong đời sống hằng ngày nhƣ robot Asimo hỗ trợ ngƣời già
qua đƣờng, chăm sóc em bé, nhƣ robot thổi kèn của Toyota phục vụ cho việc giải
trí. Gần đây, một số loại robot hai bánh cũng phát triển mạnh, robot 2 bánh này ứng
dụng cho việc hỗ trợ di chuyển trong siêu thị, văn phịng, trƣờng học. Bên cạnh đó,
robot một bánh cũng ra đời nhằm khắc phục những hạn chế của robot hai bánh. Đề
tài “Điều khiển ballbot cân bằng và di chuyển” là đề tài khá mới, đã có nhiều nhóm
thực hiện nhƣng hiện vẫn cịn đang hồn thiện để đi đến tạo ra sản phẩm ứng dụng
phục vụ cuộc sống con ngƣời.
Luận văn thực hiện thiết kế, thi cơng điều khiển giữ cho robot cân bằng trên
bóng. Hệ thống robot cân bằng trên bóng đƣợc mơ hình hóa thành các phƣơng trình
chuyển động và thực hiện mơ phỏng đối tƣợng thơng qua chƣơng trình
Matlab/Simulink. Các bộ điều khiển giữ thăng bằng cho robot đƣợc nghiên cứu
trong đề tài bao gồm: bộ điều khiển PD nhiều vòng, LQR, bộ điều khiển hồi tiếp
tuyến tính hóa, bộ điều khiển chế độ trƣợt. Các bộ điều khiển sau khi đƣợc thiết kế
bằng lý thuyết và mô phỏng sẽ đƣợc kiểm chứng bằng cách áp dụng vào điều khiển
đối tƣợng thực.
Mục lục
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.................................................................... 4
1.1.
Đặt vấn đề: ................................................................................................... 5
1.2.
Các cơng trình nghiên cứu có liên quan: ...................................................... 6
1.2.1.
CMU Ballbot:
6
1.2.2.
BallIP:
6
1.2.3.
LEGO NXT Ballbot:
7
1.2.4.
Rezero:
8
1.2.5.
Các cơng trình nghiên cứu về ballbot khác:
8
1.3.
Giới thiệu luận văn: ...................................................................................... 9
1.3.1.
Mục đích:
1.3.2.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
10
1.3.3.
Cấu trúc luận văn:
10
9
CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC ........................................................... 11
2.1. Tài liệu liên quan: ........................................................................................... 12
2.1.1. Các cơ cấu chấp hành
12
2.1.2. Cơ chế bộ lái của robot 1 bánh: ................................................................... 13
2.1.3. Bóng: ............................................................................................................ 15
2.1.4. Cảm biến đo góc: ......................................................................................... 17
2.2. Thiết kế phần cứng: ......................................................................................... 18
2.3. Xây dựng mơ hình hóa robot cân bằng trên bóng đơn giản trên mặt phẳng: .. 19
2.4. Ngõ vào điều khiển gia tốc thay cho moment:................................................ 24
2.5. Tính tốn vận tốc các bánh xe:........................................................................ 25
2.6. Khảo sát các đặc tính phi tuyến: ..................................................................... 28
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 1
Mục lục
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN................................................... 31
3.1. Nguyên lý hoạt động của robot một bánh tự cân bằng: .................................. 32
3.2. Bộ điều khiển PID nhiều vòng: ....................................................................... 32
3.3. Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến: .............................................................. 33
3.3. ĐIẾU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƢỢT ................................................................... 36
3.3.1. Tổng quan điều khiển chế độ trƣợt:
36
3.3.2. Quá trình thiết kế bộ điều khiển chế độ trƣợt
37
3.4. Cơ sở lý thuyết bộ lọc Kalman: ...................................................................... 40
3.4.1. Giới thiệu về bộ lọc Kalman:
40
3.4.2. Thuật toán kalman rời rạc:
41
CHƢƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN............................................................... 44
4.1.
Xây dựng bộ điều khiển tồn phƣơng tuyến tính: ...................................... 45
4.1.1.
Tuyến tính hóa hệ thống: ........................................................................ 45
4.1.2.
Khảo sát tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc của hệ thống: ...... 46
4.1.3.
Hàm chỉ tiêu chất lƣợng điều khiển:....................................................... 47
4.1.4.
Sơ đồ mơ phỏng:
47
4.1.5.
Kết quả mơ phỏng:
48
4.1.6.
Kết luận:
52
4.2.
Phƣơng pháp PD nhiều vịng: .................................................................... 52
4.2.1.
Cấu trúc bộ điều khiển PD cho robot cân bằng trên bóng:
52
4.2.2.
Sơ đồ mơ phỏng:
53
4.2.3.
Kết quả mơ phỏng:
54
4.2.4.
Kết luận:
58
4.3.
Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa ........................................ 58
4.3.1.
Cơ sở lý thuyết:
58
4.3.2.
Xây dựng bộ điều khiển cho hệ hồi tiếp tuyến tính hóa:
60
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 2
Mục lục
4.3.2.3. Bộ điều khiển PD – LQR – Tuyến tính hóa vào ra:
4.4.
66
Xây dựng bộ điều khiển trƣợt: ................................................................... 69
4.4.1.
Cơ sở lý thuyết:
69
4.4.2.
Xây dựng bộ điều khiển cho mặt trƣợt:
71
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ .............................................. 75
5.1.
Xây dựng hệ thống cơ khí robot một bánh: ............................................... 76
5.1.1.
Thiết kế cơ khí:
76
5.1.2.
Mạch điều khiển:
78
5.2.
Xây dựng bộ lọc Kalman cho cảm biến đo góc nghiêng: .......................... 80
5.2.1.
Thực hiện bộ lọc Kalman:
80
5.2.2.
Kết luận:
83
5.3.
Bộ điều khiển nhúng robot cân bằng trên bóng: ........................................ 83
5.3.1.
Giới thiệu:
83
5.3.2.
Bộ điều khiển PID nhiều vòng:
85
5.3.3.
Bộ điều khiển LQR:
93
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN .......................................................................................... 99
6.1. Kết quả đạt đƣợc: .......................................................................................... 100
6.2. Một số hạn chế: ............................................................................................. 101
6.3. Hƣớng phát triển: .......................................................................................... 102
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 4
Chƣơng 1
1.1.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề:
Robot cân bằng trên bóng là đối tƣợng chƣa có nhiều đề tài nghiên cứu tại
Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM. Hiện nay, tại trƣờng về đề tài luận văn Thạc
sỹ chỉ có đề tài nghiên cứu của Đỗ Đăng Nguyên về “Điều khiển cân bằng robot
một bánh”. Cho nên đây là đề tài cịn khá mới, mang nhiều tính hấp dẫn khi nghiên
cứu về cấu tạo cơ khí, cũng nhƣ về giải thuật điều khiển. Khi nghiên cứu về đối
tƣợng robot một bánh, ta sẽ thấy có nhiều điểm tƣơng đồng với đối tƣợng robot xe 2
bánh tự cân bằng, vì thế ta có thể kế thừa những gì đã đƣợc nghiên cứu về xe 2 bánh
tự cân bằng để tiếp tục nghiên cứu và phát triển cho đối tƣợng robot cân bằng trên
bóng. Những nét tƣơng đồng đó có thể kể đến nhƣ: cách thu nhận tín hiệu cảm biến,
driver điều khiển động cơ hay cả về thuật toán điều khiển. Và điều đặc biệt ở đây ta
có thể xem việc điều khiển cân bằng cho robot cân bằng trên bóng là điều khiển cân
bằng cùng lúc 2 xe con lắc ngƣợc trên 2 hƣớng theo nằm trong 2 mặt phẳng trực
giao Oxz và Oyz. Ngoài ra, tùy theo kết cấu cơ khí của robot mà ta có thể cần hoặc
không cần chuyển đổi lực/moment hoặc gia tốc của động cơ để điều khiển vị trí/vận
tốc quả bóng, ở trong mơ hình robot cân bằng trên quả bóng thì quả bóng đƣợc xem
nhƣ bánh xe của robot (bánh xe ảo để phân biệt với bánh xe thật – thƣờng dùng là
bánh xe đa hƣớng (omnidirection wheel)).
Trong nhiều năm từ khi xuất hiện ý tƣởng xây dựng robot cân bằng trên quả
bóng, tính đến nay đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu của trên thế giới, các cơng
trình nghiên cứu này xét về kết cấu cơ khí, về thuật tốn điều khiển hay về mục đích
nghiên cứu là riêng biệt nhau, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Trong luận văn này tác giả sẽ thực hiện xây dựng mô hình và bộ điều khiển
robot cân bằng trên bóng với mục tiêu giữ robot cân bằng và di chuyển bám theo tín
hiệu đặt.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 5
Chƣơng 1
1.2.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Các cơng trình nghiên cứu có liên quan:
1.2.1. CMU Ballbot:
Cơng trình ballbot của đại học CMU (Carnegie Mellon University, Úc) tập
trung nghiên cứu theo hƣớng giao tiếp trao đổi thơng tin với ngƣời, với kích thƣớc
robot cao bằng ngƣời thật, thuật toán LQR giúp cho robot giữ cân bằng và di
chuyển.
Hình 1.1. Ballbot CMU
1.2.2. BallIP:
Cũng lấy ý tƣởng robot cân bằng trên bóng nhƣng BallIP (Ball Inverted
Pendulum) sử dụng cấu trúc và thuật toán điều khiển riêng. Robot sử dụng hệ thống
gồm 3 động cơ bƣớc, bố trí đối xứng 120 độ trong khơng gian và đặt trên đỉnh quả
bóng với góc tiếp xúc từ 45 độ. Thuật toàn mà Giáo sƣ Massaki Kumagai sử dụng
là giải thuật PD, áp dụng cho cả góc nghiêng của robot và vị trí của quả bóng.
Cũng giống nhƣ ballbot của đại học CMU thuật toán điều khiển đƣợc phát
triển lên từ thuật toán điều khiển con lắc ngƣợc, bằng cách xem cách điều khiển
ballbot là điều khiển con lắc ngƣợc đồng thời cả 2 hƣớng trƣớc – sau và phải – trái,
ở đây trên mỗi hƣớng ta có góc nghiêng và vị trí chính là hình chiếu của robot trên
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 6
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
mỗi trục của nó. Bằng cách này ta khơng cần phải mơ hình hóa cụ thể ballbot mà có
thể sử dụng lại mơ hình con lắc ngƣợc để tìm thơng số bộ điều khiển.
Hình 1.2. BallIP của Đại học TGU
1.2.3. LEGO NXT Ballbot:
Hình 1.3. Ballbot Lego
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 7
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.2.4. Rezero:
Cơng trình nghiên cứu của nhóm sinh viên đại học ETH (Eidgenưssische
Technische Hochschule, Thụy Sĩ) có cấu trúc bộ lái tƣơng tự nhƣ BallIP nhƣng có
giải thuật điều khiển khác hơn, bằng cách mơ hình hóa cụ thể đối tƣợng ballbot
trong khơng gian 2D nhƣ các ballbot đã thực hiện và cả trong không gian 3D, nhóm
nghiên cứu đã xây dựng thành cơng bộ điều khiển LQG. Đây cũng là ballbot có kết
cấu cơ khí mang tính thẩm mỹ cao nhất, và di chuyển nhanh nhất trong số các
ballbot đã thực hiện.
Hình 1.4. Rezero ballbot của Đại học ETH, Zurich, Thụy Sỹ
1.2.5. Các công trình nghiên cứu về ballbot khác:
Ngồi các cơng trình nghiên cứu trên, cịn rất nhiều nhóm và cá nhân khác đã
thực hiện thành cơng mơ hình và xây dựng bộ điều khiển hồn chỉnh cho robot của
mình. Theo nhận xét của cá nhân tác giả các ballbot này tuy có khác về kết cấu cơ
khí nhƣng giải thuật điều khiển đều xoay quanh các bộ điều khiển PID và LQG,
phần đơng các nhóm nghiên cứu đều tập trung xây dựng bộ điều khiển PID. Đây là
bộ điều khiển thông dụng nhất hiện nay, bởi tính đơn giản và hiệu quả mà nó mang
lại.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 8
Chƣơng 1
1.3.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu luận văn:
1.3.1. Mục đích:
Thiết kế và thi cơng robot tự cân bằng trên một quả bóng. Do đó, bóng sẽ hoạt
động nhƣ các bánh xe hình cầu, cho phép các robot di chuyển theo một vài hƣớng.
Hy vọng rằng với sự phát triển của robot một bánh, và công nghệ liên quan, các
robot có thể hành động nhƣ con ngƣời, hỗ trợ đƣợc con ngƣời .
Luận văn này nhằm thiết kế và xây dựng robot mơt bánh, chủ yếu cho mục
đích giáo dục. Sự phát triển của robot một bánh là một hệ thống của toàn dự án, bao
gồm cả nguồn gốc của phƣơng trình về chuyển động của robot, thiết kế và thực hiện
bộ điều khiển và phần mềm liên quan đến sự cân bằng robot, và thử nghiệm hệ
thống.
Hệ thống robot hoạt động ổn định ngoài phần cơ cấu hợp lý và phƣơng trình
tốn hệ thống sát với thực tế, robot cịn phải đƣợc thiết kế bộ điều khiển thích hợp.
Đối với hệ robot một bánh tự cân bằng thì quá trình điều khiển có thể đƣợc chia
thành ba phần: điều khiển góc nghiêng của hệ robot so với phƣơng thẳng đứng, điều
khiển vị trí di chuyển của robot so với phƣơng nằm ngang, và cuối cùng là điều
khiển góc xoay của robot. Và bản thân hệ robot là hệ không ổn định, nên quá trình
điều khiển sẽ gặp rất nhiều khó khăn, khi phải thực hiện điều khiển ba thành phần:
góc nghiêng, vị trí, và góc xoay cùng một thời điểm.
Ở đề tài luận văn thạc sỹ này tác giả cũng tập trung xây dựng mơ hình ballbot
có kết cấu cơ khí tƣợng tự nhƣ BallIP, đồng thời xây dựng bộ điều khiển PID để giữ
cân bằng và di chuyển robot. Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để các cá nhân khác tiếp
tục nghiên cứu hoàn thiện hơn nữa các giải thuật, cũng nhƣ đi đến tạo ra một sản
phẩm hồn chỉnh có thể phục vụ cho con ngƣời.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 9
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu:
Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc áp dụng để thực hiện luận án này là phân tích
lý thuyết, mơ phỏng trên máy tính và áp dụng kết quả vào thực nghiệm
Phân tích lý thuyết : Là nghiên cứu các lý thuyết cơ sở liên quan đến việc thiết
kế bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố, bộ điều khiển chế độ trƣợt, dựa trên cơ sở
các lý thuyết này sẽ phân tích cho mơ hình cụ thể đƣợc sử dụng trong luận án
Mơ phỏng trên máy tính : Sau khi đã xây dựng xong các thuật toán đều khiển
dƣới dạng lý thuyết ta sẽ tiến hành mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng sự hoạt
động của bộ điều khiển, trên kết quả mô phỏng sẽ rút ra các nhận xét về thuật toán
và kinh nghiệm khi áp dụng bộ điều khiển vào đối tƣợng thực
Áp dụng kết quả vào thực nghiệm: Để kiểm chứng tính đúng đắn của các bộ
điều khiển thiết kế bằng lý thuyết ta sẽ nhúng giải thuật điều khiển xuống vi xử lý
và các khâu chấp hành để điều khiển đối tƣợng thực, kết quả thực tế giúp ta nhìn
nhận chính xác cho chất lƣợng của bộ điều khiển đã đƣợc thiết kế.
1.3.3. Cấu trúc luận văn:
Luận văn có cấu trúc gồm các phần chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu, tình hình nghiên cứu
hiện nay của thế giới về đề tài này.
Chƣơng 2: Mơ hình hóa đối tƣợng và khảo sát đặc tính động học của đối
tƣợng trên Matlab Simulink.
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, kiến thức cơ sở và kiến thức nền tảng đề điều
khiển robot.
Chƣơng 4: Xây dựng giải thuật điều khiển robot, mô phỏng đáp ứng của hệ
thống để kiểm tra tính phù hợp của giải thuật điều khiển.
Chƣơng 5: Hiện thực hóa robot 1 bánh tự cân bằng về kết cấu cơ khí, điện
tử, thành phần cảm biến và hệ thống điều khiển nhúng. So sánh kết quả đạt đƣợc
giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Chƣơng 6: Ƣu và khuyết điểm của các giải thuật đã thực hiện trong luận
văn, đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng đề tài.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 10
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC
HỌC
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 11
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
2.1. Tài liệu liên quan:
2.1.1. Các cơ cấu chấp hành
Ở mỗi cấu trúc cơ khí, đối tƣợng có thể sử dụng các bộ chấp hành khác nhau:
a. Sử dụng động cơ DC Servo.
Hình 2.1. Động cơ DC Servo.
Mơ hình tốn học có đƣợc thơng qua các thông số của động cơ.
Khi điều khiển vị trí góc quay của động cơ ta cần thiết kế thêm bộ điều
khiển hay tích hợp thêm bộ điều khiển động cơ.
b. Sử dụng động cơ bước.
Hình 2.2. Động cơ bƣớc.
Điều khiển vị trí, tốc độ thơng qua số lƣợng, tần số chuỗi xung phát cho
động cơ.
Mô hình tốn học phức tạp.
Có thể điều khiền vịng hở.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 12
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
2.1.2. Cơ chế bộ lái của robot 1 bánh:
Ballbot CMU có lẽ là phƣơng pháp cho cơ chế lái đơn giản nhất . Nó sử dụng
cơ cấu 'lái ổ chuột-bóng "- minh họa trong hình 2.3. Hai con lăn lái vng góc đƣợc
sử dụng, mỗi con lăn đƣợc lái bởi một servomotor DC thông qua một vành đai. Đối
diện mỗi con lăn lái là hai con lăn trƣợt chạy không tải, con lăn đƣợc sử dụng để
xác định vị trí các quả bóng (Lauwers et al, 2006). Lợi thế của việc sử dụng hệ
thống này là, nhƣ hai con lăn lái thì trực giao với nhau, kiểm sốt có thể đƣợc đơn
giản hóa để hai hệ thống con lắc ngƣợc trong hai mặt phẳng độc lập. Tuy nhiên,
mức độ trƣợt phải diễn ra giữa bóng và các con lăn khi đƣợc điều khiển bởi những
con lăn trực giao. Trong khi đó, tại một thời điểm, mức độ ma sát là cần thiết giữa
các con lăn lái và bóng, và quả bóng và mặt đất. Nhƣ vậy, một ma sát cao và ma sát
thấp, quả bóng lăn tƣơng tác là cần thiết cùng một lúc, có thể là vấn đề khó khăn để
hồn thành.
Hình 2.3. Cơ chế bộ lái của CMU ballbot
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 13
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
Cách tiếp cận với cơ chế lái của nhóm ballbot TGU hơi phức tạp hơn, và có
thể đƣợc nhìn thấy trong hình 2.3. Ba động cơ bƣớc, cố định lệch nhau ở góc 120 ◦
đƣợc sử dụng vào việc lái bóng. Omniwheels đƣợc sử dụng để lái quả bóng. Những
bánh xe tùy chỉnh này đƣợc sản xuất để cho phép bóng lăn tự do dọc theo trục của
bánh xe, nhƣng cung cấp lực chấp hành theo hƣớng xoay vòng bánh xe.
Việc sử dụng động cơ bƣớc trong hệ thống TGU cho phép kiểm sốt chính
xác, và loại bỏ sự cần thiết của một bộ encoder, điều đó thì cần thiết cho các
servomotors đƣợc sử dụng trong hệ thống CMU. Hơn nữa, điều này cũng làm giảm
sự phức tạp của mạch lái. Các phản ứng dữ dội gây ra bởi hệ thống truyền động dây
đai trong ballbot CMU nhƣng lại đƣợc xóa bỏ trong cấu hình của ballbot TGU.
Tuy nhiên, đi kèm với chi phí tính toán để điều khiển, mà nhiều hơn, phức tạp hơn
cho hệ lái ba bánh. Nó cũng có điểm quan trọng cần lƣu ý là các ballbot TGU sẽ
không phải chuyển tất cả năng lƣợng từ động cơ của nó tới quả bóng, do bản chất
khơng trực giao của hệ thống.
Hình 2.4. Cơ chế bộ lái sử dụng 3 động cơ bƣớc
Lauwers et al. (2006) lƣu ý rằng "hiệu ứng ma sát thì khơng cân đối" trên
ballbot CMU, nhƣ chỉ có con lăn lái duy nhất trong mỗi bánh lái 'đẩy' hoặc 'kéo'
bóng. Đây khơng phải là một vấn đề với TGU ballbot do bản chất hồn tồn đối
xứng của nó. Hơn nữa, yêu cầu ballbot CMU bóng di chuyển (xem hình 2.3) để hỗ
trợ cho trọng lƣợng của robot một bánh trên đỉnh của quả bóng. Điều này làm tăng
ma sát vào bóng, và có thể gia tăng mài mịn của quả bóng. Điều này, một lần nữa,
khơng phải là một vấn đề với cơ chế lái TGU .
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 14
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
Thêm vào đó, các ballbot TGU có khả năng kiểm sốt góc yaw - mà khơng thể
đạt đƣợc trên CMU ballbot nếu khơng có thêm các thiết bị truyền động. Một motor
mở rộng đã đƣợc dự kiến sẽ đƣợc thêm vào các ballbot CMU để đạt đƣợc điều này
(Lauwers et al, 2006.), nhƣng tình trạng của bản nâng cấp này là khơng rõ.
Ngồi hai ballbots đã đƣợc xây dựng, các nghiên cứu khác đã đƣợc thực hiện
cơ cấu lái trên. Wu và Hwang (2008) đề xuất một ballbot lái của bốn omniwheels
(xem hình 2.4), đƣợc đặt tên „kết hợp của Omniwheel và bánh cầu đơn vị‟
(CWWU). Bốn bánh xe lái giảm các hiệu ứng ma sát không đối xứng theo kinh
nghiệm của các ballbot CMU. Nó cũng nhƣ ballbot của CMU, tuy nhiên có khả
năng kiểm sốt góc yaw mà khơng cần thiết bị truyền động bổ sung. Các CWWU
cũng không yêu cầu di chuyển bóng nhƣ là cơ chế CMU.
Hình 2.5. Cơ chế bộ lái đƣợc đề xuất bởi Wu và Hwang
2.1.3. Bóng:
Các tính chất của quả bóng phụ thuộc vào cơ chế lái. Nhƣ đã đề cập trong
phần 2.1, các CMU ballbot đòi hỏi một lực ma sát cao và bóng ma sát thấp cùng
một lúc. Vấn đề này đã đƣợc giảm với ballbot TGU, nhƣng vẫn đặt ra một vấn đề
nhỏ (nhƣ các điểm liên quan cần thiết để cho quả bóng quay. Do tính chất mới của
dự án, các quả bóng có nói chung đƣợc chế tạo với một thử nghiệm.
Các ballbot CMU ban đầu đƣợc sử dụng một lớp vỏ thép có đƣờng kính 200
mm đƣợc phủ một urethan 3,2 mm bên lớp ngoài (Lauwers et al, 2006.). Một số
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 15
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
cơng thức urethan với durometers khác nhau đã đƣợc xây dựng và thử nghiệm
(Lauwers et al, 2006.). Nó đã đƣợc ghi nhận rằng 'làm việc tốt' (Lauwers et al,
2006.) Nhƣng bóng bị mịn. bóng này sau đó đã đƣợc thay thế bằng nhơm nhẹ hơn
vỏ đƣờng kính 190.5mm và một lớp 12.7mm urethane. Lauwers et al. (2006) chú ý
rằng khơng thể nhìn thấy mài mịn đã xảy ra trên quả bóng này, với lý do cắt giảm
mặt căng trong lớp urethan. Nó có khả năng là điều này sẽ làm tăng tính giảm xóc
trong hệ thống, mặc dù khơng có hiện tƣợng gì ảnh hƣởng đến hiệu suất của robot
Các ballbot TGU sử dụng một quả bóng bowling đƣợc phủ cao su để tăng độ
bám (Kumagai và Ochiai, 2008). Bóng rổ bƣớc đầu đã đƣợc thử nghiệm trong
ballbot TGU, và, mặc dù nó có thể duy trì cân bằng, nhƣng nó khơng ổn định
(Kumagai và Ochiai, 2008). Những quả bóng bowling bọc cao su đã đƣợc sử dụng
nó đã đƣợc cứng hơn và cung cấp hiệu suất tốt hơn.
Các tính chất của bóng sử dụng trong Robot một bánh phụ thuộc rất lớn vào
cơ chế lái, và vì thế hai cấu trúc Robot một bánh khác nhau sẽ có hai quả bóng rất
khác nhau.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 16
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
2.1.4. Cảm biến đo góc:
Để đạt đƣợc sự ổn định về động học, ta cần một cảm biến có thể đo đƣợc
chính xác góc nghiêng của robot trong không gian. Vấn đề này thƣờng đƣợc giải
quyết bằng cách sử dụng các board IMU (Inertial Measurement Unit) tích hợp các
cảm biến gia tốc (accelerometer), con quay hồi chuyển (gyroscope) và cảm biến từ
trƣờng (magnetometer) kết hợp với kỹ thuật lọc tín hiệu bằng bộ lọc Kalman hoặc
ma trận cosin chỉ hƣớng (DCM = Direction Cosine Matrix) để loại bỏ các sai số đo
và sai số cảm biến.
Các loại board cảm biến thông dụng dùng để xác định góc nghiêng của robot:
Cảm biến IMU 5 DoF Sparkfun tích hợp: cảm biến IDG500 và ADXL335
Hình 2.6. Cảm biến IMU 5 DoF
Cảm biến Razor IMU 9 DoF tích hợp: cảm biến ITG-200, ADXL345, HMC
5883 và vi xử lý ATmega328 xử lý tín hiệu và gửi nhận thơng qua giao thức nối
tiếp (SCI, UART).
Hình 2.7. Cảm biến Razor IMU 9 DoF
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 17
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
2.2. Thiết kế phần cứng:
Hệ robot cân bằng trên bóng bao gồm:
Cơ cấu bộ lái gồm: 3 động cơ bƣớc đƣợc bố trí cân bằng, đối xứng 120 trên
tầng đế, dùng để điều khiển thăng bằng và di chuyển cho robot.
Phần thân: bao gồm các tầng bằng vật liệu mica nhằm làm tối thiểu trọng
lƣợng robot, đồng thời dùng để chứa mạch điều khiển, cảm biến và driver cho động
cơ bƣớc.
Hình 2.8. Thiết kế cơ khí của robot nhìn từ các hƣớng khác nhau
Các tham số của robot sau khi đƣợc thiết kế:
Mô tả
Giá trị
Ký hiệu –
Đơn vị
Bán kính quả bóng
0.125
r – [m]
Khoảng cách từ tâm của phần thân đến tâm quả bóng
0.339
h – [m]
Khối lƣợng quả bóng
Moment qn tính quả bóng
Khối lƣợng phần thân
Moment quán tính phần thân
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
0.5
mp – [kg]
0.0052 Ib – [kg.m2]
7.8
mp – [kg]
0.2873 Ip – [kg.m2]
Trang 18
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
Mạch điều khiển của robot:
Cảm biến đo góc Razor IMU 9 DoF.
Board driver động cơ bƣớc 3 trục sử dụng IC driver TB6560.
Board Arduino UNO R3 xuất tín hiệu điều khiển động cơ bƣớc.
Vi điều khiển thời gian thực TMS320F28335 (họ C2000) đƣợc sử dụng để
nhúng các giải thuật điều khiển robot. Vi điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín
hiệu nối tiếp từ cảm biến Razor IMU 9 DoF, xử lý tín hiệu, thực hiện giải thuật của
bộ điều khiển và xuất tín hiệu nối tiếp sang board Arduino tạo tín hiệu điều khiển
driver động cơ bƣớc.
Driver
TB6560 x3
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển robot một bánh.
2.3. Xây dựng mơ hình hóa robot cân bằng trên bóng đơn giản trên
mặt phẳng:
Điều khiển hệ thống robot cân bằng trên bóng gần giống với điều khiển đồng
thời hai con lắc ngƣợc cân bằng trên hai chiều: trƣớc và sau; phải và trái trên hai
mặt phẳng tọa độ xz và yz.
Mơ hình robot đƣợc đơn giản hóa bao gồm hai thành phần: phần thân robot
hình trụ trịn đặt phía trên phần quả bóng hình cầu. Quả bóng đƣợc giả sử nhƣ một
bánh xe ảo dùng để điều khiển robot duy trì góc nghiêng bằng 0, tại vị trí x bất kỳ.
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 19
Chƣơng 2
ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC
Đồng thời ta cũng đặt ra các giả thiết sau: (i) khơng có hiện tƣợng trƣợt giữa
quả bóng và mặt sàn, (ii) chuyển động trên hai mặt phẳng tọa độ xz và yz là độc lập,
tách rời nhau và (iii) các phƣơng trình động học trên hai mặt phẳng này có tính chất
giống nhau. Với những giả thiết nhƣ trên ta có thể thiết kế hai bộ điều khiển tách rời
và độc lập với nhau cho đối tƣợng trên mặt phẳng hình chiếu nhƣng có thể cân bằng
đƣợc đối tƣợng thực trong không gian ba chiều.
Có nhiều cách chọn hệ tọa độ mặt phẳng cho robot ở đây ta chọn sơ đồ sau:
Hình 2.10. Hệ tọa độ của robot
Phƣơng trình phi tuyến của robot có đƣợc bằng cách sử dụng phƣơng trình
Euler – Lagrange nhƣ sau:
C (q, q ) G(q) D(q) F
M ( q) q
(2.1)
• rb - bán kính quả bóng
• l – khoảng cách từ trung tâm của khối lƣợng hình thể đến tâm của quả bóng.
• mp – khối lƣợng hình thể.
• mb – khối lƣợng của quả bóng.
• Ib – moment qn tính của quả bóng.
• Ip – moment qn tính của hình thể.
• μpb - hệ số ma sát giữa thân và bóng
• μpg - hệ số ma sát giữa thân và mặt đất
CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành
HVTH: Trần Nguyên Nghĩa
Trang 20
