MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................................................................................................i
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................................................................................................ii
TÓM TẮT..............................................................................................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................................................................................................3
BẢNG KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ........................................................................................................................................................4
CHỮ VIẾT TẮT....................................................................................................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH............................................................................................................................6
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.................................................................................................................................................................................6
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU............................................................................................................................................................7
1.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.........................................................................................................................................................17
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH OMNI...............................................................................................18
2.1. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT...........................................................................................................18
2.1.1. Cấu trúc của robot.....................................................................................................................................................................18
2.1.2. Bánh xe Omni............................................................................................................................................................................18
2.1.3. Nguyên lý hoạt động..................................................................................................................................................................19
2.2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT OMNI..........................................................................................................................................20
2.3. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT OMNI.................................................................................................................................22
2.4. TÍNH ỔN ĐỊNH LYAPUNOV..........................................................................................................................................................23
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG THÔNG DỤNG....26
3.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID....................................................................................................................................................................27
3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT (SMC)..................................................................................................................................................29
3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA MẶT TRƯỢT (MSSC).................................................................................................................................31
3.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT TRƯỢT ĐỘNG (DSC)..............................................................................................................................32
3.4.1. Sơ đồ hệ thống...........................................................................................................................................................................32
3.4.2. Thuật toán điều khiển mặt trượt động........................................................................................................................................33
3.5. BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ........................................................................................................................................................35
3.6. THIẾT KẾ TRẠNG THÁI TRUYỀN ĐỘNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT TRƯỢT ĐỘNG KẾT HỢP LOGIC MỜ.........................37
3.6.1. Khái quát động cơ điện một chiều..............................................................................................................................................37
3.6.2. Áp dụng vào thực tế...................................................................................................................................................................37
3.7. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH...........................................................................................................................................39
KẾT LUẬN...........................................................................................................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................................................................47
TÓM TẮT
Trong đồ án này đề cập đến việc thiết kế và triển khai bộ điều khiển mặt trượt động kết hợp logic mờ. Thuật toán điều khiển được tính toán tính ổn định của hệ thống được chứng minh dựa trên các tiêu chuẩn Lyapunov. Bộ điều khiển trượt động thích nghi cũng như đảm bảo chất lượng bám quỹ đạo của robot khi robot có các tham số thay đổi. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm matlab cũng như kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình có hiệu quả cao khi robot đạt tới quỹ đạo mong muốn trong thời gian ngắn.
Mô hình hóa hệ thống toàn diện bao gồm mô hình động học, động lực học và cơ cấu chấp hành của robot đã được thực hiện. Mô hình động được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp Lyapunov cho các hệ thống phi tuyến. Mô phỏng mô hình robot và các bộ điều khiển khác nhau đã được thực hiện bằng Matlab và Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển được so sánh với nhau.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của tự động hóa robot đang được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng và luôn là tâm điểm được bàn luận, nghiên cứu. Với thị trường phong phú và đa dạng như hiện nay thì xuất hiện rất nhiều loại robot được hiện hành và ưa chuộng nhưng robot tự hành chiếm một vị trí rất quan trọng. Robot tự hành được ứng dụng trong đời sống ngày càng nhiều như robot vận chuyển hàng hóa, robot phục vụ y tế, xe lăn cho những người bị khuyết tật, đặc biệt các robot phục vụ thám hiểm hoạt động trong các môi trường độc hại, robot tự hành còn được phục vụ trong an ninh quốc phòng...Với độ chính xác cao, vận hành hiệu quả trong các môi trường độc hại và khắc nghiệt mà con người không trực tiếp làm việc. Robot tự hành làm việc hiệu quả và là sản phẩm mà con người ưu tiên và được ưa chuộng trên mọi mặt của thị trường trong nước và cả trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, robot di động với bánh xe thông thường không thể ngay lập tức tiếp cận bất kỳ hướng nào với yêu cầu khắt khe. Để khắc phục hạn chế này, việc phát minh ra bánh xe Omni với sự cải tiến trong cấu trúc bánh xe với các con lăn được bố trí xung quanh bề mặt theo trình tự thích hợp. Điều nổi bật này đặc tính giúp robot có khả năng cơ động cao hơn và định vị linh hoạt với độ chính xác cao do đến khả năng di chuyển theo nhiều hướng và xoay độc lập..Trong đồ án này, robot bốn bánh omni sẽ được xem xét vì chuyển động dễ điều khiển hơn của nó. Hướng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại chính là các nghiên cứu về thuật toán pid, bộ điều khiển trượt, bộ điều khiển trượt thích nghi, bộ điều khiển trượt động,... lựa chọn các vi điều khiển có tốc độ tính toán cao. Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các nghành khoa học kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới, đặc biệt là về phần cúng ở đó có bộ não của thiết bị chính là các bộ điều khiển.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.
Với sự tiến bộ của công nghệ trong những năm gần đây, robot tự hành đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và robot, đặc biệt là các ứng dụng công nghiệp, thám hiểm , lĩnh vực y tế, v.v. [1,2,3]. Hơn nữa, công nghệ tiên tiến đang phát triển mạnh mẽ ngày qua ngày, dẫn đến yêu cầu các robot di động phải di chuyển linh hoạt và chính xác hơn để thích ứng với các nhiệm vụ cụ thể. Mặc dù các robot di động thông thường sử dụng hai bánh xe điều khiển để điều khiển động của robot theo các hướng bị hạn chế, robot tự hành bốn bánh omni không bị hạn chế và có thể di chuyển theo hướng bất kỳ hướng này từ mọi cấu hình. Đặc tính này làm tăng khả năng cơ động, nhanh nhẹn và chính xác của robot di động, giúp robot có khả năng làm việc năng động với tính chính xác cao. .
- Giảm lỗi theo dõi với phương pháp hiện có,.
- Hiệu quả trong việc giảm thiểu nhiễu loạn tàn số thấp khi so sánh với phương pháp hiện có.
- Thiết kế yêu cầu thông tin tối thiểu về hệ thống, khiến nó trở thành phương pháp điều khiển không cần mô hình.
Bộ điều khiển trượt đã được áp dụng rộng rãi cho các robot tự hành khác nhau để hực hiện nhiệm vụ theo dõi quỹ đạo. Trong [20], bộ điều khiển trượt được áp dụng cho robot không đa dạng. Tuy nhiên, hiệu suất đièu khiển tổng thể lại gặp phải hiện tượng rung lắc, hiện tượng này có hại cho robot và độ chính xác của điều khiển cũng thấp. Trong [21], bộ điều khiển trượt được áp dụng cho robot tự hành một bánh và trong [22] các tác giả đã áp dụng bộ điều khiển trượt cho robot tự hành đa hướng. Trong cả hai trường hợp hiện tượng nhấp nhấy nháy đều được giảm bớt bằng cách sử dụng chức năng bão hòa và phản hồi đều chính xác và có độ chính xác cao. Ngoài ra, các loại bộ điều khiển đã được áp dụng cho robot tự hành, trong mô hình [23] các tác giả cũng đã sử dụng bộ điều khiển dự đoán (MPC) thành công thực hiện nhiệm vụ theo dõi quỹ đạo.
Đối với robot tự hành, mô hình động học là sự biểu diễn vận tốc của robot là một hàm của vận tốc của từng bánh xe [48]. Bộ điều khiển trượt là bộ điều khiển bền vững phi tuyến đơn giản hóa hệ thống bậc thứ n thành hệ thống bậc 1 tương đương.
Bộ điều khiển trượt (SMC) có thể xử lý tham số sự không chắc chắn và động lực học không được mô hình hóa [49] bộ điều khiển có các tính năng sau:
- Bộ điều khiển phi tuyến: Nó có khả năng điều khiển mô hình động học phi tuyến của robot di động không có nhu cầu tuyến tính hóa. Mô hình phi tuyến có lợi thế của việc mô tả hệ thống chính xác hơn, do đó một hiệu suất kiểm soát chính xác được mong đợi.
- Bộ điều khiển mạnh mẽ: Nó có thể xử lý sự không chắc chắn của mô hình. Các nguồn gốc của sự không chắc chắn đến từ động lực không được mô hình hóa.
Đối với các phương pháp điều khiển theo dõi quỹ đạo truyền thống, sai số của tín hiệu phản hồi và quỹ đạo quy định là được sử dụng trực tiếp. Từ một góc nhìn hoàn toàn khác, quy định quỹ đạo đầu tiên được coi là một ràng buộc servo ảo và sau đó được áp dụng vào hệ thống robot di động trong công việc này. Các bộ điều khiển được thiết kế để cung cấp lực ràng buộc lý tưởng làm cho hệ thống tuân theo các ràng buộc của hệ thống (tức là, quỹ đạo mong muốn). Cách tiếp cận gián tiếp như vậy là sử dụng quỹ đạo nhất định được gọi là điều khiển tuân theo ràng buộc. Công việc thiết kế được xây dựng để xác định lực ràng buộc dưới những ràng buộc lý tưởng hoặc không lý tưởng. Udwadia-Kalaba Phương trình cơ bản (UKFE) là một công cụ mạnh mẽ để đạt được mục đích như vậy.
1.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT.
Robot tự hành là một mảng quan trọng trong lĩnh vực robotic với nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới. Bài toán đặt ra cho một robot tự hành rất đa dạng, trong đó phải kể đến bài toàn điều khiển robot bám quỹ đạo và tránh vật cản. Với bài toán này các yêu cầu đặt ra là thời gian đáp ứng của robot, tối ưu thuật toán và độ phức tạp của môi trường. Nhiệm vụ là giải quyết các vấn đề như mô hình hóa phương trình động học, động lực học, ngoài ra còn thiết kế các bộ điều khiển cho robot. Robot tự hành đa hướng là dạng robot holonomic, sử dụng bánh xe Omni hoặc Mecanum, có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và góc quay. Với cấu trúc bánh xe, cách bố trí bánh xe khác biệt tạo ra ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong các điều kiện môi trường hẹp, khó thay đổi nên robot tự hành đa hướng đang được ứng dụng, phát triển một cách rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà đã nhanh chóng được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất đời sống.
Vì vậy chúng em chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài” Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho robot 4 bánh omni trên cơ sở kết hợp logic mờ và mặt trượt động” đề xuất bộ điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng robot Omni. Tính ổn định hệ thống được chứng minh dựa trên các tiêu chuẩn Lyapunov để đảm bảo chất lượng của robot có các tham số thay đổi. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu chúng em về mô hình hóa, mô phỏng cho robot tự hành bốn bánh đa hướng Omni, Nghiên cứu thêm về các bộ điều khiển và đề xuất bộ điều khiển mặt trượt động kết hợp bộ chỉnh định mờ (AFDSC).
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH OMNI
2.1. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT.
2.1.1. Cấu trúc của robot.
Việc xây dựng mô hình đối tượng bao gồm mô hình động học và mô hình động lực học nhằm xác định được xác định được vị trí robot và momen lực đặt vào các bánh xe để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho robot di chuyển đúng theo quỹ đạo mong muốn đặt trước.
2.1.2. Bánh xe Omni.
Bánh xe omni được thiết kế để có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau mà không cần phải thay đổi hướng của xe. Cấu tạo của bánh xe omni bao gồm:
- Vòng bi: Bánh xe omni có thể quay 360 độ bằng cách sử dụng một số vòng bi. Vòng bi giúp bánh xe di chuyển mượt mà và đảm bảo sự ổn định trong quá trình di chuyển.
- Bánh xe: Bánh xe omni thường có ba hoặc bốn bánh xe. Mỗi bánh xe được gắn vào một trục và được thiết kế để di chuyển theo hướng khác nhau.
- Khung: Khung được sử dụng để giữ các bánh xe và vòng bi cùng với các bộ phận khác của bánh xe omni.
- Động cơ: Một động cơ được sử dụng để cung cấp sức mạnh cho bánh xe omni.
Thông số kỹ thuật theo nhà sản xuất:
- Đường kính: 136mm.
- Độ rộng: 19mm.
- Vật liệu sườn bánh: Cao su mềm.
- Vật liệu bánh vệ tinh: nhựa cứng trong lõi nhựa dẽo ở phía ngoài lớp vỏ tăng độ ma sát và bền hơn.
- Bánh vệ tinh: sử dụng 2 bạc đạn 3x9x5mm cho mỗi bánh.
- Khối lượng: 250g.
- Tải trọng: 15kg
2.1.3. Nguyên lý hoạt động.
Robot tự hành bốn bánh đa hướng omni là loại robot được thiết kế để di chuyển linh hoạt trong môi trường không gian hẹp và khó khăn. Nguyên lý hoạt động của robot này là sử dụng bộ cảm biến để xác định vị trí và hướng di chuyển, sau đó sử dụng các bánh xe omni để thực hiện chuyển động.
- Đi tiến (bánh 1,3 thuận còn bánh 2,4 nghịch).
- Đi lùi (bánh 2,4 thuận còn bánh 1,3 nghịch).
- Sang trái (bánh 1,3 nghịch còn bánh 2,4 thuận).
- Sang phải (bánh 1,3 nghịch còn bánh 2,4 thuận).
- Đi chéo tiến về phía bên trái (bánh 1,3 chạy thuận còn bánh 2,4 không chạy).
- Đi chéo tiến về phía bên phải (bánh 2,4 chạy thuận còn bánh 1,3 không chạy).
- Đi chéo lùi về phía bên trái (bánh 2,4 chạy nghịch còn bánh 1,3 không chạy).
2.2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT OMNI.
Mô hình động học là nghiên cứu chuyển động của robot dựa trên phân tích cấu trúc hình học của hệ tọa độ toàn cục Oxy và hệ tọa độ động mà không xét đến lực, mô men xoắn hoặc các mô men nhất định gây ra chuyển động.Vị trí của bánh xe đa hướng ảnh hưởng rất lớn đến mô hình động học của robot đa hướng. Nghiên cứu này sử dụng 4 bánh xe omni, trong đó trục của bốn bánh xe được nối với nhau tại điểm trung tâm của robot và góc giữa các bánh xe tạo thành một góc 90°.
Ma trận R là ma trận ma trận chuyển hệ trục được sử dụng để biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc trong 2 hệ tọa độ:
q' = R*v (1)
2.3. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT OMNI.
Động học của robot là tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Mà việc cần giải quyết đó là xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động.
Theo phương pháp Newton, các phương trình động lực học được xét đến tác dụng lên của lực ma sát nhớt và ma sát coulomb.
Lực ma sát nhớt và ma sát Coulomb ảnh hưởng theo phương di chuyển và phương quay của robot.
2.4. TÍNH ỔN ĐỊNH LYAPUNOV.
Hàm Lyapunov là một công cụ toàn năng trong việc xét đến tính ổn định của phi tuyến.
Đây là một hàm liên tục xác định dương hợp thức, kí hiệu là , mà đạo hàm dọc theo quỹ đạo trạng thái tự do của hệ tức là hệ có u=0
Từ đó ta thấy hàm Lyapunov nói riêng và lý thuyết Lyapunov nói chung không chỉ có ý nghĩa trong ứng dụng phân tích mà còn cả trong thiết kế bộ điều khiển ổn định hệ thống.
Một hàm như vậy gọi là hàm điều khiển Lyapunov
Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov
Phương pháp thiết kế bộ điều khiển ổn định nhờ hàm điều khiển Lyapunov
Trong khi hàm Lyapunov có vai trò kiểm tra tính ổn định của hệ thống thì hàm điều khiển Lyapunov lại có ý nghĩa trong việc thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái làm ổn định hệ thống.
Trở thành xác định âm. Khi đó chính là bộ điều khiển phản hồi trạng thái làm cho hệ hàm điều khiển Lyapunnov ổn định tiệm cận. Hay sự tồn tại hàm điều khiển Lyapunov là điều kiện cần và đủ để hệ ổn định được bằng bộ điều khiển phản hồi trạng thái.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH
BỐN BÁNH ĐA HƯỚNGTHÔNG DỤNG
Điều khiển bám quỹ đạo cho mobile robot là quá trình điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo đặc biệt đã được xác định trước đó. Quá trình điều khiển bám quỹ đaọ bao gồm phân tích đặc điểm của quỹ đạo, lập trình triển khai giải thuật điều khiển để đưa robot di chuyển theo quỹ đạo một cách chính xác và ổn định[14].
Cấu trúc của điều khiển chuyển động cho robot có thể chia ra 3 giai đoạn:
- Lập phương án chuyển động
- Thiết kế quỹ đạo chuyển động mong muốn
- Điều khiển bám quỹ đạo chuyển động mong muốn
3.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.
Hơn 15 năm trở lại đây robot tự hành được ứng dụng nhiều trong các hệ thống kho bãi, nhà xưởng, an ninh quốc phòng. Thuật toán PID cũng được ứng dụng để giải quyết bài toán điều khiển cho robot tự hành bốn bánh đa hướng.
Các nghiên cứu đã thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình động học của robot tự hành bốn bánh đa hướng. Do đó các tác động ngoại lực tác động lên hệ phương trình động lực học của robot đã không được xét đến.
P: là phương pháp điều chỉnh tỷ lệ, tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu
I: là tích phân của sai lệch theo thời gian mẫu. Điều khiển tích phân điều khiển sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó biết được tổng sai số tức thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Thời gian càng nhỏ tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, độ lệch càng nhỏ.
D: là vi phân của sai lệch. Tốc độ tỷ lệ với sai lệch, thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng và thay đổi đầu vào càng nhanh.
Thuật toán PID cũng được ứng dụng để giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng. Các nghiên cứu này đã thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình động học của OMR. Do đó các tác động của các ngoại lực tác động lên hệ trong phương trình động lực học của robot đã không được xét đến.
3.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT (SMC).
Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản dựa vào hồi tiếp các biến trạng thái của hệ thống. Luật điều khiển sẽ khiến các trạng thái của hệ thống luôn luôn hướng về một mặt phẳng của các trạng thái, và một khi các trạng thái đã nằm trên mặt trượt thì chúng sẽ tiến về gốc tọa độ.
Điều khiển trượt gồm có hai thành phần là thành phần điều khiển tương đương và thành phần điều khiển bền vững. Thành phần điều khiển bền vững có nhiệm vụ điều khiển quỹ đạo các trạng thái hướng về mặt trượt. Một khi các trạng thái đã nằm lân cận mặt trượt thì thành phần điều khiển tương đương sẽ khiến các trạng thái bám trên mặt trượt [6].
Bộ điều khiển trượt (3.9) được thiết kế tính ổn định bền vững khi hệ thống tồn tại sai lệch mô hình và có nhiễu tác động. Hàm V trong công thức (3.7) với luật điều khiển (3.9) cho hệ FWOMR là hàm Lyapunov của hệ kín.
3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA MẶT TRƯỢT (MSSC).
Bộ điều khiển đa mặt trượt được thiết kế ưu tiên tách riêng từng mặt trượt cho từng trạng thái của hệ thống với khả năng xử lý được thành phần nhiễu loại “mismatched”. Điều này khắc phục được nhược điểm của bộ điều khiển trượt và giảm bớt được hiện tượng chattering do đặc tính của bộ điều khiển trượt.
Một nhược điểm của phương pháp này là chính ở chỗ phải tính đạo hàm của đầu vào ảo vì đầu vào này phụ thuộc vào mặt trượt và các biến trạng thái của hệ (3.16). Đó cũng chính là khó khăn khi sử dụng phương pháp MSSC.
3.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT TRƯỢT ĐỘNG (DSC).
3.4.1. Sơ đồ hệ thống.
Bộ điều khiển DSC là một kỹ thuật điều khiển mới dựa trên lý thuyết điều khiển mặt trượt để ứng phó với các nhiễu loạn bên ngoài hệ thống.Bộ điều khiển DSC gồm 2 khối: khối đa mặt trượt(MSS) và khối lọc thông thấp(LPF). Khối đa mặt trượt(MSS) được thiết kế ưu tiên tách riêng từng mặt trượt cho từng trạng thái của hệ thống với khả năng xử lý được thành phần nhiễu loại“mismatched” (xảy ra khi mặt trượt thiết kế trong bộ điều khiển trượt (sliding mode control) không phù hợp với cấu trúc hệ thống.).
3.4.2. Thuật toán điều khiển mặt trượt động.
Do V2 < 0 nên thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định Lyapunov.
3.5. BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ.
Trong bộ điều khiển DSC sẽ tồn tại 2 thông số ảnh hưởng trực tiếp đến quỹ đạo bám, đó là giá trị ma trận của bộ điều khiển ảo là tham số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bám quỹ đạo của robot, giá trị ma trận của bộ điều khiển lái trạng thái của hệ thống tiến về mặt trượt ảnh hưởng đến tốc độ tiến đến mặt trượt của trạng thái hệ thống cũng như khả năng giữ trạng thái hệ thống nằm trên mặt trượt. Trong trường hợp không có nhiễu tác động thì các tham số trên được lựa chọn sao cho khả năng bám quỹ đạo là tốt nhất. Tuy nhiên, trong trường hợp có sự ảnh hưởng của nhiễu, việc giữ nguyên các tham số trên không còn phù hợp. giải pháp cho diều này là khi nhiễu tác động thì các tham số trên cũng sẽ thay đổi phù hợp để bộ điều khiển đạt kết quả tốt nhất. Từ đó chúng tôi để xuất bộ điều khiển AFDSC để thực hiện điều nói trên.
Đầu ra của bộ chỉnh định mờ được lựa chọn thông qua thực nghiệm. Biến đầu ra được xây dựng dựa theo mô hình mờ Sugeno c1 gồm 5 biến VS, S, M, B, VB nằm trong đoạn [1;10]. c2, c3 gồm 5 biến VS, S, M, B, VB nằm trong đoạn [0.2;0.6].
3.6. THIẾT KẾ TRẠNG THÁI TRUYỀN ĐỘNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT TRƯỢT ĐỘNG KẾT HỢP LOGIC MỜ.
3.6.1. Khái quát động cơ điện một chiều.
+ Trong phân tích các hệ truyền động, thường biết trước đặc tính cơ M c(ω) của máy sản xuất.
+ Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mômen, dòng điện động cơ ... cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng. + Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước.
+ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).
3.6.2. Áp dụng vào thực tế.
Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab Simulink như hình dưới.
3.7. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH.
Sử dụng phần mềm Matlab simulink để mô phỏng kiểm chứng, ta xét đến 2 trường hợp để kiểm chứng khả năng bám quỹ đạo của bộ điều khiển DSC.Trường hợp thứ nhất kiểm chứng khi không có nhiễu tác động, các tham số của mô hình sẽ không đổi trong quá trình mô phỏng.Trường hợp thứ hai là khi có nhiễu khối lượng tác động, khối lượng sẽ được thay đổi liên tục trong thời gian mô phỏng.
* Trường hợp 1: Khi không có nhiễu tác động:
Các bộ điều khiển PID, SMC, MSSC được sử dụng để so sánh khả năng bám quỹ đạo với DSC.
Nhận xét: Quỹ đạo bám của 3 bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC đều tốt tuy nhiên thời gian bám của DSC tốt hơn so với SMC và MSSC. Sai lệch bám của bộ điều khiển DSC là nhỏ và ổn định hơn so với PID, SMC và MSSC.
Từ các kết quả trên ta thấy được ưu điểm của dsc so với các bộ điều khiển được so sánh. Từ đó DSC sẽ được ưu tiên sử dụng xây dựng các luật điều khiển thích nghi.
* Trường hợp 2: Khi có nhiễu tác động
Nhiễu mô hình được thêm vào có dạng 5sin(5t):
Nhận xét: khi có nhiễu tác động thì sai lệch của bộ điều khiển AFDSC là nhỏ hơn so với DSC
Nhận xét: khi có nhiễu tác động thì vận tốc và vận tốc góc của AFDSC sẽ ít chịu tác động của nhiễu nên ổn định còn đối với DSC thì nhiễu vận tốc và vận tốc góc tương đối lớn.
KẾT LUẬN
Robot tự hành bốn bánh đa hướng Omni có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và tư thế. Với cấu trúc bánh khác biệt với ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong các điều kiện môi trường di chuyển hẹp, khó thay đổi vị trí mẫu. Ngoài ra robot tự hành bốn bánh đa hướng Omni này đang được áp dụng rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực sản xuất đời sống. Các vấn đề về kiếm soát quỹ đạo, xử lý tác động nhiễu ngoại sinh, thay đổi của thành phần bất định như khối lượng, momen, ma sát đang là các nội dung được quan tâm trong lĩnh vực robot tự hành. Đồ án này đã đạt được mục tiêu nghiên cứu bộ điều khiển PID, trượt, đa mặt trượt và tiến hành đề xuất bộ điều khiển mặt trượt động kết hợp logic mờ cho robot tự hành bốn bánh đa hướng bám quỹ đạo và sự thay đổi của các tham số robot, chịu tác động nhiễu khi hoạt động trên các địa hình khác nhau.
Do kiến thức và thời gian có hạn nên quá trình nghiên cứu và phát triển robot tự hành của nhóm đề tài mới chỉ dừng lại ở bước xây dựng ban đầu. Vậy nên nhóm đề tài xin đưa ra một số đề xuất nghiên cứu và phát triển thêm: Với hướng nghiên cứu ứng dụng cho xe ô tô tự hành có thể di chuyển trên đường phố cần được thử nghiệm trên xe thật và phát triển thêm bài toán nhận dạng đối tượng như biển báo, tín hiệu giao thông và một số vật cản. Sử dụng thêm nhiều loại cảm biến khác với độ chính xác cao hơn như LIDAR, laser, có thể kết hợp thêm GPS dẫn đường cho xe tự hành. Đối với ứng dụng nhỏ hơn có thể là robot vận chuyển hàng tự động trong công nghiệp, thuật toán hiện tại có thể đáp ứng khá tốt. Chúng ta cần phát triển thêm về cơ khí, tính toán với tải trọng lớn, và xây dựng một hệ thống điện cho robot hoạt động ổn định lâu dài.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
1) ……………………
2) ……………………
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Doãn Phước, “Lý Thuyết điều khiển nâng cao”, NXB Khoa Học và Kỹ thuật, 2002.
[2]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2003.
[3]. Phan Xuân Minh và cộng sự “Điều Khiển Thích Nghi Theo Mô Hình Mẫu”. Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 2. 2008.
[4]. Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm, “Nhập môn Robot công nghiệp”, NXB Khoa Học và Kỹ thuật, 2002
[5]. Nguyễn Văn Tính, Phạm Thượng Cát, Phạm Minh Tuấn, Bùi Thị Thanh Quyên, “Thiết Kế Quỹ Đạo và Điều Khiển Xe Tự Hành Vận Chuyển Trong Kho”, VCCA 2011
[6]. Normey-Rico, J.E.; Alcalá, I.; Gómez-Ortega, J.; Camacho, E.F. Mobile robot path tracking using a robust PID controller. ControlEng. Pract. 2001,9, 1209–1214
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"