Thạc Sĩ điều khiển bám quỹ đạo mong muốn của robot di động đa hướng sử dụng bộ điều khiển trượt

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO MONG MUỐN CỦA ROBOT DI ĐỘNG
ĐA HƯỚNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
Định dạng file word




MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. vi

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1

1.1 Tổng quan về robot 1

1.2 Sơ lược quá trình phát triển 1

1.3 Động cơ nghiên cứu . 6

1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu liên quan 7

1.5 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 32

1.6 Mục tiêu của luận văn. 33

1.7 Nhiệm vụ của luận văn. 33

1.8 Giới hạn của luận văn 33

1.9 Điểm mới của luận văn . 34

1.10 Nội dung tổng quát của luận văn. 34
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 36

2.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov 36

2.2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov . 36

2.3 Lý thuyết điều khiển trượt . 38

2.3.1 Giới thiệu chung 38

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt . 40

Chương 3


MÔ HÌNH TOÁN 44

3.1 Cấu trúc hình học của Robot di động đa hướng (OMR) . 44

3.2 Mô hình toán Robot di động đa hướng (OMR) 45

3.2.1 Mô hình động học . 45

3.2.2 Mô hình động lực học 406

Chương 4

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VI PHÂN 49

4.1 Dẫn nhập 49

4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt vi phân (DSMC) cho OMR . 49

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG . 54

5.1 Kết quả mô phỏng 54

5.2 Kết luận 62

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
. 63
6.1 Những kết quả đạt được . 63

6.2 Hạn chế của đề tài 64

6.3 Hướng phát triển của đề tài 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 65

PHỤ LỤC 65

PHỤ LỤC A . 69

PHỤ LỤC B . 72

PHỤ LỤC C . 75


TÓM TẮT LUẬN VĂN




Trong luận văn, tác giả trình bày bộ điều khiển trượt bám theo quỹ đạo mong
muốn cho robot ba bánh di động đa hướng bám theo đường cong dựa trên mô hình
động lực học (Omnidirectional Mobile Robot OMR). Để thiết kế bộ điều khiển, cần
xác định véc tơ sai số và sau đó chọn véc tơ mặt trượt. Bộ Điều khiển Kiểu Trượt Vi
phân (Differential Sliding Mode tracking Controller - DSMC) dựa trên kỹ thuật back-
stepping, sự ổn định của hệ thống được đảm bảo bởi lý thuyết ổn định Lyapunov.
Luật điều khiển sẽ ổn định hóa véc tơ mặt trượt và làm véc tơ sai số tiến về không

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và các kết quả mô phỏng đã
chứng minh khả năng hội tụ và tính ổn định của bộ điều khiển.

Luận văn giúp làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế để chế tạo các robot di động
đa hướng điều khiển bám theo quỹ đạo tham chiếu với độ chính xác cao về vị trí và
tốc độ như mong muốn, tạo nền tảng cơ bản với mô hình toán học rõ ràng cho việc
ứng dụng vào thực tế cuộc sống như: Robot hàn, vận chuyển vật tư, thiết bị trong nhà
máy, xí nghiệp, bệnh viện, các dây chuyền tự động hóa
ABSTRACT




In this paper, an expected tracking slide controller is proposed for the omni-

directional mobile three-wheel Robot following a curve based on the kinetic model

(Omni-directional Mobile Robot OMR). To design such an expected tracking slide

controller, it is necessary to define the numerical vector and then choose the sliding

surface vector. The style of Differential Sliding Mode tracking Controller – (DSMC)

is based on the back-stepping technique, and the stability of the system is ensured by

Lyapunov theory of stability. The control rule will stabilize the sliding surface vector

and make the error vector get toward zero.

The paper also uses Matlab software to establish simulations and their results

prove both convergence and stability of the expected tracking slide controller.

The study contributes to the scientific foundation for designing and building

the Omni-directional Mobile Robot (OMR) to be controlled for moving along the

reference trajectory with high accuracy in terms of position and velocity as expected,

and creates basical basis with definitely mathematical model for further application

to real life, such as special robots for welding, transporting materials and equipment

in workshops, factories, hospitals, and the automation lines


MỞ ĐẦU

Khoa học và công nghệ có vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp
hóa và hiện đại hó a đất nước, là thước đo và động lực phát triển của mỗi quốc gia.
Ngày nay khoa ọhc kỹ thuật và công nghệ đang phát triển với tốc độ khá nhanh
chóng, mang lại những lợi ích to lớn cho con ngư ời về tất cả mọi phương diện, tinh
thần vật chất, đồng thời đưa máy móc vào thay thế cho lao động tay chân.

Để hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới đòi hỏi chúng ta phải tiếp cận
và học hỏi những công nghệ mới trong đó tiến trình phát triển tự động hóa trong công
nghiệp là một ưu tiên và cũng là một trong những yêu cầu bắt buộc cho sự đi lên của
đất nước chúng ta.

Các hệ thống máy móc được lập trình tự động và ROBOT (đặc biệt là các tay
máy) được đưa vào nhà máy, sản xuất ra các sản phẩm mang tính chất hàng loạt,
nhằm tăng năng suất lao động, tăng tính cạnh tranh làm cho việc nghiên cứu các
công nghệ chế tạo máy móc, dây chuyền tự động, robot trở nên quan trọng và cấp
thiết

Để thiết kế chế tạo ra robot đang là một đề tài mang tính ứng dụng thực tế cao
và căn bản trong hàng loạt các ứng dụng quan trọng và đầy t hú vị của MOBILE
ROBOT. Nó thay thế cho con người làm những công việc nặng nhọc và có phần
quan trọng hơn trong những môi trường nhiễm xạ, độc hại hay nhiệt độ cao

So với robot di động truyền thống có 2 bánh xe hay 4 bánh xe, robot di động đa
hướng (OMR) có khả năng di chuyển nhanh theo bất kỳ hướng nào và xoay hướng
tức thời theo ý muốn cách tự do. Robot di động đa hướng có bộ chuyển động có công
suất cao h ơn bộ chuyển động có bánh xe đều, đặc biệt chúng được ứng dụng trong
đời sống hàng ngày như robot chăm sóc tại nhà, robot văn phòng, robot điều dưỡng,
y tế v.v

Để thực hiện mục tiêu điều khiển trên. Trong luận văn, tác giả trình bày phương
pháp và chức năng bộ điều khiển của robot di động đa hướng bám theo quỹ đạo
chúng tôi thực hiện kế hoạch điều khiển theo kiểu trượt trong điều kiện có nhiễu và
ma sát, kết hợp với bộ điều khiển trượt vi phân (DSMC). Các kết quả mô phỏng thu
được để chứng minh hiệu quả bộ điều khiển đã đề xuất

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

Theo qua trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong
đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn, trong trang
bị của các lực lượng vũ trang . ngày một nâng cao. Xu hướng tạo ra những dây
truyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành và không
ngừng phát triển . và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ
các lĩnh vực trên ngày càng phổ biến

Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình dùng để quan sát, do thám,
thu thập thông tin hay để di chuyển ng uyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ, các vật
phẩm . thông qua các truyền động được lập trình hoặc được điều khiển từ xa. Robot
có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh.
Robot thường được sử dụng các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm
chán, sẽ cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, kinh tế hơn nếu được thực hiện bởi
con người

Các robot đã được sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay từ
khi kỹ thuật này ra đời. Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những
thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa dạng của nó được gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng.

1.2 SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN.

Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng
sản xuất. Những Robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày
09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp
Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ Robota - theo tiếng
Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để
đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm
1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa
đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng
cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các hành trình. Đến năm 1954,
Goertz tiếp tục chế tạo mộ t dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận
biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng
General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Năm
1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn
chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất
gắn 100 mã lực (hình 1.1)


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Design and Control of an Omnidirectional Mobile Robot with Steerable

Omnidirectional Wheels Jae-Bok Song*, Kyung-Seok Byun** *Korea

University, ** Mokpo National University Republic of Korea

Source: Mobile Robots, Moving Intelligence, ISBN: 3-86611-284-X, Edited

by Jonas Buchli, pp. 576, ARS/plV, Germany, December 2006

ENERGY EFFICIENT DRIVE OF AN OMNIDIRECTIONAL MOBILE

ROBOT WITH STEERABLE OMNIDIRECTIONAL WHEELS

Jae-Bok Song, Jeong-Keun Kim

Department of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul, Korea pp.

06 (Tel : +82-2-3290-3363 ; E-mail: [email protected])

Automatic Running Planning for Omni-Directional Mobile Robot By Genetic

Programming Peng

CHEN*, Shinji KOYAMA**, Shinichiro MITSUTAKE** and Takashi

ISODA**

* Department of Environmental Science and Engineering, Faculty of

Bioresources, Mie University 1515 Kamihama-cho, Tsu, Mie, 514-8507

Japan.

**Kyusyu Institute of Technology, 680-4 Kawazu, Iizuka, Fukuoka, 820-8502

Japan

“Omni-directional robot and adaptive control method for off-road running”

IEEE Robotics and Automation Society SICE Annual Conference 2011

September 13-18, 2011, Waseda University, Tokyo, Japan

A Motion Planning Method for Omnidirectional Mobile Robot Based on the

Anisotropic Characteristics
Chuntao Leng1, Qixin Cao2 and Yanwen Huang1

(1)Research Institute of Robotics, Shanghai Jiaotong University, 800

Dongchuan Road, Shanghai, P. R. China, 200240