Tiến Sĩ Điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho Robot hai bánh dùng bộ điều khiển trượt

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: Điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho Robot hai bánh dùng bộ điều khiển trượt
Định dạng file word

1.8. Nội dung của luận văn.

Luận văn bao gồm có 6 chương:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.
1.1. Tổng quan

Ngày nay, việc phát triển và tiến tới tự động hóa trong các ngành đang
trở thành vấn đề quan trọng của nhiều quốc gia, viễn cảnh trước mắt là các
thiết bị điện tử tự động hóa được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại
nhiều hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong
đời sống xã hội hằng ngày. Giải pháp cho vấn đề này là xây dựng các mô hình
Robot tự động hóa di chuyển bằng bánh nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế của
các dây chuyền sản xuất là hết sức cần thiết, Robot có thể thay thế cho con
người, làm việc trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt, độc hại ảnh
hưởng đến sức khỏe của con người, giúp tăng năng suất và tiết kiệm sức lao
động của con người.
Hiện nay, các thiết bị điện tử tự động hóa như các xe tự hành
(autonomous guided vehicle – AGV) hay Robot di động bằng bánh (wheeled
mobile Robot – WMR) ngày càng được sự quan tâm lớn của nhiều người
trong những năm gần đây, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
khác nhau như công nghiệp, nông lâm nghiệp, y tế, dịch vụ. Để khắc phục
những tồn tại, đáp ứng những thách thức mới đặt ra trong xu hướng toàn cầu
hóa, thực hiện thắng lợi công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Theo quan điểm của tôi thì cần phải có một tư duy thay đổi quan điểm để mở
rộng ứng dụng chức năng tự động hóa vào trong các ngành công nghiệp và
dịch vụ của nước ta.
1.2. Tóm tắt một số công trình nghiên cứu.
1. “Structural Properties and Classification of Kinematicand Dynamic
Models of Wheeled Mobile Robots”, Guy Campion, Georges Bastin, and

Brigitte
D’
AndrCa-Nove; iEEE
transactions on Robotics and

automation, vol. 12, no. 1, february 1996.[1]

Bài báo này trình bày vấn đề các loại Robot di chuyển bằng bánh (WMRs)
đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dịch vụ khác
nhau như giao thông vận tải, an ninh, kiểm tra và thăm dò các hành tinh, ,
với các cấu hình di động khác nhau về ( số lượng và loại bánh xe, vị trí và bộ
phận điều khiển của chúng, cấu trúc đơn hoặc cấu trúc đôi). Một nghiên cứu
phân tích chi tiết cấu trúc của các mô hình động học và động lực học của các
Robot di chuyển bằng bánh có thể được tìm thấy trong [1],[2], [3].
2. “A Simple Nonlinear Control of a Two-Wheeled Welding Mobile Robot”,
T. H. Bui, T. T. Nguyen, T. L. Chung, and S. B. Kim, International Journal
of Control, Automation, and Systems, Vol. 1, No. 1, pp. 35-42, 2003.[5]

Bài báo này đề cập đến việc sử dụng mô hình động học của WMR bám
quỹ đạo đã được giải quyết trong [5]. Trong [5] đề xuất một bộ điều khiển phi
tuyến đơn giản được thiết kế dựa trên mô hình động học cho Robot di động
hàn hai bánh, tính bền vững dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov để bám
đường hàn với vận tốc không đổi. Hệ thống này (xem hình 1.2) có ba bậc tự
do bao gồm cả hai bánh xe và thanh trượt mỏ hàn.
Luật điều khiển có được từ các hàm năng lượng Lyapunov để đảm bảo
sự ổn định tiệm cận của hệ thống. Bộ điều khiển có ba thông số để điều chỉnh
sự thực hiện của hệ thống điều khiển. Cách đơn giản để đo các sai số là sử
dụng hai cảm biến, một là cảm biến để đo khoảng cách và một cảm biến đo
góc quay. Trường hợp mỏ hàn cố định thì có thể bám đường thẳng và mất
nhiều thời gian để sai lệch tiến về 0, nhưng không bám được đối với đường
cong. Trường hợp mỏ hàn điều khiển được thì bám đường cong trơn nhanh
hơn với sai số chấp nhận được, kết quả mô phỏng trong hình 1.3, 1.4, 1.5
Từ kết quả mô phỏng hình 1.5, tác giả đi đến kết luận như sau:

-

-

-

Mỏ hàn cố định có thể bám theo đường thẳng, nhưng cần nhiều thời
gian để các sai số tiến về không.
Không thể sử dụng WMR có mỏ hàn cố định bám theo theo đường
cong vì có sai số lớn.
Trường hợp mỏ hàn điều khiển được thì bám đường cong trơn nhanh

hơn với sai số chấp nhận được.

Phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản có thể sử dụng cho ROBOT hai
bánh.

3. “WMR control via dynamic feedback linearization: M. Vendittelli, Design,
implementation and experimental validation”; Giuseppe Oriolo, Member,
IEEE, Alessandro De Luca, Member; IEEE, and Marilena Vendittelli,
IEEE Trans. Control. Syst. Technol., Vol. 10, No. 6, pp. 835–852, Nov.
2002.[4]

Bài báo này trình bày phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp được sử dụng
cho việc bám quỹ đạo và ổn định vị trí của Robot di động. Việc thực hiện của
phương pháp này trên Robot SuperMARIO - một Robot di động điều khiển
bằng hai bánh xe khác nhau, được mô tả như hình 1.6. Kết quả mô phỏng các
sai lệch thể hiện ở hình 1.7

Với những lý do trên, trong luận văn này đưa ra một giải thuật điều
khiển mới mà đó là sự kết hợp của bộ điều khiển động học (kinematic
controller - KC) và bộ điều khiển trượt (sliding mode controller - SMC)
cho một Robot di động hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn với một vận
tốc không đổi. Đầu tiên, bộ điều khiển động học được thiết kế để làm cho véc
tơ sai lệch vị trí tiến đến không một cách tiệm cận. Sau đó, chế độ điều khiển
trượt được thiết kế để làm cho véc tơ sai lệch vận tốc tiến đến không một cách
tiệm cận. Sự ổn định của hệ thống được chứng minh dựa trên lý thuyết ổn
định Lyapunov. Trong luận văn có sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng và
kết quả mô phỏng được trình bày để minh họa hiệu quả của giải thuật điều
khiển.
1.4. Mục tiêu của luận văn.

Mục tiêu của đề tài là “Điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho
Robot hai bánh dùng bộ điều khiển trượt ”. Cụ thể, đề tài đưa một giải thuật
điều khiển mới được tích hợp giữa một bộ điều khiển động học và một bộ
điều khiển động lực học kiểu trượt có nhiễu bên ngoài bị chặn để WMR bám
theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi.
1.5. Nhiệm vụ của luận văn.

- Tổng quan các công trình nghiên cứu cho Robot di động hai bánh.

- Xây dựng mô hình động lực học cho Robot di động hai bánh.

- Thiết kế bộ điều khiển trượt (sliding mode control) cho Robot di động
hai bánh bám theo quỹ đạo mong muốn.

- Mô phỏng và đánh giá kết quả.
1.6 Giới hạn của luận văn.

- Chỉ khảo sát dựa vào mô phỏng Robot di động bằng bánh sử dụng giải
thuật điều khiển trượt với quỹ đạo mong muốn cho trước.

1.7. Điểm mới của luận văn.

- Luận văn này đưa ra một giải thuật điều khiển mới mà đó là sự kết hợp
của bộ điều khiển động học (kinematic controller - KC) và bộ điều khiển trượt
(sliding mode controller - SMC) cho một Robot di động hai bánh bám theo
quỹ đạo mong muốn với một vận tốc không đổi.


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

2.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov.

Phương pháp Lyapunov cung cấp điều kiện đủ để đánh giá tính ổn định
của hệ phi tuyến. Có thể áp dụng cho hệ phi tuyến bậc cao bất kỳ. Ngoài ra, có
thể dùng phương pháp Lyapunov để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến. Hiện
nay phương pháp Lyapunov là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để phân
tích và thiết kế hệ phi tuyến.

2.2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov
Tính ổn định của hệ phi tuyến chỉ có nghĩa khi đi cùng với điểm cân bằng.
Có thể hệ ổn định tại điểm cân bằng này nhưng không ổn định tại điểm cân bằng
khác.
Định lý ổn định thứ hai của Lyapunov ngày nay được sử dụng khá rộng
rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động.
Định lý của Lyapunov dựa vào năng lượng, nếu năng lượng hệ thống cứ
tiêu tán mãi thì sau một thời gian hệ thống phải đứng yên ở điểm cân bằng. Như
vậy khi khảo sát sự ổn định của một hệ thống ta đi tìm một hàm vô hướng dương
biểu thị năng lượng và xét xem hàm này tăng hay giảm theo thời gian.

TÀI LIỆU THAM KHẢO.



[1].

G. Campion, G. Bastin, and B. ĐAnreaNovel’, “Structural properties and

classification of kinematic and dynamic models of wheeled mobile robots”,

IEEE Trans. Robot. Autom., Vol. 12, No. 1, pp. 47–62, Feb. 1996.

[2]. Gyula Mester “Motion control of wheeled mobile Robots” Department of

Informatics, Polytechnical Engineering College Marka Oreskovica 16, 24000

Subotica, Serbia gmester@suboticanẹt.

[3].
PGenovạ, M. Mihailova, ROranskỵ, DIgnatovạ, “Kinematics and
Dynamics modelling of two wheeled Robot”, 11thNational Congress on

Theoretical and applied Mechanics, 2-5 Sept. 2009. Borovets,Bulgaria.

[4].
Giuseppe Oriolo, Member, IEEE, Alessandro De Luca, Member; IEEE,

and Marilena Vendittelli, “WMR control via dynamic feedback linearization: M.

Vendittelli, Design, implementation and experimental validation”; IEEE Trans.

Control. Syst. Technol., Vol. 10, No. 6, pp. 835–852, Nov. 2002.

[5].
T. H. Bui, T. T. Nguyen, T. L. Chung, and S. B. Kim “A Simple

Nonlinear Control of a Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, International

Journal of Control, Automation, and Systems, Vol. 1, No. 1, pp. 35-42, 2003.

[6].
Takanori Fukao, Hiroshi Nakagawa, and Norihiko Adachi “Adaptive

Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot”, IEEE transactions on

robotics and automation, vol. 16, no. 5, october 2000.

[7].
Trong Hieu Bui, Tan Lam Chung, Sang Bong Kim, Tan Tien Nguyen,

“Adaptive tracking control of two – wheeled welding mobile Robot with

smooth curved welding path”, KSME Internatinal Journal, Vol17. No11.,

pp1682. -1692,2003.
[8].
Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim “Sliding Mode Control for

Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots”, IEEE

transactions on Robotics and automation, vol. 15, no. 3, june 1999.

[9].
Tan Lam Chung, Trong Hieu Bui, Tan Tien Nguyen, Sang Bong Kim,

“Sliding mode control of two –wheeled welding mobile Robot for tracking

Smooth Curved welding path”, KSME International Journal, Vol18. no7.,

pp1094. – 1106, 2004.

[10]. Dongkyoung Chwa “Sliding-Mode Tracking Control of Nonholonomic

Wheeled Mobile Robots in Polar Coordinates”, IEEE transactions on control

systems technology, vol. 12, no. 4, july 2004.

[11]. R. Fierro and F. L. Lewis, Fellow, IEEE “Control of a Nonholonomic

Mobile Robot Using Neural Networks”, IEEE transactions on neural networks,

vol. 9, no. 4, july 1998.

[12]. N. Hung, Tuan. D. V, Jae. S. I, H. K. Kim and S. B. Kim, “Motion Control

of Omnidirectional Mobile Platform for Trajectory Tracking Using Integral

Sliding Mode Controller”, International Journal of Control, Automation and

Systems (IJCAS), Vol. 8, No. 6, December 2011.

[13]. Jean-Jacques E. Slotine and Weiping Li, Applied Nonlinear Control,

Prentice-Hall International, Inc., 1991.

[14]. C – Eđwars and SV.spurgeọn, Sliding mode control:” Theory and

Application, Prentice – Hall international, Inc, 1991.