Luận án tiến sĩ điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2020 i VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: 1. Phan Xuân Minh 2. Phạm Văn Bạch Ngọc Hà Nội – 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phan Xuân Minh và TS. Phạm văn Bạch Ngọc.

Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Hà nội, tháng 10 năm 2020 Tác giả Hà Thị Kim Duyên iii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành với sự nỗ lực không ngừng của tác giả và sự giúp đỡ hết mình từ các thầy giáo hướng dẫn, bạn bè và người thân. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời tri ân tới GS.TS Phan Xuân Minh và TS.

Phạm Văn Bạch Ngọc, những cô giáo, thầy giáo đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo và cán bộ của Viện Công nghệ thông tin, Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt để tác giả hoàn thành công trình của mình; cảm ơn các thầy, cô và các đồng nghiệp ở các nơi mà tác giả tham gia viết bài đã có những góp ý chính xác để tác giả có được những công bố như ngày hôm nay. Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, các đồng nghiệp khoa Điện tử nơi tác giả công tác đã ủng hộ để luận án được hoàn thành đúng thời hạn. Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn chân thành nhất vì đã đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua.

Hà Nội, tháng 10 năm 2020 Nghiên cứu sinh Hà Thị Kim Duyên iv MỤC LỤC Trang phụ bìa……….i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM ƠN. iii MỤC LỤC. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .vii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ .viii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC HÌNH VẼ.

xi MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH. 6 BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG. Robot tự hành di chuyển bằng bánh đa hướng.

Bài toán điều khiển bám quỹ đạo. Giai đoạn lập phương án chuyển động. Giai đoạn thiết kế quỹ đạo. Điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Kết luận chương 1.

MÔ HÌNH HÓA VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG. Xây dựng mô hình động học, động lực học cho robot tự hành bốn bánh đa hướng. Bánh xe Omni. Mô hình động học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42].

Mô hình động lực học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42]. Mô phỏng kiểm chứng các kết quả mô hình hóa mô hình robot. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng thông dụng. Bộ điều khiển PID cho FWOMR.

Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR. Bộ điều khiển đa mặt trượt cho FWOMR. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán. Kết luận chương 2.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG. Thuật toán điều khiển mặt trượt động. Xây dựng thuật toán điều khiển bám quĩ đạo mặt trượt động cho FWOMR…. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thuật toán.

Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi nơ ron mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR.

Xấp xỉ thành phần bất định mô hình FWOMR sử dụng mạng nơ ron bán kính xuyên tâm. Xây dựng luật mờ cho AFNNDSC. Kết quả mô phỏng. Kết luận chương 3.

CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN. Thiết kế chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng. Thiết kế cơ cấu, cơ khí và xây dựng Omni thực tế. Thiết kế cấu trúc và mạch điều khiển cho robot.

Phần mềm điều khiển cho robot. Cài đặt thuật toán và chạy thử nghiệm. Lập trình phần mềm nhúng vi xử lý thuật toán và điều khiển. Kết quả robot trong môi trường Gazebo và Rviz để mô phỏng kiểm chứng…….

Kết quả chạy thực nghiệm thực tế. Kết luận chương 4. 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 74 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.

76 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 86 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt NCS Nghiên cứu sinh FWOMR Four-wheeled Omnidirectional Robot tự hành bốn bánh đa Mobile Robot hướng OMR Omnidirectional Mobile Robot Robot tự hành đa hướng RBFNN Radial Basis Function Neural Mạng Nơ ron bán kính xuyên Network tâm DSC Dynamic Surface Control Mặt trượt động Adaptive Fuzzy Dynamic Surface Điều khiển mặt trượt động AFDSC Control thích nghi mờ Adaptive Neural Network Điều khiển mặt trượt động ANNDSC Dynamic Surface Control thích nghi nơ ron Adaptive Fuzzy Neural Network Điều khiển mặt trượt động AFNNDSC Dynamic Surface Control. thích nghi mờ, nơ ron MSSC Multi Surface Sliding Control Điều khiển đa mặt trượt Proportional–Integral– Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích PID Derivative phân PC Personal Computer Máy tính cá nhân SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt VSS Variable Structure System Hệ thống có cấu trúc thay đổi MCU Micro Control Unit Vi điều khiển FLS Fuzzy Logic System Hệ logic mờ ROS Robot Operating System Hệ điều hành robot viii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ( x, y ,  ) Hệ tọa độ toàn cục (q)  Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc Rad/s vi Vận tốc mỗi bánh m/sec ωi Vận tốc góc mỗi bánh rad/sec fi Lực kéo mỗi bánh N M Khối lượng của robot kg d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh m H Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ vx Vận tốc dài m/s vy Vận tốc pháp tuyến m/s r Bán kính của bánh xe m M (q) Ma trận khối lượng và momen quán tính G (q) Vector trọng lực, G ( q )  0 d Vector thành phần nhiễu bất định e1 Sai lệch bám quỹ đạo của robot e2 Sai lệch bám của vận tốc robot J Mô men quán tính của xe N.m q Biến khớp F Lực ma sát N C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát culomb  Đầu vào của bộ lọc thông thấp x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu s  Hệ số của mặt trượt  Tín hiệu điều khiển của hệ thống  eq Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ ix thống trên mặt trượt Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về  sw mặt trượt c1 , c2 , c3 Hệ số của bộ điều khiển DSC  Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot  Ma trận trọng số của mạng Nơ ron S Mặt trượt  Sai lệch của mạng nơ ron Chuẩn của ma trận bậc 2 F Chuẩn của ma trận bậc 2 trong không gian F x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Thông số phương trình động học cho FWOMR.

Các tập mờ của biến ngôn ngữ đầu vào. Các giá trị của đầu ra. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra c1. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra c2 ( c3 ).

Các tham số của hệ thống và tham số của bộ điều khiển. Hệ luật suy diễn cơ sở cho c1i (c2i ). Giá trị đầu ra c1i (c2i ) của bộ chỉnh định mờ. Giá trị tối đa của các sai lệch bám sau khi robot tiến về quỹ đạo.

62 xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng. Một số ứng dụng của OMR dạng holonomic. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho OMR.

Mô hình OMR dạng n bánh. Mẫu bánh Omni. Cấu trúc bánh. Các hướng di chuyển của robot.

Hệ trục tọa độ của robot tự hành bốn bánh đa hướng. Quỹ đạo của robot. Quỹ đạo góc của robot. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot.

Quỹ đạo của robot. Quỹ đạo góc của robot. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển PID.

Sai lệch bám các thành phần xe , ye , e với bộ điều khiển PID. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển PID. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e với bộ điều khiển PID. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển SMC.

Sai lệch bám các thành phần xe , ye , e của bộ điều khiển SMC. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển SMC. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e (SMC). Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển MSSC.

Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e (MSSC). Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển MSSC. Sai lệch bám các thành phần đường tròn xe , ye , e (MSSC). Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển DSC.

Cấu trúc mô phỏng bộ điều khiển DSC. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo tròn. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo gấp khúc. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi không có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC.

Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC.