Đồ án Nghiên cứu điều khiển robot di động hai bánh xe theo dấu tường (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu điều khiển robot di động hai bánh xe theo dấu tường (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI BÁNH XE THEO DẤU TƯỜNG GVHD: THS. NGUYỄN MINH TRIẾT SVTH: ĐỖ CÔNG HƯNG MSSV: 10111025 SVTH: NGUYỄN NGỌC QUYÊN MSSV: 10111054 SKL005005 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2014
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI BÁNH XE THEO DẤU TƢỜNG SVTH : ĐỖ CÔNG HƢNG MSSV : 10111025 SVTH : NGUYỄN NGỌC QUYẾN MSSV : 10111054 GVHD: THs NGUYỄN MINH TRIẾT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI BÁNH XE THEO DẤU TƢỜNG SVTH : ĐỖ CÔNG HƢNG MSSV : 10111025 SVTH : NGUYỄN NGỌC QUYẾN MSSV : 10111054 GVHD: THs NGUYỄN MINH TRIẾT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Đỗ Công Hưng MSSV:10111025 Họ và tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Quyến MSSV:10111054 Ngành: Cơ điện tử Lớp: 101111A Giảng viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Minh Triết ĐT: 0996233249 Ng y nhận đề tài: 1/3/2014 Ngày nộp đề tài: 27/7/2014 1. Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển robot di động hai bánh xe theo dấu tường 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung thực hiện đề t i: - Thiết kế thi công phần cứng Robot di động.Cơ khí thân Robot v mạch điện sử dụng vi điều khiển. - Mô hình hóa Robot/ Cơ cấu cảm biến tường. - Ứng dụng các thuật toán đã học trong môn điều khiển tự động để thiết kế bộ điều khiển robot di chuyển bám tường trơn. - Triển khai luật điều khiển bám tường trên vi điều khiển. - Mô phỏng v thực nghiệm kiểm tra thuật toán điều khiển. 4. Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG D N Họ v tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề t i: Họ v tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN X T 1. Về nội dung đề t i & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm:
6. 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)
7. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ v tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề t i: Họ v tên Giáo viên phản biện: NHẬN X T 1. Về nội dung đề t i & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
8. 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)
9. LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy Ths. Nguyễn Minh Triết, người thầy đã tận tình giúp đỡ v hướng dẫn chúng em hoàn thành luận văn. Xin được cám ơn đến các thầy trong phòng chuyên gia : Ths Trần Minh Thế Uyên, Ths Nguyễn Văn Sơn, Ths Trần Văn Trọn đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt luận văn. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn cơ điện tử -ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật đã truyền tải và cho chúng em những kiến thức cần thiết để chúng em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp. Xin cám ơn các bạn sinh viên ng nh cơ điện tử, tự động hóa v điện- điện tử đã tạo cơ hội cho chúng tôi được trao đổi, tiếp thu và giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình làm luận văn. Xin gửi lời cám ơn đến thầy TS. Nguyễn Bá Hải , thầy Ks Lê Toàn và các anh chị em trong Trung Tâm Học Để L m đã tạo điều kiện giúp đỡ không chỉ về kiến thức, vật chất m còn giúp đỡ, động viên chúng em trong giai đoạn khó khăn của quá trình l m đồ án. Cuối cùng, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Cha,Mẹ những người luôn quan tâm và hỗ trợ chúng em suốt cuộc đời này. ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật HCM ng y 26 tháng 6 năm 2014 i
10. TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn n y tập trung v o nghiên cứu thiết kế v điều khiển robot di động hai bánh xe bám theo tường trơn. Hệ thống cảm biến được sử dụng l cảm biến hồng ngoại để xác định được khoảng cách v góc giữa robot với tường. Để robot di động được theo dấu tường thuật toán được sử dụng l điều khiển phi tuyến theo tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov. Kết quả thực nghiệm mô hình cho thấy robot bám được tốt theo tường thẳng v tường con trơn v hoạt động ổn định. Mô hình n y có thể ứng dụng l m robot h n di động, robot lau kính di động, robot kiểm tra đường ống Nội dung của luận văn gồm 5 chương được phân bố như sau : Chương 1: Tổng quan trình b y về các robot di động theo dấu tường đã có, tình hình nghiên cứu robot di động theo dấu tường v mục tiêu, phạm vi của luận văn. Chương 2: Mô hình hóa và xây dựng luật điều khiển trình b y mô hình toán học của robot di động hai bánh xe theo dấu tường, từ đó đưa ra luật điều khiển v sơ đồ giải thuật điều khiển. Chương 3: Thiết kê phần cứng robot trình b y thiết kế cơ khí thân robot. Bên cạnh đó cũng trình b y hệ thống cảm biến dùng trong robot. Phần cuối của chương trình b y yêu cầu v giải pháp mạch điện điều khiển robot. Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trình b y kết quả hoạt động của robot. Bao gồm luật điều khiển PID cho vận tốc động cơ v luật điều khiển phi tuyến theo ổn định Lyapunov cho robot. Chương 5: Kết luận trình b y tổng kết ,đánh giá những việc đã thực hiện được v đưa ra một số hạn chế, hướng phát triển cho đề t i. ii
11. ABSTRACT This project studies on wall-following control of a two-wheeled mobile robot.The wall is known as a smooth curve. The observer system had been used in this project is infrared sensors which was constructed to measure the distance and angle of mobile robot relatively to the wall that mobile have to follow. With the aim that follow the wall, the none-linenear controller is built based on Lyapunov stability. The practical result of this model have shown that robot was following well with the straight wall and even round wall. Moreover, it works stably and it has a various typical application such as : welding mobile robot, washing door- glass mobile robot, pipe monitor mobile robot iii
12. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii Chương 1 GIỚI THIỆU 1 1.1. Tổng quan về Robot di động. 1 1.2. Tình hình nghiên cứu về Robot di động. 2 1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài. 3 Chương 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN 6 2.1. Động học robot di động theo dấu tƣờng. 6 2.1.1. Mô hình hóa thân Robot. 6 2.1.2. Mô hình hóa cơ cấu cảm biến. 8 2.2. Thiết kế bộ điều khiển. 9 Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO ROBOT 13 3.1. Thiết kế cơ khí phần thân Robot. 13 3.2. Thiết kế mạch điện điều khiển. 16 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 19 4.1. Bộ điều khiển PID vận tốc động cơ. 19 4.2. Bộ điều khiển Robot theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. 21 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 34 PHỤ LỤC 35 1.Chƣơng trình điều khiển cho Robot . 35 Mã chƣơng trình chính 35 Mã chƣơng trình điều khiển bánh xe. 50 2.Sơ đồ nguyên lý mạch điện Robot. 71 Mạch điều khiển động cơ (Slave) : 71 Mạch trung tâm (Master) 72 T i Liệu Tham Khảo 73 iv
13. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Helpmate robot Hình 1.2: Electrolux TrilobiteError! Bookmark not defined. Hình 1.3: AGV robot Hình 1.4: Wheelesley Error! Bookmark not defined. Hình 1.5: Mô hình toán động học của robot. 4 Hình 2.1: Mô hình tính toán robot di động hai bánh xe 6 Hình 2.2: Mô hình tính toán hệ thống cảm biến. 8 Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật thuật toán Hình 2.4: Lưu đồ giải thuật thuật 12 Hình 3.1: Thiết kế cơ khí Robot di động theo dấu tường tổng quan 13 Hình 3.2: Các chi tiết bên trong thân Robot 14 Hình 3.3: Hình ảnh robot hoàn chỉnh 15 Hình 3.4: Hình ảnh các bộ phận bên dưới robot 15 Hình 3.5: Sơ đồ khối mạch điện Robot 17 Hình 3.6: Mạch điều khiển Robot 18 Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển PID 19 Hình 4.2: Tường tham chiếu 22 Hình 4.3: Các sai số bám theo 22 Hình 4.4: Vận tốc của 2 bánh xe 23 Hình 4.5: Minh họa sự di chuyển của robot 23 Hình 4.6: Sai số (mm) bám theo tường thẳng. 25 Hình 4.7: Sai số (rad) bám theo tường thẳng. 25 Hình 4.8: vận tốc bánh xe trái. 26 Hình 4.9: Vận tốc bánh xe phải. 26 Hình 4.10: Quỹ đạo di chuyển của robot theo tường thẳng 27 Hình 4.11: Sai số (mm) bám theo tường cong. 28 Hình 4.12: Sai số (rad) bám theo tường cong 29 Hình 4.13: Vận tốc bánh xe phải 29 Hình 4.14:Vận tốc bánh xe trái 30 Hình 4.15: Quỹ đạo di chuyển robot theo tường cong. 30 Hình 4.16: Robot bám theo tường thẳng 31 Hình 4.17: Robot ở khúc tường ngoặc 32 Hình 4.18: Robot bám theo tường cong trơn 33 v
14. Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1.1. Tổng quan về Robot di động. 1.1.1. Giới thiệu chung về Robot di động. Ng y nay Robot học đã đạt được nhiều th nh tự to lớn trong nền sản xuất công nghiệp cũng như trong ứng dụng dân dụng. Đặc biệt Robot di động (mobile robot) l một trong những th nh tựu to lớn với khả năng di chuyển linh hoạt trong các môi trường khác nhau, tự thực thi nhiệm vụ v hạn chế sự can thiệp của con người .Đã có rất nhiều robot di động được phát triển v ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như Helpmate Robot (hình 1.1) ứng dụng vận chuyển dụng cụ y tế trong bệnh viện, Trilobite (hình 1.2) ứng dụng hút bụi l m sạch trong nh , AGV (hình 1.3) dùng trong việc nâng chuyển h ng hóa trong kho bãi v Wheelesley (hình 1.4) giúp đỡ hỗ trợ người bị liệt chân di trong việc di chuyển. 1
15. Hình 1.1: Helpmate robot Hình 1.2: Electrolux Trilobite Hình 1.3: AGV robot Hình 1.4: Wheelesley 1.2. Các vấn đề nghiên cứu về Robot di động. Tổng quan về các b i toán của robot di động. - Điều hướng ( navigation ) l vấn đề trọng tâm của robot di động. Muốn điều hướng được thì robot phải thực thi một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một b i toán nhỏ trong b i toán điều hướng, cụ thể l các b i toán sau : - Mapping : l công việc lập bản đồ môi trường hoạt động của robot khi không có dữ liệu cho trước. 2
16. - Positioning : l việc định vị vị trí của robot trong bản đồ to n cục hoặc địa phương. - Path planning : sau khi vẽ được bản đồ v định vị được vị trí, robot sẽ tự hoạch định đường đi tới mục tiêu. - Motion control : l công việc điều khiển robot di chuyển theo đường hoạch định đã xử lý ở khâu " path planning ". - Obstacles avoidance : nhiệm vụ tránh vật cản khi robot đang di chuyển. Bài toán di chuyển theo tƣờng . Việc di chuyển theo tường l một tác vụ thường thấy ở robot di động trong phạm vi nh (indoor).Tác vụ n y thường được dùng trong ba nhiệm vụ chính l : tránh vật cản, theo dấu tường biết trước, theo dấu tường không biết trước. 1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài. Luận văn n y liên quan đến thiết kế, chế tạo v điều khiển robot di động hai bánh xe theo dấu tường như mô hình ( hình 1.5 ). Mục tiêu đề t i : -Thiết kế thi công phần cứng Robot di động.Cơ khí thân Robot v mạch điện sử dụng vi điều khiển. -Ứng dụng các thuật toán đã học trong môn điều khiển tự động để thiết kế bộ điều khiển robot di chuyển bám tường trơn. -Mô phỏng v thực nghiệm kiểm tra thuật toán điều khiển. 3
17. Hình 1.5: Mô hình toán động học của robot. [1] 4
18. Các thông số hệ thống được cho như sau: Thông số Ý nghĩa C(x,y) Tọa độ tâm Robot trong mặt phẳng vuông góc cố định W( ) Tọa độ điểm tham chiếu trên tường (X,Y) Tọa độ tương đối của Robot b Khoảng cách từ tâm robot đến bánh xe r Bán kính bánh xe t-t Đường thẳng tiếp tuyến với tường tại điểm W Góc nghiên của tường Vận tốc thay đổi của Góc định hướng của mobile robot d Khoảng cách từ tâm mobile robot đến đường t-t Vận tốc d i v vận tốc góc tại tâm robot Vận tốc d i bánh xe trái v phải Vận tốc góc bánh xe trái v phải Sai số khoảng cách v góc Vận tốc v khoảng cách đặt trước. Bán kính cong của tường tại điểm W 5
19. Chƣơng 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN 2.1. Động học robot di động theo dấu tƣờng. 2.1.1. Mô hình hóa thân Robot. Với mô hình robot có hai bánh xe cách tâm một đoạn b. Vận tốc góc tại hai bánh xe là : . (a) Mô hình xe hai bánh (b) Mô hình bánh xe Hình 2.1: Mô hình tính toán robot di động hai bánh xe Hai bánh xe có cùng bán kính r. Từ hình 2.1(b) ta có : { (1) Với và l vận tốc tại tâm bánh xe trái v phải. Từ hình 2.1(a) ta có : 6
20. { (2) Từ (1) v (2) cho ta : { { ⁄ ⁄ [ ]= [ ] (3) ⁄ ⁄ [ ] Công thức (3) cho ta thấy mối quan hệ giữa vận tốc góc bánh xe với vận tốc tại tâm C của Robot. Xét và trong hệ tọa độ cố định (hình 2.1a) ta có : ̇ [ ̇ ]=[ ] [ ] ̇ 7
21. S K L 0 0 2 1 5 4