HUTECH
1
CHNG 1
GII THIU LUN VN.
Ni dung:
1.1 Tng quan.
1.2 Tóm tt mt s công trình nghiên cu.
1.3 Nhn xét chung và hng tip cn.
1.4 Mc tiêu ca lun vn.
1.5 Nhim v ca lun vn.
1.6 Gii hn ca lun vn.
1.7 im mi ca lun vn.
1.8 Ni dung tng quát ca lun vn.
HUTECH
2
CHNG 1
GII THIU LUN VN.
1.1. Tng quan
Ngày nay, vic phát trin và tin ti t đng hóa trong các ngành đang
tr thành vn đ quan trng ca nhiu quc gia, vin cnh trc mt là các
thit b đin t t đng hóa đc ng dng ngày càng rng rãi và mang li
nhiu hiu qu cao trong hu ht các lnh vc kinh t, k thut cng nh trong
đi sng xã hi hng ngày. Gii pháp cho vn đ này là xây dng các mô hình
Robot t đng hóa di chuyn bng bánh nhm đáp ng nhu cu thc t ca
các dây chuyn sn xut là ht sc cn thit, Robot có th thay th cho con
ngi, làm vic trong các môi trng có điu kin khc nghit, đc hi nh
hng đn sc khe ca con ngi, giúp tng nng sut và tit kim sc lao
đng ca con ngi.
Hin nay, các thit b đin t t đng hóa nh các xe t hành
(autonomous guided vehicle – AGV) hay Robot di đng bng bánh (wheeled
mobile Robot – WMR) ngày càng đc s quan tâm ln ca nhiu ngi
trong nhng nm gn đây, vì chúng đc ng dng rng rãi trong các ngành
khác nhau nh công nghip, nông lâm nghip, y t, dch v. khc phc
nhng tn ti, đáp ng nhng thách thc mi đt ra trong xu hng toàn cu
hóa, thc hin thng li công cuc công nghip hóa, hin đi hóa đt nc.
Theo quan đim ca tôi thì cn phi có mt t duy thay đi quan đim đ m
rng ng dng chc nng t đng hóa vào trong các ngành công nghip và
dch v ca nc ta.
HUTECH
3
1.2. Tóm tt mt s công trình nghiên cu.
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 vn đ các loi Robot di chuyn bng bánh (WMRs)
đã đc s dng rng rãi trong các ng dng công nghip và dch v khác
nhau nh giao thông vn ti, an ninh, kim tra và thm dò các hành tinh, …,
vi các cu hình di đng khác nhau v ( s lng và loi bánh xe, v trí và b
phn điu khin ca chúng, cu trúc đn hoc cu trúc đôi). Mt nghiên cu
phân tích chi tit cu trúc ca các mô hình đng hc và đng lc hc ca các
Robot di chuyn bng bánh có th đc tìm thy trong [1],[2], [3].
Hình 1.1 Cu trúc ca ROBOT di chuyn bng bánh.
HUTECH
4
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 đ cp đn vic s dng mô hình đng hc ca WMR bám
qu đo đã đc gii quyt trong [5]. Trong [5] đ xut mt b điu khin phi
tuyn đn gin đc thit k da trên mô hình đng hc cho Robot di đng
hàn hai bánh, tính bn vng da vào lý thuyt n đnh Lyapunov đ bám
đng hàn vi vn tc không đi. H thng này (xem hình 1.2) có ba bc t
do bao gm c hai bánh xe và thanh trt m hàn.
Hình 1.2 Mô hình Robot hàn MR-SL
Lut điu khin có đc t các hàm nng lng Lyapunov đ đm bo
s n đnh tim cn ca h thng. B điu khin có ba thông s đ điu chnh
s thc hin ca h thng điu khin. Cách đn gin đ đo các sai s là s
dng hai cm bin, mt là cm bin đ đo khong cách và mt cm bin đo
góc quay. Trng hp m hàn c đnh thì có th bám đng thng và mt
nhiu thi gian đ sai lch tin v 0, nhng không bám đc đi vi đng
cong. Trng hp m hàn điu khin đc thì bám đng cong trn nhanh
hn vi sai s chp nhn đc, kt qu mô phng trong hình 1.3, 1.4, 1.5.
HUTECH
5
Hình 1.3 Các sai s bám
, , đu tin v 0.
Hình 1.4 Các sai s bám
, , có sai lch.
Hình 1.5 Vn tc ca m hàn và WMR.
HUTECH
6
T kt qu mô phng hình 1.5, tác gi đi đn kt lun nh sau:
- M hàn c đnh có th bám theo đng thng, nhng cn nhiu thi
gian đ các sai s tin v không.
- Không th s dng WMR có m hàn c đnh bám theo theo đng
cong vì có sai s ln.
- Trng hp m hàn điu khin đc thì bám đng cong trn nhanh
hn vi sai s chp nhn đc.
Phng pháp điu khin phi tuyn đn gin có th s dng 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 phng pháp tuyn tính hóa hi tip đc s dng
cho vic bám qu đo và n đnh v trí ca Robot di đng. Vic thc hin ca
phng pháp này trên Robot SuperMARIO - mt Robot di đng điu khin
bng hai bánh xe khác nhau, đc mô t nh hình 1.6. Kt qu mô phng các
sai lch th hin hình 1.7
Hình 1.6 Robot SuperMARIO
HUTECH
7
Hình 1.7 Các sai s bám
và (m)
Mc dù bài toán điu khin các h thng Robot di chuyn theo lý thuyt thì
hu nh đã đc gii quyt, nhng đi vi các nhà thit k điu khin WMR
có vn còn nhiu vn đ cn đc quan tâm. Ví d nh, nhc đim ca
nhiu b điu khin n đnh v trí là quá trình chuyn tip kém.
4. “Adaptive Tracking Control of a Nonholonomic Mobile Robot”, Takanori
Fukao, Hiroshi Nakagawa, and Norihiko Adachi, IEEE transactions on
robotics and automation, vol. 16, no. 5, october 2000.[6]
Bài báo này đ cp đn mt gii thut mi là điu khin thích nghi cho
Robot di đng vi các thông s không bit trc, đó là s tích hp gia ca
mt b điu khin đng hc và mt b điu khin mô men cho mô hình đng
hc ca Robot di đng. Kt qu mô phng th hin hình 1.8
HUTECH
8
Hình 1.8 Các sai s bám
, , có sai lch.
5. “Adaptive tracking control of two – wheeled welding mobile Robot with
smooth curved welding path”, Trong Hieu Bui, Tan Lam Chung, Sang
Bong Kim, Tan Tien Nguyen, KSME Internatinal Journal, Vol.17 No.11,
pp.1682 -1692,2003.[7].
Bài báo này tác gi s dng gii thut điu khin thích nghi đ điu khin
cho Robot hàn hai bánh bám theo đng hàn vi vn tc không đi. Trong [7]
gii thut điu khin cng ch xét đn mô hình đng hc, đ làm cho véc t
sai lch v trí tin đn không nhanh nh mong mun, h thng mô men quán
tính đc xem xét ti các thông s không bit trc mà nó đc c lng s
dng lut điu khin thích nghi. Kt qu mô phng và kt qu thc nghim
ch ra tính hiu qu ca b điu khin đc đ xut th hin trong hình
1.9;1.10. và 1.11.
HUTECH
9
Hình 1.9 Các sai s bám
, , khi mi bt đu.
Hình 1.10 Các sai s bám , , ti cnh góc có sai lch.
HUTECH
10
Hình 1.11 Vn tc góc ca m hàn và Robot hàn ti cnh góc.
Nhìn chung, thi gian đu (2s) Robot bám theo đng thng tham chiu
không có sai s bám, nhng thi gian sau (20s) khi qua cnh góc đng
cong thì có sai lch, vn tc góc ca m hàn b dao đng.
* Tt c các b điu khin trên ch xem xét đn các mô hình đng hc, b
qua đng lc hc ca h thng c khí. Gn đây, nhiu gii thut điu khin đã
đc đ xut đ gii quyt các vn đ điu khin có xét đn mô hình đng lc
hc ca Robot di đng.
6.“Sliding Mode Control for Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled
Mobile Robots “,Jung-Min Yang and Jong-Hwan Kim, IEEE transactions
on Robotics and automation, vol. 15, no. 3, june 1999. [8].
Trong bài báo này tác gi s dng k thut điu khin kiu trt và b
điu khin đng lc hc có nhiu ngoài b chn, đã đc s dng đ gii
quyt bài toán điu khin bám cho WMR. Robot s dng trong thc nghim
có tên là MICRO và kt qu mô phng khi Robot bám đng thng nh hình
1.12.
HUTECH
11
Hình 1.12 Các sai s khi Robot bám đng thng.
Kt qu mô phng cho thy Robot có th bám theo đng cong tham chiu,
nhng vn còn hin tng dao đng ln nh sai s th hin hình 1.12
7. “Sliding mode control of two –wheeled welding mobile Robot for tracking
Smooth Curved welding path”, Tan Lam Chung, Trong Hieu Bui, Tan
Tien Nguyen, Sang Bong Kim, KSME International Journal, Vol.18 no.7,
pp.1094 – 1106, 2004.[9].
HUTECH
12
Trong bài báo này, b điu khin phi tuyn c bn da trên kiu điu
khin trt cho Robot di đng hàn đng vin (WMR) bám theo đng cong
hàn phng vi vn tc không đi. Robot di đng này cng đc xem xét v
mt mô hình đng lc hc có các thông s đã bit trc vi s hin din ca
nhiu b chn. Tuy nhiên, dù b điu khin này làm cho các sai lch e
1
, e
2
, e
3
cn nhiu thi gian (16s) đi v không đi vi m hàn c đnh trong hình 1.13,
nhng đi vi m hàn điu khin đc thì cn thi gian tin đn không nhanh
hn (3s) hình 1.14. Vn tc góc xe đi hng theo qu đo chuyn đng
nhng còn dao đng so vi giá tr trung bình xem hình 1.15.
Hình 1.13 Các sai lch bám
Hình 1.14 Các sai lch bám
HUTECH
13
Hình 1.15 Vn tc góc ca Robot.
8. “Sliding-Mode Tracking Control of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots
in Polar Coordinates”, Dongkyoung Chwa, IEEE transactions on control
systems technology, vol. 12, no. 4, july 2004.[10].
Trong bài báo này đ xut đn mt phng pháp điu khin trt cho các
Robot có bánh di đng trong h ta đ cc. Phng pháp này là s kt hp
gia điu khin trt và mô hình đng hc đ cho Robot di chuyn trong h
ta đ cc hai chiu. Qu đo tham chiu trong [10] có th là mt đng
cong hay mt đon thng
và kt qu mô phng khi Robot bám đng thng,
đng cong nh hình 1.16, 1.17.
HUTECH
14
Hình 1.16 Robot bám theo đng thng.
Hình 1.17 Robot bám theo đng cong.
* Phng này cho thy Robot bám theo qu đo đng thng hay đng cong
tham chiu rt tt, có th áp dng và nghiên cu thêm.
1.3. Nhn xét chung và hng tip cn.
Qua các công trình nghiên cu cho thy vic ng dng các gii thut khác
nhau đ điu khin cho Robot di chuyn bng bánh (WMR) bám theo qu đo
tham chiu vi vn tc không đi. Tuy nhiên, mi phng pháp đu có u,
khuyt đim đc th hin qua kt qu mô phng trên. Do đó, đ to ra mt
HUTECH
15
b điu khin cho các Robot di đng bám qu đo vi mt vn tc cho trc
đ thc hin mt nhim v nào đó là vn đ đc quan tâm. Nhng thách
thc ln đó là b điu khin là phi tác đng nhanh khi đu vào tham chiu
thay đi và nu thit k b điu khin ch da vào mô hình đng hc, thì khi
Robot hot đng chc chn s b tác đng bi các yu t nhiu bên ngoài nh
ma sát, lc cn không khí, thay đi thông s trong mô hình… gây ra sai lch
ln so vi các giá tr tham chiu. Vì vy quá trình thit k b điu khin phi
tính đn nhiu xy ra trong sut quá trình thc hin nhim v ca Robot và
cn mt mô hình đng lc hc chính xác, có xem xét đn nhng thuc tính
nh: khi lng, quán tính, lc ma sát, lc ly tâm, mô men,…
Bài toán đt ra là các sai s bám v trí và sai s bám tc đ phi tin v
không khi thi gian t tin đn vô cùng, thi gian quá đ nh theo yêu cu,
trong điu kin môi trng có nhiu (nh ma sát, sc cn ca gió…)
Vi nhng lý do trên, trong lun vn này đa ra mt gii thut điu
khin mi mà đó là s kt hp ca b điu khin đng hc (kinematic
controller - KC) và b điu khin trt (sliding mode controller - SMC)
cho mt Robot di đng hai bánh bám theo qu đo mong mun vi mt vn
tc không đi. u tiên, b điu khin đng hc đc thit k đ làm cho véc
t sai lch v trí tin đn không mt cách tim cn. Sau đó, ch đ điu khin
trt đc thit k đ làm cho véc t sai lch vn tc tin đn không mt cách
tim cn. S n đnh ca h thng đc chng minh da trên lý thuyt n
đnh Lyapunov. Trong lun vn có s dng phn mm matlab đ mô phng và
kt qu mô phng đc trình bày đ minh ha hiu qu ca gii thut điu
khin.
HUTECH
16
1.4. Mc tiêu ca lun vn.
Mc tiêu ca đ tài là “iu khin bám theo qu đo mong mun cho
Robot hai bánh dùng b điu khin trt ”. C th, đ tài đa mt gii thut
điu khin mi đc tích hp gia mt b điu khin đng hc và mt b
điu khin đng lc hc kiu trt có nhiu bên ngoài b chn đ WMR bám
theo qu đo mong mun vi vn tc không đi.
Hình 1.18 Chuyn đng mong mun ca Robot hai bánh(WMR).
1.5. Nhim v ca lun vn.
- Tng quan các công trình nghiên cu cho Robot di đng hai bánh.
- Xây dng mô hình đng lc hc cho Robot di đng hai bánh.
- Thit k b điu khin trt (sliding mode control) cho Robot di đng
hai bánh bám theo qu đo mong mun.
- Mô phng và đánh giá kt qu.
e = e
1
, e
2
, e
3
Qu đo
mong
mun
Xut phát
Thi gian
HUTECH
17
1.6 Gii hn ca lun vn.
- Ch kho sát da vào mô phng Robot di đng bng bánh s dng gii
thut điu khin trt vi qu đo mong mun cho trc.
1.7. im mi ca lun vn.
- Lun vn này đa ra mt gii thut điu khin mi mà đó là s kt hp
ca b điu khin đng hc (kinematic controller - KC) và b điu khin trt
(sliding mode controller - SMC) cho mt Robot di đng hai bánh bám theo
qu đo mong mun vi mt vn tc không đi.
1.8. Ni dung ca lun vn.
Lun vn bao gm có 6 chng:
CHNG 1: GII THIU LUN VN.
CHNG 2: C S LÝ THUYT.
CHNG 3: XÂY DNG MÔ HÌNH TOÁN.
CHNG 4: THIT K B IU KHIN TRT.
CHNG 5: KT QU MÔ PHNG.
CHNG 6: KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN.
TÀI LIU THAM KHO
HUTECH
18
CHNG 2
C S LÝ THUYT.
Ni dung:
2.1 Gii thiu phng pháp Lyapunov.
2.2 nh lý n đnh th 2 ca Lyapunov.
2.3 Lý thuyt điu khin trt.
2.3.1 Khái nim tng quát.
2.3.2 Thit k b điu khin trt đi vi
h thng phi tuyn.
HUTECH
19
CHNG 2
C S LÝ THUYT.
2.1 Gii thiu phng pháp Lyapunov.
Phng pháp Lyapunov cung cp điu kin đ đ đánh giá tính n đnh
ca h phi tuyn. Có th áp dng cho h phi tuyn bc cao bt k. Ngoài ra, có
th dùng phng pháp Lyapunov đ thit k các b điu khin phi tuyn. Hin
nay phng pháp Lyapunov là phng pháp đc s dng rng rãi nht đ phân
tích và thit k h phi tuyn.
2.2 nh lý n đnh th 2 ca Lyapunov
Tính n đnh ca h phi tuyn ch có ngha khi đi cùng vi đim cân bng.
Có th h n đnh ti đim cân bng này nhng không n đnh ti đim cân bng
khác.
nh lý n đnh th hai ca Lyapunov ngày nay đc s dng khá rng
rãi trong lnh vc điu khin t đng.
nh lý ca Lyapunov da vào nng lng, nu nng lng h thng c
tiêu tán mãi thì sau mt thi gian h thng phi đng yên đim cân bng. Nh
vy khi kho sát s n đnh ca mt h thng ta đi tìm mt hàm vô hng dng
biu th nng lng và xét xem hàm này tng hay gim theo thi gian.
HUTECH
20
* Phát biu đnh lý:
Xét h thng đc mô t bi phng trình trng thái:
= f(x
1
, x
2
,…,x
n
) (2.1)
Nu tìm đc mt hàm V(x) vi mi bin trng thái x
1
, x
2
,…,x
n
làm mt hàm
xác đnh dng sao cho đo hàm ca nó theo thi gian
là mt hàm xác đnh
âm thì h thng s n đnh. Lúc này V(x) đc gi là hàm Lyapunov.
Khi V(x).
(x) <0: h thng n đnh tim cn
Khi V(x).
(x) =0: biên gii n đnh
Khi V(x).
(x) >0: h thng không n đnh
Hình 2.1 Minh ha hàm Lyapunov
Ví d: Xét h lò xo ng nhúng có phng trình đng lc hc:
m
+ b + k
0
x + k
1
x
3
= 0 (2.2)
V =V
3
V =V
2
V =V
1
V
x
1
x
2
0
V
3
> V
2
> V
1
x
2
x
1
V =V
3
V =V
2
V =V
1
0
V
3
> V
2
> V
1
HUTECH
21
Hình 2.2 Ví d minh ha đinh lý Lyapunov
C nng ca h bao gm đng nng ca vt khi lng m và th nng ca lò xo:
(2.3)
Nhn thy nng lng V là mt hàm xác đnh dng và bng 0 ng vi đim cn
bng.
o hàm ca nng lng theo thi gian:
(2.4)
o hàm ca nng lng là s âm nên nng lng gim liên tc đn khi x gim
v 0 (h thng cân bng ).
2.3 Lý thuyt điu khin trt
2.3.1 Khái nim chung
Phng pháp điu khin trt đc công nhn là mt trong nhng công c
hiu qu đ thit k b điu khin mnh m cho đi tng có phng trình đng
lc hc phi tuyn bc cao phc tp trong điu kin không chc chn. Các nghiên
cu trong lnh vc này đã đc bt đu Liên Xô c khong nm 1950, và sau
HUTECH
22
đó phng pháp điu khin trt đã đc s chú ý ngày càng nhiu t hip hi
điu khin quc t. u đim chính ca ch đ trt là có đ nhy thp vi s
bin đi tham s ca đi tng điu khin và nhiu bên ngoài mà nó giúp loi tr
s cn thit ca mô hình chính xác. iu khin trt cho phép tách riêng chuyn
đng ca toàn b h thng thành các thành phn đc lp có kích thc thp hn
và kt qu là làm gim s phc tp ca phn hi.
iu khin trt đã tr thành loi điu khin c bn trong h thng điu
khin cu trúc bin đi (đc gi là VSC). VSC bao gm mt tp hp các h
thng con liên tc vi mt logic chuyn mch thích hp, và kt qu là, nhng
hot đng điu khin là các hàm không liên tc ca trng thái h thng, các loi
nhiu, và các ngõ vào tham chiu. (control systems, robotics and automation –
Vol. XIII - Sliding Mode Control - Vadim Utkin)
VSC là mt k thut điu khin phi tuyn mnh m kt hp và khai thác các
tính nng hu ích ca các cu trúc điu khin khác nhau đ cung cp hiu nng
và các thuc tính mi mà không có bt k các cu trúc riêng l nào t chúng có
th thc hin đc. Lý thuyt VSC đã cung cp phng tin hiu qu đ thit k
b điu khin phn hi trng thái mnh m cho h thng đng lc hc không
chc chn, đim đc bit quyt đnh caVSC là kiu trt trên mt chuyn đi,
mà trong mt này h thng vn không nhy cm vi các bin đi ca tham s bên
trong và nhiu bên ngoài (Utkin, 1977; DeCarlo, et. al. 1988; Hung, et. al 1993)
Hay nói cách khác điu khin trt là mt loi đc bit ca VSC đc đc trng
bi mt h lut điu khin phn hi và mt quy tc quyt đnh đc gi là hàm
chuyn đi
.
HUTECH
23
Hình 2.3 Các h thng có điu khin trt
(Robust Integral Sliding Mode Control of an Aerospace Launch Vehicle - M.
Bahrami, J. Roshanian, B. Ebrahimi)
iu khin trt có hai ch đ liên tc vi nhau (Utkin nm 1977, Utkin 1992).
u tiên là ch đ tip cn hay ch đ mà qu đo pha tip cn mt trt và th
hai là ch đ trt có ngha là qu đo pha s trt trên mt trt đn đích, điu
này th hin rõ trong hình 2.4.
Hình 2.4 Hình chiu qu đo pha
HUTECH
24
iu kin trt Lyapunov s ép các trng thái h thng đi đn mt mt
trt và gi cho chúng trt trên mt này, vì vy mt thit k SMC là bao gm 2
giai đon, thit k mt trt và thit k lut điu khin. Trong ch đ tip cn,
đng lc hc điu khin ph thuc vào các thông s h thng, nhng trong ch
đ trt thì ch ph thuc vào mt trt, đây là thuc tính bt bin ca ch đ
trt.
Nh vy đc tính mnh m ca điu khin trt truyn thng đi vi các
bin đi ca tham s bên trong và nhiu bên ngoài ch có th đt đc sau khi
xut hin ch đ trt và ch đ tip cn thì không đc đm bo điu này.
Ch đ trt s loi tr pha tip cn bng cách ép cho xut hin kiu trt trong
toàn b đáp ng h thng.
2.3.2. Thit k b điu khin trt đi vi h thng phi tuyn.
Xét h thng đng phi tuyn biu din bi phng trình vi phân sau:
( n )
x f ( X ) g( X ).u
y x
(2.5)
Trong đó
1
T
( n )
X x x x
là vect trng thái (2.6)
u là tín hiu điu khin
y là tín hiu ra
n là bc ca h thng
HUTECH
25
Các hàm
f f ( X ),g g( X )
là các hàm phi tuyn. Gi
d
X
là tín hiu đt, gi
thit
d
X
có đo hàm theo t đn cp n.
nh ngha:
1
1
d
( )
d
d
( n )
d
x
x
X
x
(2.7)
1 1
1
1 1
1
d
( ) ( )
( )
d
d
( n ) ( n )
( n )
d
x x
e
x x
e
E X X
x x
e
(2.8)
Mc tiêu điu khin là xác đnh lut điu khin u sao cho sai lch e tin ti
không khi
t
.
Trong không gian n chiu phng trình S = 0 xác đnh mt cong gi là mt trt
(sliding surface). S dng phng pháp Lyapunov, chn mt hàm xác đnh
dng
V
, thông thng chn
V
có dng:
T
1
= S S
2
V
(2.9)
Tính đo hàm bc nht ca
V
, ta đc :
T
= S S
V
(2.10)
T phng trình
T
= S S
V
, ta tìm chn đc lut điu khin u nào đó và vi lut
điu khin u này ta chng minh đc
0
V
khi đó theo đnh lý n đnh th hai
ca Lyapunov thì các bin ca hàm
V
tc mt trt S s tin v 0 khi
t
.
iu này đng ngha vi các sai lch e cng tin v 0 khi
t
. Hay nói cách