(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển bù dao động cho robot cẩu hàng ở bến cảng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ MẠNH TUẤN

ÐIỀU KHIỂN BÙ DAO ÐỘNG
CHO ROBOT CẨU HÀNG Ở BẾN CẢNG

NGÀNH : KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 5 2 3 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ MẠNH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN BÙ DAO ĐỘNG
CHO ROBOT CẨU HÀNG Ở BẾN CẢNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
i

Luan van


I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Mạnh Tuấn
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14-04-1987
Nơi sinh: Tiền Giang
Quê quán: Hưng Yên
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 50 Ấp Bắc, phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 01/2010
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Giám sát và điều khiển thiết bị qua mạng

internet.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành
phố Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đình Phú
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2015 đến 04/2017
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện tử
Tên đồ án, luận án: Điều khiển bù dao động cho robot cẩu hang ở bến cảng.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành
phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: Ts. Ngơ Văn Thun
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

10/2011

Đại học Giao Thông Vận Tải-Cơ sở 2

Trợ giảng

10/2013

Đại học Giao Thông Vận Tải-Cơ sở 2

Giảng viên

LỜI CAM ĐOAN

ii

Luan van


Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn của Ts
Ngô Văn Thuyên.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Mạnh Tuấn

iii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong thời gian thực hiện chuyên
đề, người thực hiện đề tài đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, sự quan tâm, hỗ trợ
của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Với lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin gửi đến tất cả mọi người, các
Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

và đặc biệt nhất là GVHD thầy Ngô Văn Thuyên. Thầy đã ủng hộ tinh thần cho tôi,
thầy đã giành nhiều thời gian, tâm huyết cùng với tri thức của mình để truyền đạt
vốn kiến thức quý báu cho tôi từ lúc mới nhận đề tài cho tới ngày hôm nay.
Mặc dù tôi đã cố gắng để thực hiện chuyên đề một cách hoàn chỉnh nhất. Nhưng
do có nhiều hạn chế trong cơng tác nghiên cứu, tiếp cận với thực tế sản xuất cũng
như kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định
mà bản thân tơi chưa thấy được. Tơi rất mong được sự góp ý của q Thầy Cô và
các bạn để cho luận văn sắp tới của tơi được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện

Lê Mạnh Tuấn

TÓM TẮT
Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thường hoạt động trên bệ
đỡ tĩnh. Đối với các Robot được cài đặt trên một bệ đỡ động là một thách thức và là một
iv

Luan van


lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển. Các hệ thống này được dùng trong các lĩnh vực như:
Robot không gian, cánh tay robot di động, Robot lặng và hệ thống Robot xa bờ. Hệ thống
vận tải biển (bến cảng, ngoài khơi) như: trung chuyển hàng hóa trên biển, lắp đặt giàn
khoan hóa dầu... là một ngành cơng nghiệp khá quan trọng. Đối với hệ thống robot cẩu xa
bờ là những hệ thống hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, chịu tác động
của dao động sóng biển. Như vậy, bài toán đặt ra là điều khiển hệ thống hoạt động ổn
định, an toàn, hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt trên biển.
Đề tài này trình bày các hệ bù dao động cho robot cẩu trong mơi trường có dao động

như: hệ thống bù thụ động và hệ thống bù chủ động. Phương pháp hình học được sử dụng
để giải động học nghịch cho robot. Thuật toán xây dựng bộ điều khiển bù dao động sóng
biển cho robot là thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến (OTG).
Cảm biến được sử dụng cho việc xác định dao động tàu là cảm biến IMU 6 trục. Để
có thể xác định chính xác chuyển động của tàu gây ra bởi sóng biển đề tài đã sử dụng
phương pháp tổng hợp dữ liệu đa cảm biến dùng bộ lọc bù và bộ lọc Kalman.
Kết quả thực nghiệm cho thấy robot cẩu có thể gắp được hàng hóa trong mơi trường
có dao động sóng biển. Điều này cho thấy phương pháp được đề xuất là đáng tin cậy.

ABSTRACT

Today, robots are widely used in the industry usually operate on fixed platform. For
robots installed on a moving platform is a challenge and a growing field of research. These
systems are used in such areas as space robots, mobile robots, underwater robots and
v

Luan van


offshore robot systems. The sea transport system (harbor, offshore) such as transshipment
at sea, installation of petroleum drilling rig ... is a quite important industry. For offshore
robotic systems are systems operating in harsh environmental conditions, subjected to
wave-induced motions. Thus, the problem posed is to control the system operating stable,
safe and effective in extreme conditions at sea.
This thesis presents wave-induced compensation systems for crane robots in vibration
environments such as passive and active compensation systems. The geometry method is
used to solve inverse kinematic for robot. Algorithm to build wave-induced compensate
controller for robot is Online Trajectory Generation algorithm.
The sensor used for vessel motion determination is the 6-axis IMU sensor. In order to
accurately determine vessel motion caused by wave, the thesis has used the multi-sensor

data fusion method using the Kalman filter and complementary filter.
Experimental results show that the loading and unloading operations is good in the
environment with wave motion. This suggests that the proposed method is reliable.

vi

Luan van


MỤC LỤC
1 Chương 1....................................................................................................xiii
1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu ................................................ 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 4
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ............................................................ 4
1.4 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 4
1.5 Nội dung của đề tài ................................................................................ 4
2 Chương 2....................................................................................................... 6
2.1 Chuyển động tàu do sóng biển............................................................... 6
2.1.1 Chuyển động sóng biển .................................................................. 6
2.1.2 Chuyển động của tàu do sóng biển ................................................. 7
2.2 Động học robot ...................................................................................... 8
2.2.1 Động học thuận ............................................................................... 8
2.2.2 Động học nghịch ........................................................................... 10
2.3 Các hệ thống bù dao động cho cần trục ............................................... 13
2.3.1 Hệ thống bù dao động thụ động và chủ động ............................... 14
2.3.2 Các phương pháp bù dao động chủ động ..................................... 16
2.4 Cảm biến IMU (Inertial measurement unit) ........................................ 21
2.4.1 Chức năng ..................................................................................... 21
2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................... 22
2.5 Phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến ............................................. 25

2.5.1 Giới thiệu ...................................................................................... 25
2.5.2 Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc bù............................................... 26
2.5.3 Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman ...................................... 27
3 Chương 3..................................................................................................... 30
3.1 Tổng quan hệ thống ............................................................................. 30
vii

Luan van


3.2 Hệ thống robot ..................................................................................... 31
3.2.1 Giới thiệu mơ hình sử dụng .......................................................... 31
3.2.2 Bài toán động học thuận ............................................................... 33
3.2.3 Bài tốn động học nghịch ............................................................. 36
3.3 Mơ hình tàu dao động ba bậc ............................................................... 39
3.4 Khối cảm biến IMU đo dao động ........................................................ 40
3.4.1 Thông số cảm biến ........................ Error! Bookmark not defined.
3.4.2 Xử lý dữ liệu từ các cảm biến ....................................................... 40
4 Chương 4..................................................................................................... 43
4.1 Tổng hợp cảm biến .............................................................................. 43
4.1.1 Thực thi bộ lọc bù cho cảm biến IMU .......................................... 43
4.1.2 Thực hiện bộ lọc Kalman cho cảm biến IMU .............................. 44
4.2 Xây dựng chương trình điều khiển robot ............................................. 46
5 Chương 5..................................................................................................... 48
5.1 Kết quả thi cơng ................................................................................... 48
5.1.1 Khối mơ hình tàu dao động 3 bậc ................................................. 48
5.1.2 Khối điều khiển robot và cảm biến ............................................... 49
5.2 Kết quả thực nghiệm ............................................................................ 50
5.2.1 Xử lý dữ liệu IMU ........................................................................ 50
5.2.2 Điều khiển bù dao động ................................................................ 53

6 Chương 6..................................................................................................... 54
6.1 Kết luận ................................................................................................ 54
6.2 Hướng phát triển .................................................................................. 54
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 55

viii

Luan van


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AHC

Active Heave Compensation

ix

Luan van


PHC

Passive Heave Compensation

AHRS

Attitude and Heading Reference System

DH

Denavit - Hertenberg

MRU

Motion Reference Unit

PWM

Pulse Width Modulation

IK

Inverse Kinematic

IMU

Inertial Measurement Unit

MEMS

Micro-ElectroMechanical Systems

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Hệ thống cần trục xa bờ ................................................................... 2
Hình 1.2. Hệ thống cần trục hạ tải xa bờ ......................................................... 2

Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển Robot trong mơi trường có dao động ................... 3
Hình 2.1 Phổ sóng biển ở trạng thái biển 3 ..................................................... 7
Hình 2.2 Chuyển động tàu 6 bậc tự do ............................................................ 7
x

Luan van


Hình 2.3 Kết nối xác định tọa độ các khâu ...................................................... 9
Hình 2.4 Cánh tay robot 2 bậc ....................................................................... 11
Hình 2.5 Mơ hình cho phương pháp Jacobi ................................................... 13
Hình 2.6 Hệ thống bù thụ động ..................................................................... 14
Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống bù chủ động ................................................... 15
Hình 2.8 Hệ thống bù chủ động một bậc ....................................................... 16
Hình 2.9 Cơ cấu bù dao động ba bậc ............................................................. 16
Hình 2.10 Thiết lập mơ hình động học cho cần trục ..................................... 17
Hình 2.11 Sơ đồ mơ tả định tính cho cơng thức (2.21) và (2.23) .................. 20
Hình 2.12 Cấu tạo bên trong cảm biến .......................................................... 23
Hình 2.13 Cấu tạo cảm biến Gyro ................................................................. 24
Hình 2.14 Nguyên lý hiệu ứng Hall ............................................................... 25
Hình 2.15 Tổng hợp cảm biến dùng bộ lọc bù .............................................. 26
Hình 2.16 Ước lượng góc dùng bộ lọc bù bậc 1 và bậc 2 ............................. 27
Hình 2.17 Chu trình bộ lọc Kalman ............................................................... 28
Hình 2.18 Tổng qt mơ hình hoạt động của bộ lọc Kalman. ....................... 30
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 31
Hình 3.2. Robot PhantomX Reactor có 5 bậc tự do ...................................... 31
Hình 3.3. Cơ cấu các khớp và cánh tay Robot............................................... 32
Hình 3.4. Mơ hình hóa cần trục theo cánh tay robot. .................................... 34
Hình 3.5. Xác định tọa độ lên các khâu ......................................................... 34
Hình 3.6. Mơ hình cánh tay Robot trong khơng gian .................................... 37

Hình 3.7. Mơ hình cánh tay trong mặt phẳng khơng gian OWZ ................... 38
Hình 3.8. Thiết lập hướng cổ tay cho Robot ................................................. 38
Hình 3.9. Mơ hình cánh tay sau khi loại bỏ khớp cổ tay ............................... 39
Hình 3.10 Mơ hình tàu dao động 3 bậc ......................................................... 40
Hình 3.11 Tính tốn góc nghiêng (tilt) từ accelerometer .............................. 41
Hình 3.12. Tính tốn góc xoay (Yaw) từ magnetomter ................................. 41
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ lọc bù bậc 2 ............................................................. 44
Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 48
Hình 5.2 Mơ hình tàu dao động 3 bậc ........................................................... 49
Hình 5.3 Mơ hình hệ thống bù dao động ....................................................... 49
Hình 5.4 Giao diện điều khiển ....................................................................... 50
xi

Luan van


Hình 5.5 Ước lượng góc dùng bộ lọc bù bậc 1 .............................................. 51
Hình 5.6 Ước lượng góc dùng bộ lọc bù bậc 2 .............................................. 51
Hình 5.7 Ước lượng góc trong trạng thái ổn định ......................................... 52
Hình 5.8 Ước lượng góc trong trạng thái rung .............................................. 52
Hình 5.9 Ước lượng góc bộ lọc bù và Kalman .............................................. 53

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1 Mô tả trạng thái biển ........................................................................ 6
Bảng 2.2 Chuyển động tàu theo trạng thái biển............................................... 8
Bảng 2.3 Các phương trình cập nhật thời gian .............................................. 28

Bảng 2.4 Các phương trình cập nhật đo lường .............................................. 28
Bảng 3.1. Chi tiết các khớp của Robot PhantomX ........................................ 32
Bảng 3.2. Thông số động cơ servo 12AX...................................................... 33
Bảng 3.3 Bảng thông số DH của Robot Xác định ma trận chuyền . ............. 34

xii

Luan van


xiii

Luan van


1 Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu
Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thường hoạt động trên bệ đỡ
tĩnh. Đối với các Robot được cài đặt trên một bệ đỡ động là một thách thức và là một lĩnh vực
nghiên cứu đang phát triển. Các hệ thống này được dùng trong các lĩnh vực như: Robot không
gian, cánh tay Robot di động, Robot lặng và hệ thống Robot xa bờ. Cánh tay Robot được ứng
dụng trong không gian để thực thi các hoạt động bảo trì, lắp ghép thiết bị, thực nghiệm khoa
học…Cánh tay Robot di động được phát triển để thực hiện những ứng dụng như thăm dị hay
thám hiểm, vơ hiệu hóa các thiết bị nổ hoặc độc hạị…Gần đây các Robot hoạt động dưới nước
hoặc trên thuyền đã trở thành lãnh thổ ứng dụng mới cho công nghệ Robot đặc biệt là làm việc
trong một mơi trường có dao động.
Các Robot dùng để cẩu, di chuyển hàng hóa được sử dụng phổ biến, tuy nhiên với mỗi vị
trí cơng việc mỗi Robot lại có phương thức làm việc khác nhau. Vấn đề ổn định cho Robot

trong quá trình hoạt động được ưu tiên hàng đầu, đặc biệt khi Robot hoạt động trong mơi
trường có dao động như ở các cảng biển, trên tàu...Có nhiều cơng trình nghiên cứu được thực
hiện cho việc giữ ổn định khi Robot hoạt động trong nhiều môi trường hoạt động khác nhau,
và trong môi trường có dao động, vấn đề này đang được quan tâm.
Tại trạm Pasir Panjang, trạm mới nhất của cảng Singapore. Trạm này là một trong những
nơi sử dụng tự động hóa lớn nhất thế giới [1]. Hiện tại, người ta kiểm soát sự quay khi điều
khiển cần cẩu bằng những bộ phận cơ và hệ thống dây cáp giúp giảm sự quay lúc điều khiển,
đây là hệ thống giúp giảm sự quay bị động, và người ta đang muốn nghiên cứu hệ thống giảm
sự quay chủ động.
Ngoài ra, khi xây dựng các cơng trình ở biển đảo, thì việc vận chuyển vật liệu xây dựng
ra ngồi khơi vẫn cịn gặp nhiều khó khăn do điều kiện trên biển [2]. Sóng biển làm hàng hóa
đong đưa và làm cho việc vận chuyển vật liệu xuống tàu gặp khó khăn và mất nhiều thời gian.

1

Luan van


Hình 1.1. Hệ thống cần trục xa bờ

Hình 1.2. Hệ thống cần trục hạ tải xa bờ
Do vậy, để tối ưu hóa hệ thống, tăng năng suất làm việc thì việc nghiên cứu ổn định cho
hệ thống Robot cẩu hàng hoạt động trong mơi trường có dao động là rất quan trọng. Rõ ràng,
việc thực hiện này sẽ không chỉ giảm được chi phí, thời gian mà cịn có thể đảm bảo an tồn
trong việc chuyển hàng.
Trong hình 1.3 biểu diễn sơ đồ điều khiển Robot trong mơi trường có dao động. Trong
việc thực hiện giảm, bù dao động cho các Robot cẩu hàng tại các cảng biển, bến tàu và ngay
2

Luan van

cả việc chuyển hàng hóa giữa các tàu trên biển để Robot ổn định thì việc thiết kế bộ điều
khiển, hệ thống bù dao động thích hợp cho việc làm tối ưu hệ thống là rất quan trọng.

Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển Robot trong mơi trường có dao động
Việc phân tích dao động của hệ thống cần trục xa bờ bao gồm sự chuyển động đung đưa
của thùng hàng treo trên cần trục và sự dịch chuyển vị trí của thùng hàng theo tàu trên sóng
biển khi nâng hạ. Trong mơi trường biển gợn sóng thì khơng thể đảm bảo vận chuyển hàng
hóa an tồn và tin cậy. Điều này đòi hỏi phát triển một hệ thống điều khiển xác định vị trí tự
động một cách chính xác khi thực hiện nâng thùng hàng trên tàu dịch chuyển theo sóng biển.
Trong hệ thống cần trục, sự dịch chuyển đung đưa của thùng hàng làm giảm độ an toàn và tốc
độ nâng hạ hàng hóa. Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều nhà khoa học đề nghị nhiều
phương pháp tính tốn hệ thống bù dao động để làm tăng tính hiệu quả. Đối với hệ thống cần
trục trên bờ, có nhiều chiến lược điều khiển đa dạng được đề xuất để khử chuyển động đung
đưa của tải như: kỹ thuật nắm tín hiệu vào (input shaping) [3], điều khiển tối ưu [4] [5], mơ
hình điều khiển dự đốn [6], điều khiển trượt [7], điều khiển thích nghi [8]
Đối với hệ thống cần trục xa bờ, gần đây các thuật toán điều khiển động cho cần trục xa
bờ đã được nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu nâng hạ hàng hóa trên biển. Với những cần trục
xa bờ thì sự chuyển động đung đưa của tải sẽ lớn hơn cần trục bờ. Như vậy, những phương
pháp điều khiển truyền thống đã phát triển cho hệ thống cần trục bờ sẽ không ứng dụng được
cho hệ thống cần trục xa bờ. Để bù chuyển động đung đưa cho cần trục xa bờ, các kỹ thuật
điều khiển cần trục mới được đề xuất cùng với hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành, lúc đó
chúng ta xem xét thêm chuyện động của tải theo chuyển động sóng biển với cần trục được gắn
trên tàu. Với một số cơng trình đã cơng bố như: Thiết kế mơ hình điều khiển dự đoán để khử
3

Luan van

dao động đung dưa cho cần trục trên tàu [9], Schaub đã giới thiệu một hệ thống cảm ứng
chuyển động của tàu để bù cho chuyển động đung đưa của tải [10], Kim đã đề xuất hệ thống
điều khiển chống đung đưa dùng điều khiển tối ưu phối hợp bộ điều chỉnh tồn phương tuyến
tính (LQR) [11], Fang (2014) đã đề xuất bộ điều khiển phi tuyến hiệu suất cao cho việc bám
quỹ đạo để giảm ảnh hưởng của chuyển động tàu lên chuyển động tải [12].
Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển trên chỉ phát triển để giảm sự dao động của tải khi đã
gắp lên cần trục mà khơng đề cập đến vị trí của tải trên tàu lúc chưa gắp. Nói cách khác, chúng
ta đang xem xét một đối tượng cố định hơn là một đối tượng di chuyển. Do đó, để hoạt động
trên mơi trường biển được nhanh và chính xác, một bộ điều khiển bám vị trí hàng hóa trên tàu
cho robot cẩu đang là một yêu cầu cần nghiên cứu.
1.2 Mục tiêu của đề tài
1. Thiết kế hệ thống đo dao động tàu dùng cảm biến IMU.
2. Thiết kế bộ điều khiển, hệ thống bù dao động cho Robot cẩu hàng hoạt động ổn định
trong mơi trường có dao động.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Trong phạm vị nhiệm vụ và giới hạn thời gian của đề tài, người nghiên cứu sẽ tập trung
nghiên cứu bù dao động sóng cho robot cẩu. Quá trình thu thập, xử lý dữ liệu cảm biến đo dao
động 3 bậc của tàu theo song biển và kiểm nghiệm thực tốn được thực hiện trên mơ hình.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập thông tin tài liệu, sách báo điện tử liên quan
đến lĩnh vực nghiên cứu
2. Phương pháp thực nghiệm: thu thập dữ liệu thông qua thực nghiệm.
3. Phương pháp phân tích: phân tích các yếu tố liên quan đến tập dữ liệu.
1.5 Nội dung của đề tài
Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau:
-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

4

Luan van


Nội dung chương này chủ yếu trình bày về các cơ sở lý thuyết về các hệ thống bù dao
động sóng biển thụ động và chủ động cho cần trục xa bờ, mơ hình động học cho cần
trục và robot cẩu hàng, các hệ cảm biến đo dao động tàu gây ra do sóng biển .
-

Chương 3: Mơ hình hệ thống và mơ tả tốn học
Nội dung chương này tập trung xây dựng mơ hình động học thuận và mơ hình động
học nghịch cho cần trục, xây dựng khối tàu dao động và hệ thống cảm biến đo dao
động.

-

Chương 4: Thuật toán xử lý dữ liệu và điều khiển
Trong chương này, ta sẽ giải quyết vấn đề đo dao động tàu dùng cảm biến IMU kết hợp
phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến dung bộ lọc Kalman để nâng cao độ chính xác
cho việc xác định dao động của tàu, xây dựng chương trình điều khiển bù dao động cho
robot.

-

Chương 5: Kết quả thi công và thực nghiệm
Nội dung chương này sẽ trình bày kết quả thực nghiệm về mơ hình, kết quả ước lượng
dao động tàu dùng cảm biến IMU kết hợp bộ lọc Kalman và thuật toán điều khiển robot
bù dao động.

-

Chương 6: Kết luận
Nội dung chương này sẽ trình bày những kết quả mà đề tài đã đạt được với giải thuật
đã thực hiện trên mô hình và hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển đề tài.

5

Luan van


2 Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Chuyển động tàu do sóng biển
2.1.1 Chuyển động sóng biển
Chúng ta bắt đầu xem xét nguồn gốc của vấn đề là chuyển động sóng biển. Đã có nhiều
nổ lực đáng kể trong việc mơ hình hóa và phân tích chuyển động sóng biển. Một sóng bất kỳ
được tạo ra thơng qua sự kết hợp nhiều sóng sin khác biên độ và tần số vì vậy mơ hình chuyển
động sóng như là một phổ năng lượng. Đơn vị thực của mơ hình phổ thì được chuẩn hóa theo
cường độ (density) và trọng lực (gravity) của nước.
Một mơ hình được sử dụng phổ biến là mơ hình hai-tham số Bretschneider nó định nghĩa
một sóng biển ngẫu nhiên. Hai tham số này là độ cao sóng chính H 1/3 đơn vị cm và chu kỳ
sóng T đơn vị giây. Độ cao sóng chính bằng 1/3 độ cao của sóng cao nhất. Mật độ phổ của
sóng S(ωw) được định nghĩa trong phươn trình (2.1).
S ( ) 

A



5

e B / 

4

(2.1)

2
4
Với A  173H1/ 3 / T và B  691 / T 4

Bảng 2.1 cung cấp một số trạng thái sóng biển phổ biến [10].
Bảng 2.1 Mơ tả trạng thái biển
Trạng
thái biển
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Mơ tả
Gợn sóng
Sóng nhỏ

Sóng nhỏ trở nên lớn hơn
Sóng trung bình
Sóng lớn

Sóng cao (sóng cuộn)
Sóng cao, biển động

Độ cao sóng chính
(ft)
0 – 0.01
0.5 – 1.3
1.8 – 3.3
3.6 – 4.7
5 -6.6
7.3 – 10.5
10.9 – 14.3
16.4 – 29.1
40.8 – 67.4
> 72.5

6

Luan van

Chu kỳ (s)
0.5
1.3 – 2.3
2.7 – 3.6
3.8 – 4.3
4.8 – 5.1

5.4 – 6.4
6.6 – 7.5
8.0 – 10.7
11.3 – 14.5
16 – 17.2


Hình 2.1 Phổ sóng biển ở trạng thái biển 3
2.1.2 Chuyển động của tàu do sóng biển
Chuyển động của tàu trên mặt biển là một chuyển động cực kỳ phức tạp và rất khó để dự
đốn [9]. Chuyển động của tàu có thể được mơt tả bằng một chuyển động 6 bậc tự do bao
gồm: Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch và Yaw như trong hình 2.7. Chúng chia thành hai chuyển
động: tịnh tiến và xoay. Surge, Sway và Heave là chuyển động tịnh tiến. Roll, Pitch và Yaw là
chuyển động xoay.

Hình 2.2 Chuyển động tàu 6 bậc tự do
Chuyển động Roll, Pitch và Heave được gây ra bởi sóng biển, còn chuyển động Yaw,
Surge và Sway là do lực tác động bên ngoài hoặc bên trong như bánh lái, chân vịt và điều kiện
mơi trường như gió, dịng hải lưu.

7

Luan van


Bảng 2 và 3 cung cấp một mô tả chuyển động của tàu trên trạng thái sóng biển theo kích
thướt tàu. Chúng ta có thể tìm thấy tồn bộ mơ tả trong tài liệu [10].
Bảng 2.2 Chuyển động tàu theo trạng thái biển
Sea Wave Boat
state Ht (ft) Length

(ft)
4
6.8
<150
150250
250350
350500
500700
5
9.8
<150
150250
250350
350500
500700

Beam
(ft)

Heave
(ft)

Heave
Acc (g)

Pitch
(deg)

Roll
(deg)

2
2

Pitch
Period
(sec)
3.5
4

7
6

Roll
Period
(sec)
7.1
11.5

<50
50-75

2.2
2.2

0.1
0.1

75-105

2.2

0.1

1

5

6

13.7

>105

1.7

0.08

1

6

5

14.8

1.3

0.06

1

7

<50
50-75

5.2
5.2

0.17
0.17

3
3

3.5
4

12
10

7.1
11.5

75-105

5.2

0.17

2

5

10

13.7

>105

4.3

0.14

2

6

9

14.8

3.1

0.1

2

7

2.2 Động học robot
Trong phần này chỉ khảo sát hai vấn đề điều khiển động học cho robot là bài toán thuận
và bài tốn ngược.
Bài tốn thuận: xác định vị trí điểm cuối và hướng tay kẹp mà cánh tay robot đạt được khi
quy luật thay đổi theo thời gian của các thông số định vị của cánh tay robot là hàm đã biết.
Bài toán này là bài toán nhằm xác định phạm vi hoạt động của cánh tay robot.
Bài toán ngược: xác định quy luật thay đổi theo thời gian của cánh tay robot với vị trí đã
cho của đối tượng theo một hướng định trước của tay kẹp. Bài toán này nhằm phục vụ các bài
toán điều khiển quỹ đạo, các bài toán điều khiển tối ưu…Xác định.
2.2.1 Động học thuận
Sử dụng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg gán các trục tọa độ vào từng khâu
của cánh tay robot. Nhờ mối quan hệ về tọa độ của cùng một điểm trên hai hệ trục kế tiếp
nhau sẽ được xác định bằng một ma trận chuyển 4x4.
Ma trận biến đổi thuần nhất:
8

Luan van


 cos i
sin  cos
i
i
Ai  Qi Ri  
 sin  i sin  i

0


 sin  i

0

cos i cos i

 sin  i

cos i sin  i

cos i

0

0


 sin  i d i 
cos i d i 

1

ai

(2.2)

Trong đó các tham số có ý nghĩa như sau:
-

α i : Góc xoắn giữa 2 trục khớp ( Khớp i+1 so với khớp i).

-

ai: Chiều dài đường vng góc chung giữa 2 trục khớp.

-

di: khoảng cách đo dọc trục khớp I từ đường vng góc chung giữa 2 trục khớp
i và i+1 tới đường vng góc chung giữa 2 trục khớp i và i-1.

-

θi : góc giữa 2 đường vng góc chung nói trên.

Hình 2.3 Kết nối xác định tọa độ các khâu
Thông qua việc sử dụng liên tiếp các hệ tọa độ, ma trận chuyển hệ tọa độ gán vào tay kẹp
về hệ tọa độ gán vào robot có dạng:
Ti  A1 A2 A3 ...Ai

(2.3)

Ti được gọi là ma trận vector cuối, mơ tả hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn lên khâu
chấp hành cuối so với hệ tọa độ gốc. Mặc khác, hệ tọa độ tại điểm tác động cuối này được
mô tả bằng ma trận TE. Vì vậy hiển nhiên là:
Ti  TE

(2.4)

Hoặc:

9

Luan van


n x
n
 y
nz

0

sx

ax

sy

ay

sz

az

0

0

x
y 

 TE
z

1

(2.5)

Phương trình (2.5) là phương trình động học cơ bản của robot.
2.2.2 Động học nghịch
Bài toán động học nghịch là bài tốn xác định vị trí các góc khớp khi biết được vị trí
và hướng của robot. Bài toán động học nghịch đặc biệt quan trọng vì lời giải của nó là cơ
sở để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quỹ đạo cho
trước. Có nhiều cơng trình nghiên cứu tìm lời giải cho bài toán này. Đối với trường hợp n
> 6 thì hầu như chỉ có lời giải theo phương pháp số đối với một số loại robot cụ thể nào
đó, nhưng chưa có một phương pháp chung nào có hiệu quả cả. Bản thân việc giải bài tốn
động học nghịch bằng phương pháp số nhiều khi đòi hởi thời gian tính tốn kéo dài, thậm
chí khơng đi đến lời giải. Sở dĩ như vậy là vì thường gặp các hệ phương trình siêu việt
khơng phải lúc nào cũng có độ hội tụ lời giải.
Đối với trường hợp n = 6, trường hợp thường gặp trong thực tế nên có nhiều cơng trình
nghiên cứu hơn. Tuy nhiên, ở đây các lời giải tìm được hầu như chỉ cho trường hợp riêng,
có đặc điểm hình học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi thiết
lập lời giải.
1. Phương pháp giải tích
Tính tốn trực tiếp từ các phương trình động học thuận, để tìm lời giải cho vị trí các
khớp. Ví dụ như việc giải động học nghịch cho robot như hình 2.3.

10

Luan van