Điều khiển bám cho robot di động đa hướng dùng bộ điều khiển trượt (1)

60
CHƯƠNG 5
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG & THỰC NGHIỆM
5.1 Kết quả mô phỏng
Để chứng minh tính hiệu quả của bộ điều khiển trượt ISMC đã đề xuất, tác giả
đã thực hiện mô phỏng theo quỹ đạo tham chiếu. Quỹ đạo tham chiếu là đường cong
có bán kính R = 0.3m và tâm ( X , Y ) = (0 m, 0 m) thể hiện trong hình 5.1. Vận tốc tham
chiếu của OMR là vR = 0.0127 m / s .
Thông số thiết kế của bộ điều khiển trượt như sau:

k1 = 23s −1 , k 2 = 23s −1 , k 3 = 23s −1
p1 = 1.5s −1 , p 2 = 1.5s −1 , p3 = 1.5s −1
Q1 = 25s −1 , Q2 = 25s −1 , Q3 = 25s −1 và δ = 0.1 .
Các biên độ tối đa của lực nhiễu gây ra do ma sát và hiện tượng trượt được giả
định là f Mi = 2 N và f Ai = 1.5 N ( i = 1, 2,3 ) .
Các giá trị thông số mô hình của OMR và trị số ban đầu sử dụng cho mô
phỏng được nêu trong bảng 5.1, bảng 5.2
Bảng 5.1 Giá trị các thông số mô hình của OMR
Thông số

Trị số

Đơn vị

α

0.2

[N /V ]

β

1.5

[ kg / s ]

r

0.046

[ m]

L

0.16

[ m]

m

4.8

[kg ]

J

0.12

[kgm 2 ]

61
Bảng 5.2 Giá trị các thông số mô phỏng ban đầu
Thông số

Trị số

Đơn vị

XR

0.25

[ m]

YR

0.4

[ m]

ΦR

90

[deg]

XC

0.245

[ m]

YC

0.35

[ m]

ΦC

45

[deg]

Đường cong
tham chiếu

Hình 5.1 Quỹ đạo tham chiếu của đường cong mong muốn
Chú thich hình 5.1:
Quỹ đạo tham chiếu là đường cong đặt trước
Tọa độ ( x,y) là vị trí quỹ đạo tham chiếu là đường cong đặt trước


62

7

6

5

Truc Y [m]

4

3

2

1

0
0

1

2

3

4
5
Truc X [m]

6

7

8

9

Hình 5.2 Quỹ đạo chuyển động của robot
Chú thich hình 5.2
Tọa độ ( x,y) là vị trí quỹ đạo chuyển động của robot so với đường
cong tham chiếu (hình 5.1)

e1
e2
e3

30

Vec to sai so vi tri ep

20

10

0

-10

-20

-30
0

5

10

15
Thoi gian (s)

20

25

30

Hình 5.3: Các e1, e2, e3 là sai số vị trí ở thời điểm ban đầu
Chú thích hình 5.3 :


63
Các e1, e2, e3 là sai lệch bám của robot so với vị trí ban đầu
Giá trị vọt lố ở thời điểm ban đầu của e1, e2 lớn
400
e1
e2
e3

Vec to sai so vi tri ep

300

200

100

0

-100

-200

0

50

100
150
Thoi gian (s)

200

250

Hình 5.4 Sai số vị trí toàn thời gian của e1, e2, e3
1200
ev1
ev2
ev3

1000

Vec to sai so van toc ev

800

600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
0

5

10

15

Thoi gian (s)

Hình 5.5 : Sai số vận tốc ev ban đầu của robot
Chú thích hình 5.5 :
Các giá trị ev1, ev2, ev3 là giá trị sai số vận tốc lúc đầu của robot


64

4

2.5

x 10

ev1
ev2
ev3

2

Vec to sai so van toc ev

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

0

50

100
150
Thoi gian (s)

200

250

Hình 5.6 : Vector sai số vận tốc ev toàn thời gian
Các giá trị ev1, ev2, ev3 là giá trị sai số vận tốc toàn thời gian so với thời
điểm ban đầu.

4

Van toc goc cua OMR [rad/s]

2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
120

140

160

180
Thoi gian (s)

200

220

Hình 5.7 Vận tốc góc của OMR [rad/s]

240


65

400

Vec to mat truot S [rad/s]

300

200

100

0

-100

-200

0

0.5

1

1.5
Time(s)

2

2.5

3

Hình 5.8 Véc tơ mặt trượt ban đầu
400

Vec to mat truot S [rad/s]

300

200

100

0

-100

-200

0

50

100

150

200

250

Time(s)

Hình 5.9 Véc tơ mặt trượt toàn thời gian
Các kết quả mô phỏng được trình bày thể hiện từ hình 5.1 đến 5.9. Hình 5.2
Quỹ đạo chuyển động của robot. Hình 5.3 Sai số vị trí ở thời điểm ban đầu. Hình 5.4
Sai số vị trí toàn thời gian của e1, e2, e3 tiến về 0 và giữ trị số 0 ổn định cho đến hết
thời gian mô phỏng. Hình 5.5 Sai số vận tốc ev ban đầu của robot. Hình 5.6 Vector
sai số vận tốc ev toàn thời gian lúc khởi động tiến về 0 rất nhanh và ổn định trong


66
suốt thời gian mô phỏng. Hình 5.7 Vận tốc góc của OMR [rad/s]. Hình 5.8 Véc tơ
mặt trượt ban đầu. Hình 5.9 Véc tơ mặt trượt toàn thời gian.
5.2 Kết luận
Trong chương này, tác giả đưa ra bộ điều khiển trượt tích phân mới (ISMC)
áp dụng cho Robot di động đa hướng ba bánh (OMR) để bám theo quỹ đạo tham
chiếu. Để thiết kế bộ điều khiển này, đầu tiên định nghĩa vector sai số. Từ đó thiết
kế bộ điều khiển dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Luật điều khiển ổn định
vector bề mặt trượt và vector sai số tiến đến 0. Các kết quả mô phỏng được trình bày
để chứng minh tính đúng đắn của giải thuật đưa ra và khả năng ứng dụng bộ điều
khiển đưa ra vào trong thực tế.

Qua kết quả mô phỏng trên Matlab so với mô hình thực nghiệm tôi nhận thấy
mô hình thực nghiệm hoạt động chưa đạt được kết quả như mong muốn, mô hình
thực nghiệm của Robot bám theo quỹ tham chiếu cho trước hoạt động chưa ổn định.
Thực nghiệm cho thấy khi Robot di chuyển còn bị lắc.
5.3 Mô hình thực nghiệm:
5.3.1 Kít nhúng PI
Lập trình : Python OpenCV, sử dụng thư viện OpenCV
Sử dụng hệ điều hành linux
Camera thu thập dữ liệu Logitech
Mạch xử lý trung tâm

Hình 5.10 Kít nhúng raspberry Pi


67
Các thông số kít nhúng Pi

Hình 5.11 Bảng thong số kít nhúng
5.3.2 Mục tiêu của xử lý ảnh bằng OpenCV:
Thu thập một ảnh từ camera.
Xác định kích thước frame ảnh 640 x 480
Xác định vùng ảnh cần xử lý.
Xử lý cân bằng histogram ảnh xám.
Xử lý ảnh và xác định chính xác góc định vị của vector từ tâm của điểm ảnh.

Hình 5.12 Xác định vùng ảnh cần xử lý
Xử lý và chuyển đổi thành dạng dữ liệu số truyền dữ liệu xuống board xử lý
Pic.

68
5.3.3 Giải thuật về xử lý ảnh sử dụng kít nhúng Raspberry Pi

Hình 5.13 Giải thuật xử lý ảnh
5.3.4 Sơ đồ khối phần cứng :
Phân tích sơ đồ khối của hệ thống để tiến hành thực hiện các công việc:

Hình 5.14 Sơ đồ khối phần cứng


69
5.3.5 Lưu đồ giải thuật kit nhúng Raspberry Pi và board điều khiển Pic
Kít nhúng Raspberry Pi

Board Pic

Hình 5.15 Lưu đồ giải thuật điều khiển Robot
5.3.6 Mô hình thực nghiệm :

Hình 5.16 Mô hình Robot đa hướng


70
Mạch giao tiếp RS232 :

Hình 5.17 Mạch giao tiếp RS232
Chuẩn RS-232 qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9, DB-25 và ALT-A,
trong đó hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn.

Hình 5.18 Sơ đồ chân chuẩn RS-232 là DB-9

71
Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:
RXD (receive Data): Đường nhận dữ liệu.
TXD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu.
DTR (Data Terminal Ready): Báo DTE sẵn sàng .Chân DTR thường ở trạng thái
ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông (tự động quay số
hay tự động trả lời). DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn
DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa.
DSR (Data Set Ready): Báo DCE sẵn sàng, ở chế độ trả lời, 1 tone trả lời và DSR
ON sau 2 giây khi Modem nhấc máy.
DCD (Data Carrier Detect): Tín hiệu này tích cực khi Modem nhận được tín hiệu
từ trạm từ xa và nó duy trì trong suốt quá trình liên kết.
RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi một
trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó.
CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, Modem xác nhận là DTE có thể
truyền số liệu. Quá trình ngược lại nếu đổi chiều truyền số liệu
RI (Ring

Indicator):

Khi modem nhận

được tín hiệu chuông, RI chuyển

ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối.
Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up.
Sơ đồ chân 18F4331:

Hình 5.19 Sơ đồ chân Pic 18F4331


72
Cấu trúc bên trong của PIC 18F4431:

Hình 5.20 Cấu trúc bên trong của PIC 18F4431


73
Mạch điều khiển Pic :

Hình 5.21 Sơ đồ mạch điều khiển Pic


74
Mạch công suất điều khiển động cơ:

Hình 5.22 Mạch công suất điều khiển động cơ