BAO CAO DO AN 2

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
--------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO
BẰNG ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S ĐẶNG XUÂN BA
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
1.
2.

Nguyễn Việt Tiến
Vũ Đức Minh

17150106
17151106

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 8/ 2020

1


Lời mở đầu
Việt Nam đang bước vào kỷ nguyên Tự Động Hóa & Hiện Đại Hóa hịa mình cùng
thế giới để phát triển. Việc xây dựng các hệ thống điều khiển ứng dụng trong các
q trình cơng nghệ vào cơng nghiệp tự động hóa của nước nhà là điều vơ cùng
quan trọng. Trên cơ sở tiếp thu tri thức của nhân loại để phục vụ cho việc đi tắt,

đón đầu là một vấn đề vô cùng cấp thiết. Đề tài hướng vào việc tìm hiểu và khám
phá lĩnh vực điều khiển chính xác để phục vụ cho yêu cầu điều khiển thực tế.
Hệ thống điều khiển mức dùng giải thuật PID ứng dụng một trong những thuật
toán điều khiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển
vận tốc, điều khiển vị trí. Việc ứng dụng giải thuật điều khiển chính xác này vào
thực tế nhằm làm giảm sai số trong kết quả điều khiển.
Với việc chiếm tỷ lệ cao so với các giải thuật điều khiển khác (> 80%), giải thuật
điều khiển PID chiếm một vị trí vơ cùng quan trọng trong các giải thuật điều khiển
dùng trong công nghiệp. Việc nghiên cứu, ứng dụng được thuật giải này làm mở ra
cơ hội cho bản thân trong lĩnh vực điều khiển.

2


Mục lục

Chương 1: Mở đầu
1 .Đặt vấn đề

- Sự phát triển khơng ngừng của xã hội mà động lực chính là cuộc cách mạng về khoa
học công nghệ đã tạo ra nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho con người. Nhu cầu của
chúng ta là vô hạn nên máy móc cũng khơng ngừng phát triển để đáp ứng kịp nhu cầu đó.
Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị
được lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào các tín hiệu phản hồi...ngày càng được áp
dụng rộng rãi. Điều đó giúp giảm bớt sức lao động và tăng năng suất, chất lượng cho sản
phẩm và bảo vệ sức khỏe của người lao động.
- Hiện nay có rất nhiều cách điều khiển thiết bị như dùng vi mạch số, vi xử lí, vi điều
khiển, PLC, điều khiển bằng máy tính, điều khiển thông minh…. Với nhiều phương pháp
điều khiển khác nhau. Phương pháp điều khiển PID là phương pháp được sử dụng phổ
biến nhất hiện nay và phương pháp điều khiển PID thỏa mãn khá tốt các yêu cầu thực tế

đặt ra.
-Trong bài nghiên cứu này, nhóm em quyết định tìm hiểu về phương pháp điều khiển
cánh tay robot với động cơ dùng giải thuật PID. Nhóm em mong muốn có thêm những
kiến thức về điều khiển tự động nhằm phục vụ tốt hơn cho yêu cầu công việc sau này.
2. Mục đích nghiên cứu
-Củng cố và vận dụng kiến thức đã học: điện tử cơ bản, điều khiển tự động,… vào mơ
hình thực tế.
3


-Tìm hiểu về phương pháp điều khiển PID.
-Nâng cao khả năng thi cơng mơ hình thực tế.
-Trau dồi kiến thức về robot cũng như mơ hình thực tế robot.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-Thiết kế và thi công mơ hình.
-Nghiên cứu giải thuật điều khiển PID, lập trình và điều khiển hệ thống.

Chương 2: Tổng quan về cánh tay hai bậc tự do
2.1 Mơ hình cánh tay
- Hệ thống gồm một khung robot hai bậc tự do và hai động cơ DC có encoder. Vị trí
của động cơ được trả về từ encoder. Động cơ được cấp nguồn bằng adapter 12V thông
qua module điều khiển động cơ điều khiển bởi board arduino.
2.2 Phần cứng của mơ hình
2.2.1 Arduino
-Arduino Uno R3 là dòng mạch phổ biến nhất trong các dòng mạch Arduino, phiên
bản Uno này là Revision 3 (R3) là phiên bản mới nhất hiện giờ, có độ chính xác và độ
bền cao hơn rất nhiều so với Arduino Uno phiên bản cũ.
-Arduino UNO R3 có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ vi điều khiển thơng minh này có thể điều khiển led đơn,
điều khiển động cơ, xử lý tín hiệu, thu thập dữ liệu từ các cảm biến để hiển thị lên

màn hình Led, LCD,… và nhiều ứng dụng khác.

4


Thông số kĩ thuật
Vi điều khiển

ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động

5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V – DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

5


Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

Arduino UNO R3 có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều
có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì
các điện trở này không được kết nối).
2.2.2 Module điều khiển động cơ L298N
- Module điều khiển động cơ một chiều (DC Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298
giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng. Ngồi ra module
L298 cịn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực. Mạch cầu H của IC L298 có thể
hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V.
Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển động cơ L298N:
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A
Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
6


Dịng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
Nhiệt độ vận hành: -25 ℃ ~ +130 ℃
2.2.3 Động cơ DC servo GA25
Thông số kỹ thuật:
Điện áp cấp cho động cơ hoạt động: 3 – 12VDC
Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDC

Đĩa Encoder 11 xung, hai kênh A-B
Đường kính động cơ: 25mm
Đường kính trục: 4mm

2.2.4 Khung cánh tay robot
Khung cánh tay robot MK2 được in 3D, các khớp của robot dùng được cho cả động cơ
step và động cơ DC.

7


8


Chương 3: Thuật toán điều khiển
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID
-Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vòng kín, được sử dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp.Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của
hệ thống( Process Variable-PV) với giá trị đặt (Set point-SP) bằng cách tính tốn và điều
chỉnh giá trị ở ngõ ra.
-Một bộ điều khiển gồm 3 thành phần:
•
•
•

P(Proportional): Tạo tín hiệu tỉ lệ với sai lệch.
I(Integral): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch.
D(Derivative): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai
lệch.

Sơ đồ hệ thống dùng điều khiển PID
3.1.1 Bộ điều khiển tỉ lệ (P)
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiện
bằng cách nhân sai số e với hằng số Kp gọi là hằng số tỉ lệ.
Pout=Kp.e(t)
9


Trong đó: Pout: giá trị ngõ ra
Kp: hằng số tỉ lệ
Nếu hệ số Kp quá lớn thì hệ thống mất ổn định
Nếu hệ số Kp nhỏ sẽ làm cho bộ điều khiển kém nhạy hoặc đáp ứng chậm. Hơn nữa tác
động điều khiển của bộ P sẽ quá bé làm hệ thống khơng chính xác.
3.1.2 Bộ điều khiển tích phân (I)
Bộ điều khiển tích phân (I) cộng them tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển.
Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt đươc bằng giá trị
đặt và kết quả là hệ thống cân bằng khi sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo cơng thức
Iout =Ki
Trong đó: Iout: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân
Khâu I thường đi kém với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI, nếu chỉ sử dụng khâu I
thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
3.1.3 Bộ điều khiển vi phân(D)
Bộ điều khiển vi phân (D) cộng them tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở
ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều
khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi
nhanh chóng và nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo cơng thức:
Dout=Kd

Trong đó: Dout: ngõ ra khâu D
10


Kd: hệ số vi phân
Khâu D thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PD, hoặc bộ PI để hợp
thành bộ điều khiển PID.
3.1.4 Tổng hợp 3 khâu, bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là tổng hợp ghép song song 3 khâu P,I,D
Phương trình bộ PID lý tưởng
u(t)=Kpe(t)+ Ki+ Kd
3.2 Lí thuyết kĩ thuật robot hai bậc tự do

Cánh tay robot hai bậc tự do gồm hai khớp, hai thanh liên kết. Cánh tay robot hai bậc tự
do hoạt động trong một mặt phẳng. Sau đây là bảng DH của robot hai bậc tự do với trục
được đặt như hình trên.
Joint

ai-1

aphai-1

di

Thetai

z0z1x0

1

0

0

0

Theta1

x0x1z1

z1z2x1

2

L1

0

0

Theta2

x1x2z2

z2z3x2

3

L2

0

0

0

x2x3z3

11


3.2.1 Động học thuận
Ma trận biến đổi đồng nhất giữa hệ 1 và 2

Ma trận biến đổi đồng nhất giữa hệ 0 và 1

Ma trận biến đổi đồng nhất giữa hệ 0 và 2

Khi ta có hai góc theta 1 và theta 2 ta có thể tìm ra được vị trí của điểm đầu cuối.

12


3.2.2 Động học nghịch
Cho trước tọa độ điểm đầu cuối X,Y. Từ kết quả của bài 0T2 của tính tốn động học thuận
trên, ta có phương trình

Từ phương trình trên, bằng các phép biến đổi, ta có thể dễ dàng tính được theta 2

Từ theta 2, ta có thể suy ra được theta 1 hai nghiệm

13


Chương 4 Mô phỏng động cơ của cánh tay trên Matlab
4.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ trên Matlab

Với Trajectory planning là tọa độ điểm đầu cuối mà người dùng muốn robot di chuyển
đến, Inverse Kinematics là khâu động học nghịch, Mechanical Model of the Robot là
khâu điều khiển động cơ, Forward Kinematics là khâu động học thuận và khâu cuối cùng
Estimated position là mô phỏng điềm đầu cuối.
4.2 Trajectory planning
Với quĩ đạo mong muốn mà em muốn robot vẽ là hình trịn

14


4.3 Inver Kinematics
Dựa vào lí thuyết ở trên, em viết chương trình để tính động học nghịch cho robot

4.4 Forward Kinematics
Dựa vào lí thuyết ở trên, em viết chương trình tính động học thuận cho robot

15


4.5 Mechanical Model of the Robot

Ở các khớp của robot, em mơ phỏng sử dụng PID để hồi tiếp góc theta mong muốn để hệ
thống tính tốn góc theta cho phù hợp. Thông số PID em sử dụng công cụ PID tuning để

xác định chúng.
4.6 Kết quả mô phỏng matlab

Với Trajectory planning đặt là đường trịn với bán kính 0.5, góc xuất phát là pi/2.
Cánh tay robot mơ phỏng sẽ phải vẽ được hình trịn như sau

16


Kết quả mơ phỏng đạt được là

Vì mơ phỏng là điều kiện lí tưởng khơng có ảnh hưởng tác động từ bên ngồi nên hình
trịn tính tốn và hình trịn của cánh tay robot vẽ giống nhau.
4.7 Mơ hình thực tế

17


4.8 Kết quả thực tế
Vị trí ban đầu của động cơ

Khi cho vị trí động cơ bằng 30

Nhận xét: Khi điều chỉnh tốc độ ở vị trí 30 thì động cơ sẽ qua đúng vị trí 30 mong muốn

18


Kết luận
Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài đã được một số kết quả sau:

• Đưa ra mơ hình tốn học của động cơ
• Xác định được hàm truyền, đặc tính thời gian, đặc tính tần số của hệ
thống.
• Khảo sát sự ổn định của hệ thống và thiết kế bộ điều khiển PID.
Đề tài “Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do bằng động cơ DC với giải
thuật PID” sẽ hỗ trợ đắc lực trong quá trình giảng dạy, học tập và nghiên cứu
khoa học cho giảng viên cũng như sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TPHCM. Việc áp dụng mơ hình động cơ sẽ giúp người học kiểm chứng
lại các giải thuật, phương pháp điều khiển khác nhau nhằm tìm ra giải thuật
tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể.

19


Tài liệu tham khảo:
[1]. Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết Điều khiển tự
động, 2016, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM.
[2]. />[3]. />
20