Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển robot đa năng phục vụ trinh sát và chiến đấu trên mặt đất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Bùi Đức Thịnh
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA
NĂNG PHỤC VỤ TRINH SÁT VÀ CHIẾN ĐẤU TRÊN MẶT
ĐẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – Năm 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI ĐỨC THỊNH
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐA NĂNG
PHỤC VỤ TRINH SÁT VÀ CHIẾN ĐẤU TRÊN MẶT ĐẤT
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN
HÀ NỘI – 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Đức Thịnh
Học viên lớp cao học Điều khiển và tự động hóa 2016A – Trường đại học Bách
khoa Hà Nội.
Xin cam đoan: đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển robot đa năng phục
vụ trinh sát và chiến đấu trên mặt đất” do thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến hướng
dẫn là của riêng tôi.
“Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các cơng trình khác như
đã ghi rõ trong luận văn, các cơng việc trình bày trong luận văn này là do chính tơi
thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy một bằng
cấp ở trường này hoặc trường khác”.
1
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, bộ mơn Tự động hóa
cơng nghiệp thuộc trường đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi thực hiện luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh
Tiến đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày
tháng 04 năm 2019
Học viên
Bùi Đức Thịnh
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
1
LỜI CẢM ƠN
2
MỤC LỤC
3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
6
DANH MỤC BẢNG
7
DANH MỤC HÌNH VẼ
8
PHẦN MỞ ĐẦU
10
CHƯƠNG 1:
12
TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG
1.1
Giới thiệu về robot di động
12
1.2
Cấu tạo, phân loại robot di động
14
1.2.1.
Cấu tạo robot di động
14
1.2.2.
Phân loại robot di động
15
1.3
Ứng dụng của robot di động
16
1.4
Mơ hình robot sử dụng trong luận văn
18
CHƯƠNG 2:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ROBOT VÀ HỆ TRUYỀN
ĐỘNG CHO ĐỘNG CƠ BLDC
20
2.1
Một số đặc điểm trong xây dựng mơ hình tốn học của robot
20
2.2
Khung tọa độ robot
20
2.3
Mơ hình động học robot bánh xích
21
2.4
Mơ hình động lực học robot bánh xích
23
2.5
Mơ hình cơ cấu chấp hành (động cơ BLDC)
26
2.6
Mơ hình robot
31
3
CHƯƠNG 3:
XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ KHỐI TRUYỀN THÔNG GIỮA
ROBOT VÀ TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN
3.1
Một số phương thức truyền thông khơng dây
33
33
3.1.1.
Sóng vi ba mặt đất
33
3.1.2.
Sóng vi ba vệ tinh
34
3.1.3.
Sóng vơ tuyến quảng bá
36
3.1.4.
Tia hồng ngoại
36
3.2
Phân tích lựa chọn phương thức truyền thơng
37
3.3
Tính tốn, thiết kế hệ thống truyền thơng
37
3.4
Lựa chọn thiết bị truyền thông
39
3.5
Thiết kế phần mềm kết nối giữa trung tâm điều khiển và robot
40
CHƯƠNG 4:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT VÀ MÔ PHỎNG
44
4.1
Xây dựng hệ thống điều khiển truyền động điện cho động cơ bánh lái
44
4.1.1.
Tổng hợp mạch vòng dòng điện
44
4.1.2.
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
45
4.2
Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí robot di động
46
4.3
Tính tốn các tham số
48
4.4
Mơ phỏng hệ thống
50
4.4.1.
Sơ đồ mô phỏng trên Simulink
50
4.4.2.
Kết quả mô phỏng
52
CHƯƠNG 5:
5.1
XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Cấu hình mơ hình robot
5.1.1.
55
55
Khung xe cơ sở robot
56
4
5.1.2.
Bộ điều khiển công suất và cơ cấu chấp hành
57
5.1.3.
Bộ chuyển đổi tín hiệu
58
5.1.4.
Hệ thống cảm biến định vị GNSS và bộ xử lý tín hiệu vị trí
59
5.1.5.
Trung tâm điều khiển
64
5.2
Kết quả thực nghiệm
66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
67
TÀI LIỆU THAM KHẢO
68
Phụ lục 1: Chương trình bộ xử lý dữ liệu vị trí (Python)
70
Phụ lục 2: chương trình tại trung tâm điều khiển (C++)
73
Phụ lục 3: chương trình trên mạch chuyển đổi tín hiệu (Arduino)
81
5
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
Ký hiệu
Đơn vị
Ý nghĩa
Fi
N
Lực đẩy robot bên động cơ có lực nhỏ hơn
Fo
N
Lực đẩy robot bên động cơ có lực lớn hơn
Vji, Vjo
m/s
Vận tốc dài của 2 bên xích robot
Vi, Vo
m/s
Vận tốc dài của 2 bên bánh lái
ωi, ωo
rad/s
Tốc độ góc của 2 động cơ robot
2b
m
Khoảng cách giữa 2 bên xích của robot
fy
N
Lực ma sát bên của robot
Ri, Ro
N
Lực cản theo chiều dọc của 2 xích robot
MF
N.m
Momen tạo bởi lực đẩy của robot
Mr
N.m
Momen tạo bởi lực cản của robot
2l
m
Chiều dài của xích
Các chữ viết tắt
Ý nghĩa
Chữ viết tắt
UAVs
Thiết bị bay khơng người lái
AUVs
Thiết bị tự động dưới nước (robot di động dưới nước)
UGVs
Thiết bị tự động trên mặt đất (robot di động trên mặt đất)
GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Global Navigation
Satellite System)
BLDC
Động cơ một chiều không chổi than
UHF
Tần số cực cao (Ultra high frequency)
SHF
Tần số siêu cao (Super high frequency)
FM
Điều chế tần số (Frequency modulation)
VHF
Tần số rất cao (Very high frequency)
6
DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1: Thông số động cơ sử dụng trong robot.....................................................48
Bảng 5.1: Thơng số đặc tính kỹ thuật của robot .......................................................56
Bảng 5.2: Thơng số kỹ thuật và tính năng của bộ điều khiển công suất ...................57
7
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot di động ...........................................................................................13
Hình 1.2. Cấu tạo của một loại robot di động đơn giản ...........................................15
Hình 1.3. Robot di động trên khơng (UAVs) ...........................................................16
Hình 1.4. Robot vận chuyển hàng trong kho hàng của Amazon .............................16
Hình 1.5. Robot lau nhà ...........................................................................................17
Hình 1.6. Robot di động dùng trong quân sự ...........................................................18
Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống Robot .............................................19
Hình 2.1. Các hệ tọa độ của robot ............................................................................21
Hình 2.2. Mơ hình tác động lực lên robot ................................................................24
Hình 2.3. Sơ đồ điện bộ chuyển mạch điện tử và động cơ BLDC ...........................28
Hình 2.4. Mơ hình hàm truyền của động cơ BLDC .................................................30
Hình 2.5. Mơ hình động học robot ...........................................................................32
Hình 3.1. Vệ tinh sử dụng trong kết nối điểm – điểm và kết nối điểm – đa điểm ...35
Hình 3.2. Truyền thơng sử dụng tia hồng ngoại ......................................................37
Hình 3.3. Sơ đồ truyền thơng ...................................................................................39
Hình 3.4. Ăng ten và bộ thu Ubiquiti Rocket M2 ....................................................40
Hình 3.5. Biểu đồ luồng dữ liệu ...............................................................................41
Hình 3.7. Cấu trúc dữ liệu lệnh gửi mạch tích hợp điều khiển ................................43
Hình 3.8. Các bước xử lý trong một luồng dữ liệu ..................................................43
Hình 4.1. Sơ đồ điều khiển hệ truyền động điện động cơ bánh lái robot ................44
Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện .......................................................45
Hình 4.3. Sơ đồ mạch vịng tốc độ ...........................................................................46
Hình 4.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí robot......................................................46
Hình 4.5. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển robot di động ................................50
Hình 4.6: Bộ điều khiển vị trí tuyến tính hóa phản hồi ............................................51
Hình 4.7. Mơ hình động cơ BLDC ..........................................................................51
Hình 4.8. Sơ đồ mạch phát xung cho bộ chuyển mạch ............................................52
Hình 4.9. Mơ hình động học của robot ....................................................................52
8
Hình 4.10. Vị trí robot theo trục x so với giá trị đặt ................................................53
Hình 4.11. Vị trí robot theo trục y so với giá trị đặt ................................................53
Hình 4.12. Vị trí góc theta so với giá trị đặt ............................................................53
Hình 4.13. Điện áp đặt tốc độ 2 động cơ .................................................................54
Hình 5.1. Sơ đồ cấu tạo phần điều khiển động cơ chuyển động robot ....................55
Hình 5.2. Các thiết bị phần điều khiển gắn trên robot .............................................56
Hình 5.3. Hình ảnh robot thực nghiệm ....................................................................57
Hình 5.4. Board Intel Edison....................................................................................58
Hình 5.5. Bộ kit định vị ublox EVK-7P ...................................................................59
Hình 5.6. Cấu trúc khung dữ liệu của giao thức NMEA..........................................60
Hình 5.7. Raspberry pi 3 B.......................................................................................62
Hình 5.8: Lưu đồ thuật tốn đọc và gửi dữ liệu vị trí về trung tâm điều khiển .......63
Hình 5.9: Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển xe tại trung tâm điều khiển .65
Hình 5.10. Quỹ đạo robot thực tế so với quỹ đạo đặt ..............................................66
9
PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, robot ngày càng đóng vai trị quan trọng, dần thay thế con người
trong những công việc nặng nhọc, có độ nguy hiểm cao. Đặc biệt, trong lĩnh vực quân
sự, robot chiến đấu ngày càng được nghiên cứu mạnh mẽ nhất là các quốc gia phát
triển, nhằm thay thế cho những người lính hoặc tăng ưu thế chiến đấu trên chiến
trường. Do đó, nghiên cứu hệ điều khiển cho robot có khả năng tự hành có ý nghĩa
rất quan trọng trong việc xây dựng robot chiến đấu cho quân đội ta trong tương lai.
Tác giả đã lựa chọn việc tiếp cận vấn đề trên với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ điều
khiển robot đa năng phục vụ trinh sát và chiến đấu trên mặt đất”. Điểm mới của đề
tài này là nghiên cứu mơ hình, đặc điểm của robot bánh xích (một loại phương tiện
có nhiều ưu thế trong điều kiện địa hình phức tạp, đặt biệt rất phù hợp trong chiến
trường), xử lý dữ liệu định vị từ tín hiệu của hệ thống GNSS và xây dựng bộ điều
khiển từ tín hiệu định vị thu được.
Để giải quyết các vấn đề đặt ra, nội dung luận văn được chia làm 5 chương.
Chương 1: Tổng quan về robot di động
Trình bày kiến thức chung về robot di động, cấu tạo, phân loại và các ứng dụng
của robot di động trong các lĩnh vực đa dạng khác nhau. Nội dung trong chương cũng
trình bày về mơ hình robot sử dụng trong luận văn.
Chương 2: Xây dựng mô hình tốn học robot và hệ truyền động cho động cơ
BLDC.
Nội dung của chương này trình bày về mơ hình tốn học của robot bánh xích
bao gồm mơ hình động học, mơ hình động lực học, mơ hình động cơ BLDC, từ đó
xây dựng mơ hình của robot theo những giả thiết đặt ra trong thực nghiệm.
Chương 3: Xây dựng và thiết kế khối truyền thông từ robot về trung tâm điều
khiển.
Nội dung chương trình bày về các phương thức truyền thơng khơng dây, tính
tốn thiết kế hệ thống truyền thông và thiết kế phần mềm kết nối giữa trung tâm điều
khiển và robot
10
Chương 4: Xây dựng hệ thống điều khiển robot và mơ phỏng.
Từ mơ hình chương 2, chương 4 xây dựng hệ thống điều khiển cho robot và mô
phỏng hệ thống trên Matlab – Simulink
Chương 5: Xây dựng hệ thống và kết quả thực nghiệm
Chương 5 trình bày cấu hình robot trong thực nghiệm, lưu đồ thuật toán điều
khiển và kết quả thực nghiệm đo được.
Dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Mạnh Tiến, học viên đã hoàn thành
luận văn được giao. Do những điều kiện khách quan và chủ quan, luận văn khơng thể
tránh khỏi những sai sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp
ý kiến của các thầy cơ và các bạn quan tâm tới đề tài này để luận văn được hồn thiện
hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày
tháng 04 năm 2019
Học viên thực hiện
Bùi Đức Thịnh
11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu về robot di động
Robot là một loại thiết bị có thể thực hiện những công việc một cách tự động
bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot có
một số trong các đặc điểm sau đây: do con người sáng tạo ra, có khả năng nhận biết
mơi trường xung quanh và tương tác với những vật thể trong mơi trường, có khả năng
đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo
những trình tự đã được lập trình trước, có thể điều khiển được bằng các lệnh để có
thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng, có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến
theo một hay nhiều chiều và khéo léo trong vận động.[14]
Robot di động là robot có khả năng tự di chuyển. Robot di chuyển trong môi
trường của chúng, khơng cố định vào một vị trí thực. Robot di động có thể là loại
robot di động tự động có nghĩa là chúng có khả năng điều hướng một mơi trường
khơng kiểm sốt được mà khơng cần các thiết bị hướng dẫn vật lý hoặc cơ điện. Ngoài
ra, robot di động có thể dựa vào các thiết bị hướng dẫn cho phép nó di chuyển tuyến
đường định hướng được xác định trước trong khơng gian tương đối được kiểm sốt
(robot tự điều khiển). Nó khác với robot cơng nghiệp thường đặt gần cố định và hoạt
động bằng các cánh tay [13].
Từ năm 1939 đến 1945, trong cuộc chiến tranh thế giới lần thứ 2, những con
robot di động đầu tiên được xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu cơng nghệ
trong lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và điều khiển học,
hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả bom chỉ nổ trọng những
dãy mục tiêu nhất định,... sử dụng hệ thống dẫn đường và điều khiển rada. Các tên
lửa V1 và V2 có hệ thống kích nổ tự động. Chúng là tiền thân của những tên lửa hành
trình hiện đại.
12
Hình 1.1. Robot di động [16]
Robot di động có thể thực hiện các tác vụ ở các địa điểm khác nhau, khơng ở cố
định một vị trí nào. Khác với robot cố định, robot di động có những yêu cầu cao hơn,
đòi hỏi đầu tư nhiều hơn. Trong khi robot cố định vận hành khá đơn giản, chỉ cần
không gian cố định để thực các công việc lặp đi lặp lại, cịn hệ thống robot di động
hoạt động trong khơng gian mở, thay đổi liên tục và đôi khi rất phức tạp. Linh động
là đặc tính của robot di động, có thể có được từ các bộ phận chuyển động như bánh
xe, chân, tay, cánh quạt… Robot di động “phải biết” định vị và “thu nhận” được thông
tin đầy đủ về mơi trường xung quanh, sau đó mới có quyết định thực hiện hành động
nào cho phù hợp.
Do đó, robot di động thường được tích hợp các cảm biến nhằm giúp cho chúng
có thể nhận biết. Ngồi ra, robot di động cịn có thể gắn kết với một hệ thống máy
tính điều khiển và hệ thống cung cấp điện năng cho các chuyển động cũng như các
cảm biến. Tùy vào tính chất cơng việc, các robot di động có thể phải mang theo nguồn
điện, camera, micro, bộ cảm biến và các bộ xử lý. Tuy nhiên, do các robot di động
đều có một tải trọng nhất định, nên khi thiết kế, cần tính tốn trọng lượng các vật
13
mang theo này ở mức vừa phải. Một đặc điểm quan trọng khác nữa là các robot di
động cần phải có tính tự động một cách tương đối, nghĩa là phải có khả năng tự làm
một hành động nào đó mà khơng cần có sự can thiệp của con người.
Robot di động có khả năng trợ giúp rất nhiều trong những công việc mà con
người không thể làm. Tuy nhiên, vẫn có khả năng xảy ra những sự cố đáng tiếc, nhất
là những robot giúp việc nhà hay hỗ trợ những việc trong sinh hoạt hàng ngày, bởi vì
robot có thể bị mất kiểm soát khi các linh kiện trong hệ thống bị bất ngờ gặp trục trặc
ngoài tầm kiểm soát.[14]
1.2 Cấu tạo, phân loại robot di động
1.2.1. Cấu tạo robot di động
Tùy theo chức năng, nhiệm vụ mà cấu tạo của một robot di động có thể đơn giản
hoặc rất phức tạp. Một robot di động đơn giản bao gồm bộ phận cảm biến, các module
điều khiển, nguồn điện và các bộ phận chấp hành dùng để di chuyển robot và tác động
tới mơi trường của nó. Trong khi một số các thành phần cụ thể của robot di động sẽ
phụ thuộc vào mục đích sử dụng, một hệ thống robot di động điển hình địi hỏi phải
có tất cả các thành phần cơ bản trên thì mới vận hành được. Thông tin về trạng thái
môi trường xung quanh của robot được cung cấp bởi các cảm biến. Thông tin này
được bộ xử lý trung tâm sử dụng để ước lượng trạng thái của mơi trường xung quanh
nó. Ước lượng này được sử dụng để lập kế hoạch hoạt động của robot và phát ra các
lệnh cho các cơ cấu chấp hành của robot.
Thiết kế của các hệ thống robot di động phần nhiều sẽ bị chi phối bởi mục đích
sử dụng. Khơng có giới hạn về số lượng các kết hợp giữa các thiết bị thao tác, các bộ
phận cảm biến và các thuật toán điều khiển cho các hệ thống robot di động.
14
Hình 1.2. Cấu tạo của một loại robot di động đơn giản
1.2.2. Phân loại robot di động
Phân loại theo môi trường hoạt động:
Có thể phân loại robot di động dựa vào môi trường làm việc của chúng, bao
gồm trên không, dưới nước và trên đất liền. Ở mỗi nơi, robot cần một hệ thống truyền
động khác nhau.
Đối với robot di động trên không (UAVs), các bộ phận chuyển động là cánh
quạt hay cánh bay và động cơ phản lực; với robot di động dưới nước (AUVs), bộ
phận chuyển động thường là chân vịt hoặc động cơ phản lực; robot di động trên cạn
(UGVs) có bộ phận chuyển động khá đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động mà
bộ phận chuyển động có thể là chân, bánh xe, bánh xích hay là loại kết hợp. Phổ biến
nhất là robot di chuyển bằng bánh xe.
15
Hình 1.3. Robot di động trên khơng (UAVs)
1.3 Ứng dụng của robot di động
Robot di động ứng dụng trong rất nhiều công việc khác nhau như xây dựng,
nông nghiệp, đào mìn, thăm dị dầu khí, xử lý mơi trường, y tế, giải trí, vận chuyển…
Trong cơng nghiệp, robot di động được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền
vận chuyển hàng hóa, logistics,… Nhờ việc vận hành hiệu quả và ổn định, robot vận
chuyển hàng ngày càng được sử dụng nhiều trong các nhà máy, đặc biệt trong những
kho hàng của các cơng ty thương mại điện tử,…
Hình 1.4. Robot vận chuyển hàng trong kho hàng của Amazon
16
Trong dân dụng, với nhịp sống ngày một bận rộn, robot di động trợ giúp những
công việc nhà ngày càng phát triển với giá thành ngày một rẻ và được sử dụng rộng
rãi trong từng hộ gia đình.
Hình 1.5. Robot lau nhà
Trong ngành dịch vụ, các robot y tế phục vụ bệnh nhân trong các bệnh viện đã
thay thế một phần các nhân viên y tế, các robot biết nhảy theo điệu nhạc khơng cịn
là điều lạ lẫm trong ngành giải trí,…
Với việc sinh mạng của các chiến sĩ trên chiến trường ngày càng được coi trọng,
robot di động trong quân sự là một trong những ngành phát triển nhanh nhất trong
thời gian gần đây nhất là với các nước có nền quân sự mạnh như Mỹ, Nga, Trung
Quốc,... Với ưu thế của mình, robot di động đang từng bước thay thế các binh sĩ trên
chiến trường.
17
Hình 1.6. Robot di động dùng trong qn sự
1.4 Mơ hình robot sử dụng trong luận văn
So với robot di chuyển bằng bánh xe, robot di động bánh xích (sau đây được
gọi là robot) là loại robot di chuyển dựa vào lực kéo của 2 bên xích được tạo bởi
truyền động của 2 động cơ gắn vào 2 bánh lái. Cơ cấu bánh xích đem lại lợi thế lớn
trong việc chuyển động của xe bởi chúng có thể di chuyển trong các điều kiện phức
tạp như bề mặt gồ ghề, khơng bằng phẳng, leo cầu thang,…Do đó, cơ cấu này được
sử dụng rất rộng rãi trong việc “tìm kiếm và cứu hộ” và đặc biệt được dùng nhiều
trong quân sự do có thể thích ứng tốt trong nhiều loại chiến trường.
Robot sử dụng trong luận văn là loại robot bánh xích cao su, sử dụng 2 động cơ
BLDC dẫn động phía sau. Cấu tạo của hệ thống robot gồm 2 khối cơ bản là: robot và
trung tâm điều khiển như mơ tả trên hình 1.7.
Khối robot bao gồm:
-
Cụm xe cơ sở, bao gồm: xe bánh xích cao su Kevlar, động cơ điện điều khiển
bằng tín hiệu điện, hệ thống cảm biến hỗ trợ lái xe, hệ thống định vị dẫn đường
GNSS.
-
Cụm truyền thông, bao gồm: Ăng ten truyền thông, các chuyển mạch và truyền
thơng dự phịng.
-
Cụm quan sát, bao gồm: Camera quan sát tầm xa, camera trước xe, và camera
hỗ trợ ngắm bắn
18
-
Cụm vũ khí, bao gồm: Các động cơ và giá vũ khí điều khiển tầm hướng,
chuyển chế độ (khóa, bắn phát một, bắn liên thanh) và thực hiện bắn
-
Cụm mạch xử lý, bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mạch giám sát và hệ
thống nguồn điện
Khối trung tâm điều khiển bao gồm:
-
Cụm máy tính điều khiển cầm tay, bao gồm máy tính và phần mềm điều khiển
-
Cụm máy tính điều cố định, bao gồm ăng ten truyền thơng, máy tính xử lý,
phần mềm điều khiển và phần mềm xử lý ảnh.
Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống Robot
19
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ROBOT VÀ
HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO ĐỘNG CƠ BLDC
2.1 Một số đặc điểm trong xây dựng mơ hình tốn học của robot
Để có thể mơ hình khi thực hiện đánh lái của xe bánh xích, một việc rất quan
trọng là xác định các lực tác động lên xe một cách thích hợp. Trong khi xe chuyển
động, lực có thể được tạo từ mọi bộ phận cửa xích phụ thuộc vào loại địa hình chuyển
động của xe. Nếu bề mặt địa hình quá mềm, lực liên kết giữa các xích hoặc các con
lăn chuyển động bị ảnh hưởng do chìm quá mức. Tuy nhiên, việc đánh lái trên các
địa hình cứng, khơng biến dạng thì các lực tác động lên xích có thể được dự đốn một
cách tương đối chính xác. Khi địa hình trở nên vững chắc hơn, áp lực tập trung dưới
xích và các lực tác động vào xích có thể giả định phân bố dưới bánh xích.
Ngoại lực tác dụng lên bánh xích bao gồm trọng lực, phản lực, lực kéo của xích,
lực ma sát cản theo chiều dọc xe và lực ma sát bên. Mơ hình xe bánh xích bao gồm 3
bậc tự do theo mặt phẳng nằm ngang với các giả thiết sau:
-
Vận tốc đủ nhỏ để có thể bỏ qua lực ly tâm khi chuyển hướng,
-
Khối lượng xe phân bố đều 2 bên xích,
-
Nền đất cứng, khơng biến dạng như nền đường nhựa hoặc bê tông
-
Ngoại lực tác động được coi như tập trung dưới bề mặt xích tiếp xúc với mặt
đường.
-
Ảnh hưởng của sự trùng xích được bỏ qua
-
Ảnh hưởng của khí động lực học được bỏ qua
2.2 Khung tọa độ robot
Xét robot di chuyển trên mặt phẳng ngang, đặt hai khung tọa độ sau:
-
Hệ tọa độ gốc X-Y: là hệ tọa độ được gắn cố định trong không gian làm việc
của robot hoặc gán cố định trên mặt phẳng mà robot hoạt động, hệ tọa độ
này coi như hệ tọa độ tham chiếu.
20
-
Hệ tọa độ di động (hệ tọa độ xe) [xR-yR]: là hệ tọa độ gắn trên thân robot và
dịch chuyển cùng robot so với hệ tọa độ gốc. Trong đó, tâm của hệ tọa độ
này trùng với trọng tâm của xe, trục x dọc theo hướng tiến của xe, trục y
vng góc với trục x.
Hình 2.1. Các hệ tọa độ của robot
Như trên hình 2.1, trong hệ trục tọa độ xe [xR-yR], gốc tọa độ gắn lên trọng tâm
xe, trục x song song với trục dọc của xe. Vị trí của xe được định nghĩa là điểm trọng
tâm xe, xác định bởi vector x và góc quay θ trong khung tọa độ gốc [X, Y]. Xe đang
di chuyển với vận tốc vC, đo tại trọng tâm, và quay với tốc độ góc ω = dθ/dt so với
khung tọa độ gốc.
2.3 Mơ hình động học robot bánh xích
Mơ hình động học là nghiên cứu về các chuyển động của hệ cơ học và không xét đến
tác động của các lực lên chuyển động của hệ cơ học đó.
Với robot bánh xích, mơ hình động học có liên quan đến tham số trượt giữa xích và
địa hình. Theo [1], mơ hình động học của xe bánh xích trên hệ tọa độ robot [xR-yR]
như sau:
21
x=
r
o .(1− ii ) + i (1 − io )
2
y = − x.tan
=
r
o .(1− ii ) − i (1− io )
2b
(2.1)
(2.2)
(2.3)
Trong đó:
r là bán kính bánh truyền động từ động cơ đến xích
2b là khoảng cách giữa 2 xích
ωi và ωo là tốc độ góc của 2 bánh truyền động (phía trong và phía ngồi)
tanα là hệ số góc trượt
ii và io là các hệ số trượt giữa tốc độ dài của bánh lái bên trong và bên ngoài
so với tốc độ dài của xích. Hệ số trượt này sinh ra khi robot bánh xích di chuyển trên
một quãng đường không bằng phẳng, gồ ghề hoặc biến dạng, khi đó tồn tại sự sai
lệch giữa tốc độ dài của bánh lái và tốc độ dài của xích, hệ số trượt này được định
nghĩa bằng:
ii =
V ji V ji
=
Vi ri
(2.4)
io =
V jo V jo
=
Vo ro
(2.5)
Vji và Vjo lần lượt là tốc độ dài của xích trong và ngồi trượt với địa hình. Vi
và Vo là tốc độ dài của 2 bánh lái, Vi = rωi, Vo = rωo. Mối quan hệ giữa vận tốc dài
của xích trượt phụ thuộc vào chuyển động của xe và tốc độ góc của bánh lái:
V ji = x − b. − r.i
(2.6)
Vjo = x − b. − r.o
(2.7)
22
Trong đó: x là thành phần vận tốc của robot theo trục x trong khung tọa độ robot [xRyR]
Có thể nhận thấy rằng r.ω là vận tốc dài của xích nếu khơng có hiện tượng trượt.
Trong khung tọa độ X-Y, mơ hình động học robot trở thành:
r
x = o (1 − ii ) + i (1 − io ) cos + x tan sin
2
r
y = o (1 − ii ) + i (1 − io ) sin + x tan cos
2
=
r
(o (1− ii ) − i (1− io ))
2b
(2.8)
(2.9)
(2.10)
x , y là thành phần vận tốc của robot theo trục x và y trong khung tọa độ robot [xR-
yR]
là tốc độ góc quay của robot.
2.4 Mơ hình động lực học robot bánh xích
Động lực học là nghiên cứu chuyển động của một hệ thống cơ học có xét đến
tác động của các thành phần lực khác nhau tới chuyển động của hệ thống. Trong robot
mô hình động lực học là cơ sở mơ phỏng chuyển động của robot đồng thời là cơ sở
để thiết kế các thuật toán điều khiển chuyển động khác nhau cho robot.
Hình 2.2 mơ tả các lực tác động lên robot, bao gồm:
Ngoại lực tác động lên xe bao gồm trọng lực: P = mg, phản lực N = mg, lực ma sát
bên fy, lực đẩy theo chiều dọc 2 bên xích Fi và Fo, lực cản theo chiều dọc Ro và Ri.
Chiều dài xích tiếp xúc với mặt đường là 2l, khoảng cách giữa 2 xích là 2b
Sự phân bố lực ma sát bên fy được thể hiện trong hình 2.2, trong hình lực này
tác động trên cả 2 xích trong khi xe quay hướng chiều ngược kim đồng hồ (rẽ trái).
Hướng của lực ma sát bên tại mỗi điểm là ngược với hướng của thành phần vận tốc
23
