Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi mô phỏng chuyển động sàn tàu thủy trên cơ cấu delta robot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY
TRÊN CƠ CẤU DELTA ROBOT
DESIGN OF ADAPTIVE CONTROL SYSTEM TO
SIMULATE SHIP MOTION ON A DELTA ROBOT

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số

: 60520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Duy Anh ........................
Cán bộ chấm nhận xét 1 :PGS.TS Võ Tường Quân .................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS Võ Hoàng Duy ...........................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 04 tháng 07 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.Chủ tịch hồi đồng: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến ...................................

2.Thư ký hội đồng: TS. Phùng Trí Cơng ..............................................
3.Ủy viên phản biện 1: PGS.TS Võ Tường Quân. ................................
4.Ủy viên phản biện 2: TS. Võ Hoàng Duy. .........................................
5.Ủy viên hội đồng: TS. Ngô Hà Quang Thịnh. ...................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN ĐÌNH VƯƠNG

MSHV :7140376

Ngày, tháng, năm sinh : 03/06/1991

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử

Mã số : 60520114

I. TÊN ĐỀ TÀI:
 Tiếng Việt: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi mơ phỏng chuyển động
sàn tàu thủy trên cơ cấu Delta Robot
 Tiếng Anh: Design of adaptive control system to simulate ship motion on a delta
robot
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của Delta Robot: bài toán động học, động lực học và
khơng gian làm việc
 Mơ hình hóa cơ cấu Delta Robot, cơ cấu chấp hành
 Mơ phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab Simulink
 Xây dựng hệ điều khiển thích nghi: điều khiển sàn tàu thủy bám theo quỹ đạo
mong muốn, khử sai số mơ hình, đảm bảo chất lượng điều khiển khi tải hay thông số
mơ hình thay đổi
 Áp dụng giải thuật điều khiển trên cơ cấu Delta Robot
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. NGUYỄN DUY ANH
Tp. HCM, ngày
tháng
năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. NGUYỄN DUY ANH

TS. PHẠM CÔNG BẰNG

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC


LỜI CẢM ƠN
LỜI CẢM ƠN
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý Thầy, Cô, đặc biệt nhất là
Thầy Nguyễn Duy Anh, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinh
nghiệm quý báu giúp tơi vững vàng hồn thành đề tài này. Đồng thời tạo nền tảng tri
thức giúp tôi tiếp tục nghiên cứu và làm việc.
Con xin cảm ơn Ba, Má! Người đã sinh ra và nuôi nấng con, tạo mọi điều kiện cho
con được đi học, được theo đuổi đam mê nghiên cứu khoa học nói chung và lý thuyết
Tốn, lý thuyết điều khiển tự động nói riêng.
Và xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và Vợ Xuân Trâm đã tạo điều khiện thuận lợi,
hỗ trợ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Đề tài này được thực hiện với niềm đam mê thuần túy. Mặc dù đã rất nỗ lực để
hoàn thiện, nhưng đề tài khơng tránh khỏi những sai sót vì giới hạn về mặt thời gian, rất
mong nhận được ý kiến đóng góp từ q Thầy, Cơ và bạn đọc.
Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Vương

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Theo nghiên cứu của World Shipping Council (WSC), “The Office of National
Marine Sanctuaries”, ta có thể thấy rằng tình trạng mất mác, hư hỏng container, và hư
hỏng tàu, thuyền ngày càng trở nên trầm trọng. Thực tế này đặt ra một yêu cầu là xây
dựng một mơ hình có khả năng mơ phỏng chuyển động của sàn tàu. Từ đó kiểm tra,
đánh giá về mức độ an toàn của kết cấu sàn, kết cấu và sự sắp xếp container nhằm hạn
chế nguy cơ hư hỏng, mất mác container cũng như tàu thuyền.
Đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DELTA ROBOT MÔ PHỎNG
CHUYỂN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY” vừa giải quyết vấn đề thực tế nêu trên, vừa tạo
môi trường để nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu “Vertical structure delta robot”.
Cơ cấu “Vertical structure delta robot” sử dụng khớp Các-đăng kết hợp với một
cụm gối tựa bị động cho phép mô phỏng ba chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển
động tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng lên và hạ xuống. Mơ hình cơ khí và mơ hình
mơ phỏng trên Matlab Simulink được thiết kế và hiện thực, trên đó ta xây dựng giải
thuật điều khiển thích nghi điều khiển cơ cấu di chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn
đồng thời khử sai số mơ hình và nhiễu, đảm bảo chất lượng điều khiển.
SUMMARY
According to the research of World Shipping Council (WSC) and “The Office of
National Marine Sanctuaries”, it shows that situation of losing, damaging of containers
and ships becomes more serious. It requires to build model being able to simulate
movement of the ship deck. Base on this model, we can measure, evaluate the safety,
stability of deck structure, arrangement of containers to reduce the risk of losing,
damaging of containers and ships.
The thesis “THE RESEARCH ON DESIGNING, MANUFACTURING AND
CONTROL SHIP MOTION SIMULATION” is not only a solution for the issue above,
but also an environment to research about “Vertical structure delta robot”.
The “Vertical structure delta robot” with “Universal Joint” combined with a
passive support, allows to simulate 3 basic movements of ship deck: surge, sway and

yaw. Real and simulation model are designed and implemented. Then, an adaptive
controller is designed to control robot follow desired trajectory, cancel noise, model
error and ensure the control quality.

ii


LỜI CAM ĐOAN
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn thạc sĩ với đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ
CẤU DELTA ROBOT MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY” là cơng
trình nghiên cứu của cá nhân tơi, khơng sao chép của bất cứ ai. Các nội dung nghiên
cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào
trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét và
đánh giá được chính tác giá thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài
liệu tham khảo.

Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của riêng mình!

Tp HCM, ngày ……tháng……năm……
Người cam đoan

iii


MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... i

TÓM TẮT LUẬN VĂN......................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. iii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iv
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ............................................................................... vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 1
1.1

Đặt vấn đề............................................................................................. 1

1.2

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ............................................ 1

1.2.1 Giới thiệu các thiết kế mơ phỏng chuyển động ................................. 1
1.2.2 Các nghiên cứu liên quan.................................................................. 4
1.3

Dao động của tàu thủy .......................................................................... 4

1.4

Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn. ................................................................ 5

1.5

Tổ chức luận văn .................................................................................. 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT .................................. 7
2.1

Bậc tự do của Vertical linear Delta robot .............................................. 7

2.2

Động học .............................................................................................. 7

2.2.1 Động học ngược ............................................................................... 7
2.2.2 Động học thuận ................................................................................ 9
2.3

Ma trận Jacobian................................................................................. 10

2.4

Phân tích khơng gian làm việc ............................................................ 12

2.5

Động lực học và nguyên lý công ảo .................................................... 16

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH CƠ KHÍ, MẠCH ĐIỆN VÀ MƠ PHỎNG ................. 19
iv


MỤC LỤC
3.1

Mơ hình cơ khí ................................................................................... 19

3.1.1 u cầu thiết kế .............................................................................. 19
3.1.2 Cụm chi tiết dẫn động chính ........................................................... 19
3.1.3 Cụm chi tiết nâng đỡ sàn tàu........................................................... 20
3.1.4 Khung máy ..................................................................................... 21
3.1.5 Động cơ truyền động ...................................................................... 22
3.1.6 Tổng thể mơ hình cơ khí ................................................................. 26
3.2

Hệ thống mạch điện ............................................................................ 27

3.2.1 Yêu cầu hệ thống ............................................................................ 27
3.2.2 Mạch vi điều khiển STM32F4 Discovery ....................................... 27
3.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ ................................................ 28
3.2.4 Mạch giao tiếp với máy tính ........................................................... 30
3.2.5 Mạch cảm biến đo góc nghiêng ...................................................... 30
3.2.6 Nguồn điện ..................................................................................... 31
3.3

Mơ hình mơ phỏng Delta Robot trên phần mềm Matlab...................... 32

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN....................................................... 36
4.1

Đặt vấn đề........................................................................................... 36

4.2

Mơ hình mơ phỏng ............................................................................. 37

4.2.1 Mơ hình động cơ DC ...................................................................... 37

4.2.2 Ước lượng thơng số đối tượng ........................................................ 41
4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC ...................................... 44
4.2.4 Bộ điều khiển PID .......................................................................... 54
4.3

Điều khiển cơ cấu cơ khí Delta Robot ................................................. 55

4.3.1 Điều khiển động cơ ........................................................................ 55
4.3.2 Giao diện mô phỏng và điều khiển trên Matlab............................... 56
v


MỤC LỤC
4.3.3 Truyền nhận và giải mã dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển ...... 59
4.3.4 Chương trình điều khiển cơ cấu Delta robot ................................... 61
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ................................... 64
5.1

Điều khiển vận tốc động cơ ................................................................ 64

5.1.1 Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp ............................................. 64
5.1.2 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn (MRAS) .................. 66
5.2

Điều khiển mơ hình mơ phỏng ............................................................ 68

5.3

Mơ hình thực nghiệm .......................................................................... 72

5.4

Thực nghiệm về sai số ........................................................................ 73

5.5

Tổng kết và đánh giá kết quả. ............................................................. 74

5.6

Phương án khắc phục hạn chế và hướng phát triển của đề tài. ............. 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 76

vi


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Hệ thống mô phỏng máy bay của Sanders Teacher vào năm 1910 ...... 2
Hình 1.2 - Hệ thống mơ phỏng chuyển động hai bậc tự do hai khớp xoay ........... 2
Hình 1.3 - Hệ thống mô phỏng lái xe ô tô ba bậc tự do. ....................................... 3
Hình 1.4 - Hệ thống mô phỏng máy bay CAE 7000 series A320 FFS .................. 3
Hình 2.1 - Hệ tọa độ gắn với robot ...................................................................... 7
Hình 2.2 - Toạ độ điểm

trong hệ tọa độ

................................................ 8

Hình 2.3 - Toạ độ điểm

trong hệ tọa độ ’ ’ ’ ’ ............................................. 8

Hình 2.4 - Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm ..................................................... 9
Hình 2.5 - Mặt cắt không gian làm việc trên mỗi nhánh của robot ..................... 12
Hình 2.6 - Khơng gian làm việc của delra robot ................................................ 14
Hình 2.7 - Mặt cắt khơng gian làm việc khi

∈

Hình 2.8 - Mặt cắt khơng gian làm việc khi

∈

,

+ .................. 15
+

2,

+ .. 16

Hình 3.1 - Khớp nối chữ thập ............................................................................ 19
Hình 3.2 - Khớp trục ......................................................................................... 19
Hình 3.3 - Mối lắp giữa khớp trục và khớp nối chữ thập.................................... 19
Hình 3.4 - Cụm đỡ delta .................................................................................... 20
Hình 3.5 - Cụm đỡ sau ...................................................................................... 20
Hình 3.6 - Vịng đệm con lăn chéo .................................................................... 20

Hình 3.7 - Thiết kế khung đế ............................................................................. 22
Hình 3.8 - Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên vít-me đai ốc bi.............................. 23
Hình 3.9 - Tổng thể mơ hình 3D sau khi thiết kế ............................................... 26
Hình 3.10 - Kết qua kiểm tra chuyển vị khâu delta ............................................ 26
Hình 3.11 - Kết qua kiểm tra ứng suất khâu delta .............................................. 26
Hình 3.12 - Sơ đồ khối hệ thống mạch điện ....................................................... 27
vii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 3.13 - Sơ đồ ngun lý mạch STM32F4 DISCOVERY ............................ 28
Hình 3.14 - Sơ đồ đấu dây driver DCS3T-26 ..................................................... 29
Hình 3.15 - Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly vi điều khiển-driver ......................... 29
Hình 3.16 - Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp FT232RL-TTL. ............................ 30
Hình 3.17 - Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến MPU6050-GY521........................ 31
Hình 3.18 - Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn LM2576HV-5V................................ 32
Hình 3.19 - Mơ hình Delta Robot 3D trong SolidWorks .................................... 33
Hình 3.20 - Khối Delta Robot chuyển từ Solidwork sang Simulink ................... 33
Hình 3.21 - Bên trong cụm chi tiết dẫn động chính “Column_C” ...................... 34
Hình 3.22 - So sánh giữa quỹ đạo đầu vào và quỹ đạo đầu ra nhìn từ trục Z ...... 35
Hình 3.23 - Sai số động học của Delta Robot .................................................... 35
Hình 4.1 - Tổng quan hệ thống điều khiển Delta Robot ..................................... 36
Hình 4.2 - Tổng quan mơ hình mơ phỏng điều khiển Delta Robot ..................... 37
Hình 4.3 - Sơ đồ động cơ DC ............................................................................ 37
Hình 4.3 - Biểu đồ Bode của hàm truyền động cơ ............................................. 40
Hình 4.4 - Mơ hình đối tượng tổng qt ............................................................ 41
Hình 4.5 - Mơ hình ước lượng tổng quát ........................................................... 42
Hình 4.6 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp tổng quan ............................... 44
Hình 4.7 - Biểu đồ Bode của mơ hình chuẩn ..................................................... 45
Hình 4.8 - Đáp ứng hàm nấc của mơ hình chuẩn ............................................... 46

Hình 4.9 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp đối tượng bậc 2 ...................... 48
Hình 4.10 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp động cơ DC.......................... 49
Hình 4.11 - Khối ước lượng thơng số trực tuyến................................................ 49
Hình 4.12 - Bộ điều khiển theo mơ hình chuẩn .................................................. 49
Hình 4.13 - Mơ hình điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn......................... 50
viii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 4.14 - Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính tổng qt .................................... 51
Hình 4.15 - Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn ................................. 53
Hình 4.16 - Luật MIT cập nhật thông số bộ điều khiển ...................................... 53
Hình 4.17 - Bộ điều khiển tuyến tính ................................................................. 54
Hình 4.18 - Mơ hình thực hiện phương pháp Ziegler–Nichols 2 ........................ 54
Hình 4.19 - Đáp ứng của Delta Robot ở biên giới ổn định ................................. 55
Hình 4.20 - Đáp ứng vị trí của động cơ điều khiển bằng Driver DCS3T-26 ....... 55
Hình 4.21 - Giao diện chương trình điều khiển .................................................. 56
Hình 4.22 - Module thiết lập cổng kết nối ......................................................... 57
Hình 4.23 - Module thiết lập thơng số mơ phỏng sàn tàu theo dạng sóng Airy... 57
Hình 4.24 - Module test vị trí di chuyển ............................................................ 58
Hình 4.25 - Nút đưa cơ cấu Delta về vị trí home................................................ 58
Hình 4.26 - Module bật mơ phỏng ..................................................................... 58
Hình 4.27 - Module xem góc hồi tiếp ................................................................ 58
Hình 4.28 - Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab Simulink ................................. 58
Hình 4.29 - Cửa sổ xem mơ phỏng động học trong Simechanic ......................... 59
Hình 4.30 - Lưu đồ giải thuật ngắt UART ......................................................... 59
Hình 4.31 - Lưu đồ giải thuật hàm điều khiển chính .......................................... 61
Hình 4.32 - Lưu đồ giải thuật điều khiển tuần tự. .............................................. 62
Hình 5.1 - Thơng số ước lượng của động cơ DC ............................................... 64
Hình 5.2 - Thông số ước lượng được cập nhật trực tuyến .................................. 65

Hình 5.3 - Đáp ứng tốc độ của động cơ DC và mơ hình chuẩn .......................... 65
Hình 5.4 - Đáp ứng tốc độ động cơ với

= 2 ................................................... 66

Hình 5.5 - Đáp ứng tốc độ động cơ theo

và điều khiện đầu............................. 67

Hình 5.6 - Chất lượng đáp ứng tốc độ động cơ không ổn định ........................... 67
ix


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 5.7 - Thơng số bộ điều khiển khơng chắc hội tụ đến giá trị đúng............... 68
Hình 5.8 - Đáp ứng vị trí của ba khâu trượt khi di chuyển theo đoạn thẳng........ 68
Hình 5.9 - Sai số vị trí của ba khâu trượt khi di chuyển theo đoạn thẳng............ 69
Hình 5.10 - Đáp ứng vị trí của đầu công tác khi di chuyển theo đoạn thẳng ....... 69
Hình 5.11 - Sai số vị trí của đầu cơng tác khi di chuyển theo đoạn thẳng ........... 70
Hình 5.12 - Sai số vị trí khi chỉnh giá trị ban đầu của thơng số ước lượng ......... 70
Hình 5.13 - Sai số vị trí khâu khi chỉnh giá trị ban đầu của thơng số ước lượng . 71
Hình 5.14 - Đáp ứng vị trí đầu cơng tác khi di chuyển theo mơ hình sóng Airy . 71
Hình 5.15 - Sai số vị trí đầu cơng tác khi di chuyển theo mơ hình sóng Airy ..... 72
Hình 5.16 - Mơ hình thực nghiệm ..................................................................... 73
Hình 5.17 - Thước đo để xác định sai số lặp lại của động cơ ............................. 73

x


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng thông số vòng đệm con lăn chéo RU42 .................................... 21
Bảng 3.2: Bảng thông số thanh trượt SEBWD14 ............................................... 21
Bảng 3.3: Bảng thơng số cụm vít me thanh trượt KR30H-A .............................. 21
Bảng 3.4: Thơng số các chi tiết nhơm định hình sử dụng ................................... 22
Bảng 3.5: Khối lượng của các chi tiết trong mơ hình 3D ................................... 23
Bảng 3.6: Ngun lý hoạt động của Driver DCS3T-26 ..................................... 29
Bảng 3.7: Thông số điện áp nguồn cho hệ thống ............................................... 31
Bảng 3.8: Thông số điện áp nguồn cho hệ thống ............................................... 32
Bảng 4.1: Thông số động cơ DC ....................................................................... 38
Bảng 5.1: Kết quả thực nhiệm sai số lặp lại ....................................................... 74

xi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề
Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh, do đó khối lượng hàng hóa lưu

thơng tăng lên cả về hai mặt số lượng và giá trị. Đồng thời nước ta có vị trí địa lý quan
trọng trong khu vực châu Á, nằm trong khu vực có mạng lưới vận chuyển hàng hóa bằng
đường biển năng động vào bậc nhất trên thế giới. Mặt khác, với hơn 3,260km bờ biển,
Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển vận tải biển và các dịch vụ khác liên
quan đến biển.
Bên cạnh những ưu điểm về khối lượng luân chuyển lớn và chi phí thấp thì vận tải
biển vẫn cịn tồn tại những rủi ro dẫn đến tổn thất hàng hóa. Trong đó, việc va đập và
chịu tác dụng lực từ nhiều hướng trong suốt quá trình di chuyển của tàu là ngun nhân

chính dẫn đến tổn thất đó.
Để giải quyết vấn đề nêu trên, đề tài đã tiến hành thiết kế một hệ thống mô phỏng
chuyển động của sàn tàu thủy nhằm mục đích tạo ra các dao động mơ phỏng theo chuyển
động của sàn tàu thủy. Hệ thống sẽ hỗ trợ cho cơng tác nghiên cứu, phân tích và đánh
giá những yếu tố tác động lên hàng hóa khi vận chuyển trên tàu thủy. Từ đó đánh giá
tính hiệu quả, đưa ra được giải pháp tối ưu trong khâu sắp xếp, cố định hàng hóa trên
tàu thủy. Để đạt được yêu cầu đó, luận văn đã sử dụng cơ cấu Delta Robot kết hợp với
một cụm đỡ sau mô phỏng ba chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển động tiến,
lùi, quay trái, quay phải, nâng lên và hạ xuống. Mơ hình mơ phỏng và mơ hình cơ khí
của robot được hiện thực giúp ta nghiên cứu, kiểm chứng mơ hình tốn, xây dựng giải
thuật thích nghi để khử sai số mơ hình và nhiễu, nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển.
1.2
1.2.1

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Giới thiệu các thiết kế mô phỏng chuyển động
Trong lịch sử, đã có nhiều mơ hình được thiết kế để mô phỏng chuyển động của

máy bay, tàu thuyền, phục vụ cho công tác đào tạo. Năm 1910, một trong những mơ
hình mơ phỏng máy bay đầu tiên được tạo ra bởi Sanders Teacher. Thiết kế của Sanders
Teacher là một khớp cầu nối đất, cho phép xoay theo 3 trục.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.1 - Hệ thống mơ phỏng máy bay của Sanders Teacher vào năm 1910
Các mơ hình thiết kế hai bậc tự do được phát triển nhiều vì tính đơn giản của nó.
Mơ hình cho phép chuyển động tịnh tiến hoặc xoay.

Hình 1.2 - Hệ thống mơ phỏng chuyển động hai bậc tự do hai khớp xoay
Tiếp theo đó là các thiết kế ba bậc tự do, sử dụng ba khớp trượt hoặc ba khớp xoay.
Cơ cấu thường tạo một mặt phẳng có khả năng tạo một chuyển động tịnh tiến và hai
chuyển động xoay. Các thiết kế này thường được điều khiển bằng cơ cấu thủy lực, khí
nén nên chất lượng điều khiển kém. Ngày nay, người ta thay thế các cơ cấu thủy lực,
khí nén bằng trục dẫn động vít-me hay động cơ điện.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.3 - Hệ thống mơ phỏng lái xe ô tô ba bậc tự do.
Và cơ cấu sàn chuyển động với 6 bậc tự do lần đầu tiên được thiết kế bởi Gough
và Sterwart. Cơ cấu sử dụng 6 khớp tịnh tiến cho phép mặt sàn trượt và xoay theo 3 trục
trong hệ tọa độ Đề-Các. Ban đầu, các khớp của cơ cấu được điều khiển bằng khí nén
hoặc thủy lực, sau được thay thế bằng các cơ cấu tác động tuyến tính chạy bằng điện
nên chất lượng điều khiển được cải thiện rất nhiều. Hệ thống mơ phỏng chuyến bay tồn
diện CAE 7000 có một hệ thống tiêu biểu theo dựa theo thiết kế của Gough và Sterward.
Hệ thơng cho phép tái tạo nhiều tình huống bay, giúp đào tạo phi cơng hiệu quả, an tồn
và tiết kiệm.

Hình 1.4 - Hệ thống mơ phỏng máy bay CAE 7000 series A320 FFS

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.2.2

Các nghiên cứu liên quan
Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển Delta Robot trong nước và thế giới

như:
 Modeling and control of a Delta-3 robot của André Olsson : trình bày về vấn đề
mơ hình hóa Delta Robot loại Inclined (khớp cầu), sử dụng 3 mơ-tơ và 3 driver để điều
khiển. Đề tài cịn đề cập đến các bài toán động học, động lực học. Bài toán động học
được sử dụng để tạo quỹ đạo chuyển động cho 3 cánh tay,tương ứng với chuyển động
của đầu công tác. Phần động lực học được nghiên cứu với Similink Model.
 Optimal Design of the Linear Delta Robot for Prescribed Cuboid Dexterous
Workspace based on performance chart của các tác giả Qiaoling Yuan, Shiming Ji,
Zhongfei Wang, Guan Wang, Yuehua Wan và Li Zhan. Đề tài cũng giải quyết các bài
toàn động học, động lực học và chủ yếu đánh giá về không gian làm việc, sai số của mơ
hình, khơng đi sâu vào giải thuật điều khiển.
 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DELTA ROBOT MÔ
PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY của Nguyễn Đức Thiên Văn. Đề tài tập
trung giải quyết phần thiết kế cơ khí, mạch điện, lập trình vi điều khiển cho mơ hình
Delta Robot, sử dụng luật điều khiển vịng hở.
Tựu trung lại, chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào về áp dụng giải thuật hồi
tiếp vịng kín để điều khiển cơ cấu Delta Robot, mà đặc biệt hơn là cơ cấu có sử dụng
khớp Các-đăng thay vì khớp cầu như mơ hình truyền thống (mơ hình hóa phức tạp hơn,
sai số mơ hình cao hơn). Đó cũng là mục tiêu chính của đề tài này hướng tới.
1.3

Dao động của tàu thủy
Một chuyển động đầy đủ trong khơng gian gồm có:
 3 chuyển động tịnh tiến:


tịnh tiến dọc theo phương x (surge)



tịnh tiến dọc theo phương y (sway)



tịnh tiến dọc theo phương z (heave)

 3 chuyển động xoay:


quay quanh trục x (roll)



quay quanh trục y (pitch)



quay quanh trục z (yaw)
4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong các chuyển động trên, ba chuyển động: trượt dọc (surge), trượt ngang (sway)
và quay trở (yaw) là những chuyển động quan trọng nhất trong lĩnh vực điều khiển tàu.
Chuyển động quan trong thứ tư là lắc ngang (roll), thường liên quan đến việc thiết kế hệ
thống giảm chấn, để tránh sự hư hỏng hàng hóa và cải thiện điều kiện làm việc của

thuyền viên và hành khách trên tàu (chống say sóng).

1.4

Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn.
Mục tiêu đề tài là áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện và điều khiển, trên

cơ sở tính tốn, thiết kế mơ hình mơ phỏng trên Matlab Simulink có khả năng tạo các
chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển động tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng
lên và hạ xuống. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi nhằm mơ phỏng chuyển động sàn tàu
theo quỹ đạo cho trước, đồng thời khử sai số động học, đảm bảo chất lượng điều khiển
khi tải thay đổi.
Nhiệm vụ cụ thể của đề tài như sau:
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của Delta Robot: bài toán động học, động lực học và
khơng gian làm việc
 Mơ hình hóa cơ cấu Delta Robot, cơ cấu chấp hành
 Mơ phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab Simulink
 Xây dựng hệ điều khiển thích nghi: điều khiển sàn tàu thủy bám theo quỹ đạo
mong muốn, khử sai số mơ hình, đảm bảo chất lượng điều khiển khi tải hay thông số
mơ hình thay đổi
 Áp dụng giải thuật điều khiển trên cơ cấu Delta Robot
1.5

Tổ chức luận văn
Tổng thể luận văn gồm bảy chương chính, trong đó:
 Chương 1 TỔNG QUAN: đề cập về các vấn đề thực tiễn, tình hình nghiên cứu

trong và ngồi nước, nhiệm vụ của đề tài
 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT: giải quyết các bài toán
động học, động lực học thuận và ngược, mơ hình hóa delta robot và khơng gian làm việc

của cơ cấu delta robot được chọn
 Chương 3 MƠ HÌNH CƠ KHÍ, MẠCH ĐIỆN VÀ MƠ PHỎNG: trình bày thiết
kế cơ khí, mơ hình mơ phỏng trên Matlab và thiết kế mạch điện
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN: thiết kế các giải thuật điều kiển, bộ
điều khiển thích nghi, điều khiển mơ hình mơ phỏng và mơ hình cơ khí
 Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ: áp dụng các bộ điều khiển
được thiết kế ở Chương 4, đánh giá kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
2.1

Bậc tự do của Vertical linear Delta robot
Số bậc tự do của robot có thể tính theo cơng thức Kutzback sau:
= 6( − − 1) + ∑

−

(2.1)

Trong đó: n là số khâu, j là số khớp,

là số khớp loại i,

Với loại Vertical linear delta robot thì n = 11, j = 15,

: là số khớp bị trùng

=6,

=12,

=3, ta có:

= 6(11 − 15 − 1) + (12.3 + 3.1) − 6 = 3
Như vậy, số bậc tự do của Vertical linear delta robot là ba.
2.2

Động học

2.2.1

Động học ngược

Để thuận tiện cho việc tính tốn, sơ đồ Vertical linear delta robot được vẽ lại như
sau:
Z’
B1

B3

X’
O’ r

Y’

B2

L

L
L

D3

D1
D2
z1

z3

z2
A1

Z

A3

X
R

O
Y

A2

Hình 2.1 - Hệ tọa độ gắn với robot
Hệ tọa độ { }:

có tâm O là tâm của tam giác đều A A A , hướng của trục

x trùng với hướng OA ⃗ và trục z vng góc với mặt phẳng (A A A ).
Hệ tọa độ { ’}: ’ ’ ’ ’ có tâm O’ (đầu cơng tác) là tâm của tam giác đều B B B ,
hướng của trục x’ trùng với hướng O′B ⃗ và trục z’ vuông góc với mặt phẳng (B B B ).
7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
Tọa độ điểm ’ trong hệ tọa độ { } :
= , ′

giác đều, ta có:
=

,

Trong đó:

= ,

=( .
= 0;

= ( , , ) . Dựa vào tính chất của tam

= .
, .

=

;

, )

= 1, 2, 3

=−

= ( , , ) của đầu cơng tác O’ suy

Bài tốn động học ngược: biết tọa độ
ra độ cao

(2.2)

của từng khâu trượt.

D1
R

X

α2

Y

α3
O

R

R

D2

D3

Hình 2.2 - Toạ độ điểm

trong hệ tọa độ

B1
r
Y’

X’

α2

α3
O’

r

r

B2

B3
trong hệ tọa độ ’ ’ ’ ’

Hình 2.3 - Toạ độ điểm
Tọa độ điểm
=( .
Tọa độ điểm

trong hệ tọa độ { ’}:
,

.

,

0) ,

= 1, 2, 3

trong hệ tọa độ { }:

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
=

+

′

=( .

+ , .

+ , ) ,

= 1, 2, 3

(2.4)

Mặt khác, ta có :
D B⃗ = ,

= 1, 2, 3

(2.5)

Từ (3.4) và (3.5) ta có phương trình sau :
( −

) +( −

) +( − ) =

,

= 1, 2, 3

(2.6)

Giải (3.6) ta được phương trình động học ngược của Delta robot :
= ±

−( −

) −( −

) ,

= 1, 2, 3

(2.7)

Trong đó:
= ( − ).

(2.8)

= ( − ).

(2.9)

Vì vậy, phương trình động học ngược của Delta robot là:
=
2.2.2

−

−( −

) −( −

) ,

= 1, 2, 3

(2.10)

Động học thuận
Bài toán động học thuận: biết độ cao

của từng khâu trượt suy ra tọa độ

=

( , , ) của đầu cơng tác O’.
Xét ba hình cầu có tâm (

) là các khâu trượt, bán kính L là chiều dài 3 cặp khâu

thụ động truyền động trực tiếp cho khâu tác động cuối. Ba hình cầu này giao nhau tại
hai điểm, giao điểm thứ nhất có giá trị z lớn hơn giá trị z của giao điểm thứ hai. Vì cơ
cấu là Inverse delta robot, có trục Oz hướng lên nên tọa độ đầu công tác O’ sẽ là giao
điểm thứ nhất.

Hình 2.4 - Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
Tọa độ các điểm
=[

,

,

]

Với bán kính L, ta được hệ ba phương trình hình cầu như sau:
−

+

Hay ( −

−

+

−

) +( −

=
) +

(2.11)
−

=

(2.12)

Với sự trợ giúp của máy tính, hệ ba phương trình (2.12) sẽ được giải và có hai
nghiệm là hai giao điểm như được nêu ở trên. Ta chọn nghiệm có giá trị z lớn hơn.
2.3

Ma trận Jacobian
Từ phương trình (2.6) lấy đạo hàm theo thời gian ta được:
( − ) ̇ =( −

) ̇ +( −

) ̇ +( − ) ̇

(2.13)

Phương trình (2.13) có thể viết lại dưới dạng như sau:
̇=

̇

(2.14)

Trong đó: ̇ là vector vận tốc đầu vào được xác định bởi ̇ = ( ̇ ,

̇, ̇)

̇ là vector vận tốc đầu ra được xác định bởi ̇ = ( ̇ , ̇ , ̇)
Khi đó ma trận A, B xác định như sau:
=

( −
−
−
−

=

, −

, −

−
−
−

−
−
−

Do đó ma trận Jacobian
Trường hợp 1:

=

( ) = 0 và

det( ) = 0 ⟺ ( −
⟺

)

). ( −

(2.15)
( ) ≠ 0:
). ( −

)=0

=
=
=

Trường hợp này xảy ra khi một trong 3 khâu hình bình hành song song với mặt
phẳng O-xy.
10


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
( ) ≠ 0 và

Trường hợp 2:

( ) = 0

det( ) = 0
⟺( −
+( −

)( −
)( −

−( −

)( −

)( −

√3 −

Đặt:

)+( −
)−( −

)( −

)( −

=

√

−

=−

√

−

= √3 −
=−

+

√

√

√

√

√

( − )

+

√

)

)( −

)( −

)=0

−

1
√3
√3
( − )
−
+
2
2
2

( − ))] = 0

(2.16)

( − )

( − )

( − )

Như vậy (3.16) tương đương với:

Trường hợp:

)

)( −

)−( −

( − ) + (−

)( −

)( −

1
√3
√3
( − ) +
−
+
2
2
2

⟺ [ − ][

+

)( −

−

− =0
+
+

+
=0
=0

=0⇒
= +

−

=0

,

= 1, 2, 3

−

Trường hợp này thì 3 khâu hình bình hành song song đơi một với nhau.
Trường hợp:
Để ý rằng

+

+

+ + +

+

=0

=0

(2.18)

Đồng nhất thức (2.17) và (2.18) ta được:
=1
⎡
=1
⎢
⟺⎢
=1
⎢
=1
⎣

(2.17)

− =0
=0
=0

=0
= −
11