Tài liệu điều khiển phi tuyến hệ agv​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM PHẠM QUỐC THIỆN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử Mã số ngành : 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM PHẠM QUỐC THIỆN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử Mã số ngành : 60520114 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến TS. Nguyễn Quốc Hưng TS. Nguyễn Hùng TS. Võ Hoàng Duy TS. Ngô Cao Cường Chức danh hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM , ngày..… tháng ….. năm ……. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM QUỐC THIỆN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22/2/1988 Nơi sinh: ĐỒNG NAI Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1241840017 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ AGV. II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu hệ thống AGV, mô hình hóa hệ thống AGV, thiết lập bộ điều khiển phi tuyến trên cơ sở ổn định của Lyapunov. Chương 1: Mở đầu. Chương 2: Tổng quan về AGV. Chương 3: Mô hình toán học AGV. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường. Chương 5: Thiết kế, thi công AGV và mô phỏng hệ thống trên Matlab. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. 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. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Phạm Quốc Thiện ii LỜI CÁM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học, quý Thầy cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS. Nguyễn Thanh Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2014 Người thực hiện luận văn Phạm Quốc Thiện iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong bài báo này, một bộ điều khiển phi tuyến dựa trên phương pháp Lyapunov được đề xuất và áp dụng cho xe tự hành. Đầu tiên quỹ đạo − 3 (G ) với đa thức bậc 7 được thiết kế. Thứ hai, dựa vào vị trí được ước lượng của xe tự hành, bộ điều khiển này làm cho xe tự hành bám theo quỹ đạo G3 và di chuyển với vận vận tốc không đổi. Sự ổn định của hệ thống được chứng minh bằng phương pháp Lyapunov. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm được trình bày để chứng minh tính hiệu quả của bộ điều khiển được đề xuất. iv ABSTRACT In this paper, a nonlinear controller base on Lyapunov method is proposed and applied for wheel mobile robot (WMR). First, trajectory − (G3) with 7th order polinom is designed for WMR. Then, based on the estimated position of the WMR, this controller makes WMR follow trajectory G3 which is moving with desired constant velocity. The stability of system is proved by the Lyapunov stability theory. The simulations and experimental results are shown to prove the effectiveness of the proposed controller. v MỤC LỤC Tên đề mục Trang Lời cam đoan ...........................................................................................................i Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii Tóm tắt luận văn .....................................................................................................iii Abstract ...................................................................................................................iv Mục lục ................................................................................................................... v Danh mục các từ viết tắt ........................................................................................ vii Danh mục các bảng biểu ........................................................................................viii Danh mục các sơ đồ, hình ảnh ................................................................................ix Chương 1: Mở đầu ................................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................... 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 1 1.3 Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 2 1.4 Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 2 1.5 Phương pháp luận ........................................................................................ 2 1.6 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 3 1.7 Nội dung luận văn ........................................................................................ 3 Chương 2: Tổng quan về AGV ............................................................................ 4 2.1 Sơ lược quá trình phát triển của AGV ...................................................4 2.2 Phân loại AGV.......................................................................................5 2.2.1 Tàu không người lái ........................................................................5 2.2.2 Xe nâng pallet .................................................................................6 2.2.3 Xe chở hàng ...................................................................................7 2.3 Tóm tắt các công trình nghiên cứu ........................................................8 2.4 Nhận xét và hướng tiếp cận ..................................................................32 Chương 3: Mô hình toán học của AGV ............................................................. 33 3.1 Cấu trúc AGV ............................................................................................. 33 vi 3.2 Xây dựng phương trình động học ............................................................... 34 3.3 Xây dựng quỹ đạo đường đi cho AGV ...................................................... 36 Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường ................................. 39 4.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 39 4.1.1 Giới thiệu phương pháp Lyapunov ................................................39 4.1.2 Điểm cân bằng của hệ phi tuyến ....................................................39 4.1.3 Ổn định tại điểm cân bằng .............................................................41 4.1.3.1 Định nghĩa ............................................................................41 4.1.3.2 Ổn định và ổn định tiệm cận Lyapunov .................................41 4.1.4 Phương pháp tuyến tính hóa Lyapunov ...........................................42 4.1.5 Phương pháp trực tiếp Lyapunov ...................................................44 4.1.5.1 Định lý ổn định Lyapunov .....................................................44 4.1.5.2 Định lý không ổn định Lyapunov ..........................................45 4.2 Thiết kế bộ điều khiển ................................................................................ 47 4.3 Hệ thống đo lường ...................................................................................... 48 Chương 5: Thiết kế thi công AGV và mô phỏng .............................................. 51 5.1 Thiết kế mô hình ......................................................................................... 51 5.2 Thiết kế mạch điện ..................................................................................... 53 5.3 5.4 5.2.1 Phương án thiết kế ............................................................................... 53 5.2.2 Sơ đồ nguyên lý ................................................................................... 54 5.2.3 Thiết bị sử dụng ................................................................................... 57 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ............................................................. 60 5.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp 1........................................................... 61 5.3.2 Kết quả mô phỏng trường hợp 2 .......................................................... 63 Kết luận và hướng phát triển ...................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AGV Automated Guided Vehicles GPS Global Positioning System WMR Wheel Mobile Robot RF Radio Frequency FL Feedback Linearization SMC Sliding Mode Control FSMC Fuzzy Sliding Mode Control WP Way Point cm centimeter s second DC Direct Current RPM Revolutions Per Minute viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Luật điều khiển mờ ...........................................................................19 Bảng 2.2 Giá trị thông số của AGV .................................................................27 Bảng 2.3 Giá trị khởi tạo ban đầu ...................................................................27 Bảng 5.1 Thông số mô phỏng ................................................................................ 60 ix DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH Trang Hình 2.1 AGV dạng tàu không người lái 6 Hình 2.2 AGV dạng xe nâng pallet 7 Hình 2.3 AGV dạng xe chở hàng 8 Hình 2.4 Phương pháp tính toán vị trí 9 Hình 2.5 Môi trường thực nghiệm 10 Hình 2.6 Kết quả khi sử dụng bộ lọc Kalman 10 Hình 2.7 Dữ liệu vị trí 11 Hình 2.8 Sơ đồ khối của vòng điều khiển robot di động Hình 2.9 bám theo quỹ đạo G3 12 Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo thực của robot 12 Hình 2.10 Robot di động hai bánh 13 Hình 2.11 Vị trí thật và mục tiêu của robot 13 Hình 2.12 Đáp ứng vận tốc của bánh trái và phải 14 Hình 2.13 Sai số quỹ đạo , , 14 Hình 2.14 Sơ đồ khối vòng điều khiển mobile robot Hình 2.15 Điều khiển vòng kín với = 0.6 , 15 =2 để mô phỏng robot. Quỹ đạo robot tín hiệu ngõ ra với nhiễu và tín hiệu ngõ vào Hình 2.16 Điều khiển vòng kín với = 0.6 , 16 =2 để mô phỏng robot. Quỹ đạo robot tín hiệu ngõ ra với nhiễu và tín hiệu ngõ vào 17 Hình 2.17 Sơ đồ khối SMC 18 Hình 2.18 Sơ đồ khối FSMC 19 Hình 2.19 Hàm membership của ngõ vào-ngõ ra , ̇ , 20 Hình 2.20 WMR bám theo quỹ đạo tham chiếu 20 x Hình 2.21 Sai số ( − ) 21 Sai số ( − ) 21 Hình 2.22 Hình 2.23 Tín hiệu điều khiển torque cho bánh phải Hình 2.24 Sai số góc định hướng Hình 2.25 − Sai số ( Sai số ( 23 − ): (a) FL; (b) đường chấm chấm-SMC, đường liền-FSMC Hình 2.27 22 WMR bám theo quỹ đạo tham chiếu: (a) FL; (b) đường chấm chấm-SMC, đường liền-FSMC Hình 2.26 22 23 − ): (a) FL; (b) đường chấm chấm-SMC, đường liền-FSMC Hình 2.28 Sai số góc định hướng 24 − : (a) FL; (b) đường chấm chấm-SMC, đường liền-FSMC 24 Hình 2.29 Tín hiệu điều khiển torque cho bánh phải: (a) FL; (b) đường chấm chấm-SMC, đường liền-FSMC Hình 2.30 Lưu đồ giải thuật điều khiển tuyến tính hồi tiếp Hình 2.31 25 26 Quỹ đạo mong muốn của AGV có dạng đường thẳng ( y = x ) 26 Hình 2.32 Quỹ đạo của AGV ở thời gian ban đầu 28 Hình 2.33 Sai lệch vị trí trong toàn thời gian 28 Hình 2.34 Vận tốc tuyến tính của AGV trong toàn thời gian 29 Hình 2.35 Vận tốc góc của bánh phải và bánh trái đối với quỹ đạo là đường thẳng 29 Hình 2.36 Véc tơ điều khiển đầu vào 30 Hình 2.37 Véc tơ điều khiển đầu vào u 30 Hình 2.38 Véc tơ điều khiển đầu vào mới 31 Hình 3.1 Mô hình động học của WMR 33 Hình 3.2 Khái niệm về AGV bám theo quỹ đạo tham chiếu 36 Hình 3.3 Quỹ đạo G3 đi qua hai điểm A và B 38 Hình 4.1 Sơ đồ khối của vòng điều khiển AGV bám quỹ đạo G3 49 xi Hình 5.1 Bánh xe dùng cho động cơ có bộ giảm tốc đường kính 100 mm 51 Hình 5.2 Động cơ DC Tsukasa TG-35F-AG-18-A27 51 Hình 5.3 Bánh xe omni nhôm 52 Hình 5.4 Mô hình AGV mô phỏng 52 Hình 5.5 Cấu hình hệ thống điều khiển 53 Hình 5.6 Mạch nguồn 5 VDC 54 Hình 5.7 Mạch vi điều khiển Pic 18f4550 54 Hình 5.8 Khối giao tiếp I2C và RS232 55 Hình 5.9 Khối hiển thị 55 Hình 5.10 Mạch vi điều khiển Pic 18f4431 56 Hình 5.11 Mạch kết nối encoder 56 Hình 5.12 57 Pic 18F4550 và 18F4431 Hình 5.13 HM-TR/TTL/433 57 Hình 5.14 Mạch cầu H đôi 58 Hình 5.15 Pin 18650 58 Hình 5.16 AGV được thi công 59 3 Hình 5.17 AGV bám theo quỹ đạo G trường hợp 1 61 Hình 5.18 Sai số tiếp tuyến và sai số định hướng trường hợp 1 61 Hình 5.19 Vận tốc góc bánh phải và bánh trái trường hợp 1 62 Hình 5.20 Kết quả đo giá trị ước lượng của AGV trường hợp 1 62 e1 được ước lượng trường hợp 1 63 Hình 5.22 e2 được ước lượng trường hợp 1 63 e3 được ước lượng trường hợp 1 64 Hình 5.21 Hình 5.23 Hình 5.24 3 AGV bám theo quỹ đạo G trường hợp 2 65 Hình 5.25 Vec-tơ sai số trường hợp 2 65 Hình 5.26 Vận tốc góc bánh phải và bánh trái trường hợp 2 66 Hình 5.27 Kết quả đo giá trị ước lượng của AGV trường hợp 2 66 Hình 5.28 e1 được ước lượng trường hợp 2 67 Hình 5.29 e2 được ước lượng trường hợp 2 67 xii Hình 5.30 e3 được ước lượng trường hợp 2 68 1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Một hệ thống được gọi là thông minh và tự động khi nó có thể cảm nhận và tương tác với môi trường bên ngoài hoặc có thể tích hợp những ứng dụng phục vụ nhu cầu cuộc sống của con người hằng ngày, những yếu tố đó đã thúc đẩy sự phát triển trong các lĩnh vực về trí thông minh nhân tạo, lý thuyết điều khiển, xe tự hành, robot v.v. Việc nghiên cứu này rất phức tạp, các hệ thống tự động đang dần dần trở thành một phần cuộc sống của chúng ta. Trong thời gian gần đây có những cải tiến của hệ thống robot về ứng dụng khác nhau như trong nhà và ngoài trời, từ các hệ thống giao vận tải, giao thông công cộng, hệ thống an ninh để ứng dụng cho quân sự v.v. Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, mở cửa hợp tác với các nhà đầu tư nước ngoài để xây dựng như khu công nghiệp phát triển như hiện nay, trong đó vấn đề về tự động hóa dây chuyền sản xuất có vai trò quan trọng. Đối với lĩnh vực sản xuất kinh doanh, các nhà đầu tư luôn phải giải các bài toán về giảm chi phí đầu vào, tăng năng suất, tăng lợi nhuận, chất lượng sản phẩm tốt, giảm sức lao động con người. Việc vận chuyển hàng hóa vào kho mà bất cứ dây chuyền sản xuất nào cũng phải có thì sự xuất hiện của xe forklift không người lái (Automated Guided Vehicle) hay còn gọi là AGV vào những năm 50 đã giúp các nhà sản xuất tiết kiệm thời gian, tiền bạc, và sức lao động. Ngày nay nền công nghiệp sản xuất AGV phát triển mạnh mẽ, các nhà sản xuất có thể lựa chọn những loại AGV phù hợp với công ty của họ như AGV vận chuyển đồ uống, giấy, lon, lắp ráp ô tô, thực phẩm v.v. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài AGV là một thay thế hiệu quả cho forklift vì nó hoạt động liên tục, tăng độ tin cậy. Theo ước tính ở các nước Tây Âu và các nước có nền kinh tế phát triển, số tiền phải trả cho người điều khiển forklift là 40.000 USD/năm cộng với chi phí bảo trì xe 2 thì con số thật không nhỏ, AGV sẽ là hướng giải quyết số chi phí này. Một điểm đáng lưu ý của các sản xuất ngoài hiệu quả công việc đó là an toàn, AGV sẽ thay thế xe folklift thông thường, nó giúp người lao động tránh được tai nạn trong vận chuyển hàng hóa và trong môi trường độc hại. Vì vậy được sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thanh Phương, luận văn này nghiên cứu đề tài: “Điều khiển phi tuyến hệ AGV“ dựa trên mô hình mobile robot, ứng dụng matlab để kiểm chứng và xây dựng mô hình thực nghiệm. 1.3 Mục tiêu của đề tài - Mục tiêu trước mắt: chủ yếu nghiên cứu để thiết kế AGV dựa trên mô hình mobile robot, bám theo quỹ đạo đường đi được định trước để tiếp cận mục tiêu. - Mục tiêu lâu dài: hoàn thiện AGV có thể làm việc cùng lúc trong không gian lớn với nhiều AGV khác, chúng sẽ được lập trình để nhường đường theo mức độ ưu tiên để tránh tình trạng va chạm vào nhau. Tất cả những xe AGV này sẽ được quản lý qua máy tính. 1.4 Nội dung nghiên cứu - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trên cơ sở ổn định của Lyapunov. - Xây dựng mô hình thực nghiệm. - Sử dụng phương pháp ước lượng để xác định vị trí của AGV. - Thiết kế bộ điều khiển vật lý để điều khiển AGV theo quỹ đạo. 1.5 Phương pháp luận - Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tâm, nghiên cứu về AGV. - Tìm hiểu phương pháp ước lượng để xác định vị trí. - Tìm hiểu thiết kế quỹ đạo − với đa thức bậc 7. - Tìm hiểu thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trên cơ sở ổn định của Lyapunov. - Luận văn này cung cấp một mô hình điều khiển AGV có thể ứng dụng trong thực tế. 3 1.6 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, sách, các bài báo và internet v.v. - Nghiên cứu mô hình động học của WMR. - Nghiên cứu lý thuyết ổn định Lyapunov. - Nghiên cứu phần mềm Matlab. - Lập trình mô phỏng trên Matlab, lập trình phần mềm vi điều khiển cho hệ thống AGV. 1.7 Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm 5 chương: Chương 1: Mở đầu. Chương 2: Tổng quan về AGV. Chương 3: Mô hình toán học AGV. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và hệ thống đo lường. Chương 5: Thiết kế thi công AGV và mô phỏng hệ thống trên Matlab. 4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ AGV 2.1 Sơ lược quá trình phát triển của AGV AGV (viết tắt của Automated Guided Vehicles) là xe tự hành di chuyển theo những con đường được xác định, dựa vào tín hiệu từ dây được bố trí dưới sàn nhà hoặc từ cảm biến thị giác kết hợp với các thuật toán chuyển động để xử lý. Trong công nghiệp, AGV là xe tải không người lái, thường được trang bị động cơ điện và ắc quy. AGV đầu tiên được đưa ra thị trường vào những năm 1950 bởi Barrett, và vào thời điểm đó nó chỉ đơn giản là một chiếc xe tải kéo một toa hàng hóa trong nhà kho, sử dụng một dây trên cao để định hướng di chuyển. Công nghệ AGV bắt đầu trở lại vào 1962 khi Goran Netzler và Anders Dahlgren sáng lập NDC Sweden, chủ yếu tập trung vào các công nghệ mới về thiết kế và tiêu chuẩn hóa các giải pháp mô-đun điện công nghiệp và bộ phận điều khiển để đáp ứng nhu cầu bảo trì hiệu quả và dễ dàng trong việc giao tiếp giữa các người vận hành và hệ thống. Sự ra đời của công nghệ AGV có thể được công nhận cho những nỗ lực tiên phong của Goran Netzler và Anders Dahlgren đã mang đến cho ngành công nghiệp vận chyển hàng hóa. Sự phát triển lớn đầu tiên cho ngành công nghiệp AGV là sự ra đời của chiếc xe nâng vào 1970, chúng được chấp nhận rộng rãi vì có khả năng liên kết trong việc kiểm soát hệ thống thông tin. Cũng cùng năm đó công nghệ định hướng ra đời, một dây được đặt dưới sàn nhà phát ra tần số và một bộ biến tần cho dây để định hướng cho AGV theo tuyến đường dự kiến. Một ăng-ten trên AGV sẽ tìm ra các tần số và định hướng chiếc xe dựa trên tín hiệu phát ra của dây. Công nghệ này cần nhiều dây trong sàn để xử lý các nút giao thông hoặc điểm quyết định khác. Hệ thống cung cấp năng lượng cho dây sẽ tương ứng với hướng đi mong muốn.