Tài liệu Nhận dạng hệ thống acrobot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Hoài Nam Thái Nguyên - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Ngọc Trung Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý thưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa từng được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên. Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Đỗ Ngọc Trung năm 2014 ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại nhà trường tôi đã tích lũy được khá nhiều kiến thức chuyên nghành. Sau gần hai năm học tập tại nhà trường những học viên chúng tôi được nhận luận văn tốt nghiệp đó là một vinh dự lớn của bản thân. Sau 6 tháng nghiên cứu và làm việc khẩn trương với sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của T.S Nguyễn Hoài Nam (Trường Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Nhận dạng hệ thống Acrobot” đã cơ bản hoàn thành. Trong quá trình thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong nhà trường. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo trong khoa Điện trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam đã tận tâm hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tuy đã rất cố gắng, nhưng luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! iii MỤC LỤC Trang phụ bìa............................................................................................... Lời cam đoan ............................................................................................... i Lời cảm ơn ............................................................................................... ii Mục lục........................................................................................................ iii Danh mục các hình vẽ ................................................................................. vi Danh mục các bảng ................................................................................. vii MỞ ĐẦU……………………………………………………………….…. 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT………………. 4 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT…………………………………………….. 4 1.1 Sơ lược quá trình phát triển…………………………………………… 4 1.2. Những ứng dụng điển hình của robot………………………………... 5 1.3. Phân loại robot………………………………………………..……… 7 2. TỔNG QUAN VỀ ACROBOT………………………………………… 9 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT……. 13 2.1 Lựa chọn mô hình ACROBOT……………………………….……… 13 2.2 Chế tạo mô hình ACROBOT………………………………………... 14 2.2.1. Thanh 1……………………………………………….…………… 15 2.2.2 Encorder của động cơ số 1………………………………………… 16 2.2.3 Động cơ số 2……………………………………………………… 16 2.2.4 Encoder 334 xung…………………………………………………... 18 2.2.5 Thuật toán đo tốc độ động cơ………………………………………. 19 iv 2.2.6 Điều khiển tốc độ và chiều động cơ………………………………… 20 2.2.7 Giới thiệu hộp số (giảm tốc)……………………………….……….. 20 2.2.8. Thanh 2………………………………………………………….. 21 2.3. Giới thiệu Card Arduino……………………………..……………... 22 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT……………… 23 3.1. Phương pháp nhận dạng ACROBOT……………………………… 23 3.2. Xây dựng mô hình toán trong simulink……………………………. 25 3.2.1. Hệ thống ACROBOT……………………………………………… 25 3.2.2. Xác định các tham số cho mô hình ACROBOT…………………. 28 3.3. Xác định các thông số của acrobot…………………………………. 31 3.4. Nhận dạng động cơ điều khiển thanh thứ hai……………………... 33 3.4.1. Các phương pháp nhận dạng hệ tuyến tính……………………… 33 3.4.2 Nhận dạng tham số mô hình ARMA……………………………… 34 3.4.2.1 Nhận dạng bị động tham số mô hình ARMA …………………. 34 3.4.2.2 Nhận dạng bị động khi các tín hiệu vào ra là tiền định ……… 35 3.4.3. Nhận dạng động cơ 38 3.4.3.1. Thu thập dữ liệu mẫu từ động cơ………………………………. 41 3.4.3.2. Nhận dạng sử dụng công cụ Ident trong Matlab……………… 44 3.4.3.3 Xây dựng hàm truyền của động cơ……………………………… 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………… 56 PHỤ LỤC…………………………………………………………………. 57 Phụ lục 1…………………………………………………………………... 57 v Phụ lục 2. ………………………………………………….……………… 58 Phụ lục 3………………………………………………………………….. 59 Phụ lục 4………………………………………………………………….. 60 Phụ lục 5……………………………………………….…………………. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 62 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Nôi dung hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot 9 Hình 1.2: Hệ thống hụt 11 Hình 2.1: Một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm 13 Hình 2.2: Hình ảnh của mô hình Acrobot thực. 14 Hình 2.3: Thanh 1 và 2 động cơ 15 Hình 2.4: Encorder của động cơ số 1. 16 Hình 2.5: Động cơ và các dây nối 17 Hình 2.6: Hình ảnh động cơ DC Encodor 334 xung + giảm tốc 18 Hình 2.7: Hình ảnh Encoder 334 xung 18 Hình 2.8: Hình ảnh và kích thước hộp giảm tốc 20 Hình 2.9: Thanh 2 21 Hình 2.10: Card Arduino Mega 22 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đo vị trí góc cách tay máy 24 Hình 3.2 Hệ thống Acrobot 25 Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu thanh thứ nhất 28 Hình 3.4 Mô hình acrobot trong simulink 31 Hình 3.5: Vị trí góc thực và ước lượng từ mô hình toán 32 Hình 3.6: Sai số giữa vị trí góc thực và vị trí góc từ mô hình toán 33 Hình 3.7: Nhận dạng bị động tham số mô hình ARMA. 35 Hình 3.8-a Đặc tính cơ N-T 39 Hinh 3.8-b Họ các đường đặc tính N-T 40 Hình 3.8-c Đặc tính điện 40 Hình 3.8-d Đặc tính cơ điện 41 Hình 3.9: Sơ đồ tạo tín hiệu tốc độ góc mẫu 42 vii Hình 3.10: Tín hiệu điện áp cung cấp cho động cơ 43 Hình 3.11: Tốc độ góc của động cơ 43 Hình 3.12: Giao diện nhận dạng đối tượng 44 Hình 3.13: Giao diện nhận dang sau khi nhập dữ liệu mẫu 45 Hình 3.14: Giao diện nhận dạng sau khi chọn Preprocess 45 Hình 3.15: Tín hiệu gốc và mới 46 Hình 3.16: Di chuyển dữ liệu mydatad vào Working Data 47 Hình 3.17: Bộ dữ liệu mydatade và mydatadv 47 Hình 3.18: Dữ liệu mydatade và mydatadv 48 Hình 3.19: Di chuyển mydatade và mydatadv vào vùng làm việc 49 Hình 3.20: Giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt 50 Hình 3.21: Hàm truyền đạt sau khi ước lượng 51 Hình 3.22: Hàm truyền đạt 52 Hình3.23: Mô hình động cơ điện một chiều 53 DANH MỤC BẢNG Nội dung bảng Trang Bảng 3.1 Các thông số của acrobot 25 Bảng 3.2 Các thông số của acrobot thực 30 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành tự động hóa đã có những bước tiến quan trọng. Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều về chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp hoặc có tính độc hại cao. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày. Để đáp ứng được những yêu cầu đó, chúng em những chủ nhân tương lai của đất nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của mình trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp một cách đúng đắn và sâu sắc. Acrobot là một ví dụ tiêu biểu cho các hệ thống hụt (số đầu vào điều khiển nhỏ hơn bậc của mô hình). Đây là một hệ thống phi tuyến và rất khó điều khiển, có thể sử dụng làm đối tượng thử nghiệm cho các thuật toán điều khiển phi tuyến mới. Thấy được tầm quan trọng đó, tôi đã chọn đề tài: “Nhận dạng hệ thống acrobot ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm. - Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống acrobot. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Mô hình toán của acrobot. - Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng cho acrobot. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phục vụ việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt. Đây là một hệ thống phi tuyến rất khó điều khiển. Có thể sử dụng hệ thống này như một đối tượng để thử nghiệm các lý thuyết điều khiển điển kinh điển cũng như lý thuyết điều khiển mới. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu Hệ acrobot là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: Xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển… 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1. Nghiên cứu lý thuyết - Xây dựng mô hình toán cho hệ thống acrobot. - Xác định tham số của mô hình cho hệ thống acrobot. 5.2. Phương pháp thực nghiệm - Xác định các thông số cơ, điện của acrobot như hệ số ma sát, mô men quán tính, chiều dài và khối lượng của các thanh và khớp. 3 - So sánh đầu ra của mô hình toán với đầu ra thực của acrobot để kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình. 6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu - 1 máy tính. - Phần mềm Matlab/Simulink. - 1 động cơ chấp hành. - 2 cảm biến đo tốc độ và góc. - 1 card Arduino hoặc tương đương. - Các thiết bị hỗ trợ thiết kế và chế tạo acrobot phần cơ khí. 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Sơ lược quá trình phát triển Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực. Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất. Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph Engelberger người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình. Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã 5 được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả. Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot, một cánh tay cơ khí khác xa với robot, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn. 1.2. Những ứng dụng điển hình của robot. Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn: Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ. Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước. Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành mộtthợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ 6 trong vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại. Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó. Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao. Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi trường sản xuất tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động. Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau. Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm. Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, 7 lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên. Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay hun keo, v.v... Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không. Trong thực tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn. Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất. Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho. Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại. Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn. Robot không phải lúc nào cũng thích hợp với những công việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau. 1.3. Phân loại robot Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau: Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt 8 động, phân loại theo thế hệ robot, phân loại theo bộ điều khiển, phân loại theo nguồn dẫn động. Ví dụ: Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động. Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5). Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị. Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc. - Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc. - Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay. - Robot toạ độ cầu (spherical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay. - Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA. 9 2. TỔNG QUAN VỀ ACROBOT Acrobot là rô bốt phẳng, hai bậc tự do nhưng chỉ có khớp thứ hai được điều khiển như hình 1. Các thông số như chiều dài, khối lượng, vị trí trọng tâm và mô men quán tính của các thanh (link) trong hình 1 được giải thích cụ thể trong phần 3.2.1. Hệ phương trình động lực học của acrobot là một hệ phi tuyến có hai bậc tự do, một đầu vào điều khiển và hai đầu ra. Vấn đề đặt ra là tìm thuật toán điều khiển cho khớp thứ 2 để đưa acrobot từ điểm ban đầu bất kỳ lên vị trí thẳng đứng và điều khiển duy trì nó ở trạng thái thẳng đứng cân bằng không ổn định này. y x Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot x – phương ngang y – phương thẳng đứng Thuật ngữ “Acrobot” được đưa ra tại Berkeley, ở đó những nghiên cứu đầu tiên về điều khiển acrobot được thực hiện bởi Murray và Hauser [1]. Các kết quả thử nghiệm đầu tiên cho Acrobot được thực hiện bởi Bortoff [2], kỹ 10 thuật giả tuyến tính đã được sử dụng để điều khiển acrobot kỹ thuật tuyến tính giả đã được sử dụng để thiết kế cả quan sát và điều khiển để cân bằng Acrobot cùng (không ổn định) cân bằng đa dạng của các cấu hình cân bằng. Tác giả trình bày một thuật toán để xây dựng xấp xỉ với cả hai điều khiển phi tuyến và chuyển đổi phối hợp theo đó một hệ thống phi tuyến đơn đầu vào có một mô hình tiếp tuyến tuyến tính độc lập của các điểm hoạt động của nó. Nhóm R'emi và Loria [3] đã sử dụng mạng nơ ron để đễ xấp xỉ hàm với độ chính xác cao để điều khiển acrobot. Năm (1995), một thuật toán sử dụng năng lượng cho các acrobot được đề xuất. Phương pháp này liên quan đến việc đặt các hệ thống acrobot trong một quỹ đạo có điểm không ổn định, sử dụng một luật điều khiển PD và như vậy không đảm bảo sự ổn định. Fantoni et al. (2000), Fantoni và Lozano (2001) đã trình bày một chiến lược điều khiển đảm bảo cho pendubot với quỹ đạo có điểm không ổn định sử dụng một phương pháp tiếp cận dựa trên năng lượng và các thuộc tính thụ động. Một cách tiếp cận tương tự (Shiriaev và Kolesnichenko 2000) được sử dụng bởi Shiriaevet ổn định pendubot ở vị trí thẳng đứng của nó. Gần đây, các nhà nghiên cứu (Xin và Kaneda 2002) đã trình bày một chiến lược xoay lên dựa vào năng lượng cho acrobot. Nhóm nghiên cứu Sam Duong Châu, Hiroshi Kinjo, Eiho Uezato, và Tetsuhiko Yamamoto [4] đã nghiên cứu điều khiển tương tự cho acrobot thông qua máy tính. Scott và Kevin [5] đã phát triển bộ điều khiển thông minh cho acrobot. Gần đây Mahindrakar và Banavar đã đề xuất một chiến lược điều khiển cho acrobot dựa trên nguyên lý điều khiển con lắc ngược [6]. Tuy nhiên các tác giả mới chỉ đưa ra một mô hình toán của acrobot và mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng nguyên lý điều khiển con lắc ngược. Tác giả Quân [7] đã kiểm tra những kết quả trong bài báo [6] thông qua thiết kế bộ điều 11 khiển và mô phỏng trong Simuink/Matlab. Kết quả mô phỏng cho thấy có thể áp dụng thuật toán điều khiển trong [6] cho acrobot thực. Kết quả trong [7] cho thấy điều kiện chuyển từ bộ điều khiển phi tuyến sang bộ điều khiển tuyến tính lớn hơn so với [6], cụ thể là 0.5. Tác giả trên đã xây dựng một mô hình acrobot trong phòng thí nghiệm dựa vào mô hình toán trong [6]. Tuy nhiên acrobot này còn có nhiều hạn chế, khó có thể dùng làm mô hình để thí nghiệm. Việc điều khiển các hệ thống hụt là một vấn đề mở và có được nhiều sự quan tâm trong điều khiển, mặc dù có một số trường hợp đặc biệt ở đó các hệ thống hụt được điều khiển, có tương đối ít các phương pháp tổng quát. Sự khó khăn đó là hầu hết những vấn đề được quan tâm trong rô bốt hiện nay đều là hụt cơ cấu chấp hành. Các rô bốt có chân bị hụt cơ cấu chấp hành. Xét một rô bốt có chân có N khớp và N cơ cấu chấp hành. Nếu nó không được chốt xuống nền, thì các bậc tự do của hệ thống bao gồm cả các khớp và 6 bậc tự do định nghĩa vị trí và hướng của rô bốt trong không gian. Vì số cơ cấu chấp hành là N nhỏ hơn N+6 bậc tự do của hệ thống, các rô bốt có chân là hụt cơ cấu chấp hành. Tương tự các rô bốt bay, bơi và các cánh tay máy đều có thể xem là các hệ thống hụt cơ cấu chấp hành. Hình 1.2: Hệ thống hụt