BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN AGV NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN AGV Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP Hồ Chí Minh, tháng 04/2015 Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ tên: Nguyễn Anh Tuấn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 11 – 11 - 1990 Nơi sinh: Kon Tum Quê quán: Khánh Cư – Yên Khánh – Ninh Bình Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 270 Sư Vạn Hạnh – Kon Tum – Kon Tum Điện thoại di động: 0937287246Điện thoại nhà riêng: 0603867741 Email:nguyenanhtuandhdi4kt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2008 Nơi học (trường, thành phố): THPT Kon Tum Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2008 đến 9/ 2012 Nơi học (trường, thành phố):Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Lập Trình PLC S7-300 Cho Hệ Thống Tự Động Hóa MPS 500 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: tháng năm 2012 Người hướng dẫn: Ths Hà Chí Kiên III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Nơi công tác Thời gian Tháng 12/2012 Công việc đảm nhiệm Trường Đại Học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh HVTH: Nguyễn Anh Tuấn i Giáo viên GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2015 Nguyễn Anh Tuấn HVTH: Nguyễn Anh Tuấn ii GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV LỜI CẢM ƠN Tôi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Phương, nhờ có bảo giúp đỡ thầy mà đề tài tôiđã hoàn thành, đáp ứng yêu cầu đặt Tôi xin tỏ lòng biết ơn đến TS Nguyễn Bách Phúc, TS Lê Mỹ Hà người tận tình nhận xét giúp hoàn thiện luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô giáo giảng viên Khoa Điện – Điện Tử trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh bảo, hướng dẫn, để có đủ kiến thức kĩ thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! HVTH: Nguyễn Anh Tuấn iii GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV TÓM TẮT Robot tự hành (Mobile Robot) thành phần có vai trò quan trọng ngành robot học Cùng với phát triển mạnh mẽ hệ thống Cơ - Điện tử, robot tự hành ngày hoàn thiện cho thấy lợi ích công nghiệp sinh hoạt Một vấn đề quan tâm nghiên cứu robot tự hành làm để robot di chuyển tới vị trí xác định không gian Bài viết trình bày quy tắc điều khiển thích nghi mức độ mô hình động học với thông số vào chưa biết Điều khiển thích nghi suy từ kỹ thuật điều khiển backsteping với robot di động, để theo dõi quỹ đạo với quỹ đạo tham chiếu cho trước Đối với vấn đề điều khiển đảm bảo sai số quỹ đạo quỹ đạo tham chiếu nhỏ Để ổn định vấn đề chuyển đổi thành tín hiệu lỗi phản hồi điều khiển để xử lý HVTH: Nguyễn Anh Tuấn iv GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV ABSTRACT Autonomous robot (Mobile Robot) is a component has an important role in Robot learning Also with the strong development of the system - Electronics, autonomous robot is a perfect day and more show its benefits in industrial and hoat.Mot matter of great concern to the study of autonomous robot is how robots can move to a specific location in space This thesis was undertaken to solve the above This paper presents adaptive control rules, at the dynamics level, for the nonholonomic mobile robots with unknown dynamic parameters Adaptive controls are derived for mobile robots, using backstepping technique, for tracking of a reference trajectory and stabilization to a fixed posture For the tracking problem, the controller guarantees the asymptotic convergence of the tracking error to zero.For stabilization, the problem is converted to an equivalent tracking problem, using a time varying error feedback, before the tracking control is applied HVTH: Nguyễn Anh Tuấn v GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Giới thiệu chung robot 1.1.2 Gới thiệu AGV 1.1.3 Các thành phần AGV 1.1.4 Các thiết bị tự động định hướng 1.2 Các kết nghiên cứu giới 1.2.1 Robot dò mìn 1.2.2 Robot lau sàn nhà 1.2.3 Robot Cujo 1.2.4 Robot vận chuyển thông minh 1.2.5 Robot Kiva 1.2.6 Robot-Avata 10 1.3 Mục đích nghiên cứu 11 1.4 Giới hạn nghiên cứu 11 1.5 Phương pháp nghiên cứu 11 1.6 Kế hoạch thực đề tài 11 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Phân loại robot tự hành 12 2.1.1 Robot tự hành di chuyển chân (Legged Robot) 12 2.1.2 Robot tự hành di chuyển bánh (Wheel Robot tự hành) 13 HVTH: Nguyễn Anh Tuấn vi GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV 2.2 Một số dạng điều khiển robot tự hành 17 2.2.1 Điều khiển từ xa tay 17 2.2.2 Điều khiển từ xa tự bảo vệ 17 2.2.3 Theo lộ trình 18 2.2.4 Robot ngẫu nhiên hoạt động độc lập 18 2.3 Các vấn đề nghiên cứu robot di động 18 2.3.1 Phương pháp điều hướng cho robot tự hành 19 2.3.2 Phương pháp điều hướng có tính toán 19 2.3.3 Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng 21 2.3.4 Phương pháp điều khiển lai ghép 22 2.4 Một số phương pháp định vị cho robot di động 23 2.4.1 Phương pháp dead-reckoning 23 2.4.2 Hệ thống dẫn đường cột mốc chủ động 23 2.4.3 Phép đo cạnh tam giác dựa vào thu nhận tín hiệu siêu âm 25 2.4.4 Hệ thống dẫn đường GPS 25 2.4.5 Dẫn đường vật mốc 26 2.4.6 Định vị dựa đồ 28 2.4.7 Xây dựng đồ tổng hợp cảm biến 29 Chƣơng 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT TỰ HÀNH 31 3.1 Động học Robot 31 3.2 Định nghĩa toán đường di chuyển 32 3.3 Thiết kế điều khiển chuyển động 33 3.4 Lưu đồ giải thuật 34 Chƣơng 4: GIỚI THIỆU VỀ CHÍP LẬP TRÌNH STM32F4 35 4.1 Giới thiệu dòng vi điều khiển STM32 35 4.2 Một vài đặc điểm bật STM32 35 4.3 Sự tinh vi 36 4.4 Sự an toàn 37 4.5 Tính bảo mật 37 HVTH: Nguyễn Anh Tuấn vii GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV 4.6 Phát triển phần mềm 37 4.7 Dòng Performance Access STM32 38 4.7.1 Giới thiệu xử lý ARM Cortex-M3 38 4.7.2 Hiệu suất cao 39 4.7.3 Dễ sử dụng, phát triển ứng dụng nhanh chóng, hiệu 39 4.7.4 Giảm chi phí phát triển lượng tiêu thụ 40 4.7.5 Tích hợp khả dò lỗi theo vết lập trình 40 4.7.6 Chuyển từ dòng xử lý ARM7 sang Cortex-M3 41 Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 42 5.1 Quỹ đạo hình tròn 42 5.2 Quỹ đạo đường thẳng hàm step 45 Chƣơng 6: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH 46 6.1 Thiết kế 46 6.2 Lập trình cho robot 47 Chƣơng 7: KẾT LUẬN 50 7.1 Kết đạt 50 7.2 Ưu điểm 50 7.3 Điểm 50 7.4 Một số hình ảnh 51 7.5 Hạn chế 52 7.6 Hướng phát triển 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 54 HVTH: Nguyễn Anh Tuấn viii GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV Chƣơng 7: KẾT LUẬN Trình bày kết đạt hạn chế hướng phát triển đề tài 7.1 Kết đạt đƣợc  Thiết kế điều khiển cho robot bám theo quỹ đạo tham chiếu cho trước với quỹ đạo đường thẳng đường tròn  Xây dựng số giải pháp định vị cho robot không gian  Tận dụng nguồn tài nguyên Matlap để ứng dụng vào lập trình STM32  Hiểu nắm cấu trúc hoạt động STM32 lệnh ứng dụng chip  Thi công lắp đặt phần cững cho robot  Nắm hệ thống động học robot mô hình động học robot 7.2 Ƣu điểm  Sử dụng phương pháp lập trình giải thuật chiếu nên giảm thiểu sai số hệ thống  Vận dụng trực tiếp phần mềm matlab mà không cần sử dụng công cụ khác  Xây dựng phương pháp xác định tọa độ robot không gian xác tốt việc kết hợp phương pháp đo góc tam giác tính số xung thiết bị đo 7.3 Điểm  Sử dụng chíp lập trình STM32 với tốc độ cao nhiều tính  Tận dụng công cụ lập trình simulink matlab  Kết hợp phương pháp định vị cho robot để có phương pháp định vị xác ổn định HVTH: Nguyễn Anh Tuấn 52 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV  Kết hợp chíp lập trình với công cụ matlab thông qua tool cung cấp matlab 7.4 Một số hình ảnh Hình 7.1 Không gian hoạt động robot HVTH: Nguyễn Anh Tuấn 53 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV Hình 7.2: Vị trí robot sân Hình 7.3 Vị trí robot sau di chuyển HVTH: Nguyễn Anh Tuấn 54 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV 7.5 Hạn chế  Khi thiết kế thi công phần cứng gặp trở ngại vấn để khí nên cấu hoạt động không xác ổn định  Điều khiển quỹ đạo chạy robot quỹ đạo thẳng  Thiết kế robot đơn giản chưa khoa học  Phương pháp thiết kế điều khiển dùng giải thuật chủ yếu giải thuật cổ điển 7.6Hƣớng phát triển  Xây dựng thiết kế phần khí khoa học hợp lý  Thiết kế định vị cho robot sử dụng hệ thống định vị có độ xác cao hiệu  Tiến tới giải pháp tối ưu gải pháp trí tuệ nhân tạo HVTH: Nguyễn Anh Tuấn 55 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kanayama Y, Kimura Y, Miyazaki F, Noguchi T A stable tracking control method for an autonomous mobile robot vol Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Cincinnati, Ohio, 1990, p 384–9 [2] Canudas de Wit C, Khennouf H, Samson C, Sordalen OJ Nonlinear control design for mobile robots In: Zheng YF, editor Recent trends in Mobile robots, World Scientific, 1993 p 121–56 [3] Guldner J, Utkin VI Stabilization of nonholonomic mobile robot using Lyapunov functions for navigation and sliding mode control Control-Theory Adv Technol 1994;10(4):635–47 [4] Colbaugh R, Barany E, Glass K Adaptive Control of Nonholonomic Mechanical Systems Proceedings of 35th Conference on Decision and Control, Kobe, Japan, 1996 p 1428–34 Fig Time plots of x, y, and / 252 F Pourboghrat, M.P Karlsson / Computers and Electrical Engineering 28 (2002) 241–253 [5] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Đại học Quốc Gia,2008 [6] Nonlinear Motion Control of Mobile Robot Dynamic Model Jasmin Velagic, Bakir Lacevic and Nedim OsmicUniversity of SarajevoBosnia and Herzegovina [7] Dynamic Adaptive Control of Mobile Robot UsingRBF Networks D Narendra Kumar#, S LalithaKumari #, Veeravasantarao D* #Department of Power and Industrial Drives, GMRIT, Rajam, Andra Pradesh, India *Indian Institute of Technology, Kanpur, India [8] Adaptive control of dynamic mobile robots with nonholonomic constraintsFarzad Pourboghrat *, Mattias P Karlsson HVTH: Nguyễn Anh Tuấn 56 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ Điều khiển AGV PHỤ LỤC Code mô với quỹ đạo tròn %Iterative learning control for mobile robot path-tracking clear all; close all; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% ts=0.001; % Thoi gian lay mau for k=1:1:2001 % Bat dau vong lap k xd(k)=cos((k-1)*pi*ts); % Tao mot mang 2000 gia tri xd yd(k)=sin((k-1)*pi*ts); % Tao mot mang 2000 gia tri yd thd(k)=ts*pi*(k-1)+pi/2; end % Tao mot mang 2000 gia tri thd % Ket thuc vong lap %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% % xd : Thong so ve toa x he truc OXY % yd : Thong so ve toa y he truc OXY % thd: Thong so ve goc he toa OXY % Voi bo ba gia tri ta xay dung duoc quy dao thiet ke ca %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% for k=1:1:2001 % bat dau vong lap k u1(k)=0;u2(k)=0; % Cho cac gia tri cong ban dau va e1(k)=0;e2(k)=0; % sai so lan dau la bang e3(k)=0; end y0=[1;0;pi/2]; % y0 la ma tran ve goc %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% M=500; HVTH: Nguyễn Anh Tuấn % Cho gia tri M bang 5000 57 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn thạc sỹ for i=0:1:M Điều khiển AGV % Bat dau qua trinh hoc de dieu khien voi so lan lap la M i pause(0.05); % Tao thoi gian tre laf 0.05 s for k=1:1:2001 if k==1 % Tao vong lap k % Dieu kien cua vong lap q=y0; end xp(k)=q(1); % Toa x ban dau Robot hoat dong yp(k)=q(2); % Toa y ban dau Robot hoat dong th(k)=q(3); % Toa goc ban dai Robot hoat dong qd=[xd(k);yd(k);thd(k)]; % Ma tran quy dao thiet ke tu truc x,y,goc ce1(k)=qd(1)-q(1); % Sai so thuc te va ly thuyet theo truc x ce2(k)=qd(2)-q(2); % Sai so thuc te va ly thuyet theo truc y ce3(k)=qd(3)-q(3); % Sai so thuc te va ly thuyet theo goc pha u=[u1(k);u2(k)]; % Ma tran van toc dai va van toc goc % u1:van toc dai; u2: Van toc goc B=ts*[cos(q(3)) % Ma tran hang hai cot sin(q(3)) % B la ma tran ve goc quay cua Robot 1]; L1=0.10*[cos(q(3)) sin(q(3)) 0;% Ma tran hang cot 0 1]; L2=L1; cond=norm(eye(2)-L1*B); % Dieu kien de cac ket qua tinh chinh xac hon, % tinh toan voi cac ma tran nghich dao hay phuong trinh tuyen tinh if cond