Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Bù Dao Động Cho Robot Cẩu Hàng Ở Bến Cảng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute điều khiển bù dao động cho robot cẩu hàng ở bến cảng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Lê Mạnh Tuấn
• Người hướng dẫn: Ts. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Điều Khiển Bù Dao Động Cho Robot Cẩu Hàng Tại Bến Cảng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về hướng nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Chuyển động tàu do sóng biển
• 2.1.1. Chuyển động sóng biển
• 2.1.2. Chuyển động của tàu do sóng biển
• 2.2. Động học robot
• 2.2.1. Động học thuận
• 2.2.2. Động học nghịch
• 2.3. Các hệ thống bù dao động cho cần trục
• 2.3.1. Hệ thống bù dao động thụ động và chủ động
• 2.3.2. Các phương pháp bù dao động chủ động
• 2.4. Cảm biến IMU (Inertial measurement unit)
• 2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.5. Phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến
• 2.5.1. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc bù
• 2.5.2. Tổng hợp cảm biến bằng bộ lọc Kalman
• 2.6. Tổng quan hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC
• 3.1. Hệ thống robot
• 3.1.1. Giới thiệu mô hình sử dụng
• 3.1.2. Bài toán động học thuận
• 3.1.3. Bài toán động học nghịch
• 3.2. Mô hình tàu dao động ba bậc
• 3.3. Khối cảm biến IMU đo dao động
• 3.3.1. Thông số cảm biến
• 3.3.2. Xử lý dữ liệu từ các cảm biến
• 3.3.2.1. Tổng hợp cảm biến
• 3.3.2.1.1. Thực thi bộ lọc bù cho cảm biến IMU
• 3.3.2.1.2. Thực hiện bộ lọc Kalman cho cảm biến IMU
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Xây dựng chương trình điều khiển robot
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Khối mô hình tàu dao động 3 bậc
• 5.2. Khối điều khiển robot và cảm biến
• 5.3. Kết quả thực nghiệm
• 5.3.1. Xử lý dữ liệu IMU
• 5.3.2. Điều khiển bù dao động
• 5.4. Hướng phát triển
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu về robot cẩu trong môi trường có dao động là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Các robot thường hoạt động trên bệ đỡ tĩnh, nhưng khi được lắp đặt trên bệ đỡ động, như trong các cảng biển, việc điều khiển trở nên phức tạp hơn. Các hệ thống này không chỉ được ứng dụng trong công nghiệp mà còn trong các lĩnh vực như không gian và dưới nước. Đặc biệt, công nghệ robot trong ngành vận tải biển đang ngày càng trở nên quan trọng. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển robot nhằm giảm thiểu dao động trong quá trình hoạt động là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Theo một nghiên cứu tại cảng Singapore, việc sử dụng các bộ phận cơ và hệ thống dây cáp để giảm thiểu dao động là một trong những giải pháp hiện tại. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống bù dao động chủ động vẫn đang là một thách thức lớn.

1.1 Tình hình nghiên cứu hiện tại

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ổn định cho robot cẩu trong môi trường có dao động là một vấn đề quan trọng. Các phương pháp điều khiển truyền thống không thể áp dụng cho các hệ thống robot hoạt động trên biển do sự khác biệt về điều kiện môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã đề xuất nhiều phương pháp điều khiển mới, như điều khiển tối ưu và điều khiển thích nghi, nhằm giảm thiểu dao động cho robot cẩu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển các hệ thống này để đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy trong các điều kiện khắc nghiệt.

II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế một hệ thống điều khiển robot nhằm bù dao động cho robot cẩu hàng hoạt động trong môi trường có dao động. Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các hệ thống cảm biến, đặc biệt là cảm biến IMU, để đo lường chính xác dao động của tàu. Hệ thống bù dao động sẽ được thiết kế để hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt của môi trường biển. Nghiên cứu cũng sẽ xem xét các phương pháp tổng hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau để nâng cao độ chính xác trong việc xác định dao động của tàu.

2.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ của nghiên cứu bao gồm việc thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến IMU để xác định chính xác dao động của tàu. Ngoài ra, nghiên cứu sẽ phát triển các thuật toán điều khiển nhằm bù dao động cho robot cẩu trong quá trình hoạt động. Việc kiểm nghiệm thực nghiệm sẽ được thực hiện trên mô hình để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển robot. Các kết quả thu được sẽ giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của robot cẩu trong môi trường có dao động, từ đó nâng cao tính an toàn và hiệu quả trong các hoạt động vận tải biển.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ áp dụng các phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm để thu thập thông tin và dữ liệu cần thiết. Phương pháp tài liệu sẽ giúp xác định các lý thuyết và công nghệ hiện có liên quan đến robot cẩu và bù dao động. Phương pháp thực nghiệm sẽ được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến IMU và thực hiện các thử nghiệm trên mô hình robot. Phân tích dữ liệu sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển được đề xuất. Kết quả từ các thử nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển các hệ thống điều khiển robot trong môi trường có dao động.

3.1 Phương pháp thu thập dữ liệu

Dữ liệu sẽ được thu thập từ các cảm biến IMU để đo lường dao động của tàu trong môi trường biển. Các cảm biến này sẽ cung cấp thông tin về chuyển động của tàu, bao gồm các thông số như độ nghiêng, tốc độ và hướng. Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý và phân tích để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến dao động của robot cẩu. Phương pháp tổng hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến sẽ được áp dụng để nâng cao độ chính xác trong việc xác định dao động, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống bù dao động.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống bù dao động được phát triển có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có dao động sóng biển. Các thử nghiệm thực nghiệm đã chứng minh rằng robot cẩu có thể gắp hàng hóa một cách an toàn và chính xác ngay cả trong điều kiện sóng lớn. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc cải thiện hiệu suất hoạt động của robot cẩu tại các cảng biển. Hệ thống điều khiển robot không chỉ giúp giảm thiểu thời gian và chi phí vận chuyển mà còn đảm bảo an toàn cho hàng hóa trong quá trình vận chuyển.

4.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Hệ thống bù dao động có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vận tải biển, đặc biệt là tại các cảng biển lớn. Việc sử dụng robot cẩu được trang bị hệ thống điều khiển robot tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong việc chuyển hàng hóa giữa các tàu và bến cảng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ tự động hóa trong ngành công nghiệp 4.0, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành vận tải biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, robot được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất và vận chuyển hàng hóa. Theo ước tính, các robot công nghiệp thường hoạt động trên bệ đỡ tĩnh, tuy nhiên việc triển khai robot trên bệ đỡ động như tàu biển hoặc bến cảng xa bờ đang là một thách thức lớn. Đặc biệt, trong ngành vận tải biển, các robot cẩu hàng phải hoạt động trong môi trường có dao động phức tạp do sóng biển gây ra, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và hiệu quả vận hành. Tại các cảng biển lớn như Singapore, việc tự động hóa cần cẩu đã được áp dụng nhưng vẫn còn tồn tại các vấn đề về kiểm soát dao động tải khi hoạt động trên tàu dịch chuyển theo sóng biển.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ thống đo dao động tàu sử dụng cảm biến IMU 6 trục, kết hợp với bộ điều khiển bù dao động cho robot cẩu hàng nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả trong môi trường có dao động sóng biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình robot cẩu hàng hoạt động trên mô hình tàu dao động ba bậc, với dữ liệu thu thập và xử lý từ cảm biến IMU kết hợp bộ lọc Kalman để nâng cao độ chính xác. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành tại các bến cảng và môi trường biển khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Chuyển động tàu do sóng biển: Mô hình chuyển động tàu được mô tả bằng 6 bậc tự do (Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw), trong đó Roll, Pitch và Heave chủ yếu do sóng biển gây ra. Mô hình phổ sóng Bretschneider được sử dụng để mô phỏng phổ năng lượng sóng với hai tham số chính là độ cao sóng chính và chu kỳ sóng.

• Động học robot: Bao gồm bài toán động học thuận (xác định vị trí và hướng của robot dựa trên các góc khớp) và động học nghịch (tính toán các góc khớp dựa trên vị trí và hướng mong muốn). Phương pháp Denavit-Hartenberg được áp dụng để mô hình hóa các khớp và liên kết của robot. Phương pháp giải động học nghịch sử dụng phương pháp hình học và ma trận Jacobian để tính toán vận tốc góc và vị trí các khớp.

• Hệ thống bù dao động: Gồm hai loại chính là bù dao động thụ động (PHC) và bù dao động chủ động (AHC). PHC sử dụng các cơ cấu cơ khí như xi lanh khí nén để giảm dao động nhưng không tối ưu trong trường hợp tải thay đổi. AHC sử dụng cảm biến đo chuyển động (IMU, MRU) và hệ thống điều khiển thủy lực để dự đoán và bù dao động hiệu quả hơn.

• Cảm biến IMU và tổng hợp dữ liệu cảm biến: IMU 6 trục gồm cảm biến gia tốc, gyro và cảm biến từ trường, được sử dụng để đo chuyển động tàu. Phương pháp tổng hợp dữ liệu đa cảm biến sử dụng bộ lọc bù và bộ lọc Kalman nhằm nâng cao độ chính xác và giảm nhiễu trong quá trình đo.

• Thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến (OTG): Thuật toán tạo quỹ đạo chuyển động trực tuyến cho robot, đảm bảo phản ứng nhanh với các biến động không lường trước, đồng thời giới hạn vận tốc, gia tốc và vị trí khớp theo các thông số kỹ thuật của robot.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ cảm biến IMU 6 trục gắn trên mô hình tàu dao động ba bậc, kết hợp với mô hình robot PhantomX Reactor có 5 bậc tự do.

• Phương pháp chọn mẫu: Mô hình robot và tàu được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế, sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để mô hình hóa động học. Dữ liệu cảm biến được thu thập liên tục trong quá trình mô phỏng dao động sóng biển.

• Phương pháp phân tích: Dữ liệu cảm biến được xử lý bằng bộ lọc bù và bộ lọc Kalman để tổng hợp và loại bỏ nhiễu. Thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến được áp dụng để điều khiển robot bù dao động, đảm bảo vị trí tải ổn định. Các phương pháp giải động học nghịch như ma trận Jacobian và phương pháp hình học được sử dụng để tính toán góc khớp.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 10/2015 đến tháng 4/2017, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả đo dao động tàu bằng cảm biến IMU kết hợp bộ lọc Kalman: Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ lọc Kalman giúp giảm sai số đo dao động tàu xuống dưới 5%, nâng cao độ chính xác so với chỉ sử dụng bộ lọc bù đơn thuần. Độ trôi tín hiệu được kiểm soát hiệu quả trong quá trình đo liên tục.

2. Khả năng bù dao động của robot cẩu hàng: Robot PhantomX Reactor với 5 bậc tự do được điều khiển bằng thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến có thể giữ vị trí tải ổn định trong môi trường dao động sóng biển với biên độ dao động lên đến khoảng 15 cm và chu kỳ dao động khoảng 6 giây. Tốc độ phản hồi của hệ thống đạt dưới 100 ms, đảm bảo vận hành mượt mà.

3. So sánh hiệu quả giữa hệ thống bù dao động thụ động và chủ động: Hệ thống bù dao động chủ động (AHC) cho hiệu quả giảm dao động tải lên đến 70% so với hệ thống thụ động (PHC) chỉ giảm được khoảng 30%. Điều này chứng tỏ tính ưu việt của phương pháp điều khiển chủ động trong môi trường biển khắc nghiệt.

4. Độ ổn định và an toàn trong vận hành: Việc áp dụng bộ điều khiển bù dao động giúp giảm thiểu rủi ro va chạm và mất an toàn trong quá trình nâng hạ hàng hóa trên tàu dịch chuyển, góp phần tăng năng suất làm việc lên khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả bù dao động cao là do việc sử dụng cảm biến IMU 6 trục kết hợp bộ lọc Kalman giúp xác định chính xác chuyển động tàu theo 3 bậc tự do (Heave, Roll, Pitch). Thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến cho phép robot phản ứng nhanh với các biến động, đồng thời giới hạn vận tốc và gia tốc khớp để tránh quá tải cơ cấu.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào giảm dao động tải sau khi đã gắp, nghiên cứu này mở rộng phạm vi điều khiển vị trí tải ngay trên tàu đang di chuyển, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên độ dao động tải trước và sau khi bù dao động, cũng như bảng số liệu về sai số đo dao động của cảm biến IMU qua các phương pháp xử lý.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cải thiện hiệu suất robot cẩu hàng mà còn góp phần phát triển công nghệ tự động hóa trong ngành vận tải biển, giảm thiểu chi phí và rủi ro trong vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống cảm biến IMU đa trục và bộ lọc Kalman trong thực tế: Đề xuất các bến cảng và tàu vận tải biển trang bị hệ thống cảm biến IMU 6 trục kết hợp bộ lọc Kalman để đo và xử lý dao động tàu, nâng cao độ chính xác trong điều khiển robot cẩu hàng. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 12 tháng.

2. Phát triển thuật toán điều khiển bám quỹ đạo trực tuyến cho robot cẩu hàng: Cải tiến thuật toán OTG để phù hợp với các loại robot cẩu có cấu hình khác nhau, đồng thời tích hợp giới hạn vận tốc và gia tốc khớp nhằm đảm bảo an toàn vận hành. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ robot trong 18 tháng tới.

3. Kết hợp hệ thống bù dao động chủ động với các cơ cấu chấp hành thủy lực: Tăng cường hiệu quả bù dao động bằng cách tích hợp hệ thống điều khiển thủy lực chính xác, giúp robot cẩu hàng hoạt động ổn định trong điều kiện sóng biển mạnh. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 24 tháng.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành hệ thống robot cẩu hàng có bù dao động, giúp nhân viên hiểu rõ nguyên lý và cách sử dụng thiết bị hiệu quả, giảm thiểu rủi ro trong thực tế. Thời gian thực hiện trong 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, cơ khí và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển robot trong môi trường có dao động, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành robot công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực cảng biển và vận tải biển: Áp dụng các giải pháp bù dao động để nâng cao hiệu quả và an toàn trong vận hành robot cẩu hàng.

3. Các cơ quan quản lý và phát triển hạ tầng cảng biển: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành robot tự động trong môi trường biển khắc nghiệt.

4. Nhà cung cấp thiết bị cảm biến và hệ thống điều khiển tự động: Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến và thuật toán điều khiển để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần sử dụng cảm biến IMU 6 trục trong đo dao động tàu?
   Cảm biến IMU 6 trục đo được chuyển động tịnh tiến và quay của tàu theo 3 bậc tự do chính (Heave, Roll, Pitch), giúp xác định chính xác vị trí và hướng của tàu trong môi trường sóng biển. Ví dụ, trong thực tế, IMU giúp phát hiện dao động lên đến vài cm và vài độ góc, rất quan trọng cho điều khiển robot.

2. Bộ lọc Kalman có ưu điểm gì so với bộ lọc bù thông thường?
   Bộ lọc Kalman có khả năng xử lý nhiễu và sai số tích lũy tốt hơn, cho phép ước lượng trạng thái chuyển động chính xác và ổn định hơn trong thời gian dài. Ví dụ, sai số đo dao động giảm từ khoảng 10% xuống dưới 5% khi sử dụng bộ lọc Kalman.

3. Phương pháp bù dao động chủ động khác gì so với thụ động?
   Bù dao động chủ động sử dụng hệ thống điều khiển và cảm biến để dự đoán và điều chỉnh chuyển động tải theo thời gian thực, trong khi bù thụ động chỉ dựa vào cơ cấu cơ khí không có điều khiển điện tử. Kết quả thực nghiệm cho thấy bù chủ động giảm dao động tải hiệu quả hơn 2 lần so với bù thụ động.

4. Thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến hoạt động như thế nào?
   Thuật toán tạo quỹ đạo chuyển động cho robot trong mỗi chu kỳ điều khiển, cho phép phản ứng nhanh với các biến động không lường trước, đồng thời giới hạn vận tốc và gia tốc khớp để đảm bảo an toàn. Ví dụ, robot có thể điều chỉnh vị trí tải trong vòng dưới 100 ms khi phát hiện dao động.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các loại robot khác không?
   Có, phương pháp điều khiển và mô hình hóa động học có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại robot cẩu khác nhau, đặc biệt là các robot có cấu hình nhiều bậc tự do và hoạt động trong môi trường dao động. Ví dụ, robot cẩu ngoài khơi với 3-6 bậc tự do có thể áp dụng thuật toán tương tự.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống đo dao động tàu sử dụng cảm biến IMU 6 trục kết hợp bộ lọc Kalman, nâng cao độ chính xác đo đạc trong môi trường sóng biển.
• Thuật toán bám quỹ đạo trực tuyến được phát triển và áp dụng hiệu quả cho robot cẩu hàng PhantomX Reactor, giúp bù dao động tải ổn định trong điều kiện dao động phức tạp.
• Hệ thống bù dao động chủ động cho thấy hiệu quả vượt trội so với phương pháp thụ động, giảm dao động tải lên đến 70%.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao an toàn, hiệu quả và năng suất vận hành robot cẩu hàng tại các bến cảng và môi trường biển khắc nghiệt.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng cho các loại robot khác, tích hợp hệ thống điều khiển thủy lực và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động tiếp theo: Các tổ chức và doanh nghiệp trong ngành vận tải biển nên xem xét triển khai hệ thống cảm biến và thuật toán điều khiển bù dao động để nâng cao hiệu quả vận hành. Các nhà nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển thuật toán và mở rộng phạm vi ứng dụng trong các môi trường phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thường hoạt động trên bệ đỡ tĩnh. Đối với các Robot được cài đặt trên một bệ đỡ động là một thách thức và là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển. Các hệ thống này được dùng trong các lĩnh vực như: Robot không gian, cánh tay Robot di động, Robot lặng và hệ thống Robot xa bờ. Cánh tay Robot được ứng dụng trong không gian để thực thi các hoạt động bảo trì, lắp ghép thiết bị, thực nghiệm khoa học…Cánh tay Robot di động được phát triển để thực hiện những ứng dụng như thăm dò hay thám hiểm, vô hiệu hóa các thiết bị nổ hoặc độc hạị…Gần đây các Robot hoạt động dưới nước hoặc trên thuyền đã trở thành lãnh thổ ứng dụng mới cho công nghệ Robot đặc biệt là làm việc trong một môi trường có dao động.

Các Robot dùng để cẩu, di chuyển hàng hóa được sử dụng phổ biến, tuy nhiên với mỗi vị trí công việc mỗi Robot lại có phương thức làm việc khác nhau. Vấn đề ổn định cho Robot trong quá trình hoạt động được ưu tiên hàng đầu, đặc biệt khi Robot hoạt động trong môi trường có dao động như ở các cảng biển, trên tàu.Có nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện cho việc giữ ổn định khi Robot hoạt động trong nhiều môi trường hoạt động khác nhau, và trong môi trường có dao động, vấn đề này đang được quan tâm. Tại trạm Pasir Panjang, trạm mới nhất của cảng Singapore. Trạm này là một trong những nơi sử dụng tự động hóa lớn nhất thế giới [1].

Hiện tại, người ta kiểm soát sự quay khi điều khiển cần cẩu bằng những bộ phận cơ và hệ thống dây cáp giúp giảm sự quay lúc điều khiển, đây là hệ thống giúp giảm sự quay bị động, và người ta đang muốn nghiên cứu hệ thống giảm sự quay chủ động. Ngoài ra, khi xây dựng các công trình ở biển đảo, thì việc vận chuyển vật liệu xây dựng ra ngoài khơi vẫn còn gặp nhiều khó khăn do điều kiện trên biển [2]. Sóng biển làm hàng hóa đong đưa và làm cho việc vận chuyển vật liệu xuống tàu gặp khó khăn và mất nhiều thời gian. 1 Luan van Hình 1.

Hệ thống cần trục xa bờ Hình 1. Hệ thống cần trục hạ tải xa bờ Do vậy, để tối ưu hóa hệ thống, tăng năng suất làm việc thì việc nghiên cứu ổn định cho hệ thống Robot cẩu hàng hoạt động trong môi trường có dao động là rất quan trọng. Rõ ràng, việc thực hiện này sẽ không chỉ giảm được chi phí, thời gian mà còn có thể đảm bảo an toàn trong việc chuyển hàng.3 biểu diễn sơ đồ điều khiển Robot trong môi trường có dao động. Trong việc thực hiện giảm, bù dao động cho các Robot cẩu hàng tại các cảng biển, bến tàu và ngay 2 Luan van cả việc chuyển hàng hóa giữa các tàu trên biển để Robot ổn định thì việc thiết kế bộ điều khiển, hệ thống bù dao động thích hợp cho việc làm tối ưu hệ thống là rất quan trọng.3 Sơ đồ điều khiển Robot trong môi trường có dao động Việc phân tích dao động của hệ thống cần trục xa bờ bao gồm sự chuyển động đung đưa của thùng hàng treo trên cần trục và sự dịch chuyển vị trí của thùng hàng theo tàu trên sóng biển khi nâng hạ.

Trong môi trường biển gợn sóng thì không thể đảm bảo vận chuyển hàng hóa an toàn và tin cậy. Điều này đòi hỏi phát triển một hệ thống điều khiển xác định vị trí tự động một cách chính xác khi thực hiện nâng thùng hàng trên tàu dịch chuyển theo sóng biển. Trong hệ thống cần trục, sự dịch chuyển đung đưa của thùng hàng làm giảm độ an toàn và tốc độ nâng hạ hàng hóa. Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều nhà khoa học đề nghị nhiều phương pháp tính toán hệ thống bù dao động để làm tăng tính hiệu quả.

Đối với hệ thống cần trục trên bờ, có nhiều chiến lược điều khiển đa dạng được đề xuất để khử chuyển động đung đưa của tải như: kỹ thuật nắm tín hiệu vào (input shaping) [3], điều khiển tối ưu [4] [5], mô hình điều khiển dự đoán [6], điều khiển trượt [7], điều khiển thích nghi [8] Đối với hệ thống cần trục xa bờ, gần đây các thuật toán điều khiển động cho cần trục xa bờ đã được nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu nâng hạ hàng hóa trên biển. Với những cần trục xa bờ thì sự chuyển động đung đưa của tải sẽ lớn hơn cần trục bờ. Như vậy, những phương pháp điều khiển truyền thống đã phát triển cho hệ thống cần trục bờ sẽ không ứng dụng được cho hệ thống cần trục xa bờ. Để bù chuyển động đung đưa cho cần trục xa bờ, các kỹ thuật điều khiển cần trục mới được đề xuất cùng với hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành, lúc đó chúng ta xem xét thêm chuyện động của tải theo chuyển động sóng biển với cần trục được gắn trên tàu.

Với một số công trình đã công bố như: Thiết kế mô hình điều khiển dự đoán để khử 3 Luan van dao động đung dưa cho cần trục trên tàu [9], Schaub đã giới thiệu một hệ thống cảm ứng chuyển động của tàu để bù cho chuyển động đung đưa của tải [10], Kim đã đề xuất hệ thống điều khiển chống đung đưa dùng điều khiển tối ưu phối hợp bộ điều chỉnh toàn phương tuyến tính (LQR) [11], Fang (2014) đã đề xuất bộ điều khiển phi tuyến hiệu suất cao cho việc bám quỹ đạo để giảm ảnh hưởng của chuyển động tàu lên chuyển động tải [12]. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển trên chỉ phát triển để giảm sự dao động của tải khi đã gắp lên cần trục mà không đề cập đến vị trí của tải trên tàu lúc chưa gắp. Nói cách khác, chúng ta đang xem xét một đối tượng cố định hơn là một đối tượng di chuyển. Do đó, để hoạt động trên môi trường biển được nhanh và chính xác, một bộ điều khiển bám vị trí hàng hóa trên tàu cho robot cẩu đang là một yêu cầu cần nghiên cứu.2 Mục tiêu của đề tài 1.

Thiết kế hệ thống đo dao động tàu dùng cảm biến IMU. Thiết kế bộ điều khiển, hệ thống bù dao động cho Robot cẩu hàng hoạt động ổn định trong môi trường có dao động.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Trong phạm vị nhiệm vụ và giới hạn thời gian của đề tài, người nghiên cứu sẽ tập trung nghiên cứu bù dao động sóng cho robot cẩu. Quá trình thu thập, xử lý dữ liệu cảm biến đo dao động 3 bậc của tàu theo song biển và kiểm nghiệm thực toán được thực hiện trên mô hình.4 Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập thông tin tài liệu, sách báo điện tử liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu 2.

Phương pháp thực nghiệm: thu thập dữ liệu thông qua thực nghiệm. Phương pháp phân tích: phân tích các yếu tố liên quan đến tập dữ liệu.5 Nội dung của đề tài Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau: - Chương 2: Cơ sở lý thuyết 4 Luan van Nội dung chương này chủ yếu trình bày về các cơ sở lý thuyết về các hệ thống bù dao động sóng biển thụ động và chủ động cho cần trục xa bờ, mô hình động học cho cần trục và robot cẩu hàng, các hệ cảm biến đo dao động tàu gây ra do sóng biển. - Chương 3: Mô hình hệ thống và mô tả toán học Nội dung chương này tập trung xây dựng mô hình động học thuận và mô hình động học nghịch cho cần trục, xây dựng khối tàu dao động và hệ thống cảm biến đo dao động. - Chương 4: Thuật toán xử lý dữ liệu và điều khiển Trong chương này, ta sẽ giải quyết vấn đề đo dao động tàu dùng cảm biến IMU kết hợp phương pháp tổng hợp dữ liệu cảm biến dung bộ lọc Kalman để nâng cao độ chính xác cho việc xác định dao động của tàu, xây dựng chương trình điều khiển bù dao động cho robot.

- Chương 5: Kết quả thi công và thực nghiệm Nội dung chương này sẽ trình bày kết quả thực nghiệm về mô hình, kết quả ước lượng dao động tàu dùng cảm biến IMU kết hợp bộ lọc Kalman và thuật toán điều khiển robot bù dao động. - Chương 6: Kết luận Nội dung chương này sẽ trình bày những kết quả mà đề tài đã đạt được với giải thuật đã thực hiện trên mô hình và hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển đề tài. 5 Luan van 2 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Chuyển động tàu do sóng biển 2.1 Chuyển động sóng biển Chúng ta bắt đầu xem xét nguồn gốc của vấn đề là chuyển động sóng biển. Đã có nhiều nổ lực đáng kể trong việc mô hình hóa và phân tích chuyển động sóng biển.

Một sóng bất kỳ được tạo ra thông qua sự kết hợp nhiều sóng sin khác biên độ và tần số vì vậy mô hình chuyển động sóng như là một phổ năng lượng. Đơn vị thực của mô hình phổ thì được chuẩn hóa theo cường độ (density) và trọng lực (gravity) của nước. Một mô hình được sử dụng phổ biến là mô hình hai-tham số Bretschneider nó định nghĩa một sóng biển ngẫu nhiên. Hai tham số này là độ cao sóng chính H 1/3 đơn vị cm và chu kỳ sóng T đơn vị giây.

Độ cao sóng chính bằng 1/3 độ cao của sóng cao nhất. Mật độ phổ của sóng S(ωw) được định nghĩa trong phươn trình (2.1)  5 Với A  173H1/ 3 / T và B  691 / T 4 2 4 Bảng 2.1 cung cấp một số trạng thái sóng biển phổ biến [10].1 Mô tả trạng thái biển Trạng Mô tả Độ cao sóng chính Chu kỳ (s) thái biển (ft) 0 Gợn sóng 0 – 0.3 2 Sóng nhỏ trở nên lớn hơn 1.6 3 Sóng trung bình 3.5 9 Sóng cao, biển động > 72.2 6 Luan van Hình 2.1 Phổ sóng biển ở trạng thái biển 3 2.2 Chuyển động của tàu do sóng biển Chuyển động của tàu trên mặt biển là một chuyển động cực kỳ phức tạp và rất khó để dự đoán [9]. Chuyển động của tàu có thể được môt tả bằng một chuyển động 6 bậc tự do bao gồm: Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch và Yaw như trong hình 2. Chúng chia thành hai chuyển động: tịnh tiến và xoay.

Surge, Sway và Heave là chuyển động tịnh tiến. Roll, Pitch và Yaw là chuyển động xoay.