Chương 1. Tinh hình nghiên cứu trong NƯỚC. Đề tài “Genetic algorithm implementation for optimizing linear quadratic regulator to control acrobot robotic system”[3]. Dé tài “Thiết kế hệ thống điều khién cho acrobof”[4].
Tinh hình nghiên-cứu ngoải hHƯỚC. _ Đề tài “Development of a Portable Hybrid Pendubot=Acrobot Robotic Platform for On and Off-Campus Teaching and Learning” [5]. KG Uae let sẽ. 5 Chương 2) -CO SỞ LÝ THUYET ‘ieecscccccliechecccsccssssessesssesessessessedplesesessessessessesseadete 7 2.
Mô hình hụt dẫn động. c2 E2 cv vn co En HH ng key 7 0. Phương trình động lực HOC. Điều khiển tự động.
QUỔT HH Hang 9 2.1, Khái quát lý thuyết.----- -2c527+ctc2Ec2ESEEEEerkrrkrrrerrrrei 9 2. Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID. Bộ điều khiển LQR.---- (56s tEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrrkrkrrkee 13 Chương 3. MÔ PHONG DIEU KHIEN CÂN BANG HỆ THONG ACROBOT TREN MATLAB SIMULINK.
Phần mềm Matlab. Thiết kế mô hình acrobot bằng Simulink. Điều khiến cân bằng hệ thống acrobot sử dụng bộ điều khién PID. Kết quả mô phỏng.
Điều khiến cân bằng hệ thống acrobot sử dụng bộ điều khiển LQR. SH HH HH HH HH HH 19 3. _ Kết quả mô phỏng.----- 2 2£ +E+SE+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEerkerkrrkrree 20 3. Đánh giá kết quả mô phỏng.-- 2-2 ¿5S +E+SE+EE+EE2EE2EEEEtzEerEerxrrxereee 22 Chương 4.
THIẾT KÉ MÔ HÌNH ACROBOT THUG -TẾ. Thiết kế rhô hình,.eecccc co ccccccc 08x: ccccccccreeCEEEE1excrxerficO 22 4.àằoĂcccSSceSỐ neo 23 4.3: Giá đỡ động cơ và enCOd€T. Câu HORI va. ch ven K|- oi.
Âu: cọc co. 505 X//NNH ố 000 ốẽ nh. Nguồn tổ ong24Ÿ. Sơ đồ kết nổi phần CUN.
Điều khiển mô hình.--¿- 2¿©s£++£+EE+SEE£EEEEEEESEEEEEEEEEEEEE. Điều khiển mô hình sử dụng giải thuật PID. Điều khiển mô hình sử dụng giải thuật LQR. Kết quả điều khiển.---2¿25¿+2xt2EEEEESEECEEEEEEkerkrrrkrrrrees 38 Chương 5.
KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIỂN.1 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mô hình acrobot thực tế của tác giả Hà Mạnh Quân.2 Các thành phần cơ bản của điều khiển.3 Bo diéu khién PID na.4 Mô hình điều khiển PID rời raCess.1 Giao diện Matlab.2 Mô hình Simulink của acrobot.-----cce+eeeertriereecrrrrecerrrrrererrrree 16 Hình 3.3 Mô phỏng mô hình acfobot sử dụng bộ điều khiển PID. 17 SCE C0) Dn! A ne 18 Hình 3.5 Quỹ đạo góc q1 khi sử dụng bộ điều khiển PID.----- 18 Hình 3:6 Quỹ đạo góc q2 khi sử dụng bộ điều khiển PID.7 Giá trị Torque2 của mô hình khi sử dụng bộ điều khiển PID.8 Mô phỏng mô hình acrobot sử dụng bộ điều khiên LQR.9 Quỹ đạo góc q1-của mô hình khi sử dụng bộ điều khiển LỌQR.10 Quỹ đạo góc q2 của mô hình khi sử dụng bộ điều khiển LQR.11 Giá trị Torque2 của mô hình khi sử dụng bộ điều khiển LQR.2 Thanh 1 được thiết kế trên phần mềm Solidworks.3 Thanh 2 được thiết kế trên phần mềm Solidworks.4 Giá đỡ động cơ được thiết kế trên phần mềm Solidworks.5 Giá đỡ encoder được thiết kế trên phần mềm Solidworks.6 Động co Planet 24 V .7 Mạch cầu H HI216.---+-cce2++ecSttrrevEEtrrrrEEErrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 28 Hình 4. --- 6c sc*SExé+xkE+tSEEESEkEEkEE HH HH g1 111111 rkrrrkke 29 Hình 4.9 Cau tạo En€oer.10 Dạng sóng xung 2 kênh A, B của enCO(T.--s-+csc+tt HH HH1 11g 31 Hình 4.12 Nguồn tổ ong 24V 10A.13 Sơ đồ kết nối phần cứng.cc22+cc2trreeerrrverrtrrerrrrrtrrrrerrre 32 Hình 4.14 mặt trước của mô hình thực tẾ.15 Mặt bên của mô hình thực nm.16 Lưu đồ giải thuật của hệ thống.sczzzz2zzeeeeeccerreeceerrricceerrree 35 Hình 4.17 Mô hình tông quát điều khiển hệ thống thực tế dùng giải thuật PID.18 Bộ điều khiển PED thực tế.--:iceceeS¿cccsvEErtrireekkerrrrrreeeerrrrie 36 Hình 4.19 Bộ điều khiển LOR thực tế.-----ec2222+e2s2ES2EEtteeevEEEErrirseerrrrrie 37 Hình 4.20 Mô hình tông quát điều khiến hệ thống thực tế dùng giải thuật LQR.21 góc q1 điều khiển PID thực tẾ--.22 Góc q2 điều khiển PID thực tế.23 Torque điều khiến PID thực tế.24 Góc q1 điều khiến LOR thực tẾ.25 Góc q2 điều-khiến-LQR thực tẾ.it2scccccerreeccerrreccerrrree 40 Hình 4.26 Torque điều khiên LOR thực tế .s---eccceeceeeeccccrrireeevevrrrrreceerrrrrre 41 DANH MỤC BANG Bảng 2.1 Giải thích thông số mô hình Acrobot.-«csss+ccsstecceereceerrreerrr 8 Bảng 2.2 Tác động của thông số Kp, Ki, Kd trong bộ điều khiển PID.1 Giá trị thông số mô hình DANH MỤC TỪ VIET TAT PID Proportional Integral Derivative TOM TAT DO ÁN Đề tai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống acrobot có thể điều khiến tại điểm cân băng không ổn định. Hệ thống gồm một mô hình acrobot thực nghiệm được cầu tạo từ các trục quay, động cơ và bộ encoder, mô hình được điều khiển thông qua kit phát triển Arduino Mega 2560 và phần mềm matlab.
Mục tiêu của đề tài bao gồm : e Nghién cứu mô hình toán, mô phỏng điều khiển mô hình acrobot trên phan mềm matlab. e_ Thiết kế và chế tạo mô hình mô hình thực nghiệm acrobot. e Điều khiển cân băng cho mô hình bang hai giải thuật LQR va PID. MỞ DAU Trong những thập kỉ qua, robot hiện đại càng ngày càng thông minh.
Tuy nhiên robot chỉ đáp ứng được một phần nhỏ tác vụ được giao, đạt được hiệu suất tương đối so với khả năng cơ học của chúng. Vậy nên các nghiên cứu về hệ thống hụt dẫn động (underactuated robotics), hệ thống có số đầu vào điều khiến ít hơn số bậc, tập trung vào việc xây dựng các hệ thống điều khiến sử dụng mô hình động lực học máy đề đạt được hiệu suất cao về tốc độ, hiệu quả, độ vững vàng. I] Hệ thống acrobot là một trong những mô hình hệ thống hụt dan động tiêu biéu nhất. Đây là một hệ thống tương đối khó điều khiển do tính phí tuyến của nó.
Chúng fa có thé sử dụng hệ thống nảy như một đối tượng dé thử nghiệm các lý thuyết điều khiển điển kinh điển và điều khiến hiện đại. Hệ thống acrobot còn là cơ sở dé tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, hay ứng dụng vao,viéc chế tạo các khớp gối nhân tạo, máy hỗ trợ phẫu thuật khớp gối — Acrobot Sculptor: Một mô hinh*robot kinh điển đang áp dụng phương pháp giữ thăng bang cua hé thong acrobot đó là robot Atlas-[2]: Nhận thấy Sự quan trọng đó, nhóm đã quyết định chọn: đề tài : “THIẾT KẾ VÀ HIỆN THỰC HE THONG ACROBOT PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU”. Tinh hình nghiên cứu trong nước 1. Đề tài “Genetic algorithm implementation for optimizing linear quadratic regulator to control acrobot robotic system”[3] Năm 2018, thay Nguyễn Van Đông Hải cùng các tác giả khác tại trường Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu điều khiển acrobot bằng giải thuật LQR và sử dụng giải thuật di truyền để cải thiện bộ điều khiến này.
Bộ điều khiến thuật toán LQR được đề xuất bởi các tác giả đã điều khiển ổn định hệ thống Acrobot trong thời gian ngắn. Tín hiệu phản hồi được kiểm soát ở gần mục tiêu. Mặc dù hệ thống ôn định, nhưng bộ điều khiến LỌR này cần điều kiện là các góc ban đầu của các liên kết phải được đặt xung quanh điểm cân bằng. Có nghĩa là trước khi điều khiến hệ thống, con người phải đặt góc thanh 1 và thanh 2 gần như thăng đứng.
Đề tài cũng không xây dựng được mô hình thực tế cho hệ thống: 1. Dé tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot”[4] Năm 2014, tác giả Hà Mạnh Quân tại trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên đã nghiên cứu và thiết kế điều khiến mô hình acrobot đạt được thời gian ôn định hệ thống ngăn ( khoảng 3 giây) và đã xây dựng được mô hình thực tế. Tuy nhiên mô hình còn có vài khuyết điểm như việc thanh 1 được thiết kế có dạng hình chữ T với một đầu gắn động điều khiển khớp thứ 2 thông qua hệ thống dây đai và bánh, cho nên đầu còn lại của thanh 1 phải có một vật đối trọng với động cơ. Việc sử dụng hệ thống dây đai và bánh dé truyền động từ động cơ gắn ở phía trên xuống khớp 2 sẽ làm cho hệ thống chưa mô phỏng chính xác được cơ chế giữ thăng băng của thân người, khớp vai và cánh tay.1 thé hiện mô hình của tác giả Hà Mạnh Quân.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1. ofa Portable Hybrid Pendubot-Acrobot Robotic Platform for On and- Off-Campus Teaching and Learning”[5] Năm 2021, một nhóm nghiên cứu tại hội nghị “American Control Conference” đã nghiên cứu và xây dựng một mô hình tích hợp giữa acrobot và pendubot, sử dụng giải thuật “Enegy shaping”. Đề tài đã mô phỏng được cách hoạt động của cả acrobot và pendupot, đạt được tốc độ 6n định nhanh lên tới 10 giây, sai số của các góc nhỏ hơn 10°. Mô hình được câu tạo hoàn toàn bằng kim loại, sử dụng động cơ DC không chỗi than và vi điều khiển Raspberry pi 4.2 thé hiện mô hình HPAR của dé tài trên.
Kết luận >> ` v-DUIẾ So) Do nghiên `cứu: điều khiển cân bang các hệthống hụt là một trong những vấn đề kinh. điền trong nghiên cứu điều khiển:Tobot nên ngoài những nghiên cứu đưa ra ở trên, còn có vô số nghiêncứu¡ khác. việc thực hiện đề tài “THIẾT KÉ VÀ HIỆN THUC HE THONG ACROBOT PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CUU” là rất cần thiết. Vi đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường đại học và Cao đắng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật điều khiến tại Việt Nam.
Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy trực quan hơn, dé dàng tìm hiểu các giải thuật điều khién trên lý thuyết, đặc biệt đối với môn học điều khiển tự động, điều khién hiện đại, điều khiển thông minh hay áp dụng các giả thuật logic mờ, mạng thần kinh nhân tạo hoặc giải thuật di truyền dé nhận dạng, điều khiến cũng như tối ưu thông số điều khiển nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống. Mô hình hụt dẫn động Mô hình hụt dẫn động là các mô hình điều khiến có số tín hiệu đầu vào ít hơn số bậc tự do của hệ hay sô tín hiệu đâu vào điêu khiên ít hơn sô tín hiệu ngõ ra cân điều khiển. Một số mô hình hut dẫn động tiêu biểu có thé kế đến như : Acrobot, Pendubot, inverted pendulum (con lắc ngược). Mô hình Acrobot 2.
Giới thiệu Thuật ngữ “4crobøf” được đặt ra tại Berkeley, ở đó những nghiên cứu đầu tiên về điều khiển của aerobot được thực hiện bởi Murray và Hauser: Acrobot là rô bốt phẳng, hai bậc tự đo nhưng chỉ có khớp thứ hai được điều khiển như hinh 2. Hệ phương trình động lực học của acrobot là một hệ phi tuyến có hai bậc tự do và một đầu vào. Vấn dé đặt ra là tìm thuật toán điều khiển cho khớp thứ 2 dé lắc đưa acrobot từ điểm ban dau bat kỳ lên vị trí thang đứng và điều khiển duy tri no ở trạng thái: thăng đứng cân bằng không 6n định này. Trong đó các thông số của mô hình được thê hiện trong bảng 2.