Điều khiển bám quỹ đạo Omni Robot bốn bánh bằng phương pháp thích nghi mờ trượt

Bài viết đề xuất bộ điều khiển thích nghi trượt sử dụng logic mờ bám quỹ đạo cho đối tượng Omni Robot bốn bánh đa hướng dạng holonomic. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh dựa trên các tiêu chuẩn Lyapunov.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển bám quỹ đạo Omni Robot bốn bánh bằng phương pháp thích nghi mờ trượt Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO OMNI ROBOT BỐN BÁNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI MỜ TRƯỢT Hà Thị Kim Duyên 1*, Ngô Mạnh Tiến2*, Phan Xuân3, Minh Lê Xuân Hải3, Vũ Đức Thuận3, Nguyễn Minh Huy3 Tóm tắt: Bài báo đề xuất bộ điều khiển thích nghi trượt sử dụng logic mờ bám quỹ đạo cho đối tượng Omni Robot bốn bánh đa hướng dạng holonomic. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh dựa trên các tiêu chuẩn Lyapunov. Bộ điều khiển thích nghi mờ trượt làm giảm hiện tượng rung (chattering) cũng như đảm bảo chất lượng bám của robot khi robot có các tham số thay đổi. Các kết quả đạt được mở ra khả năng ứng dụng của 2 bộ điều khiển trong thực tế. Keywords: Omni Robot Control; Adaptive Fuzzy Sliding Mode; Tracking Control; Nonlinear Control. Ký hiệu: Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa x.y m Tọa độ của robot  rad Hướng của robot so với phương x xd , yd m Giá trị mong muốn của tọa độ robot d Rad Hướng mong muốn của robot v.vn m/s Vận tốc thẳng và vận tốc theo phương pháp tuyến của robot  rad/s Vận tốc góc của robot v1 , v2 , v3 , v4 m/s Vận tốc của các bánh xe r m Bán kính bánh xe M kg Khối lượng của robot J kg.m2 Momen quán tính của robot f1 , f 2 , f 3 , f 4 N Lực tác động vào các động cơ  , i, u N.m, A, V Momen xoắn, dòng điện và điện áp điều khiển động cơ Các chữ viết tắt: FLC Fuzzy sliding mode ASMC Adaptive sliding mode control SMC Sliding mode control AFSMC Adaptive fuzzy sliding mode control FWOMR Four wheel omni-directional mobile robot 1. PHẦN MỞ ĐẦU Robot tự hành đa hướng sử dụng bánh omni dạng holonomic (FWOMR) có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và tư thế. Với cấu trúc bánh omni và ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong các điều kiện môi trường di chuyển hẹp, khó thay đổi vị trí mà mẫu mobile robot này đang được áp dụng một cách rộng rãi. Các vấn đề về kiểm soát quỹ đạo, xử lý tác động nhiễu ngoại sinh, thay đổi của các thành phần bất định như khối lượng, momen, ma sát…đang là các nội dung được quan tâm. Đã có các công trình công bố các thuật toán điều khiển được áp dụng cho FWOMR như điều khiển tuyến tính hóa quỹ đạo [8], backstepping, điều khiển thông minh [6,7,9], điều khiển trượt [6,9]… Điều khiển trượt có ưu điểm là tính ổn định, bền vững, đáp ứng tốt ngay cả khi đối tượng có nhiễu. Tuy nhiên, nếu biên độ của tín hiệu điều khiển không phù hợp có thể gây ra hiện tượng rung, dao động quanh mặt trượt (chattering). Để giải quyết vấn đề này, bài Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 119  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông báo tập trung vào hai hướng: sử dụng logic mờ để điều chỉnh biên độ của tín hiệu điều khiển và sử dụng chế độ trượt thích nghi. Sử dụng hàm Lyapunov, nghiên cứu đã chứng minh chặt chẽ được sự ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy hai bộ điều khiển có chất lượng tốt, bộ điều khiển thích nghi mờ trượt hạn chế tốt hiện tượng rung và đảm bảo chất lượng bám ngay cả khi tham số khối lượng và moment của robot thay đổi. 2. MÔ HÌNH HÓA OMNI ROBOT Bài báo nghiên cứu về mẫu omni robot với 4 bánh xe đa hướng cách nhau 900 về góc. Các trục tọa độ được gắn vào các bánh xe omni cụ thể như trong hình 1. a) b) Hình 1. a) Cấu trúc và hệ tọa độ FWOMR; FWOMR thực tế; b) Mẫu bánh Omni và cấu trúc bánh Omni đa hướng. Phương trình động học của robot [5]:  x  cos   sin  0   v   y    sin  cos  0  vn       (1)    0 0 1     Trong đó: (x,y) là tọa độ xe trong hệ tọa độ toàn cục.  là góc lệch của xe so với phương ngang.  v, vn,   lần lượt là vận tốc và vận tốc góc theo các phương gắn với xe, r là bán T kính của các bánh xe.  v vn   được tính theo vận tốc các bánh như sau [5]:  2 2 2 2   2 2 2 2          4 4 4 4   v1  4 4 4 4  1  v       vn    2 2  2  2  v2    r.  2 2 ...