Điều khiển robot ba bánh sử dụng bộ điều PID

Bài báo nghiên cứu Robot ba bánh (Omnidirectional Mobile Robot-OMR) sử dụng thuật toán PID để điều khiển. OMR sẽ chạy theo một quỹ đạo cho trước sao cho sai số về không. Thuật toán PID sử dụng PWM trong điều khiển tốc độ động cơ và điều khiển quỹ đạo của OMR để không những sai số nhỏ mà dao động của hệ thống cũng được giới hạn. Thuật toán đã được kiểm chứng qua một số thực nghiệm để đánh giá về tính hiệu quả, ổn định của thuật toán cũng như sự kết hợp trong điều khiển cả hai đối tượng cùng lúc.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển robot ba bánh sử dụng bộ điều PID Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2017 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ĐIỀU KHIỂN ROBOT BA BÁNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU PID CONTROL OF OMNIDIRECTIONAL MOBILE ROBOT BASED ON PID CONTROLLER Trần Văn Hùng1, Nguyễn Văn Hân1 Ngày nhận bài: 15/10/2016; Ngày phản biện thông qua: 28/3/2017; Ngày duyệt đăng: 25/9/2017 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu Robot ba bánh (Omnidirectional Mobile Robot-OMR) sử dụng thuật toán PID để điều khiển. OMR sẽ chạy theo một quỹ đạo cho trước sao cho sai số về không. Thuật toán PID sử dụng PWM trong điều khiển tốc độ động cơ và điều khiển quỹ đạo của OMR để không những sai số nhỏ mà dao động của hệ thống cũng được giới hạn. Thuật toán đã được kiểm chứng qua một số thực nghiệm để đánh giá về tính hiệu quả, ổn định của thuật toán cũng như sự kết hợp trong điều khiển cả hai đối tượng cùng lúc. Từ khóa: Robot 3 bánh (OMR), PID ABSTRACT The paper demonstrates an Omnidirectional Mobile Robot (OMR), which is based on PID controller. The purpose is to control the OMR such that the tracking errors converge to zero. PID controller is applied to tune the PMW signal of the motor revolution, and correct path deviation issues encountered when the robot is moving. The effectiveness of the proposed approach was verified through several tracking experiments, which demonstrate the feasibility of a PID controller path tracker as well as the control of motor DC speed Keywords: Omnidirectional Mobile Robot (OMR), PID I. ĐẶT VẤN ĐỀ OMR có thể di chuyển theo bất kỳ phương nào mà không cần quay đầu. Các mô hình và điều khiển OMR đã được một số nhà nghiên cứu đưa ra trong thời gian gần đây. Mô hình động lực học và điều khiển theo quỹ đạo đã được đưa ra, coi OMR giống như tập hợp của ba động cơ [4]. Huang và Tsai sử dụng Field Programmable Gate Array (FPGA) làm bộ điều khiển. Họ đã sử dụng FPGA để thực nghiệm, bộ điều khiển thích nghi bền vững để giải quyết động lực học cho OMR [5]. Sai số khi di chuyển của OMR phụ thuộc vào nhiều yếu tố 1 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang 36 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG như: rung động cơ, nguồn, trọng lượng OMR, bánh xe, và ngay cả mặt phẳng di chuyển; đó là điều không thể bỏ qua. Meng và Chiu sử dụng thuật toán mờ cho encoder để giải quyết vấn đề dao động khi đi theo quỹ đạo thẳng [3]. Bộ điều khiển Proportional-Integral-Derivative (PID) cho động cơ thường được sử dụng trong công nghiệp bởi vì chúng đơn giản, dễ sử dụng và đủ chức năng [1]. Tốc độ điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng xung (PWM) dựa vào xung được phản hồi về khi động cơ quay.Trong bài báo này, vị trí của OMR sẽ được điều khiển bởi thuật toán PID dựa vào Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản phản hồi từ động cơ. Bên cạnh đó, tốc độ ba bánh của OMR cũng được điều khiển chính xác dựa vào thuật toán PID. II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Robot ba bánh Số 3/2017 - Xác định yêu cầu kỹ thuật OMR. - Tính toán các giá trị đầu vào ra, từ đó thiết kế sơ bộ OMR. - Xây dựng phương án chế tạo OMR. - Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng dựa trên tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó chủ yếu vào phép “Trial and error” có định hướng. Trong nghiên cứu này cần chạy thử và kiểm tra OMR để tìm ra được bộ tham số của thuật toán PID tối ưu. Bước một tìm bộ tham số PID cho điều khiển tốc độ, bước hai là tìm bộ tham số cho điều khiển vị trí và cuối cùng kết hợp để được bộ tham số tối ưu cho cả OMR. Qui trình nghiên cứu, chế tạo OMR theo các bước sau: 1. Thiết kế phần cứng Hệ thống được xây dựng dựa vào bộ vi điều khiển Atmega không những cung cấp hiệu năng cao và giá thành thấp mà còn có các tính năng tích hợp như ADC, PWM, UART, EI,… để giảm tối đa các thiết bị phụ trợ đi kèm. Thêm vào đó, thuật toán trên Atmega có thể dễ dàng cài đặt hơn nhờ vào các ngôn ngữ lập trình C hoặc C++ và có thể nhúng assembly. OMR được mô tả trên hình 1. Tổng khối lượng khoảng 5kg. Khung của OMR là được làm từ mica và thanh tấm nối, đặt ba động cơ tạo thành góc 1200. Hình 1. Mô hình thực nghiệm Sơ đồ hệ thống được chỉ ra trong Hình 1. Các thiết bị ngoại vi bao gồm: ba bộ điều khiển động cơ (LMD18200), động cơ DC (GA37 V1) và enconder (11PPR). Giao tiếp giữa bộ điều khiển với máy tính thông qua cổng UART wireless để việc điều khiển và lấy dữ liệu được dễ dàng. Thời gian cho một chu kỳ thuật toán đúng 10ms, sử dụng timer để định thời gian cho hệ thống. Thêm vào đó, bộ điều khiển PWM đạt hiệu quả cao mà đơn giản trong điều khiển tốc độ động cơ. Bằng việc sử dụng bộ cầu H, bộ điều khiển có thể điều khiển vị trí, tốc độ dựa vào phản hồi tốc độ từ encoder gắn trên ba động cơ. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2017 Cầu LMD18200 kết nối vào bộ điều khiển qua hai chân Dir (chiều quay) và PWM (tốc độ). Bộ điều chế tín hiệu PWM được cài đặt trong vi điều khiển Atmega8. Bằng cách sử dụng bộ tích hợp sẵn PWM, bộ PWM tự động xuất ra PWM mà không tốn thời gian xử lý. Atmega8 có thể tạo ra 3 tín hiệu PWM. Trong OMR này, mỗi bộ điều khiển động cơ bao gồm: Atmega8, cầu H (LMD18200) và encoder. Hình 2. Kiến trúc hệ thống điều khiển Để tối ưu tốc độ đường truyền giữa OMR và OMR là 4 byte. 15 byte là khung truyền từ OMR máy tính, hai loại khung truyền được sử dụng: lên máy tính. Byte lệnh đóng vai trò như là câu khung truyền từ máy tính (Bảng 1) và khung lệnh, đôi khi là tên của loại dữ liệu và byte dữ truyền từ OMR (Bảng 2). Máy tính truyền xuống liệu là thông tin cho câu lệnh đó. Bảng 1. Khung dữ liệu từ máy tính xuống OMR Lệnh (CMD) Dữ liệu (Data (0÷1)) Kiểm lỗi (Checksum) No.B 1 2 1 byte Giá trị 240÷255 0÷52899 byte0 = value/230; byte1 = value%230; 0÷15 cs = cmd ^ data0 ^ data1 ^ cs; cs = (cs & 0x0F) ^ (cs>>4); Bảng 2. Khung dữ liệu từ OMR lên máy tính Lệnh (CMD) Dữ liệu (Data (0÷1)) Kiểm lỗi (Checksum) Kết thúc No.B 1 6x2 1 1 Giá trị 240÷255 0÷52899 b ...