ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


NGUYỄN ĐÌNH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY
TRÊN CƠ CẤU DELTA ROBOT
DESIGN OF ADAPTIVE CONTROL SYSTEM TO
SIMULATE SHIP MOTION ON A DELTA ROBOT

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số

: 60520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Duy Anh.........................
Cán bộ chấm nhận xét 1 :PGS.TS Võ Tường Quân..................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS Võ Hoàng Duy............................................
Luận vãn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 04 tháng 07 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hồi đồng: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến...................................


Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử

Mã số : 60520114

L TÊN ĐỀ TÀI:
- Tiếng Việt: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi mô phỏng chuyển động sàn
tàu thủy trên cơ cấu Delta Robot
- Tiếng Anh: Design of adaptive control system to simulate ship motion on a delta
robot
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của Delta Robot: bài toán động học, động lực học và
không gian làm việc
- Mô hình hóa cơ cấu Delta Robot, cơ cấu chấp hành
- Mô phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab Simulink
- Xây dụng hệ điều khiển thích nghi: điều khiển sàn tàu thủy bám theo quỹ đạo mong
muốn, khử sai số mô hình, đảm bảo chất luợng điều khiển khi tải hay thông số mô hình
thay đổi
- Áp dụng giải thuật điều khiển trên cơ cấu Delta Robot
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HUỚNG DẪN : PGS.TS. NGUYỄN DUY ANH
Tp. HCM, ngày tháng năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. NGUYỄN DUY ANH


TÓM TẮT LUẬN VÃN
Theo nghiên cứu của World Shipping Council (WSC), “The Office of National
Marine Sanctuaries”, ta có thể thấy rằng tình trạng mất mác, hư hỏng container, và hư
hỏng tàu, thuyền ngày càng trở nên trầm trọng. Thực tế này đặt ra một yêu cầu là xây
dựng một mô hình có khả năng mô phỏng chuyển động của sàn tàu. Từ đó kiểm tra, đánh
giá về mức độ an toàn của kết cấu sàn, kết cấu và sự sắp xếp container nhằm hạn chế
nguy cơ hư hỏng, mất mác container cũng như tàu thuyền.
Đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIÊN cơ CẤU DELTA ROBOT MÔ PHỎNG
CHUYÊN ĐỘNG SÀN TÀU THỦY” vừa giải quyết vấn đề thực tế nêu trên, vừa tạo môi
trường để nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu “Vertical structure delta robot”.
Cơ cau “Vertical structure delta robot” sử dụng khớp Các-đăng kết hợp với một
cụm gối tựa bị động cho phép mô phỏng ba chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển
động tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng lên và hạ xuống. Mô hình cơ khí và mô hình mô
phỏng trên Matlab Simulink được thiết kế và hiện thực, trên đó ta xây dựng giải thuật
điều khiển thích nghi điều khiển cơ cấu di chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn đồng
thời khử sai số mô hình và nhiễu, đảm bảo chất lượng điều khiển.
SUMMARY
According to the research of World Shipping Council (WSC) and “The Office of
National Marine Sanctuaries”, it shows that situation of losing, damaging of containers
and ships becomes more serious. It requires to build model being able to simulate
movement of the ship deck. Base on this model, we can measure, evaluate the safety,
stability of deck structure, arrangement of containers to reduce the risk of losing,
damaging of containers and ships.
The thesis “THE RESEARCH ON DESIGNING, MANUFACTURING AND
CONTROL SHIP MOTION SIMULATION” is not only a solution for the issue above,
but also an environment to research about “Vertical structure delta robot”.
The “Vertical structure delta robot” with “Universal Joint” combined with a passive
support, allows to simulate 3 basic movements of ship deck: surge, sway and yaw. Real
and simulation model are designed and implemented. Then, an adaptive controller is
designed to control robot follow desired trajectory, cancel noise, model error and ensure


Đặt vấn đề..................................................................................................1

1.2

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước................................................1

1.2.1 Giới thiệu các thiết kế mô phỏng chuyển động.....................................1
1.2.2 Các nghiên cứu liên quan......................................................................4
1.3

Dao động của tàu thủy..............................................................................4

1.4

Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn....................................................................5

1.5

Tổ chức luận vãn.......................................................................................5

CHUƠNG 2: Cơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT........................................7
2.1

Bậc tự do của Vertical linear Delta robot...................................................7

2.2

Động học....................................................................................................7


Hệ thống mạch điện.................................................................................27

3.2.1 Yêu cầu hệ thống.................................................................................27
3.2.2 Mạch vi điều khiển STM32F4 Discovery...........................................27
3.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ....................................................28
3.2.4 Mạch giao tiếp với máy tính..............................................................30
3.2.5 Mạch cảm biến đo góc nghiêng.........................................................30
3.2.6 Nguồn điện..........................................................................................31
3.3

Mô hình mô phỏng Delta Robot trên phần mềm Matlab........................32

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIÊN...........................................................36
4.1

Đặt vấn đề................................................................................................36

4.2

Mô hình mô phỏng..................................................................................37

4.2.1 Mô hình động cơ DC...........................................................................37
4.2.2 ước luợng thông số đối tuợng.............................................................41
4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ DC.........................................44
4.2.4 Bộ điều khiển PID...............................................................................54
4.3

Điều khiển cơ cấu cơ khí Delta Robot....................................................55

4.3.1 Điều khiển động cơ.............................................................................55


5.6

Phương án khắc phục hạn chế và hướng phát triển của đề tài................75

TÀI LỆU THAM KHẢO........................................................................................76


DANH SẤCH HỈNH ÁNH
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 - Hệ thống mô phỏng máy bay của Sanders Teacher vào năm 1910.........2
Hình 1.2- Hệ thống mô phỏng chuyển động hai bậc tự do hai khớp xoay...............2
Hình 1.3- Hệ thống mô phỏng lái xe ô tô ba bậc tự do.............................................3
Hình 1.4 - Hệ thống mô phỏng máy bay CAE 7000 series A320 FFS.....................3
Hình 2.1 - Hệ tọa độ gắn với robot...........................................................................7
Hình 2.2 - Toạ độ điểm Di trong hệ tọa độ Oxyz......................................................8
Hình 2.3 - Toạ độ điểm Bi trong hệ tọa độ O'x'y'z’..................................................8
Hình 2.4 - Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm.........................................................9
Hình 2.5 - Mặt cắt không gian làm việc trên mỗi nhánh của robot........................12
Hình 2.6 - Không gian làm việc của delra robot.....................................................14
Hình 2.7 - Mặt cắt không gian làm việc khi z e zimax, zimax + L.........................15
Hình 2.8 - Mặt cắt không gian làm việc khi z E zimax + zimin2, Zimin + L.. 16
Hình 3.1- Khớp nối chữ thập..................................................................................19
Hình 3.2 - Khớp trục...............................................................................................19
Hình 3.3 - Mối lắp giữa khớp trục và khớp nối chữ thập.......................................19
Hình 3.4 - Cụm đỡ delta.........................................................................................20
Hình 3.5 - Cụm đỡ sau............................................................................................20
Hình 3.6 - Vòng đệm con lăn chéo.........................................................................20
Hình 3.7 - Thiết kế khung đế..................................................................................22
Hình 3.8 - Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên vít-me đai ốc bi.................................23

Hình 4.1- Tổng quan hệ thống điều khiển Delta Robot..........................................36
Hình 4.2 - Tổng quan mô hình mô phỏng điều khiển Delta Robot........................37
Hình 4.3 - Sơ đồ động cơ DC.................................................................................37
Hình 4.3 - Biểu đồ Bode của hàm truyền động cơ.................................................40
Hình 4.4 - Mô hình đối tượng tổng quát.................................................................41
Hình 4.5 - Mô hình ước lượng tổng quát................................................................42
Hình 4.6 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp tổng quan...................................44
Hình 4.7 - Biểu đồ Bode của mô hình chuẩn..........................................................45
Hình 4.8 - Đáp ứng hàm nấc của mô hình chuẩn...................................................46
Hình 4.9 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp đối tượng bậc 2.........................48
Hình 4.10 - Hệ điều khiển tự chỉnh định gián tiếp động cơ DC.............................49
Hình 4.11- Khối ước lượng thông số trực tuyến.....................................................49
Hình 4.12 - Bộ điều khiển theo mô hình chuẩn......................................................49
Hình 4.13- Mô hình điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn.............................50


DANH SẤCH HỈNH ÁNH
Hình 4.14 - Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính tổng quát.......................................51
Hình 4.15- Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn......................................53
Hình 4.16 - Luật MIT cập nhật thông số bộ điều khiển..........................................53
Hình 4.17 - Bộ điều khiển tuyến tính.....................................................................54
Hình 4.18 - Mô hình thực hiện phương pháp Ziegler-Nichols 2............................54
Hình 4.19- Đáp ứng của Delta Robot ở biên giới ổn định......................................55
Hình 4.20 - Đáp ứng vị trí của động cơ điều khiển bằng Driver DCS3T-26.........55
Hình 4.21 - Giao diện chương trình điều khiển......................................................56
Hình 4.22 - Module thiết lập cổng kết nối..............................................................57
Hình 4.23 - Module thiết lập thông so mô phỏng sàn tàu theo dạng sóng Airy...57
Hình 4.24 - Module test vị trí di chuyển.................................................................58
Hình 4.25 - Nút đưa cơ cấu Delta về vị trí home....................................................58
Hình 4.26 - Module bật mô phỏng..........................................................................58

DANH SÁCH BẢNG BIÊU
DANH SÁCH BẢNG BIÊU
Bảng 3.1: Bảng thông số vòng đệm con lăn chéo RU42......................................21
Bảng 3.2: Bảng thông số thanh trượt SEBWD14................................................21
Bảng 3.3: Bảng thông số cụm vít me thanh trượt KR30H-A...............................21
Bảng 3.4: Thông so các chi tiết nhôm định hình sử dụng....................................22
Bảng 3.5: Khối lượng của các chi tiết trong mô hình 3D.....................................23
Bảng 3.6: Nguyên lý hoạt động của Driver DCS3T-26.......................................29
Bảng 3.7: Thông số điện áp nguồn cho hệ thống.................................................31
Bảng 3.8: Thông số điện áp nguồn cho hệ thống.................................................32
Bảng 4.1: Thông số động cơ DC..........................................................................38
Bảng 5.1: Kết quả thực nhiệm sai số lặp lại.........................................................74


CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1Đặt vấn đề
Kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh, do đó khối lượng hàng hóa lưu
thông tăng lên cả về hai mặt số lượng và giá trị. Đồng thời nước ta có vị trí địa lý quan
trọng trong khu vực châu Á, nằm trong khu vực có mạng lưới vận chuyển hàng hóa bằng
đường biển năng động vào bậc nhất trên thế giới. Mặt khác, với hơn 3,260km bờ biển,
Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển vận tải biển và các dịch vụ khác liên
quan đến biển.
Bên cạnh những ưu điểm về khối lượng luân chuyển lớn và chi phí thấp thì vận tải
biển vẫn còn tồn tại những rủi ro dẫn đến tổn thất hàng hóa. Trong đó, việc va đập và
chịu tác dụng lực từ nhiều hướng trong suốt quá trình di chuyển của tàu là nguyên nhân
chính dẫn đến tổn thất đó.
Để giải quyết vấn đề nêu trên, đề tài đã tiến hành thiết kế một hệ thống mô phỏng
chuyển động của sàn tàu thủy nhằm mục đích tạo ra các dao động mô phỏng theo chuyển
động của sàn tàu thủy. Hệ thống sẽ hỗ trợ cho công tác nghiên cứu, phân tích và đánh giá

nén nên chất lượng điều khiển kém. Ngày nay, người ta thay thế các cơ cấu thủy lực, khí
nén bằng trục dẫn động vít-me hay động cơ điện.

2


CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN

Hình 1.3- Hệ thống mô phỏng lái xe ô tô ba bậc tự do.
Và cơ cấu sàn chuyển động với 6 bậc tự do lần đầu tiên đuợc thiết kế bởi Gough và
Sterwart. Cơ cấu sử dụng 6 khớp tịnh tiến cho phép mặt sàn truợt và xoay theo 3 trục
trong hệ tọa độ Đề-Các. Ban đầu, các khớp của cơ cấu được điều khiển bằng khí nén
hoặc thủy lực, sau được thay thế bằng các cơ cấu tác động tuyến tính chạy bằng điện nên
chất lượng điều khiển được cải thiện rất nhiều. Hệ thống mô phỏng chuyến bay toàn diện
CAE 7000 có một hệ thống tiêu biểu theo dựa theo thiết kế của Gough và Sterward. Hệ
thông cho phép tái tạo nhiều tình huống bay, giúp đào tạo phi công hiệu quả, an toàn và
tiết kiệm.

1.2.2

Các nghiên cứu liên quan

Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển Delta Robot trong nuớc và thế giới
như:

3


CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN
- Modeling and control of a Delta-3 robot của André Olsson : trình bày về vấn đề

+ quay quanh trục y (pitch)
+ quay quanh trục z (yaw)

Trong các chuyển động trên, ba chuyển động: truợt dọc (surge), truợt ngang (sway)
và quay trở (yaw) là những chuyển động quan trọng nhất trong lĩnh vục điều khiển tàu.
Chuyển động quan trong thứ tu là lắc ngang (roll), thường liên quan đến việc thiết kế hệ

4


CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN
thống giảm chấn, để tránh sự hư hỏng hàng hóa và cải thiện điều kiện làm việc của
thuyền viên và hành khách trên tàu (chống say sóng).
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn.
Mục tiêu đề tài là áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện và điều khiển, trên
cơ sở tính toán, thiết kế mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink có khả năng tạo các
chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển động tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng
lên và hạ xuống. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi nhằm mô phỏng chuyển động sàn tàu
theo quỹ đạo cho trước, đồng thời khử sai số động học, đảm bảo chất lượng điều khiển
khi tải thay đổi.
Nhiệm vụ cụ thể của đề tài như sau:
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của Delta Robot: bài toán động học, động lực học và

không gian làm việc
-

Mô hình hóa cơ cấu Delta Robot, cơ cấu chấp hành



cơ khí, mô hình mô phỏng trên Matlab và thiết kế mạch điện
-

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIÊN: thiết kế các giải thuật điều kiển, bộ

điều khiển thích nghi, điều khiển mô hình mô phỏng và mô hình cơ khí
-

Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ: áp dụng các bộ điều khiển

được thiết kế ở Chương 4, đánh giá kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài
5


CHƯƠNG 2: cơ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT
CHƯƠNG 2: cơ SỞ LÝ THUYẾT VÈ DELTA ROBOT
2.1

Bậc tự do của Vertical linear Delta robot
Số bậc tự do của robot có thể tính theo công thức Kutzback sau:
w = 6(n—j -l)+z{=ofi- fb

(2.1)

Trong đó: n là số khâu, j là số khớp, fi là số khớp loại i, fb: là số khớp bị trùng Với
loại Vertical linear delta robot thì n = 11, j = 15, fb =6, /3=12, /1=3, ta CÓ: w = 6(11
- 15 - 1) + (12.3 + 3.1)

6=3

Hình 2.2 - Toạ độ điểm Dị trong hệ tọa độ Oxyz

Hình 2.3 - Toạ độ điểm Bị trong hệ tọa độ O’x’y’z’ Tọa độ điểm Bị
trong hệ tọa độ {R’};
R

Bt = (r.cosữi, r.sinab Ơ)T, i = 1,2,3

Tọa độ điểm Bi trong hệ tọa độ {/?}:

7


R

Bị = Ro' + RBÍ = (r. cosaị + X, r. sincCì + y, z)T, í = 1,2,3

(2.4)

Mặt khác, ta có :
ỊDỊBỊỊ = L, i = 1,2,3

(2.5)

Từ (3.4) và (3.5) ta có phương trình sau :
(x - %í)2 + (y - yt)2 + (z- Zị)2 = L2, i = 1,2,3

(2.6)

Giải (3.6) ta được phương trình động học ngược của Delta robot:


Tọa độ các điểm Di
Dị = [Rcoscti, RsintXi, ZD.]
Với bán kính L, ta được hệ ba phương trình hình cầu như sau:
(x - xỡ.)2 + (y - yữJ2 + (z - zỡ.)2 = L2

(2.11)

Hay (% — Rcosaị)2 + (y — Rsinaị)2 4- (z — ZDJ)2 — L2

(2.12)

Với sự trợ giúp của máy tính, hệ ba phương trình (2.12) sẽ được giải và có hai
nghiệm là hai giao điểm như được nêu ở trên. Ta chọn nghiệm có giá trị z lớn hơn.
2.3 Ma trận Jacobian
Từ phương trình (2.6) lấy đạo hàm theo thời gian ta được:
(z - Zj)zt = (% - %i)x + (y - yt)ỳ + (z - Zj)z

(2.13)

Phương trình (2.13) có thể viết lại dưới dạng như sau:
Av = Bũ

(2.14)

Trong đó: V là vector vận tốc đầu vào được xác định bởi V — (z'lt z'2, z'3)T ũ là
vector vận tốc đầu ra được xác định bởi ũ = (x, ỹ, z)T
Khi đó ma trận A, B xác định như sau:
A = diag(z — zltz — z2l z — z3)
— Jacobian

£z0

Từ ba trường hợp trên, để tránh trường hợp các điểm kỳ dị, ràng buộc các kích
(2.16)
thước khâu như sau: 0 < R — r < L.
2.4 Phân tích không gian làm việc
Phân tích không gian làm việc trên một nhảnh của Delta robot.
. b_ =
1 — -% —
Vã-7-y Vã
.
f
+ (Tí
— r)
2
2
2
Từ phương trình (2.6), ta thấy không gian làm việc của mỗi khâu robot là hình cầu
cỏ tâm

bány kính
L và
c — Ziý),
V3y —
(7? —
r) Zjj e
lzimín> zimaxì

d = -y(7? — r)
Như vậy (3.16) tương đương với:

2.5.a là mặt
— cắt
r = không
0
gian làm việc của mỗi khâu trong trường hợp lzimĩn
r X=0
~ zimaxỉ
— 2L còn hình
là mặt cắt không gian làm việc ứng với lzimín ~ zimaxỉ