کنترل دینامیکی ربات دو پا با استفاده از سیستم کنترل فازی

19,900تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

دانشگاه آزاد اسلامي

واحد علوم و تحقيقات كرمان

دانشكده فني و مهندسي، گروه مکاترونیک

 

پايان نامه براي دريافت درجه كارشناسي ارشد در رشته مهندسي مکاترونیک (M.Sc)

عنوان:

کنترل دینامیکی ربات دو پا با استفاده از سیستم کنترل فازی

فهرست مطالب

چکیده 1

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- مقدمه 3

1-2- مدل ساده ربات دو پای پنج اتصال. 4

1-3- کنترل کننده ی منطق فازی. 5

1-4- بیان مسأله 6

1-5- هدف از این مطالعه 6

1-6- گستره کار 6

1-7- نمای کلی از پایان نامه 7

فصل دوم: مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق

2-1- گسترش در سال 1980. 9

2-2- پیشرفت در سال 1990. 9

2-3- تحرک ربات دو پا بر روی سطوح کمتر ساخت یافته 10

2-4- تعادل دینامیکی ربات دو پا با استفاده از عوامل یادگیری تقویت فازی. 10

2-5- ابزار شبیه سازی از مدل راه رفتن ربات دو پا 10

2-6- کنترل پویا و پیوندی ربات دو پا در ناحیه پشتیبانی. 11

2-7- درک تجربی راه رفتن دینامیکی ربات دو پای شبیه انسانKHR-2  با استفاده از بازخورد نقطه ای صفر و مقیاس اینرسی. 11

2-8- بهینه سازی شیوه راه رفتن ربات دو پا توسط ترکیب دینامیکی مطلق. 12

فصل سوم: روش شناسی تحقیق

3-1- مقدمه 14

3-2- دینامیک ربات دوپا 16

3-3- نیروهای ناشی از برخورد با زمین. 20

3-4- محدودیت زاویه ی زانو. 21

3-5- مدل بلوک های مطلب با استفاده از کنترل فازی. 22

3-5-1 بلوک مرجع. 22

3-5-2  بلوک سیگنال های خطا 26

3-5-3 بلوک کنترل کننده ی فازی. 27

3-5-4 تبدیل به بلوک گشتاور 28

3-5-5 بلوک مدل دو پا 28

3-5-5-1 بلوک مدل دینامیکی. 31

3-5-5-2 بلوک تماس با زمین. 33

3-5-5-3 بلوک ایستاگر زانو. 33

3-6- خلاصه ی فصل. 34

فصل چهارم: تجزیه و تحلیل یافته های تحقیق

4-1- مقدمه 36

4-2- ویرایشگر توابع عضویت.. 42

4-3- شبیه سازی از  woutgain.mdl 50

4-4- گسترش قوانین فازی. 54

4-5- شبیه سازی woutgain.mdl با استفاده از فایل FIS جدید. 64

4-6- اضافه کردن بهره و شبیه سازی. 67

4-7- خلاصه فصل. 72

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری. 74

5-2- توصیه ها برای کارهای آینده 75

منابع و مآخذ. 76

فهرست منابع انگلیسی. 76

پیوست.. 78

چکیده انگلیسی. 81

فهرست جداول

جدول 3-1: مشخصات پارامتر های بلوک مدل ربات دو پا 29

جدول 4-1: قوانین فازی برای کنترل کننده هایΔβ  و γL و γR. 37

جدول 4-2: قوانین فازی برای کنترل کننده α. 41

جدول 4-3: قوانین فازی برای کنترل کننده هایΔβ  و γL وR γ. 54

جدول 4-4: قوانین فازی برای کنترل کننده α. 54

فهرست شکل ها

شکل 1-1: مدل دینامیکی ربات دوپا با پنج درجه آزادی.. 4

شکل 1-2: ساختار کنترل کننده فازی.. 5

شکل 3-1: مراحل پروژه 15

شکل 3-2: FIS Editor 16

شکل 3-3: (الف)مدل ربات دوپا و مقادیر ثابت. (ب) نیرو های خارجی.. 17

شکل 3-4: نوک پای ربات دوپا با زمین در نقطه ی(x0΄,0)  برخورد می کند (خاکستری). 20

شکل 3-5: مدل ربات دوپا  پنج اتصال با استفاده از کنترلر فازی MATLAB.. 22

شکل 3-6- الف: سیگنال مرجع برای α. 23

شکل 3-6- ب: سیگنال مرجع برای Δβ. 23

شکل 3-6- ج: سیگنال مرجع برای     γL. 24

شکل 3-7: مدل داخلی سیگنال های خطا 25

شکل 3-8: مدل داخلی کنترل کننده های فازی.. 26

شکل 3-9: مدل داخلی تبدیل به گشتاور. 27

شکل 3-10: بلوک مدل دو پا و پارامتر های کادر محاوره ای.. 28

شکل 3-11: مدل داخلی بلوک ربات دو پا 30

شکل 3-12: مدل داخلی بلوک مدل دینامیکی ربات دوپا 31

شکل 3-13: بلوک مدل داخلی ماتریس های A و b. 31

شکل 3-14: مدل داخلی بلوک تماس با زمین.. 32

شکل 3-15: مدل داخلی بلوک ایستاگر زانو. 33

شکل 4-1: تغییر در خطا  و سیگنال کنترل Δβ. 36

شکل 4-2: خطا، تغییرات در خطا و سیگنال های کنترل γL. 38

شکل 4-3: خطا، تغییرات در خظا وسیگنال کنترل γR. 39

شکل 4-4: تغییرات در خظا وسیگنال کنترل α. 40

شکل 4-5: پنجره ی اصلی fis flie 123fuz3. 42

شکل 4-6: تابع عضویت ویرایشگر error1. 42

شکل 4-7: تابع عضویت ویرایشگر Derror1. 43

شکل 4-8: تابع عضویت ویرایشگر control1. 43

شکل 4-9: پنجره ی ویرایشگر قوانین برای 123fuz3. 44

شکل 4-10: پنجره ی نشان دهنده ی قوانین برای 123fuzz3. 44

شکل 4-11: پنجره ی نشان دهنده ی سطح برای 123fuzz3. 45

شکل 4-12: پنجره ی اصلی fis flie 123fuz3. 45

شکل 4-13: ویرایشگر عضویت error4. 46

شکل 4-14: ویرایشگر تابع عضویت Derror4. 46

شکل 4-15: ویرایشگر تابع عضویت control4. 47

شکل 4-16: پنجره ی ویرایش قوانین برای 4fuzz3. 47

شکل 4-17: پنجره ی نشان دهنده ی قوانین برای 4fuzz3. 48

شکل 4-18: پنجره ی نشان دهنده ی سطح برای 4fuzz3. 48

شکل 4-19: مدل متلب برای woutgain.mdl 49

شکل 4-20: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع α  50

شکل 4-21: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجعΔβ  51

شکل 4-22: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γL  52

شکل 4-23: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γr 53

شکل 4-24: پنجره ی اصلی FIS file 123fuzz5. 55

شکل 4-25: ویرایشگر تابع عضویت Error1. 56

شکل 4-26: ویرایشگر تابع عضویت Derror1. 56

شکل 4-27: ویرایشگر تابع عضویت control1. 57

شکل 4-28: پنجره ی ویرایشگر قوانین برای 123fuzz5. 57

شکل 4-29: پنجره ی نمایشگر قوانین برای 123fuzz5. 58

شکل 4-30: پنجره ی نمایشگر سطح برای 123fuzz5. 58

شکل 4-31: پنجره ی اصلی FIS file 4fuzz5. 59

شکل 4-32: ویرایشگر تابع عضویت Error4. 59

شکل 4-33: ویرایشگر  تابع عضویت Derror4. 60

شکل 4-34: ویرایشگر  تابع عضویت control4. 60

شکل 4-35: پنجره ی ویرایشگر قوانین برای 4fuzz5. 61

شکل 4-36: پنجره ی ویرایشگر قوانین برای 4fuzz5. 61

شکل 4-37: پنجره ی  نمایشگر سطح برای 4fuzz5. 62

شکل 4-38: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع α  63

شکل 4-39: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع Δβ  64

شکل 4-40: رنگ سبز  برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γL  65

شکل 4-41: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γR  65

شکل 4-42: مدل داخلی کنترل کننده ی فازی بعد از اضافه کردن بهره ها 66

شکل 4-43: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع α  67

شکل 4-44: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع     68

شکل 4-45: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γL  69

شکل 4-46: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع γR  70

شکل 4-47: رنگ سبز برای خروجی PD، رنگ بنفش برای خروجی فازی و رنگ زرد سیگنال مرجع به ترتیب برای α ،Δβ ، γLو γR. 71

چکیده

در این پایان نامه یک مدل ریاضی دو بعدی ربات دو پای پنج اتصال مورد مطالعه قرار گرفته است. از نرم افزار متلب برای طراحی سیستم کنترل کننده‌ی فازی به منظور کنترل زوایای نیم تنه‌ی بالا، ساق‌ها و ران‌های ربات دو پایی که در دانشگاه هلسینکی طراحی و مدل سازی گردیده و همچنین به وسیله ی سیستم کنترل کننده ی PD در آنجا کنترل شده است، استفاده شده است.استفاده از سیستم کنترل کننده ی PD از پیچیدگی زیادی برخوردار است چرا که برای کنترل چهار زاویه به چهار کنترل کننده در هر یک از چهار فاز حرکتی احتیاج است. بنابر این در سیستم کنترل PD در کل به شانزده کنترل کننده احتیاج خواهد بود. با استفاده از سیگنال خطا و تغییر در خطا و همچنین سیگنال های کنترل ناشی از سیستم PD  متناظر آنها قوانین فازی  بدست می آیند  و تعداد کنترل کننده ها از شانزده کنترل کننده ی PD به چهار کنترل کننده ی فازی کاهش می یابند. سیستم کنترل کننده ی فازی به کار برده شده به دلیل احتیاج نداشتن به اطلاعات فاز حرکتی ربات نیز ساده‌تر از PD خواهد بود. ارتباط بین قوانین فازی و عملکرد کنترل کننده ی فازی در اینجا مورد بررسی قرار می‌گیرد و همچنین تاثیر اضافه کردن گین در خروجی بررسی می گردد.

واژگان کلیدی: ربات دوپا، کنترل دینامیکی، قوانین فازی، کنترل کننده PD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول:

کلیات تحقیق

1-1- مقدمه

در یک ربات دو پا سه حالت اصلی حرکت دینامیکی شامل قدم زدن، دویدن و پریدن  قابل دستیابی است. اما معمولاً اکثر ربات های  دو پای موجود، فقط در یک حالت می توانند حرکت کنند و تعداد اندکی  توانایی حرکت در دو حالت یا بیشتر را دارند.

در حالت کلی یک سیستم حرکتی ربات دو پا شامل اعضایی می باشد که با مفاصل فعال به هم وصل شده اند. پیچیدگی سیستم بستگی به تعداد درجه آزادی و و ساختار پا ها و اندام های فوقانی دارد. طراحی ربات های دو پا  توسط انسان تا حد بسیار زیادی تحت تاثیر قرار گرفته و بر گرفته از  پیچیدگی و چند بعدی بودن حرکت خود انسان  دوپا می باشد. بنابراین، بسیاری از مدل ها و ماشین آلات پیشرفته شباهت زیادی به بدن انسان دارند.

از سوی دیگر، حرکت راه رفتن بستگی به فاصله نسبی بین دو پا ی ربات دارد. همچنین، راه رفتن شامل دو الگو راه رفتن استاتیک و پویا در قدم زدن است. در راه رفتن استاتیک، ربات دوپا دارای پاهای بزرگ بوده و تعادلش را به وسیله  قرار دادن مرکز جرمش در گستره ای که پاهایش تحمل و پشتیبانی می کنند حفظ            می کند.

این نوع راه رفتن  معمولا آهسته است. در مقابل پیاده روی استاتیک، پیاده روی پویا یا دینامیک از قدم زدن برای حفظ تعادل و برقراری پایداریش استفاده می کند. اما کنترل کردنش سخت تر از کنترل در حالت استاتیک می باشد. الگوی قدم زدن پویا خیلی سریع تر از قدم زدن استاتیک می باشد.

 

 

1-2- مدل ساده ربات دو پای پنج اتصال

در شکل زیر یک مدل دینامیکی ربات دو پا با پنج درجه ی آزادی را ملاحظه می کنیم:

شکل 1-1: مدل دینامیکی ربات دوپا با پنج درجه آزادی

مختصات مفاصل و سرعت های مفاصل عبارتند از:

q = [q1 ,…,qn ]                                                                                                          1-1

q̇ = [q̇1 ,…,q̇n ]                                                                                                              1- 2

در این مدل  n برابر 5 می باشد.

Oi نشان دهنده مفصل i است. در این مدل i برابر 6 می باشد.

با استفاده از فرمول لاگرانژ، معادله دینامیکی حرکت، با توجه به استفاده از لاگرانژ در ضرایب در معادله زیر نوشته شده است.

 1-3

Qi بیان کننده ی گشتاور عمل کننده ی مفصل می باشد.

JqT   ماتریس ژاکوپین را نشان می دهد.

λ نشان دهنده ی نیروهای محدود کننده ای می باشد که به صورت نیروی واکنش زمین عمودی یا افقی هستند.

 

 

1-3- کنترل کننده ی منطق فازی

کنترل کننده منطق فازی یک علم اصول قردادی برای نمایش دادن، با مهارت انجام دادن (اداره کردن)، اجرا و تکمیل کردن  دانش اکتشافی و ابتکاری بشر برای چگونگی کنترل یک سیستم است.

در شکل 1-2 یک کنترل کننده ی فازی نشان داده شده است. در این شکل کنترل کننده ی فازی در یک سیستم حلقه بسته قرار گرفته است.

خروجی ها به وسیله ی y(t) نشان داده شده اند. و ورودی ها با u(t) مشخص شده اند. همچنین ورودی مرجع برای کنترلگر فازی به وسیله ی r(t) نشان داده شده است.

شکل 1-2: ساختار کنترل کننده فازی

 

کنترلر فازی شامل چهار مؤلفه ی اصلی است:

1-   rule-baseیا قانون پایه، به کار گیری دانش، در قالب مجموعه ای از قوانین، برای دستیابی به بهترین راه کنترل سیستم است.

 2- مکانیسم استنتاج فازی قواعد کنترلی را به یک نگاشت از مجموعه های فازی در فضای ورودی به مجموعه های فازی در فضای خروجی بر اساس اصول منطق فازی تبدیل می کند. این مکانیسم ارزیابی می‌‌‌‌کند که کدام یک از قوانین کنترلی در زمان جاری یا فعلی مناسب می باشد و سپس تصمیم می گیرد کدام قانون باقی بماند.

3- واسط کاربری fuzzification به سادگی ورودی­ها را تغییر می دهد به طوری که می تواند قوانین را تفسیر و با قوانین پایه مقایسه کند. یک فازی ساز در ورودی متغیرها با مقادیر حقیقی را به یک مجموعه ی فازی تبدیل می کند.

4- واسط کاربری defuzzification نتایج بدست آمده را به شکل ورودی ها در می آورد. به کلامی دیگر یک غیر فازی ساز است که یک مجموعه ی فازی را به یک متغیر با مقدار حقیقی در خروجی تبدیل         می کند.

در واقع یک کنترل کننده ی فازی، تصمیم گیرنده ی مصنوعیی است که در زمان واقعی(real time) در یک سیستم حلقه بسته عمل می کند. کنترکننده ی فازی داده های خروجی y(t)را گرداوری می­کند، و آن ها را با ورودی های مرجع مقایسه کرده و سپس تصمیم می گیرد که چه ورودی u(t) ای برای رسیدن به هدف ما مناسب است برای طراحی کردن کنترل کننده ی فازی مهندس کنترل باید در مورد چگونگی عملکرد تصمیم گیرنده ی مصنوعی در سیستم حلقه بسته اطلاعات لازم را جمع آوری کند. گاهی اوقات این اطلاعات            می تواند از تصمیم گیرنده انسانی که وظیفه کنترل را انجام می دهد در حالی که در زمان های دیگر، مهندس کنترل می تواند دینامیک دستگاه را بفهمد و مجموعه ای از قوانین در مورد چگونگی کنترل سیستم را بدون کمک گرفتن از بیرون را تنظیم کند. این “قوانین” در واقع، می گویند: “اگر خروجی و ورودی مرجع به شیوه ای خاص رفتار کنند آنگاه ورودی باید برخی از مقادیر یا ارزشها  را در بر بگیرد”.

rule-base شامل مجموعه ی کاملی از قواعد “if-then” می باشد، و یک استراتژی استنتاجی انتخاب شده و سپس سیستم برای مشاهده ی مشخصات حلقه بسته آماده ی آزمایش کردن است.

 

1-4- بیان مسأله

کنترل کننده­ی ربات معمولا برای عملکرد راه رفتن یا قدم زدن استاتیک، برنامه ریزی می شود، بنابراین برای دستیابی یه راه رفتن دینامیک (پویا) و رسیدن به عملکرد بهتر در خصوص سرعت باید کنترل کننده ارتقاء یابد.

1-5- هدف از این مطالعه

اهداف اصلی این پروژه مطالعه ی دو بعدی سیستم ربات دو پای پنج اتصال و طراحی چهار کنترل کننده­ی منطق فازی برای کنترل کردن زاویه نیم تنه، ران ها و ساق های این ربات می باشد.

1-6- گستره کار

در این پروژه به مطالعه ی دو بعدی راه رفتن یک ربات دو پای پنج اتصال با در نظر گرفتن نیم تنه و زانوها می پردازیم. مچ پا در نظر گرفته نشده است.

سطحی که ربات بر روی آن راه می رود را به صورت دنباله ای از نقاط متصل به هم که یک خط راست را تشکیل می دهند تعریف می کنیم.

برهم کنش بین دوپا و زمین با استفاده از نیروهای خارجی که بر روی نوک پا در هنگام برخورد با زمین عمل می کنند مدل سازی شده است. این اجازه می دهد تا با استفاده از مدل دینامیکی هفت درجه ی آزادی، دینامیک سیستم را در همه ی موقعیت ها بررسی کنیم.

سیستم های کنترل PD است که در سال 2004 توسط Olli Haavisto و Hyotyniemi Heikki  از دانشگاه تکنولوژی هلسینکی برای کنترل زوایای نیم تنه، ران ها و ساق ها طراحی شده اند  کاملاً وقت گیر و پیچیده می باشند. به این دلیل که از چهار کنترل کننده برای کنترل چهار زاویه (زاویه ی نیم تنه، زاویه ی بین دو ران، زاویه ی ساق های چپ و راست) در هر یک از چهار مرحله ی راه رفتن(هر دو پا بر روی زمین، پای چپ بر روی زمین، پای راست بر روی زمین، نه پای چپ و نه پای راست روی زمین) استفاده می کند.

 

منابع و مآخذ

فهرست منابع انگلیسی

  1. Miura, H., Shimoyama, I., 1984. Dynamic walk of a biped. J. Rob. Res., vol. 3, no.2.
  2. Hun-ok Lim and Atsuo Takanishi, 2000. Waseda Biped Humanoid Robots Realizing Human-like Motion. The 6th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control in Nagoya, 30th March to 1st April.
  3. Furusho, J., Masubuchi, M., 1986. Control of a dynamical biped locomotion system forsteady walking. ASME Trans. System, Measurement and Control, vol. 108, no.2.
  4. Raibert, M. H., 1986. Legged Robots That Balance. Cambridge, MA, MIT Press.
  5. Zheng, Y. F., Sias, F. R., 1988. Design and motion control of practical biped robots. J. Robotics Automat., vol.3, no. 2.
  6. McGeer, T., 1990. Passive Dynamic Walking. International Journal of Robotics Research, volume 9.
  7. Kajita, S., Yamaura, T., Kobayashi, A., 1992. Dynamic walking control of a biped robot along a potential energy conserving orbit. IEEE Trans. Robotics and Automation, vol. 8, no. 4.
  8. Grishin, A. A., Formal’sky, A. M., Lensky, A. V., Zhitomirsky, S. V., 1994. Dynamic walking of a vehicle with two legs controlled by two drives. J. Robotics Research, vol. 13, no. 2.
  9. Y. Cheng and C.S. Lin, 2000. Dynamic biped robot locomotion on less structured surfaces. Robotica Journal, volume 18.
  10. Changjiu Zhou and Qingchun Meng, 2003. Dynamic balance of a biped robot using fuzzy reinforcement learning agents. Systems. Volume, 16 February.
  11. Olli Haavisto and Heikki Hyötyniemi, 2004. Simulation tool of a biped walking robot model. Helsinki University of Technology-Control Engineering Laboratory. Espoo.
  12. Morisawa, M.; Ohnishi, K., 2004. A Dynamic Hybrid Control of Biped Robot in Supporting Area. The 8th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control.
  13. Jung-Yup Kim, Ill-Woo Park and Jun-Ho Oh, 2006. Experimental realization of dynamic walking of the biped humanoid robot KHR-2 using zero moment point feedback and inertial measurement. Advanced Robotics Journal, volume 20, No. 6.
  14. Nima Jamshidi and Mostafa Rostami, 2008. Gait Optimization of Biped Robot during Double Support Phase by Pure Dynamic Synthesis. American Journal of Applied Sciences, volume 5, No. 9.
  15. Goswami Dip, Vadakkepat Prahald and Phung duc Kien, 2009. Genetic algorithm-based optimal bipedal walking gait synthesis considering tradeoff between stability margin and speed. Robotica Journal, volume 27.
  16. Koh Hosoda, Takashi Takuma, Atsushi Nakamoto, Shinji Hayashi, 2008. Biped robot design powered by antagonistic pneumatic actuators for multi-modal locomotion. Department of Adaptive Machine Systems, Graduate School of Engineering, Osaka University, Japan. Journal of Robotics and Autonomous Systems, volume 56.
  17. Yildirim Hurmuzlua, Frank Genotb, Bernard Brogliatoc, 2004. Modeling, stability and control of biped robots a general framework, Mechanical Engineering Department, Southern Methodist University, Dallas. Automatica Journal, volume 40.
  18. Woon Kwong Fung, 2007. Bipedal robotic articulating transport. fke-utm Bachelor
  19. Yiwang Wang; Jia Song and Fengwen Cao, 2009. Study on A Novel Fuzzy PLL and Its Application, Intelligent Systems and Applications, 2009. ISA 2009. International Workshop.
  20. Kevin M. Passino and Stephen Yurkovich, 1998. Fuzzy Control. The Ohio State University.

 

 

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “کنترل دینامیکی ربات دو پا با استفاده از سیستم کنترل فازی”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

6 + = 15