Thiết kế thí nghiệm bộ điều khiển thích nghi Observer Backstepping cho rô bốt công nghiệp

pdate: gpsInit
gpsParser Init
UART 2 Config
Baud: 115200 (-1.34%)
Bytes / Step: 11.4
UART Configuration1
TX_Labview_MATLAB
0
1
2
3
4
5
TX Output Multiplexed
for Matlab / Labview
To PC
C function call
Update: getGpsMainData
y
Produce the GPS Main
Data and update the AP State
(lat lon hei cog sog)
[gps.c]
dsPIC MASTER
33fJ256MC710
40.01 MIPS
Master
Accel_sens
PQR_sens
Lat
Mags
SOG
COG
baro_alt
Lon(deg)
 H(m)2
Euler_hat
PQR_hat
Position_hat
Vned_hat
a_bias
g_bias
unfiltered_euler
alive_log
valid_log
qout
KALMAN FILTER BLOCK
accer X1
accer Y1
accer Z1
gyro X1
gyro Y1
gyro Z1
hmc X1
hmc Y1
hmc Z1
IN_ PUT FROM 9DOF
Compile for dsPIC
(double-click)
Generate Code
int16
double
double
double
int16
int16
int16
double
int16
int16
0
Constant1
Configure Model for
dsPIC Target
(double-click)
Configure Model 
for dsPIC
Hình 1. Môdul chương trình cho bộ đo lường quán tính IMU. 
3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 
OBSERVER BACKSTEPPING 
3.1. Mô hình đối tượng 
Đối tượng điều khiển là tay máy rô bốt có khớp nối mềm được điều khiển nhờ 
một động cơ điện một chiều. 
Hình 2. Mô hình đối tượng rô bốt liên kết khớp nối mềm. 
 Mô tả hệ thống. 
q1
 d
 q2
 N
 K
 N
 J2
mg
 J1
 O
 q2 X Z
 Y
Kỹ thuật điều khiển 
Tr. X. Kiên, B.H. Huế, Tr.Đ.Thuận, “Thiết kế thí nghiệm  rô bốt công nghiệp.” 168 
Khi đó khớp nối như là mô hình xoắn lò xo, phương trình động học của hệ 
thống là: 
2
1 1 1 1 1 1
2
2 2 2 2 1
2
c o s 0
t
b
q
J q F q K q m g d q
N
qK
J q F q q K i
N N
L D i R i K q u
 
     
 
 
    
 
  
 
  (5) 
Trong đó: q1, q2 là vị trí góc của khớp nối và trục mô tơ, i là dòng cảm ứng, u 
là điện áp phần ứng, Quán tính J1, J2, các hằng số ma sát nhớt F1, F2, Hệ số lò xo 
K, hằng số mô men Kt, hệ số phản hồi suất điện động Kb, điện trở và cảm kháng 
phần ứng R, L, trọng lượng vật nặng m, vị trí điểm kết nối đến tâm trọng lực d, tỉ 
số truyền N và gia tốc trọng trường g là các tham số không xác định. 
3.2. Thiết kế bộ điều khiển observer backstepping cho cánh tay rô bốt có khớp 
nối mềm 
Giả sử rằng chỉ có vị trí của khớp nối 
1q được đo. Lựa chọn các biến trạng thái 
1 1 2 1 3 2 4 2 5, , , ,q q q q i          . Phương trình động học trở thành. 
1 2
1 2
2 2 1
1 1 1
3 4
2 2
4 1 5 4
2 2 2
5 5 4
c o s
1
t
b
Fm g d K
y
J J J N
K FK
J N N J J
KR
u
L L L
 

  
 

   
  

 
     
 

 
    
 
   





 (6) 
Rõ ràng hệ phương trình trên chưa là dạng phản hồi đầu ra [1]. Vi phân của đầu 
ra y hai lần chúng ta có được 
2 Dy  ( dD dt
là toán tử vi phân) và nhận được 
mô tả đầu vào – đầu ra [1]. 
5 4 31 2
1 2 1 2 1
31 2 1 2
2
1 2 2 1 2 1 2
2 211 2 1 2 2
2 2
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1
cos
cos
t
t b
t b
K K F FR mgd
D y u D y D y
J J NL L J J J
K KF F F FR K K
D y
L J J J L J J N J J
K K FF F F K F K FR K K R mgd
D y D y
L J J N J J J J N J J J J L L J J
 
      
 
    
         
    
    
           
    
1 2 2
2 2 2
1 2 1 2 1 2 1 1 2
cos ost b t b
K K K KF K F K RFR K mgd R mgd
Dy D y c y
L J J N J J J J L N L L J L J J N

    
         
   
 Sử dụng phương trình này nhưng để tìm lựa chọn biến trạng thái theo dạng phản 
hồi đầu ra. 
1 2 1 2 3 2 2
3 4 4 5 4 5 6 7
5 0 8 1
. . .cos
. .cos . .cos
. .cos
x x y x x y y
x x y y x x y y
x b u y y x
  
   

    
     
  
 
 

 (7) 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 169
 Ở đó: 
1 2 3 8, , ,.....    là các tham số không xác định tính theo [2]. 
1 2
1 0 3
1 2 1 2 1
1 2 1 2
2 2
1 2 2 1 2 1 2
11 2 1 2 2
5 52 2
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1
6
; ;
;
;
t
t b
t b
K KF FR mgd
b
L J J J J NL J
K KF F F FR K K
L J J J L J J N J J
K K FF F F K F K FR K K R mgd
L J J N J J J J N J J J J L L J J
FR
L
 

 

 
      
 
    
         
    
    
             
    
  1 2 27 82 2 2
1 2 1 2 1 2 1 1 2
; ;t b t b
K K K KK F K RFK mgd R mgd
J J N J J J J L N L L J L J J N
 
    
          
   
(8) 
 Theo [2] với các luật thích nghi: (2) (2) (1)1 1 1sgn( ) ( , , , ). ;m rb y y z    
 
2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5. ; . ; . ; .z z z z              
    (9) 
Thực hiện các 5 bước tính toán obsever backstepping như trong tài liệu [2], 
chọn các hàm Lyapunov từ V1 đến V5, sau khi tính toán bộ điều khiển u được xác 
định: 
 
   
 
2
4 4
5 5 4 5 5 0 ,1 02 0 ,1 5 5
4 4
0 0 0 0
00
4 4 4
0 1 1
0 1
. . . 5. ( )
. . ( ) . ( )
. .sgn( ) .
T
p
i j
j i
m
i m r
j i r
u c z z d z k y
y y
A k y y A y
A v b z y
v y
 
    
 
   
 
  




  
        
  
 
     
 
   
    
   

 
 (10) 
 Và 5 2
5
1
3
. .
4
T
i i
i i
V c z
d
 

 
   
 
 . 
Theo lý thuyết LaSelle-Yoshizawa đảm bảo giới hạn toàn cục của: 
0,1 0,5 0, 8,1 8,5( ), ( ), ....., ( ), ...... ( )...... ( ), ....., ( )ix t t t t t t     
 và sai số bám sát  lim ( ) ( ) 0t ry t y t   . 
3.3. Khảo sát đánh giá trên mô hình thí nghiệm điều khiển bán tự nhiên 
Luật điều khiển (10) và luật thích nghi (9) được xây dựng trên mô hình 
Simulink, chạy thời gian thực nhờ công cụ Real Time Windows Target, liên kết 
với thế giới vật lý thực nhờ card giao tiếp PCI1711, điều khiển cánh tay rô bốt. 
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thí nghiệm bán tự nhiên HiL. 
Kỹ thuật điều khiển 
Tr. X. Kiên, B.H. Huế, Tr.Đ.Thuận, “Thiết kế thí nghiệm  rô bốt công nghiệp.” 170 
Trên hình 3 là sơ đồ khối mô hình thí nghiệm, bao gồm phần mềm: MATLAB/ 
Simulink; phần cứng: Máy tính nhúng, Card chuyên dụng ADVANTECH PCI 
1711 có khả năng liên kết với Matlab. Trên hình 4 là giá thí nghiệm, đối tượng 
điều khiển là rô bốt thông dụng của Nhật Puma, thay thế động cơ xoay chiều và bộ 
điều khiển bằng động cơ một chiều và bộ điều chế độ rộng xung PWM tự chế tạo, 
thay các encoder tuyệt đối đo góc quay tại các khớp bằng thiết bị đo góc (IMU), tại 
khớp quay theo mặt phẳng đứng lắp thêm lò xo (khớp nối mềm) để có được mô 
hình cánh tay rô bốt như hình 2. 
Hình 4. Hình ảnh mô hình thí nghiệm. 
1- Động cơ 1 chiều và hộp giảm tốc 1, 2- Cảm biến đo tốc độ góc w2, 3- Bộ 
điều chế độ rộng xung (PWM) và bộ khuếch đại công suất, 4- Lò so đàn hồi liên 
kết giữa động cơ và rô bốt, 5- Hộp giảm tốc 2, 6- Thân rô bốt, 
 7- Bộ IMU đo góc quay. 
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-30
-20
-10
0
10
20
30
25
-25
Thoi gian (giay)
G
oc
 (d
o)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Thoi gian (giay)
To
c d
o (
vo
ng
/ph
ut)
Hình 5. Tín hiệu góc đặt, góc thực tế q1 và tín hiệu vận tốc góc w2. 
Kết quả thí nghiệm: Kết quả thử nghiệm (hình 5) minh chứng rằng thuật toán 
(10), luật thích nghi (hệ 9) thiết kế nhờ phương pháp observer backstepping đảm 
bảo hệ bám ổn định, thích nghi khi các tham số thay đổi (hệ có khớp nối mềm, khi 
2 
1 
3 
6 
7 
4 2 1 5 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 171
thay đổi tốc độ góc về giá trị và hướng quay, các tham số điện từ, các tham số 
trong hệ (8)), kết quả trên hình 4 góc thực của trục cánh tay rô bốt đo được nhờ bộ 
đo lường IMU (đường 2) đảm bảo bám theo góc đặt (đường 1) sau thời gian 15 
giây, sai số tĩnh, độ quá chỉnh, số dao động không tồn tại. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo trình bày nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế observer 
backstepping để thiết kế bộ điều khiển cho cánh tay rô bốt có khớp nối mềm. Bộ 
đo lường quán tính IMU dùng cảm biến vi cơ và thuật toán Kalman mở rộng để đo 
góc của trục cánh tay mà không cần liên kết cơ khí. Tiến trình thiết kế bộ điều 
khiển ứng dụng mô phỏng bán tự nhiên HiL để thử nghiệm thuật toán điều khiển 
trong phòng thí nghiệm. Kết quả minh chứng thuật toán điều khiển được thiết kế 
đảm bảo tính ổn định, tính thích nghi được khi tham số của hệ thay đổi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Krstic M., Kanellakopoulos L., Kokotovic P.V (1995), “Nonlinear And Adaptive 
Control Design”, A Wiley Interscience Publication John Wiley & Sons, Inc. 
[2] Huỳnh Văn Đông, Bùi Hồng Huế, Trần Xuân Kiên, Trần Đức Thuận, Nguyễn 
Mạnh Cường. “Tổng hợp Bộ điều khiển thích nghi Observer Backstepping cho Rô 
bốt có khớp nối mềm”. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
Quân sự. số tháng 9.2011 CH&ĐKTBB. p.170-178 
[3] B. H. Hue, T. X. Kien, D. M. Dinh, D. D. Hanh, “Model-based Development and 
Implementation of Real-time Object Spatial Attitude Estimation”, International 
Journal of Computer and Electrical Engineering (IJCEE), Vol. 5, No. 4, pp. 372-
377, 2013. 
ABSTRACT 
DESIGN OF AN ADPTIVE OBSERVER BACKSTEPPING CONTROLLER 
FOR INDUSTRIAL ROBOTIC SYSTEMS 
The paper presents an adaptive observer backstepping control design 
approach for robot arms with spring joints. An Inertial Measurement Unit 
(IMU) with MEMS sensors and extended Kalman filtering is used to measure 
rotation angles without mechanical connection with robot arms. MATLAB 
real-time simulation tools and interface card PCI1711 are used for semi-
natural (Hardware in the loop - HiL) control implementation to test the 
control algorithm and IMU capability. 
Keywords: Adaptive observer backstepping control, Inertial Measurement Unit (IMU), Extended Kalman filter. 
Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 
Địa chỉ: 1* Viện Điện tử, Viện Khoa học – Công nghệ quân sự; 
 2 Cao đẳng Xây dựng đô thị Hà nội; 
 3 Viện Khoa học – Công nghệ quân sự.