تحكم ذكي للروبوت قليل النشاط بناءً على تقنيات التحسين

رسالة ماجستير

اسم الباحث : آيه فليح حسن

اسم المشرف : أ.د. حیدر جلیل كامل + أ.م.د. أحمد عبدالھادي أحمد

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : علوم الهندسة الكهربائية

سنة نشر البحث : 2024

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة

تهدف هذه الدراسة إلى فهم التعقيد وموازنة التحكم في الوضع المستقيم لنظام الروبوت ثلاثي الوصلات. يعتبر لاعب الجمباز الآلي أحد الأنواع المهمة من الأنظمة ثلاثية الوصلات التي تحاكي الألعاب البهلوانية البشرية؛ وهو يتألف من ثلاثة مفاصل وثلاث وصلات (الذراع والجذع والساق، على التوالي) مدعومة بمحركين يعملان بالتيار المستمر.
تم اشتقاق نموذج رياضي للروبوت باستخدام معادلات لاغرانج. حيث أن النظام عبارة عن آلية غير خطية متعددة الارتباطات تتطلب نموذجًا رياضيًا معقدًا يأخذ في الاعتبار دقة المعلومات. إنه يقدم المزيد من التحديات في نمذجة لاعبة الجمباز الروبوتية والتعامل مع مشاكل التحكم في الحركة. يتم استخدام صيغة لاغرانج ونموذج الشبكة العصبية الاصطناعية لنمذجة نظام Robogymnast غير الخطي.
أولاً، يتم استخدام وحدة التحكم في المنظم التربيعي الخطي المنفصل (DLQR) لتحقيق التوازن بين الروبوت الجمباز في الوضع المستقيم. يعتمد بناء DLQR على اختيار مصفوفات الوزن.
ثانياً، إيجاد القيم المثلى لمصفوفات الترجيح؛ يتم تطبيق تقنية تحسين السرب تسمى خوارزمية تحسين الحوت (WOA) لضبط مصفوفات الترجيح. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام تقنية تحسين أخرى للعثور على القيم المثلى لمصفوفات الوزن، وتسمى هذه التقنية Aquila Optimization (AO). تم تنفيذ تقييم أفضل تقنية. تحقق وحدة التحكم DLQR المستندة إلى WOA أفضل نتيجة وفقًا للاستجابة العابرة للزوايا النسبية ولكنها تستهلك جهدًا أعلى من المحركين مقارنة بوحدة التحكم DLQR المستندة إلى AO. وصلت الوصلات الأولى والثانية والثالثة إلى حالة الاستقرار بعد 1.825 ثانية مع أدنى انحراف (-0.5° و-1.5° للوصلتين الأولى والثانية على التوالي، وعدم وجود انحراف للوصلة الثالثة). علاوة على ذلك فإن جهد التحكم للمحرك الأول يستهلك 7.12 فولت، والمحرك الثاني يستهلك 2 فولت لتحقيق الاستجابة المطلوبة، وهي أقل من الجهد المحدود (12 فولت).
ثالثًا، تم تصميم وحدة التحكم المنطقية المضببة (FLC) لتحقيق الضبط عبر الإنترنت لتحقيق الاستقرار والتوازن في النظام. أظهرت نتيجة FLC أن النظام يستهلك وقتًا أطول للتسوية من DLQR المستند إلى WOA ليكون مستقرًا في الوضع المقلوب. لذلك، تم اقتراح وحدة تحكم هجينة تجمع بين FLC وDLQR المستندة إلى WOA لتحقيق الضبط عبر الإنترنت مع وقت استقرار أقل للموضع الزاوي النسبي (1.5 ثانية) وانحراف مقبول للوصلات من نقطة التوازن المستقيمة (-1.15 درجة و-3.4 درجة) للوصلتين الأولى والثانية على التوالي، ولا يوجد انحراف للوصلة الثالثة). استهلك المحرك الأول 6.7 فولت من جهد التحكم، لكن المحرك الثاني استهلك -1.5 فولت فقط؛ كان هذا يعتبر جهدًا مرضيًا لجلب لاعب الجمباز الآلي إلى وضع مقلوب وتثبيته في نقطة التوازن المستقيمة خلال مدة مناسبة.
وأخيرا، أظهرت المقارنة بين الطرق السابقة أن النظام الهجين يحقق الضبط المباشر مع استجابة مرضية لتثبيت الروبوت الجمباز عموديا. توضح المقارنة مع الأبحاث السابقة أن FLC مع طريقة DLQR المستندة إلى WOA تحقق أفضل استجابة عابرة فيما يتعلق بالتجاوز وتسوية الوقت وجهد تحكم أقل من الطرق الأخرى.

Intelligent Control for Underactuated Robot Based on Optimization Technic

Abstract

This study aims to understand the complexity and control balancing in the upright position of a three-link underactuated robot system. The Robogymnast is one of the important types of three-link systems mimicking human acrobatics; it composes three joints and three links (arm, torso, and leg, respectively) powered by two geared DC motors.
A mathematical model for the robot derived using Euler-Lagrange equations. Since the system is a nonlinear multi-link mechanism requiring a complex mathematical model considering information accuracy. It presents more challenges modeling the Robogymnast and dealing with control motion problems. The Euler-Lagrange formula and Artificial Neural Network (ANN) model are used to model the nonlinear Robogymnast system. The comparison results show that the dynamic model obtained by the ANN is significantly better than the model derived from the Euler-Lagrange formula because the ANN model accepted the initial deviation of absolute angle for each link up to 3 degrees. In contrast, the dynamic model derived from the Euler-Lagrange formula accepted 1 degree and becomes unstable at 3 degrees.

Firstly, a Discrete Linear Quadratic Regulator (DLQR) controller is used to balance the gymnastic robot in the upright position. The construction of DLQR depends on the selection of the weight matrices.
Secondly, to find optimum values of the weighting matrices; a swarm optimization technique called Whale Optimization Algorithm (WOA) is applied to adjust the weighting matrices. As well as, another optimization technique is used to find the optimum values of weighing matrices, this technique is called Aquila Optimization (AO). The evaluation of the best technique has been implemented. The WOA-based DLQR controller achieves the best result according to the transient response of the relative angles but consumes higher voltage from the two motors compared to the AO-based DLQR controller. The first, second, and third links reached a steady state after 1.825 seconds with a minimum deviation (-0.5° and -1.5° for the first and second links, respectively, and no deviation for the third link). Moreover, the control voltage of the first motor consumed 7.12V, and the second motor consumed 2V to achieve the desired response, which is less than the limited voltage (12V).
Thirdly, a Fuzzy Logic Controller (FLC) was designed to achieve online tuning to stabilize and balance the system. The result of the FLC showed that the system consumed more settling time than WOA-based DLQR to be stable in an inverted position. Therefore, a hybrid controller combining FLC with WOA-based DLQR was proposed to achieve online tuning with less settling time for the relative angular position (1.5 seconds) and acceptable deviation of the links from the upright balancing point (-1.15° and -3.4° for the first and second links respectively, and no deviation for the third link). The first motor consumed 6.7 volts of control effort, but the second motor consumed only -1.5 volts; this was considered satisfactory voltage to bring the Robogymnast to an inverted position and stabilize it in the upright balancing point within a suitable duration.
Finally, the comparison among the previous methods demonstrated that the hybrid system achieves online tuning with a satisfactory response to stabilize the gymnastic robot vertically. The comparison with previous research demonstrates that the FLC with the WOA-based DLQR method achieves the best transient response regarding overshoot, settling time, and less control effort than the other methods.