Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điển tử: Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:237

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điển tử "Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng gồm cấu trúc hệ thống vật lí ảo cho bài toán tổng thể sử dụng robot tự hành trong môi trường công nghiệp; Xây dựng hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng, và xây dựng mô hình hóa cho robot tự hành với thời gian trễ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Điển tử: Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ---***--- NGUYỄN TRỌNG TRUNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA MẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của riêng tác giả. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc một cách rõ ràng. Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận án chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Trọng Trung i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương và TS. Trần Viết Thắng đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện các công trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và Phân Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Gia đình của tôi, những người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận án này. ii
MỤC LỤCS LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vi DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG ........................................................ viii DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... xii DANH MỤC KÍ HIỆU ...................................................................................... xiii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA MẠNG ............................................................................................ 6 1.1. Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi trường công nghiệp ....................................................................................... 6 1.2. Giới thiệu về hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành ................. 13 1.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................. 13 1.2.2. Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng................................. 20 1.3. Các vấn đề cần giải quyết ........................................................................... 25 1.4. Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 30 1.4.1. Về hệ thống có thời gian trễ............................................................ 30 1.4.2. Về điều khiển robot tự hành có thời gian trễ .................................. 36 1.5. Kết luận ....................................................................................................... 41 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA ROBOT TỰ HÀNH TRONG SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TRỄ ............................................................. 43 2.1. Mô tả hệ thống ............................................................................................ 43 2.2. Mô hình động học của robot tự hành .......................................................... 46 2.3. Mô hình động lực học của robot tự hành .................................................... 47 2.4. Mô hình hóa thời gian trễ ............................................................................ 53 iii
2.5. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 57 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO MONG MUỐN CHO ROBOT TỰ HÀNH VỚI TÍN HIỆU TRỄ ĐẦU VÀO .............. 59 3.1. Thuật toán bám theo quỹ đạo mong muốn.................................................. 60 3.2. Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định ................................................. 65 3.3. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra.......................................................................................... 71 3.4. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành ...... 83 3.5. Kết luận chương 3 ....................................................................................... 92 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .................................................................................. 94 4.1. Cấu trúc hệ thống ........................................................................................ 94 4.1.1. Cấu hình điều khiển qua mạng ....................................................... 94 4.1.2. Cấu trúc robot tự hành .................................................................... 95 4.1.3. Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng................................................. 97 4.2. Thiết lập mô phỏng ................................................................................... 100 4.3. Kết quả mô phỏng trên Matlab ................................................................. 103 4.3.1. Trường hợp 1 – Không có thời gian trễ ........................................ 103 4.3.2. Trường hợp 2 – Thời gian trễ 0.01 giây ....................................... 108 4.3.3. Trường hợp 3 – Thời gian trễ 0.05 giây ....................................... 112 4.3.4. Trường hợp 4 – Thời gian trễ 0.1 giây.......................................... 115 4.4. Thực nghiệm xác định thời gian trễ .......................................................... 120 4.5. Kết quả thực nghiệm điều khiển robot tự hành ảo qua mạng ................... 124 4.6. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 130 Kết luận ............................................................................................................. 133 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ TẠP CHÍ ............................................................... 137 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ HỘI NGHỊ ............................................................ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 139 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 152 A.1 Chương trình mô phỏng hệ thống tham chiếu .......................................... 152 iv
A.2 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra.................................................... 154 A.3 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành – Trường hợp không có thời gian trễ ........................... 160 A.4 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 10ms ................................. 170 A.5 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 50ms ................................. 180 A.6 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 100ms ............................... 189 A.7 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng mạng ............................. 199 A.8 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần nguồn ......................................................................................................... 201 A.9 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần đích ............................................................................................................ 205 A.10 Chương trình phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự hành ........................................................................................................... 208 A.11 Chương trình phần mềm điều khiển và giao diện của bộ điều khiển trung tâm ............................................................................................................. 211 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Alternative current Dòng điện xoay chiều ACK Acknowledgement Hồi đáp AGV Automated guided vehicle Phương tiện tự hành CAN Controlled Area Network Mạng điều khiển nội bộ CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection DC Direct current Dòng điện một chiều DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tải tập tin HMI Human machine interface Giao diện người - máy HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản HTTPS Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản Secure bảo mật ID Identifier Mã định danh IMU Inertia measurement unit Thiết bị đo lường quán tính IP Internet protocol Giao thức mạng LAN Local Area Network Mạng giao tiếp nội bộ LQR Linear Quadratic Regulator MIMO Multi input multi output Hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MRAC Model reference adaptive Bộ điều khiển thích nghi theo mô control hình tham chiếu chuẩn MQTT Message Queuing Telemetry Giao thức truyền thông điệp theo mô Transport hình cung cấp/thuê bao NCS Networked control system Hệ thống điều khiển qua mạng truyền thông NTP Network Time Protocol PC Personal computer Máy tính PI Proportional – Integral Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân PID Proportional – Integral – Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi Derivative phân PLC Programmable logic control Bộ điều khiển khả trình PWM Pulse Width modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung SISO Single input single output Hệ thống một ngõ vào một ngõ ra SYN Synchronous Đồng bộ RTS Request to send Yêu cầu để gửi RTT Round trip time Thời gian lặp vòng TCP Transmission Control vi
Protocol UART Universal asynchronous receiver transmitter UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng UWB Ultra-wideband Công nghệ radio băng thông siêu rộng WIFI Wireless fidelity Tín hiệu truyền không dây vii
DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG Khối lượng kilogram kg Chiều dài meter, millimeter m, mm Thời gian second, millisecond s, ms Vận tốc meter per second, round per minute m/s, rpm Tốc độ truyền bit per second bps Công suất Watt W Độ phân giải pulse per round ppr viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Robot tự hành với a) cấu trúc hai bánh vi sai và b) cấu trúc cơ cấu lái43 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí của robot tự hành với cấu trúc hai bánh xe vi sai ...... 44 Hình 2.3 Các thao tác chuyển động của robot tự hành ....................................... 45 Hình 2.4 Robot tự hành trong hệ tọa độ gốc ....................................................... 46 Hình 2.5 Sơ đồ vật thể tự do của bánh xe robot tự hành..................................... 48 Hình 2.6 Sơ đồ vật thể tự do của động cơ - hộp số - bánh xe ............................. 49 Hình 2.7 Mạch điện phần ứng của động cơ một chiều ....................................... 50 Hình 2.8 Sơ đồ vật thể tự do của robot tự hành .................................................. 51 Hình 2.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển qua mạng của robot tự hành ................. 54 Hình 2.10 Cấu trúc trao đổi thông tin tại một robot tự hành và một bộ điều khiển trung tâm ................................................................................................... 55 Hình 2.11 Thời gian của một chu trình điều khiển ............................................. 56 Hình 3.1 Sai số giữa vị trí robot và quỹ đạo mong muốn ................................... 61 Hình 3.2 Xác định sai số bám theo quỹ đạo mong muốn ................................... 62 Hình 3.3 Đáp ứng của hệ thống tham chiếu với tín hiệu đầu vào hàm nấc. ....... 69 Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống tham chiếu với tín hiệu đầu vào hàm sin ......... 70 Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển đề xuất và bộ điều khiển MRAC ....................................................................................................... 81 Hình 3.6 Thông số độ lợi của bộ điều khiển đề xuất .......................................... 81 Hình 3.7 Tín hiệu điều khiển của hệ thống với bộ điều khiển đề xuất ............... 82 Hình 4.1 Sơ đồ cấu hình điều khiển giữa bộ điều khiển trung tâm và robot tự hành qua mạng internet ............................................................................. 95 Hình 4.2 Robot tự hành Pioneer 3DX ................................................................. 96 Hình 4.3 Kích thước robot tự hành Pioneer 3DX ............................................... 96 Hình 4.4 Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng giữa bộ điều khiển trung tâm và robot tự hành ............................................................................................. 97 Hình 4.5 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường hợp 1........................................................................................................ 103 ix
Hình 4.6 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 1 .................................... 104 Hình 4.7 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp 1 ................................................................................................................. 105 Hình 4.8 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 1 . 106 Hình 4.9 Thông số độ lợi 𝚯 - Trường hợp 1 ..................................................... 106 Hình 4.10 Thông số độ lợi 𝝃 - Trường hợp 1 ................................................... 107 Hình 4.11 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 1 ................................................. 107 Hình 4.12 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường hợp 2........................................................................................................ 108 Hình 4.13 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 2 .................................. 109 Hình 4.14 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp 2 ............................................................................................................... 109 Hình 4.15 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 2 110 Hình 4.16 Thông số độ lợi Θ - Trường hợp 2 ................................................... 110 Hình 4.17 Thông số độ lợi ξ - Trường hợp 2 ................................................... 111 Hình 4.18 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 2 ................................................. 111 Hình 4.19 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường hợp 3........................................................................................................ 112 Hình 4.20 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 3 .................................. 112 Hình 4.21 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp 3 ............................................................................................................... 113 Hình 4.22 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 3 113 Hình 4.23 Thông số độ lợi Θ - Trường hợp 3 ................................................... 114 Hình 4.24 Thông số độ lợi ξ - Trường hợp 3 ................................................... 114 Hình 4.25 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 3 ................................................. 115 Hình 4.26 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường hợp 4........................................................................................................ 115 Hình 4.27 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 4 .................................. 116 x
Hình 4.28 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp 4 ............................................................................................................... 116 Hình 4.29 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 4 117 Hình 4.30 Thông số độ lợi Θ - Trường hợp 4 ................................................... 117 Hình 4.31 Thông số độ lợi ξ - Trường hợp 4 ................................................... 118 Hình 4.32 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 4 ................................................. 118 Hình 4.33 Thông số độ lợi Θ - Trường hợp cải tiến ......................................... 119 Hình 4.34 Thông số độ lợi ξ - Trường hợp cải tiến ......................................... 119 Hình 4.35 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp cải tiến ....................................... 120 Hình 4.36 Thời gian trễ ở tầng mạng - Phép đo 1............................................. 120 Hình 4.37 Thời gian trễ ở tầng mạng - Phép đo 2............................................. 121 Hình 4.38 Thời gian trễ ở tầng ứng dụng - Phép đo 1 ...................................... 122 Hình 4.39 Thời gian trễ ở tầng ứng dụng - Phép đo 2 ...................................... 123 Hình 4.40 Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng giữa bộ điều khiển trung tâm và phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự hành ........... 125 Hình 4.41 Giao diện phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự hành ......................................................................................................... 126 Hình 4.42 Phần mềm điều khiển và giao diện của bộ điều khiển trung tâm .... 127 Hình 4.43 Đáp ứng động lực học của robot tự hành ảo .................................... 128 Hình 4.44 Đáp ứng động học của robot tự hành ảo .......................................... 129 Hình 4.45 Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển đề xuất ................................ 130 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Qui trình xây dựng thuật toán điều khiển cho robot tự hành............... 60 Bảng 3.2 Qui trình thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đề xuất cho hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra ................................................................................ 80 Bảng 4.1 Thông số vật lí trong mô phỏng......................................................... 100 Bảng 4.2 Qui trình thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đề xuất cho robot tự hành ................................................................................................................. 101 Bảng 4.3 Bảng so sánh thời gian trễ giữa các phép đo ..................................... 124 xii
DANH MỤC KÍ HIỆU 𝐴 Ma trận thông số liên quan với biến trạng thái của robot tự hành 𝑎 Hằng số hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra 𝑎11 Thông số thành phần tại hàng 1 cột 1 của ma trận 𝐴 𝑎22 Thông số thành phần tại hàng 2 cột 2 của ma trận 𝐴 𝐵 Ma trận thông số liên quan với biến điều khiển của robot tự hành 𝑏 Hằng số hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra 𝑏1 Thông số thành phần thứ 1 của ma trận 𝐵 𝑏2 Thông số thành phần thứ 2 của ma trận 𝐵 𝑏𝑚 Hệ số ma sát nhớt của trục động cơ 𝑏𝑤 Hệ số ma sát nhớt của trục bánh xe 𝐸𝑏𝑙 Suất điện động phản ngược của động cơ một chiều truyền động cho bánh xe trái của robot tự hành 𝐸𝑏𝑟 Suất điện động phản ngược của động cơ một chiều truyền động cho bánh xe phải của robot tự hành 𝑒 Vectơ sai số trạng thái 𝑒̅ Vectơ sai số đáp ứng sau khi đổi biến 𝑒𝑎 Sai số đáp ứng sau khi đổi biến 𝑒𝑚 Sai số đáp ứng giữa 𝑥𝑚 và 𝑟 𝑒𝑠 Sai số đáp ứng giữa 𝑥𝑠 và 𝑥𝑚 𝑒𝑥 Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn theo phương 𝑥 𝑒𝑦 Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn theo phương 𝑦 𝑒𝜃 Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn với góc lệch của robot tự hành 𝑓𝑙 Lực ma sát được tạo ra bởi bánh xe bên trái của robot tự hành và ma sát 𝑓𝑟 Lực ma sát được tạo ra bởi bánh xe bên phải của robot tự hành và ma sát xiii
ℎ Thời gian lấy mẫu 𝐼 Mô-men quán tính của robot tự hành 𝑖𝑎𝑙 Dòng điện trong mạch điện phần ứng động cơ DC truyền động cho bánh xe bên trái của robot tự hành 𝑖𝑎𝑟 Dòng điện trong mạch điện phần ứng động cơ DC truyền động cho bánh xe bên phải của robot tự hành 𝐽𝑚 Mô-men quán tính của động cơ DC 𝐽𝑤 Mô-men quán tính của bánh xe 𝑘𝑒 Hằng số suất điện động phản ngược của động cơ DC 𝑘𝑚 Hằng số mô-men của động cơ DC 𝑘𝑞 Giá trị xấp xỉ của phương pháp đường cong bậc hai 𝑘𝑟 Thông số độ lợi 𝑘𝑥 Thông số độ lợi 𝑘𝛼 Thông số độ lợi 𝐿𝑎𝑙 Cảm kháng của động cơ bên trái 𝐿𝑎𝑟 Cảm kháng của động cơ bên phải 𝑀 Khối lượng của robot tự hành 𝑚 Kích thước tập hợp điểm mong muốn của robot tự hành 𝑛 Hệ số giảm tốc của hộp số động cơ robot tự hành 𝑞𝑟 Quỹ đạo mong muốn của robot tự hành 𝑞𝑟𝑖 Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 thuộc quỹ đạo 𝑅𝑎 Trở kháng phần ứng của động cơ DC 𝑟 Tín hiệu đầu vào mong muốn của hệ thống SISO 𝑟𝑤 Bán kính của bánh xe robot tự hành 𝑇 Thời gian mô phỏng 𝑇𝑔𝑝 Mô-men phát động từ bánh răng sơ cấp của hộp số 𝑇𝑔𝑠 Mô-men phát động từ bánh răng thứ cấp của hộp số 𝑇𝑚 Mô-men của trục động cơ xiv
𝑢 Vectơ tín hiệu điều khiển của robot tự hành 𝑢𝑠 Biến điều khiển của hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra 𝑉𝑚 Hàm Lyapunov phân tích tính ổn định của hệ thống tham chiếu 𝑉𝑎𝑙 Điện áp ngõ vào mạch điện phần ứng của động cơ bánh xe trái 𝑉𝑎𝑟 Điện áp ngõ vào mạch điện phần ứng của động cơ bánh xe phải 𝑣 Vận tốc dài của robot tự hành 𝑊 Khoảng cách giữa hai bánh xe 𝑋 Trục hoành thuộc trục tọa độ gốc 𝑥 Trục hoành thuộc hệ trục tọa độ robot 𝑥𝑎 Tín hiệu đáp ứng của mô hình phụ trợ 𝑥𝑐 Vị trí tức thời tại điểm C của robot tự hành theo phương 𝑋 trong hệ tọa độ gốc 𝑥𝑚 Biến trạng thái của hệ thống tham chiếu 𝑥𝑝 Vị trí tức thời tại điểm P của robot tự hành theo phương 𝑋 trong hệ tọa độ gốc 𝑥𝑟𝑖 Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 theo phương 𝑋 𝑥𝑠 Biến trạng thái của hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra 𝑌 Trục tung thuộc trục tọa độ gốc 𝑦 Trục tung thuộc hệ trục tọa độ robot 𝑦𝑐 Vị trí tức thời tại điểm C của robot tự hành theo phương 𝑌 trong hệ tọa độ gốc 𝑦𝑝 Vị trí tức thời tại điểm P của robot tự hành theo phương 𝑌 trong hệ tọa độ gốc 𝑦𝑟𝑖 Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 theo phương 𝑌 𝑧 Vectơ trạng thái của mô hình hóa robot tự hành 𝑧𝑑 Tín hiệu đầu vào mong muốn của bộ điều khiển động lực học robot 𝑧𝑚 Vectơ trạng thái của hệ thống tham chiếu xv
𝛼 Thông số độ lợi Γ Ma trận hằng số của thông số độ lợi Γ1 Ma trận hằng số của thông số độ lợi Γ2 Ma trận hằng số của thông số độ lợi 𝛾 Hằng số của thông số độ lợi 𝜂 Biến vi phân 𝜃 Góc quay tức thời của robot tự hành được xác định bởi trục 𝑥 của hệ tọa độ robot và trục 𝑋 của hệ tọa gốc 𝜉 Thông số độ lợi 𝜏 Thời gian trễ của tín hiệu đầu vào robot tự hành 𝜏𝑝𝑐 Thời gian trễ sinh ra do việc tính toán của bộ điều khiển trung tâm 𝜏𝑠𝑐 Thời gian trễ sinh ra trên đường truyền từ bộ điều khiển hiện trường đến bộ điều khiển trung tâm 𝜏𝑟𝑒𝑠 Thời gian trễ do đáp ứng của cơ cấu chấp hành Φ Ma trận thông số độ lợi 𝜑 Thông số độ lợi 𝜔 Vận tốc góc của robot tự hành 𝜔𝑙 Vận tốc góc của bánh xe bên trái 𝜔𝑚 Vận tốc góc của trục động cơ 𝜔𝑟 Vận tốc góc của bánh xe bên phải xvi
MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất được đánh dấu bằng sự ra đời của máy hơi nước vào năm 1784 và việc sử dụng năng lượng nước, hơi nước vào trong cơ giới hóa sản xuất. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai bắt đầu từ năm 1870 với việc sử dụng năng lượng điện, và sự ra đời của dây chuyền sản xuất hàng loạt qui mô lớn. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba bắt đầu từ năm 1969 với sự lan tỏa của việc sử dụng công nghệ điện tử, công nghệ thông tin để đưa vào tự động hóa sản xuất. Và từ năm 2015, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Industry 4.0) đã chính thức bắt đầu. Đặc trưng của Industry 4.0 là sự kết hợp xóa bỏ ranh giới giữa hệ thống sản xuất, quản lí và quản trị với các yếu tố kỹ thuật cốt lõi là: Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence – AI), kết nối vạn vật (Internet of Thing – IoT), phân tích dữ liệu lớn (Big Data), bảo mật hệ thống chuỗi (Block Chain). Industry 4.0 tác động vào tất cả các lĩnh vực như: robot, công nghệ sinh học, y sinh, nông nghiệp, công nghệ nano, in 3D, và robot tự hành (xe ô tô và robot tự hành).v.v. Việc tác động của Industry 4.0 đến lĩnh vực robot tự hành sẽ tạo nên một hệ thống vận chuyển hàng trong nhà xưởng, nhà kho mang tính linh hoạt cao, tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động quản lí, quản trị như: Hoạch định quỹ đạo di chuyển, tối ưu hóa quỹ đạo theo tiêu chí tối thiểu năng lượng tiêu thụ hoặc thời gian di chuyển nhanh nhất, tránh vật cản, kiểm soát lưu lượng hàng hóa, đánh giá năng lực sản xuất và luân chuyển hàng hóa. Để hiện thực hóa hệ thống với các chức năng trên, các robot tự hành có khả năng kết nối với bộ điều khiển trung tâm từ xa nhằm chia sẻ các thông tin như: vị trí hiện tại, tác vụ hiện hành, tình trạng hoạt động. Đồng thời chúng cũng có thể kết nối và chia sẻ thông tin với nhau tạo thành mạng chia sẻ ngang hàng giữa chúng với bộ điều khiển trung tâm. Với việc triển khai cấu trúc điều khiển qua mạng của hệ thống robot tự hành, cho phép các nhà quản lí thay đổi thông số động học như vận tốc, quỹ đạo và tác vụ của robot một cách linh hoạt, nhanh chóng. Tuy nhiên, do hệ thống 1
này tập trung nhiều thiết bị với số lượng thông tin chia sẻ lớn, nên sẽ gây tổn hao băng thông trên đường truyền, điều này phát sinh hai vấn đề: Mất gói dữ liệu trên đường truyền và thời gian trễ sinh ra trên đường truyền. Việc mất gói dữ liệu trên đường truyền có thể giải quyết bằng các giao thức truyền với cơ chế quản lí chất lượng dịch vụ (Quality of Servive – QoS) kiểm soát tổng số gói tin, yêu cầu gửi bù những gói tin bị thiếu, gửi lại những gói tin bị thiếu. Tuy nhiên, thời gian trễ sinh ra trên đường truyền ngoài yếu tố băng thông, còn do nguyên nhân tốc độ đường truyền, cơ chế QoS, và thời gian xử lí của thiết bị đầu cuối. Mặt khác, thời gian trễ trên đường truyền còn làm giảm chất lượng điều khiển của hệ thống robot tự hành hoặc thậm chí làm mất tính ổn định của hệ thống. Do vậy, việc xây dựng hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong đó nghiên cứu giải quyết, khắc phục vấn đề thời gian trễ trên đường truyền nhằm giảm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển của hệ thống là điều cần thiết mang tính khoa học và thực tiễn. Luận án này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau: Mục tiêu nghiên cứu: Tìm ra giải pháp dựa trên cơ sở điều khiển, ước lượng với các thông tin được chia sẻ trong hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng nhằm giảm ảnh hưởng của yếu tố thời gian trễ đến chất lượng điều khiển của hệ thống, đảm bảo tính ổn định cho hệ thống hoạt động trong môi trường công nghiệp với độ tin cậy trong phạm vi cho phép. Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển robot tự hành với phương thức giao tiếp qua mạng không dây (Internet). Phạm vi nghiên cứu: Luận án đề xuất các bộ điều khiển phát triển dựa trên mô hình hóa động học và động lực học của robot tự hành đồng thời kết hợp các thuật toán bám theo quỹ đạo, thích nghi theo hệ thống tham chiếu, kỹ thuật thiết kế hệ thống đệ quy, nhằm làm giảm ảnh hưởng của thời gian trễ được đánh giá bằng hiệu suất hoạt động của robot tự hành trên mô phỏng và tạo tiền đề cho thực nghiệm. 2
Giới hạn của luận án: Robot tự hành là một hệ thống phức hợp nhiều bài toán gồm điều khiển bám theo quỹ đạo, điều khiển bám theo quỹ đạo đảm bảo yếu tố động lực học, quản lí năng lượng, định vị trong môi trường trong nhà. Luận án này giới hạn ở việc chỉ xây dựng bộ điều khiển bám theo quỹ đạo trong sự hiện diện của thời gian trễ và các thông số hệ thống không thể xác định chính xác. - Luận án không tập trung phát triển thuật toán xác định vị trí cho robot tự hành mà sử dụng thuật toán truyền thống dead-reckoning, còn được gọi là phương pháp odometry. - Luận án không tập trung phát triển giải thuật hoạch định và tối ưu hóa quỹ đạo cho robot tự hành. Phương pháp nghiên cứu: Phân tích các thuật toán lý thuyết đã đề xuất, nghiên cứu kết hợp các thuật toán để tạo thành bộ điều khiển tích hợp nhằm giải quyết các vấn đề cùng tồn tại trong hệ thống. Nội dung nghiên cứu: - Xây dựng cấu trúc hệ thống của hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng, nghiên cứu phương thức truyền dữ liệu. - Nghiên cứu phương pháp và thực nghiệm xác định thời gian trễ trên đường truyền. - Nghiên cứu phương pháp ước lượng biến trạng thái và mô hình hóa robot tự hành với thời gian trễ. - Thiết kế và đánh giá các bộ điều khiển tích hợp nhiều thuật toán cho robot tự hành nhằm giảm ảnh hưởng của thời gian trễ và các thông số không xác định trong robot tự hành đến chất lượng điều khiển. Đóng góp chính và ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đặt ra hai vấn đề cần phải giải quyết bao gồm: - Cải thiện chất lượng điều khiển robot tự hành qua mạng do thời gian trễ sinh ra trên đường truyền, do thời gian xử lí dữ liệu, và đáp ứng trễ của cơ cấu chấp hành. 3