Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển Robot công nghiệp có nhiều tham số bất định

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

164
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án bao gồm 5 chương với nội dung như sau: tổng quan về điều khiển robot công nghiệp và nêu các vấn đề cần giải quyết. Mô hình động học, động lực học, phương pháp điều khiển, chứng minh độ ổn định và mô phỏng cho hệ Robot-camera di động bám theo mục tiêu không xác định. Phương pháp xây dựng mô hình động học, mô hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng cho thuật điều khiển cho hệ robot gắn camera cố định có nhiều tham số bất định, dùng mạng nơ ron nhân tạo. Xây dựng mô hình động học, mô hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng các phương pháp điều khiển cho hệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành. Điều khiển trượt thích nghi kết hợp với mạng nơ ron để điều khiển hệ robot-camera với mô hình bất định và nhiễu ngoài. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm rõ nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển Robot công nghiệp có nhiều tham số bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS.PHẠM MINH TUẤN 2. TS.NGUYỄN TRẦN HIỆP HÀ NỘI - 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều có sự đồng ý của họ trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiệm
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn đã quá cố PGS.TSKH: Phạm Thƣợng Cát, các cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Minh Tuấn- hướng dẫn khoa học 1, TS.Nguyễn Trần Hiệp-Hướng dẫn khoa học 2 đã hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cảm ơn các bạn đồng môn, phòng đào tạo, các phòng ban liên quan thuộc Viện công nghệ thông tin-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến để tác giả hoàn thành luận án của mình. Tác giả cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường, bạn lãnh đạo khoa, các đồng nghiệp nơi đang công tác là trường đại học công nghiệp Hà Nội đã hỗ trợ, động viên, giúp đỡ trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiệm
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 3 Góc quay của robot bánh xe rad 4 Góc quay trục Pan rad 5 Góc quay trục Tilt rad Jc Ma trận Jacobi camera Jim Ma trận Jacobi đặc trưng ảnh δ Véc tơ tọa độ đặc trưng ảnh m u,v Tọa độ điểm ảnh m  Mô men của khớp quay N.m o Mô men điều khiển đại lượng biết trước N.m 1 Mô men điều khiển bù đại lượng bất định N.m f Tiêu cự của thấu kính camera m qd Vận tốc góc khớp mong muốn m/s q Vận tốc khớp thực của bệ Pan-Tilt m/s w ro Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ bệ Pan-Tilt m c ro Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ camera m i Dòng điện phần ứng động cơ một chiều A UE Điện áp điều khiển phần ứng động cơ một chiều V R Điện trở phần ứng động cơ một chiều Ω tE Thành phần tín hiệu bất định của động cơ một chiều V L Điện cảm phần ứng của động cơ một chiều H
iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải nội dung PBVS Position- based visual servoing -servo thị giác dựa trên vị trí IBVS Image-based visual servoing - servo thị giác dựa trên ảnh WMR Wheeled mobile robot di động bánh xe TSMC Terminal sliding mode control- phương pháp điều khiển trượt đầu cuối RBFNN Radial basic funtion neural network-mạng nơ ron RBF SMC Sliding mode control-điều khiển trượt ANN Artificial neural network-mạng nơ ron nhân tạo MIMO Multi input multi output- hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra BP Back propagation-lan truyền ngược GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền RBF Radial basic function - Hàm bán kính cơ sở
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài. .......................................................................... 3 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. ......................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ............................................................ 3 6. Kết quả và tính mới của luận án. ......................................................................... 4 7. Bố cục của luận án. .............................................................................................. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................... 7 1.1. Giới thiệu chung. .............................................................................................. 7 1.2. Một số ứng dụng của robot. .............................................................................. 8 1.2.1. Trong công nghiệp...................................................................................... 8 1.2.2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm........................................................ 9 1.2.3 Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân........................................................... 9 1.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp. ..................................................................... 9 1.2.5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian....................................................... 9 1.2.6 Ứng dụng trong các thiết bị lặn. ............................................................... 10 1.2.7 Ứng dụng trong giáo dục. ......................................................................... 10 1.2.8. Ứng dụng trong hỗ trợ người khuyết tật. ................................................. 10 1.3 Mô hình robot với nhiều tham số bất định. ..................................................... 15 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước. .......................................... 10 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước. ............................................................ 11 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. ........................................................... 11 1.5. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án. .................................................. 19
vi CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỘNG VI PHÂN CỦA TAY MÁY DI ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ LUẬT VISUAL SERVOING MỚI ĐỂ BÁM THEO MỤC TIÊU DI ĐỘNG ........................................................................................................ 29 2.1. Thị giác máy và điều khiển hệ robot - camera. .............................................. 29 2.1.1 Các khái niệm cơ bản của thị giác máy. ................................................... 29 2.1.2 Các hệ thị giác máy .................................................................................. 30 2.2. Mô hình hóa chuyển động vi phân của camera trên tay máy chuyển động và thiết kế hệ servo thị giác bám mục tiêu di động. ................................................... 35 2.2.1 Mô tả các hệ tọa độ. .................................................................................. 35 2.2.2. Chuyển động vi phân ............................................................................... 36 2.2.3. Tính toán đạo hàm của đặc trưng ảnh. ................................................... 41 2.3 . Đề xuất luật điều khiển .................................................................................. 43 2.3.1 Phát biểu bài toán ..................................................................................... 43 2.3.2. Luật điều khiển động học ......................................................................... 44 2.3.3. Luật điều khiển động lực học ................................................................... 46 2.3.4. Xét tính ổn định. ....................................................................................... 47 2.4 . Mô phỏng phương pháp điều khiển. .............................................................. 48 2.5 . Kết luận chương 2.......................................................................................... 51 CHƢƠNG 3.............................................................................................................. 52 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT GẮN CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH........................................................ 52 3.1. Mạng nơ ron nhân tạo. .................................................................................... 52 3.1.1. Mô hình nút nơ ron ................................................................................... 54 3.1.2. Cấu trúc mạng nơ rơn .............................................................................. 56 3.1.3. Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ........................................................... 57 3.1.4. Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function Networks) ............................. 58 3.2. Mạng nơron trong điều khiển robot. ............................................................... 60 3.3. Điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định. ....................................................................................................................... 68 3.3.1. Đặt vấn đề. ............................................................................................... 68 3.3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động. ........................... 69 3.3.3. Thuật điều khiển tốc độ hệ robot-camera bám mục tiêu di động............. 71 3.3.4. Thuật điều khiển visual servoing cho hệ robot khi có nhiều tham số bất định. ............................................................................................................................ 73
vii 3.3.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển visual sevoing trên Matlab. .................... 77 3.3. Kết luận chương 3. .......................................................................................... 81 CHƢƠNG 4. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP DÙNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CÓ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP HÀNH ....................................................................................................................... 82 4.1. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu. ........................................................ 82 4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có chú ý tác động của cơ cấu chấp hành. ....................................................................................................... 85 4.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................ 85 4.2.2. Xây dựng mô hình toán học học của hệ Robot-camera có tác động của cơ cấu chấp hành .................................................................................................... 86 4.2.3. Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron. ............................. 89 4.2.4. Mô phỏng hệ servo thị giác có mô hình động cơ trên Matlab. ............... 92 4.2.5. Kết luận chương 4. ................................................................................... 95 CHƢƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI NGĂN CHẶN SỰ SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI ..................................................................................................................... 96 5.1 Tóm tắt nội dung chính. ............................................................................... 96 5.2. Các kiến thức cơ bản ................................................................................... 97 5.3. Thiết kế luật điều khiển ............................................................................... 99 5.4. Phân tích ổn định .......................................................................................103 5.5. Mô phỏng phương pháp điều khiển........................................................... 105 5.6. Kết luận chương 5. ....................................................................................113 KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN ............................................................................114 1. Các kết quả đạt được của luận án. ...................................................................114 2. Hướng phát triển của luận án. ..........................................................................115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ....................117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................118
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Quá trình xử lý ảnh của thị giác rô bốt....................................................... 29 Hình 2.2. Mô hình hệ sever thị giác eye-in-hand ...................................................... 31 Hình 2.3. Cấu trúc hệ servo vị trí ảnh ....................................................................... 32 Hình 2.4. Cấu trúc servo đặc trưng ảnh .................................................................... 33 Hình 2.5. Một tay máy hai bậc tự do gắn camera đặt trên robot di động có bánh. ... 35 Hình 2.6. Chân đế di động và hai trục tọa độ, O2X2Y2Z2 và O3X3Y3Z3, trong khung cơ sở. ......................................................................................................................... 36 Hình 2.7. Mặt trước của hệ trục, vị trí và hướng của O4X4Y4Z4 trong O3X3Y3Z3 ... 38 Hình 2.8. Vị trí và hướng của OCXCYCZC trong O4X4Y4Z4, và mô hình điểm ảnh của camera ................................................................................................................. 39 Hình 2.9. Đồ thị mô tả chuyển động vi phân của camera qua OCXCYCZC. .............. 42 Hình 2.10. Mô hình rô bốt di động bám mục tiêu di động........................................ 42 Hình 2.11. Sơ đồ của bộ điều khiển đề xuất visual servoing bám mục tiêu di động 44 Hình 2.12. Mô tả quỹ đạo của WMR (màu xanh) và mục tiêu bay (đỏ) trong không gian 3D. ..................................................................................................................... 46 Hình 2.13. Quỹ đạo chuyển động của đặc trưng ảnh trong mặt phẳng ảnh. ............ 46 Hình 2.14. Đặc tính của  = v – vd theo thời gian. .................................................. 50 Hình 2.15. Đặc tính của mô men theo thời gian. ...................................................... 50 Hình 3.1. Cấu trúc mạng RBF ................................................................................... 59 Hình 3.5. Hệ robot gắn camera. ................................................................................ 69 Hình 3.6. Mô hình tạo ảnh camera ............................................................................ 70 Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ hệ robot-camera ..................................... 73 Hình 3.8. Mạng RBF xấp xỉ hàm f  ......................................................................... 75 Hình 3.9. Cấu trúc của hệ visual servoing điều khiển camera bám mục tiêu di động có nhiều tham số bất định.......................................................................................... 77 Hình 3.10. Quỹ đạo đặc trưng ảnh. ........................................................................... 79 Hình 3.11. Đăc tính vận tốc các khớp ....................................................................... 79 Hình 3.12. Đặc tính momen các khớp ....................................................................... 79 Hình 3.13. Sự thay đổi các trọng số mạng nơ ron.................................................... 80 Hình 3.14. Sự thay đổi các góc khớp ........................................................................ 80 Hình 3.15. Sự thay đổi các góc khớp ....................................................................... 80 Hình 4.1. Đặc tính mômen và công suất ................................................................... 84
ix Hình 4.2. Cấu tạo động cơ đĩa. .................................................................................. 85 Hình 4.3. Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều ........................................... 85 Hình 4.4. Sơ đồ điều khiển........................................................................................ 86 Hình 4.5. Mạng RBF xấp xỉ hàm f‟ ......................................................................... 90 Hình 4.6. Quỹ đạo của đặc trưng ảnh........................................................................ 94 Hình 4.7: Sự thay đổi toạ độ các khớp. ..................................................................... 94 Hình 4.8: Sự thay đổi vận tốc các khớp. ................................................................... 94 Hình 4.9: Đặc tính điện áp của động cơ trên các khớp. ............................................ 95 Hình 5.1. Cấu trúc mạng RBFNN. ............................................................................ 99 Hình 5.2. Sơ đồ của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín. ..................................103 Hình 5.3. Hiệu suất bám của phương pháp TSMC đề xuất. ...................................106 Hình 5.4. Hiệu suất bám của phương pháp SMC tuyến tính. ................................ 107 Hình 5.5. So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 1của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC. ..............................................107 Hình 5.6. So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 2 của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính.............................. 108 Hình 5.7. So sánh giữa đầu vào điều khiển tại cả hai khớp nối giữa phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính......................................................... 108 Hình 5.8. So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch e1 tại khớp nối 1 giữa phương pháp đề xuất và phương pháp trong [58]. ............................................................... 109 Hình 5.9. So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch bám e2 tại khớp nối 2 giữa phương pháp đề xuất và [58]...................................................................................109 Hình 5.10. So sánh mô men của phương pháp đề xuất và [58]. ............................ 110 Hình 5.11. So sánh mô men trong trường hợp sử dụng (5.25, 5.26) và hàm trơn (5.41, 5.42). .............................................................................................................110 Hình 5.12. So sánh sai lệch bám tại khớp 1, e1 , trong trường hợp sử dụng hàm (5.25, 5.26) và sử dụng hàm trơn (5.41, 4.42). .......................................................111
x DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1. Quỹ đạo dùng để mô phỏng của cả đối tượng và WMR. ........................ 48 Bảng 2.2. Các tham số của chân đế pan-tilt và camera. ............................................ 49
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay, robot là một trong những công cụ không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực. Hiện nay robot được ứng dụng trong mọi mặt đời sống xã hội loài người như: Trong các nhà máy, robot tham gia vào các dây chuyền sản xuất thay thế sức lao động của con người. Lĩnh vực an ninh có các robot giám sát an ninh tại các địa điểm quan trọng hoặc trong các môi trường phức tạp. Trong lĩnh vực quốc phòng robot được sử dụng ngày càng rộng rãi như các máy bay không người lái, xe tăng không người lái, tàu chiến không người lái, robot thay thế lính bộ binh trên chiến trường. Trong lĩnh vực y học có các robot phục vụ cho việc phẫu thuật thay thế bác sĩ với độ chính xác cao, không phụ thuộc vào các yếu tố tâm lí như con người. Robot cũng được sử dụng trong lĩnh vực thám hiểm, thăm dò các vùng đất hoặc các vùng biển mà con người chưa khám phá được. Ngày nay robot cũng được sử dụng trong việc khám phá, thăm dò các hành tinh khác ngoài trái đất, và nó có thể được sử dụng để tìm kiếm sự sống ngoài trái đất. Trong luận án này tác giả đề cập đến một số phương pháp điều khiển cho robot với nhiều tham số bất định. trong đó tác giả trình bầy về một số thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera đặt trên hệ bánh xe di động và một số thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera. Những năm gần đây, tay máy kết hợp robot di động được ứng dụng và phát triển một cách nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nó đáp ứng được những đòi hỏi về kĩ thuật ngày càng cao trong mọi lĩnh vực trên thế giới như: lắp ráp, khai thác mỏ, xây dựng, vận chuyển các bộ phận trong nhà máy có địa hình phức tạp với rất nhiều chướng ngại vật (có thể biết trước hoặc không biết trước). Khi nói đến vấn đề về chuyển động của tay máy kết hợp với robot di động có rất nhiều nghiên cứu đã cải tiến các bộ điều khiển cho tay máy kết hợp robot di động một cách chính xác hơn, mục đích của việc giải quyết vấn đề chuyển động là điều khiển cánh tay rô bốt kết hợp với robot di động từ trạng thái ban đầu đến trạng thái tiếp theo với cơ cấu chấp hành cuối cùng đươc xác định ở vị trí mong muốn.
2 Điều khiển robot đang còn nhiều vấn đề cần giải quyết do độ phức tạp, tính phi tuyến và độ bất định của các hệ phương trình động lực và động lực học của robot gây nên. Các nghiên cứu về lĩnh vực này đang được phát triển rất mạnh ở các phòng thí nghiệm, các trường đại học hàng đầu trên thế giới. Phát triển các phương pháp điều khiển cho robot là một trong những vấn đề khoa học cơ bản của các nghiên cứu về robot và cơ điện tử hiện nay. Ở Việt Nam các vấn đề này đang ngày càng được nhiều người quan tâm và nghiên cứu. Gần đây vấn đề điều khiển cho robot có nhiều tham số bất định nhận được rất nhiều sự chú ý của giới nghiên cứu. Vì vậy nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển rô bốt công nghiệp có nhiều tham số bất định” Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào bốn vấn đề chính: - Hệ robot-camera di động. Trong phần này tác giả sẽ trình bày về thuật điều khiển cho hệ robot-camera di động bám mục tiêu di động. Tính đúng đắn của phương pháp điều khiển này được chứng minh bằng nguyên lý ổn định Lyapunov và mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink - Nghiên cứu một số thuật toán đều khiển hệ robot-camera bám theo mục tiêu di động có tính đến các tham số bất định của mô hình động học, dùng mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng tham số bất định, sau đó chứng minh tính đúng đắn của thuật điều khiển theo nguyên lí ổn định Lyapunov và mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink. - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành. Trong nội dung này tác giả đề xuất thuât toán điều khiển cho hệ robot-camera có các tham số bất định của mô hình động học, tham số bất định của mục tiêu, trong đó tác giả dùng mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tham số bất định này. Phần này tác giả chú ý đến tín hiệu điều khiển là tín hiệu điện áp của động cơ điện. Sau đó tác giả chứng minh tính đúng đắn của đề xuất này theo nguyên lí ổn định Lyapunov và mô phỏng qua phần mềm matlab-simulink - Nghiên cứu thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera có chú ý đến độ bất định của mô hình và nhiễu ngoài đồng thời ngăn chặn tính suy biến cho bộ điều khiển. Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất phương pháp điều khiển trượt phi tuyến TSMC (terminal sliding mode control) đồng thời dùng mạng nơ ron nhân tạo để ước
3 lượng các tham số bất định, sau đó đề xuất cũng được chứng minh tính đúng đắn bằng nguyên lí ổn định Lyapunov và mô phỏng trên phần mềm matlab-simunlink. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Mục đích nghiên cứu của dề tài là: Đề xuất một số thuật điều khiển cho robot-camera di động mục tiêu di động. Sau đó đi sâu nghiên cứu một số thuật điều khiển mô men của các khớp cho hệ robot-camera bám mục tiêu di động và hệ robot- camera có chú ý đến động cơ chấp hành bám mục tiêu di động. Sau cùng tác giả cũng đề xuất một số thuật toán điều khiển cho hệ cánh tay robot-camera có mô hình bất định, nhiễu ngoài và ngăn chăn sự suy biến của bộ điều khiển, dùng bộ điều khiển trượt phi tuyến (TSMC) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tham số bất định. 3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài Đề tài gồm các đối tượng chính sau đây: - Hệ robot-camera gắn trên bánh xe di động. - Hệ robot-camera độc lập. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Tác giả thực hiện phương pháp nghiên cứu theo hướng sau: - Nêu lên vấn đề của đối tượng nghiên cứu. - Phân tích và xây dựng mô hình đông học, mô hình động lực học, các vấn đề về tính bất định của các đối tượng nghiên cứu (cụ thể là hệ robot-camera gắn trên bánh xe di động, hệ robot-camera cố định). - Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về các đối tượng nêu trên và đưa ra phương pháp điều khiển của tác giả. - Xây dựng thuật toán điều khiển mới dựa vào các phương trình động học, động lực học, sử dụng phương trình Lagrange cho đối tượng điều khiển - Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán điêu khiển theo nguyên lý ổn định lyapunov. - Kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán điều khiển bằng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. *) Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đề tài đã đóng góp một số ý nghĩa khoa học sau:
4 - Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gắn trên bánh xe di động bám mục tiêu di động. - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu khi hệ có các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo. - Xây dựng thuật toán điều khển bệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành bám mục tiêu khi hệ có các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo. - Xây dựng thuật toán điều khiển dùng bộ điều khiển trượt phi tuyến kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo cho hệ robot-camera khi với mô hình bất định và nhiễu ngoài, và ngăn chặn sự suy biến cho hệ. *) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Các phương pháp điều khiển trong luận án này có thể triển khai nhằm nâng cao độ chính xác trong thực tế của robot công nghiệp khi môi trường làm việc có nhiễu không biết trước, có nhiều tham số bất định của mô hình động học và của mục tiêu di động. 6. Kết quả và tính mới của luận án *) Luận án đưa ra được bốn nội dung có tính mới như sau: - Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gắn trên bệ di động bám theo mục tiêu di động. - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ robot-camera khi tính đến các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo với tín hiệu điều khiển cho các khớp là tín hiệu momen. - Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gồm nhiều tham số bất định của mô hình động học và mục tiêu di động có chú ý đến cơ cấu chấp hành dùng mạng nơ ron nhân tạo. - Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera khi có sự bất định của mô hình và nhiễu ngoài dùng phương pháp điều khiển trượt thích nghi và mạng nơ ron nhân tạo, đồng thời ngăn chặn sự suy biến của bộ điều khiển. *) Về công trình nghiên cứu khoa học đã công bố: - Hội nghị khoa học trong nước: Tác giả có 4 công trình công bố ở hội nghị tự động hóa và hội nghị cơ điện tử toàn quốc. - Bài báo đăng trên tạp chí trong nước và quốc tế: Trong luận án này tác giả có 3 bài báo được công bố trong đó: 2 bài báo viết bằng tiếng Anh đăng ở tạp chí
5 chuyên ngành trong nước (02 bài đăng ở tạp chí Tin học điều khiển) và 01 bài báo đăng ở tạp chí Thổ Nhĩ Kì thuộc danh mục SCIE ; IF=0,58. (Chi tiết mời xem phần các công trình khoa học đã được công bố) 7. Bố cục của luận án Luận án bao gồm 5 chương với nội dung như sau: Chương 1. Tác giả trình bày tổng quan về điều khiển robot công nghiệp và nêu các vấn đề cần giải quyết của đề tài. Chương 2. Tác giả trình bày về mô hình động học, động lực học, phương pháp điều khiển, chứng minh độ ổn định và mô phỏng cho hệ robot-camera di động bám theo mục tiêu không xác định. Trong chương này tác giả đề xuất phương pháp điều khiển vận tốc các góc quay của robot để camera bám theo mục tiêu di động. Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố tại tạp chí tin học và điều khiển học như sau: Nguyen Tien Kiem, Hoang Thi Thuong, Nguyen Van Tinh, “Modeling the differential motion of a mobile manipulator and designing a new visual servoing for tracking a flying target”, Tạp chí tin học và điều khiển học,V.33, N.4 (2017), tr 339-355. Chương 3. Tác giả trình bày về phương pháp xây dựng mô hình động học, mô hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng cho thuật điều khiển cho hệ robot gắn camera cố định có nhiều tham số bất định, dùng mạng nơ ron nhân tạo. Phần này tác giả đề xuất phương pháp điều khiển vận tốc các khớp robot để hệ robot - camera bám theo mục tiêu di động. Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố và trao đổi tại hội nghị khoa học sau: Nguyễn Tiến Kiệm, Phạm Thượng Cát , „Điều khiển tốc độ bệ pan-tilt-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định‟ , Kỷ yếu hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 VCM2012, Hà Nội ngày 14-15/12/2012, tr.787-794.
6 Chương 4. Tác giả trình bày về phương pháp xây dựng mô hình động học, mô hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng các phương pháp điều khiển cho hệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành. Trong chương này tác giả đưa ra phương pháp điều khiển cho cánh tay robot- camera, có chú ý đến cơ cấu chấp hành bám theo mục tiêu di động với nhiều tham số bất định của mô hình động học, của mục tiêu di động và của động cơ cấu chấp hành dùng mạng nơ ron nhân tạo. Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố tại tạp chí tin học và điều khiển học như sau: Nguyen Tien Kiem, Pham Thuong Cat, “conrol of robot-camera system with actuator’s dynamic to tract moving object”, Tạp chí tin học và điều khiển học,V.31, N.3(2015), tr 255-265. Chương 5. Tác giả trình bày về phương pháp điều khiển trượt thích nghi kết hợp với mạng nơ ron để điều khiển hệ robot-camera với mô hình bất định và nhiễu ngoài. Trong chương này tác giả dùng bộ điều khiển trượt thích nghi phi tuyến TSMC (terminal sliding mode control) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tham số bất định của mô hình động lực học và nhiễu ngoài, đồng thời đề xuất biện pháp ngăn chặn sự suy biến. Kết quả nghiên cứu của chương này được chấp nhận đăng bài tại tạp chí “Turkish journal of electrical engineering & computer sciences” thuộc danh mục SCIE, IF:0.58 chi tiết như sau: Kiem NGUYEN, Tinh NGUYEN, Quyen BUI, Minhtuan PHAM, “Adaptive anti- singularity terminal sliding mode control for a robotic arm with model uncertainties and external disturbances”, Turkish journal of electrical engineering & computer sciences, E-ISSN: 1303-6203, ISSN: 1300-0632, DOI: 10.3906/elk- 1711-137, Year:2018 Volume: 26 Number:6, page 3224-3238, tạp chí thuộc danh mục SCIE, IF: 0.58.
7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung Robot được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như robot rùa đơn giản dùng để giảng dạy trong các trường học phổ thông, robot hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô, cánh tay robot điều khiển từ xa trên tàu vũ trụ con thoi. Mỗi một ứng dụng lại có những vấn đề riêng của nó, bởi vậy nên thực tế đã xuất hiện lĩnh vực nghiên cứu về robot. Có rất nhiều ngành công nghiệp mới đã xuất hiện và có nhiều kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này và còn nhiều lĩnh vực cần nghiên cứu trong tương lai, cùng với nhiều quan điểm mới được phát triển và nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Trong khi có nhiều người nghĩ rằng robot chỉ mang tính khác lạ hơn là ứng dụng thực tiễn, nhưng thực tế robot đã được ứng dụng vào rất nhiều các nhà máy sản xuất và nó đã nhận được sự quan tâm cũng như đã tham gia vào các quá trình sản xuất. Ngành công nghiệp ô tô đã đóng vai trò to lớn cho việc phát triển của robot công nghiệp. Dây chuyền sản xuất truyền thống được thiết kế cho chỉ một model xe, và phải thiết kế lại và xây dựng lại trước khi model mới được sản xuất. Ngoài ra dùng máy hàn bằng tay phải chú trọng đến sự thay đổi vì đầu hàn thường nặng và khó giữ ổn định. Nó thường được trang bị cho 1 khung xe trên 1 dây chuyền hàn với nhiều sản phẩm cùng loại, không thể đáp ứng cho nhu cầu sản xuất model mới, trong khi dây chuyền thứ 2 lại phải giảm hoạt động bởi vì nhu cầu thấp của model khác. Do đó trong khi dây chuyền giảm hoạt động chạy cầm chừng trong khi công ty vẫn không sản xuất đủ xe để đáp ứng nhu cầu cho dây chuyền còn lại. Công nghệ robot đưa vào các nhà máy sản xuất giải quyết được những vấn đề nêu trên. Dây chuyền robot hàn có thể thay đổi từ mẫu xe này sang mẫu xe khác một cách đơn giản bằng cách lập trình lại đặc tính mối hàn cho robot. Vì vậy, nó có thể dùng cho nhiều mẫu xe trên 1 dây chuyền hàn, và có thể tùy chỉnh các mẫu theo nhu cầu riêng biệt. Mặt khác chất lượng mối hàn cũng ổn định hơn, bởi vì robot không bị tác động bởi vấn đề tâm lí như con người như: sự mệt mỏi, cảm giác khó chịu như con người khi sử dụng máy hàn bằng tay. Bởi vậy dây chuyền mới sẽ đồng
8 bộ hơn , sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, hiệu quả đầu tư tốt hơn và có khả năng điều chỉnh quá trình sản xuất. Công nghệ robot có thể đóng góp vào việc tạo công ăn việc làm trong các nhà máy nhỏ, bởi nó làm tăng tính đồng bộ, nó có thể đáp ứng cho việc sản xuất với khối lượng công việc nhỏ và xu hướng sản xuất theo từng mẻ sản phẩm. Tính đồng bộ này cho phép công ty sản xuất nhiều loại sản phẩm với số lượng máy móc ít hơn, một máy đồng bộ thay thế cho nhiều máy đơn lẻ, kết quả là giảm được vốn đầu tư và giảm được thời gian máy móc thiết bị không hoạt động. Vì vậy nói một cách chính xác, công nghê robot có tiềm năng cho các hộ sản xuất kinh doanh nhỏ cạnh tranh với các tập đoàn lớn, kết quả là nó làm tăng công ăn việc làm và nền công nghiệp phi tập trung. Lấy một ví dụ cho vấn đề này đó là trong công nghiệp in ấn, thay vì có một ít nhà máy in ấn với qui mô rộng lớn có tính tự động hóa cao cung cấp cho rất nhiều của hàng ở những thành phố xa trung tâm bằng phát triển một máy in với chi phí thấp. Các cửa hàng này có thể cung cấp sản phẩm trong thời gian nhanh hơn so với các nhà máy lớn. Kết quả là nó tạo công ăn việc làm và đóng góp cho sự thịnh vượng của địa phương. Ban đầu có rất nhiều công ty tiếp cận công nghệ robot bằng cách mua robot để xem họ có thể làm gì với chúng. Cách tiếp cận này đang được thay thế nhiều hơn cách tiếp cận kỹ thuật truyền thống hiện nay giới chủ và công đoàn quen thuộc hơn với công nghệ. Kết quả là rất nhiều robot trong nhà máy sản xuất đang đưa ra giải pháp tổng thể cho các vấn đề của quá trình sản xuất,và hệ thống nhà xưởng được mở ra để đáp ứng những ứng dụng mới dùng robot. Bước đầu là phải hoàn thiện giải pháp tổng thể để xác định ứng dụng một cách rõ ràng, sau đó chỉ ra mục đích cần đạt được. Tiếp theo là số lượng giải pháp, liên quan đến cả công nghệ robot và phần cứng tự động hóa cần được nghiên cứu. Nếu quyết định sử dụng robot, hãy chuẩn bị để thiết kế lại một cách hoàn hảo qui trình sản xuất. [1] 1.2. Một số ứng dụng của robot 1.2.1. Trong công nghiệp Robot được sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng công nghiệp. Các ứng dụng sớm nhất có thể kể đến là xử lý vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Robot ban đầu được áp dụng cho các công việc nóng bức, nặng nhọc và nguy hiểm như đúc khuôn, rèn và hàn điểm.