Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh lái chủ động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh lái chủ động" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động 4WD4WS và bài toán điều khiển bám quỹ đạo; Xây dựng các thuật toán dẫn đường cho rô bốt 4WD4WS; Xây dựng bộ điều khiển động lực động cơ lái cho rô bốt 4WD4WS; Tổng hợp hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho rô bốt 4WD4WS.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh lái chủ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐẶNG NAM KIÊN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH LÁI CHỦ ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- ĐẶNG NAM KIÊN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH LÁI CHỦ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Vũ 2. TS Vũ Quốc Huy Hà Nội 2025
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Đặng Nam Kiên
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS. TS Nguyễn Vũ và TS Vũ Quốc Huy đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu và tạo mọi điều kiện để tác giả thực hiện và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Tự động hóa Kỹ thuật Quân sự, Thủ trưởng và cán bộ phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngoài Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng xin được cảm ơn các thành viên trong gia đình, đặc biệt là vợ, con và bố mẹ đã tạo mọi điều kiện về thời gian, vật chất cũng như luôn sát cánh động viên tinh thần để tác giả tập trung, cố gắng hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2025 Tác giả luận án Đặng Nam Kiên
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT BỐN BÁNH LÁI CHỦ ĐỘNG 4WD4WS VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO ................................................. 6 1.1. Tổng quan về rô bốt bốn bánh lái chủ động 4WD4WS ....................................... 6 1.2. Động học hệ thống điều hướng rô bốt bốn bánh lái chủ động 4WD4WS ......... 11 1.2.1. Động học dựa trên sự trượt bánh kết hợp hai chiều (CWS )........................... 11 1.2.2. Động học dựa trên khái niệm về độ cứng lái (cornering stiffness) và tâm quay tức thời (ICR) ............................................................................................... 16 1.2.3. Động học dựa trên tâm quay tức thời (ICR) hay lái Ackermann và không có sự trượt bánh ......................................................................................................... 21 1.3. Tổng quan các phương pháp điều khiển bám đường quỹ đạo. .......................... 26 1.3.1. Tổng quan về các thuật toán dẫn đường ......................................................... 30 1.3.2. Tổng quan về các phương pháp điều khiển động lực góc lái.......................... 38 1.4. Đặt bài toán nghiên cứu cho đề tài luận án ........................................................ 43 1.5. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 44 Chương 2 XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG CHO RÔ BỐT 4WD4WS .............................................................................................................. 45 2.1. Thuật toán dẫn đường ngắm theo điểm đích ảo động. ....................................... 45 2.1.1. Giới thiệu thuật toán ........................................................................................ 45 2.1.2. Mô hình động học bài toán dẫn ....................................................................... 51
iv 2.1.3. Phân tích tính ổn định ..................................................................................... 52 2.2. Xác định góc lái theo phương pháp điều khiển chung hai cặp bánh lái ............ 53 2.2.1. Giới thiệu phương pháp .................................................................................. 53 2.2.2. Mô hình động học ........................................................................................... 54 2.2.3. Sự tương đồng của hai phương pháp dẫn (VT và DVT): ............................... 59 2.3. Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo sử dụng hàm mũ (EVT) ............................ 61 2.3.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 61 2.3.2. Phân tích tính ổn định ..................................................................................... 62 2.4. Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo sử dụng hàm mũ lái độc lập bánh trước và sau (EIVT) ............................................................................................................ 63 2.4.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 63 2.4.2. Xác định tính ổn định ...................................................................................... 68 2.5. Mô phỏng và so sánh các thuật toán .................................................................. 69 2.5.1. Quỹ đạo tròn .................................................................................................... 70 2.5.2. Quỹ đạo thẳng ................................................................................................. 76 2.6. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 80 Chương 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG LỰC BÁM GÓC LÁI CHO RÔ BỐT 4WD4WS ..................................................................................................... 82 3.1. Mô hình động học động cơ lái của rô bốt 4WD4WS ......................................... 82 3.2. Thuật toán điều khiển bám quỹ đạo bằng bộ điều khiển trượt hữu hạn thời gian hội tụ xếp chồng (Cascaded TSM) áp dụng cho động cơ lái của 4WD4WS ....... 84 3.3. Tối ưu tham số bộ điều khiển TSM xếp chồng để nâng cao hiệu quả bám quỹ đạo ......................................................................................................................... 86 3.4. Xây dựng bộ điều khiển TSM xếp chồng mới ................................................... 88 3.5. Mô phỏng bộ điều khiển góc lái bằng thuật toán TSM đề xuất. ........................ 93
v 3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 102 Chương 4 MÔ PHỎNG TỔNG HỢP BÀI TOÁN BÁM QUỸ ĐẠO CHO RÔ BỐT 4WD4WS ............................................................................................................ 103 4.1. Quỹ đạo yêu cầu và điều kiện ban đầu của bài toán bám quỹ đạo .................. 103 4.2. Nhiễu tác động lên từng bánh lái và nhiễu dẫn đường 4WD4WS ................... 105 4.3. Chất lượng bám quỹ đạo của xe rô bốt với các quỹ đạo cơ bản ...................... 106 4.3.1. Khi xe rô bốt bám theo quỹ đạo tròn ............................................................ 106 4.3.2. Khi xe rô bốt bám theo quỹ đạo thẳng .......................................................... 117 4.3.3. Tổng hợp kết quả các kịch bản mô phỏng khác ............................................ 129 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................ 133 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ........................ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 138 PHỤ LỤC ..................................................................................................................P1
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝑥 Tọa độ thân xe rô bốt theo trục x [m] 𝑦 Tọa độ thân xe rô bốt theo trục y [m] 𝜓 Góc hướng của thân xe rô bốt, so với trục x [rad] 𝜓𝑟 Góc hướng của quỹ đạo yêu cầu, so với trục x [rad] 𝜓𝑑 Góc hướng mong muốn của thân xe rô bốt, so với trục x [rad] 𝜓 𝑓𝑑 Góc hướng mong muốn của bánh lái ảo phía trước, so với [rad] trục x 𝜓 𝑟𝑑 Góc hướng mong muốn của bánh lái ảo phía sau, so với [rad] trục x 𝑒𝜓 Độ lệch giữa góc hướng của thân xe rô bốt, so với quỹ [rad] đạo 𝑒𝑦 Độ lệch giữa tọa độ theo trục y của thân xe rô bốt, so với [m] quỹ đạo 𝑒𝑓 Độ lệch giữa tọa độ theo trục y của bánh lái ảo phía trước, [m] so với quỹ đạo 𝑒𝑟 Độ lệch giữa tọa độ theo trục y của bánh lái ảo phía sau, [m] so với quỹ đạo 𝑒𝑠 Độ lệch giữa tọa độ theo trục y của tiêu điểm, so với quỹ [m] đạo 𝛿 Góc lái của bánh lái ảo phía trước, khi lái đối xứng [rad] 𝛿𝑖 Góc lái của bánh lái thứ i, i=1,..,4 [rad] 𝛿𝑓 Góc lái của bánh lái ảo phía trước [rad] 𝛿𝑟 Góc lái của bánh lái ảo phía sau [rad] 𝛿𝑐 Góc lái của bánh lái ảo tại trọng tâm xe [rad] 𝑙 Chiều dài cơ sở của xe rô bốt [m] 𝑙𝑓 Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh ảo phía trước [m] 𝑙𝑟 Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh ảo phía sau [m]
vii 𝑅 Bán kính của quỹ đạo yêu cầu [m] 𝐼 𝐶𝑅 Tâm quay tức thời, tâm quay tức thời của quỹ đạo [m] 𝑣 Vận tốc dài của thân xe rô bốt [m/s] 𝜔 Vận tốc góc thân xe rô bốt [rad/s] 𝑑 Chiều ngang thân xe rô bốt [m] 𝑑 𝑠𝑓 Khoảng nhìn phía trước của điểm đích ảo của bánh lái [m] phía trước 𝑑 𝑠𝑟 Khoảng nhìn phía trước của điểm đích ảo của bánh lái [m] phía sau 𝑑𝑠 Khoảng nhìn phía trước của điểm đích ảo động [m] Δ𝜓 Độ lệch giữa góc hướng thân xe và góc hướng mong [rad] muốn Δ𝜓0 Góc bù độ cong đường quỹ đạo [rad] 𝛿0 Góc lái bù theo độ cong đường quỹ đạo [m] 𝑡 𝑠𝑓 Thời gian hội tụ của bánh lái phía trước đến đường quỹ [s] đạo yêu cầu 𝑡 𝑠𝑟 Thời gian hội tụ của bánh lái phía sau đến đường quỹ đạo [s] yêu cầu 𝑉 Hàm ứng viên Lyapunov 4WD4WS Rô bốt bốn bánh lái chủ động (Four-wheel-drive/ Four- wheel-steer) CWS Sự trượt bánh kết hợp hai chiều (Combine wheel slip) CM Trọng tâm của xe rô bốt (Centre of mass) ICR Tâm quay tức thời (Instantaneous Center of Rotation) P Bộ điều khiển khuếch đại (Proportional) PI Bộ điều khiển PI (Proportional and Integral) PID Bộ điều khiển PID (Proportional, Integral and Derivative) MPC Bộ điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control) SMC Bộ điều khiển chế đột trượt (Sliding Mode Control)
viii TSM Bộ điều khiển trượt hữu hạn thời gian hội tụ (Terminal Sliding Mode Control) NSTSM Bộ điều khiển trượt hữu hạn thời gian hội tụ không suy biến (Non-Singular Terminal Sliding Mode Control) FTSM Bộ điều khiển trượt hội tụ nhanh (Fast Terminal Sliding Mode Control) FETSM Bộ điều khiển trượt hội tụ nhanh mở rộng (Fast Extended Terminal Sliding Mode Control) FOTSM Bộ điều khiển trượt hữu hạn thời gian hội tụ đủ bậc (Full Order Terminal Sliding Mode Control) VT Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo (Virtual Target Guid- ance Algorithm) DVT Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo động (Dynamic Vir- tual Target Guidance Algorithm) DVTC Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo động, bù xấp xỉ (Dy- namic Virtual Target Guidance Algorithm with Approxi- mate Compensation) EVT Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo sử dụng hàm mũ (Ex- ponential Virtual Target Guidance Algorithm) EIVT Thuật toán ngắm theo điểm đích ảo sử dụng hàm mũ lái độc lập bánh trước và sau (Exponential Independence Virtual Target Guidance Algorithm)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tổng hợp một số rô bốt bốn bánh lái chủ động 4WD4WS .......................10 Bảng 2.1 Cấu hình và các thông số của xe rô bốt 4WD4WS ...................................69 Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo thẳng với góc hướng ban đầu 𝜋/4 ........129 Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo thẳng với góc hướng ban đầu 𝜋/3 ........129 Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo thẳng với góc hướng ban đầu 𝜋/2 ........130 Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo tròn với góc hướng ban đầu 𝜋/4 ..........131 Bảng 4.5 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo tròn với góc hướng ban đầu 𝜋/3 ..........131 Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả bám quỹ đạo tròn với góc hướng ban đầu 𝜋/2 ..........132
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu tạo cơ bản của một rô bốt 4WD4WS .................................................... 6 Hình 1.2 Rô bốt Yanmar SMASH thể hiện khả năng quay với bán kính bằng 0. ...... 8 Hình 1.3 Rô bốt GRP 4400 của Ambot có tải trọng lên đến 250 kg . ........................ 9 Hình 1.4 Rô bốt trong các phòng thí nghiệm Seekur. ................................................. 9 Hình 1.5 Động hình học theo CWS .......................................................................... 11 Hình 1.6 Các kích thước của xe rô bốt và các lực tương tác lốp mặt đường ............ 12 Hình 1.7 Động lực học bánh xe truyền động ........................................................... 13 Hình 1.8 Sự trượt bánh hai chiều kết hợp ................................................................. 14 Hình 1.9 Mẫu hàm bão hòa vô hướng 𝜇𝑅𝑒𝑠(𝑆𝑗, 𝜒) cho lốp hơi trên đường nhựa và bê tông và các phép tính gần đúng tương ứng trong ............................................ 15 Hình 1.10 Liên hệ giữa lực tương tác lốp mặt đường theo chiều ngang với góc trượt ngang .................................................................................................................... 16 Hình 1.11 Liên hệ giữa lực tương tác lốp mặt đường theo chiều ngang với góc trượt ngang .................................................................................................................... 17 Hình 1.12 Liên hệ giữa lực tương tác lốp mặt đường theo chiều ngang với góc trượt ngang .................................................................................................................... 19 Hình 1.13 . Liên hệ giữa lực tương tác lốp mặt đường theo chiều ngang với từng giá trị góc trượt ngang........................................................................................... 20 Hình 1.14 . Liên hệ giữa độ cứng lái với từng giá trị áp lực thẳng đứng của lốp ..... 20 Hình 1.15 . Liên hệ giữa lực tương tác lốp xe mặt đường theo chiều ngang với loại mặt đường ............................................................................................................. 21 Hình 1.16 Mô hình động học dựa trên tâm quay tức thời ICR ................................. 22 Hình 1.17 Mô hình động học giản lược dạng xe đạp 2 bánh .................................... 23 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý điều khiển xe rô bốt 4WD4WS ..................................... 27 Hình 1.19 Bộ điều phối 8 động cơ xe rô bốt 4WD4WS .......................................... 28 Hình 1.20 Sơ đồ khối hai vòng điều khiển xe rô bốt 4WD4WS ............................... 29 Hình 1.21 Sơ đồ điều khiển vòng ngoài (vòng dẫn đường) ...................................... 30 Hình 1.22 Phương pháp dẫn đường tìm kiếm thuần túy (pure pursuit) .................... 31
xi Hình 1.23 Phương pháp dẫn đường ngắm theo điểm đích ảo .................................. 35 Hình 1.24 Phương pháp dẫn đường Stanley ............................................................. 37 Hình 1.25 Vòng điều khiển động lực bánh lái (vòng trong) ..................................... 39 Hình 1.26 Chất lượng bám góc lái bằng bộ điều khiển PID ..................................... 40 Hình 1.27 So sánh hiệu quả TSM với SMC thông thường và SMC bậc cao trên mặt phẳng pha .............................................................................................................. 42 Hình 2.1 Phương pháp dẫn đường ngắm theo điểm đích ảo động (DVT) ............... 46 Hình 2.2 Áp dụng DVT cho đường quỹ đạo cong với bán kính R .......................... 48 Hình 2.3 Phương pháp bù góc xấp xỉ DVT ............................................................. 50 Hình 2.4 Phương pháp lái đối xứng khi trọng tâm trùng tâm hình học của xe ........ 53 Hình 2.5 Sự tương đồng của VT và DVT ................................................................ 60 Hình 2.6 Phương pháp ngắm theo điểm đích ảo sử dụng hàm mũ lái độc lập phía trước và sau ........................................................................................................... 64 Hình 2.8 Quỹ đạo yêu cầu và chất lượng bám quỹ đạo của các thuật toán ............. 69 Hình 2.9 Chất lượng bám quỹ đạo tròn của 4 thuật toán với R0=40 m khi điểm xuất phát là ([39, 0, 3𝜋/4])................................................................................... 70 Hình 2.10 Quỹ đạo yêu cầu và chất lượng bám quỹ đạo của các thuật toán khi điểm xuất phát là ([39, 0, 3𝜋/4]).......................................................................... 71 Hình 2.11 Các góc lái của bốn bánh khi bám theo quỹ đạo với R0=40 m, điểm ban đầu (39, 0, 3𝜋/4) .................................................................................................. 72 Hình 2.12 Chất lượng bám quỹ đạo tròn của 4 thuật toán với R0=40 m khi điểm xuất phát là ([39, 0, 𝜋/4]) ..................................................................................... 73 Hình 2.13 Quỹ đạo yêu cầu và chất lượng bám qũy đạo tròn của các thuật toán khi điểm xuất phát là ([39, 0, 𝜋/4]) ............................................................................ 74 Hình 2.14 Các góc lái của bốn bánh khi bám theo quỹ đạo với R0=40 m, điểm ban đầu (39, 0, 𝜋/4) .................................................................................................... 75 Hình 2.15 Chất lượng bám quỹ đạo thẳng của 4 thuật toán khi điểm xuất phát là ([-1, 0, 𝜋/4]) ......................................................................................................... 77 Hình 2.16 Chất lượng bám quỹ đạo thẳng của 4 thuật toán khi điểm xuất phát là ([1, 0, 3𝜋/4]) ........................................................................................................ 77 Hình 2.17 Quỹ đạo yêu cầu và chất lượng bám quỹ đạo thẳng của các thuật toán khi điểm xuất phát là ([-1, 0, 𝜋/4]) ...................................................................... 78
xii Hình 2.18 Các góc lái của bốn bánh khi bám theo quỹ đạo thẳng, điểm xuất phát (-1, 0, 𝜋/4) ............................................................................................................ 79 Hình 3.1 Hiện tượng xoắn của hai biến trạng thái trong điều khiển TSM thông thường ................................................................................................................... 86 Hình 3.2 Một trường hợp tuyến tính hóa từng đoạn của biến trượt TSM................ 90 Hình 3.3 Hệ số tuyến tính hóa 𝑐1 từ biến trượt TSM thứ cấp gốc sang biến trượt TSM thứ cấp thực tế ............................................................................................. 94 Hình 3.4 So sánh kết quả tuyến tính hóa 𝜎 với giá trị biến trượt gốc 𝜎 𝑜𝑟𝑔 .............. 95 Hình 3.5 So sánh hiệu ứng xoắn tại gốc của mặt trượt sơ cấp ................................. 96 Hình 3.6 Khả năng bám theo góc lái mong muốn của bộ điều khiển TSM thông thường ................................................................................................................... 97 Hình 3.7 Khả năng bám góc lái mong muốn của bộ điều khiển TSM tối ưu .......... 97 Hình 3.8 Khả năng bám góc lái mong muốn của bộ điều khiển TSM đề xuất ........ 98 Hình 3.9 Sai số bám theo góc lái mong muốn của 3 bộ điều khiển TSM................ 98 Hình 3.10 Sai số bám vận tốc góc lái của 3 bộ điều khiển TSM ............................. 99 Hình 3.11 Các biến trượt của bộ điều khiển TSM đề xuất .................................... 100 Hình 3.12 Các biến trạng thái hội tụ chính xác vào thời điểm 0.0588 s ................ 101 Hình 4.1 Quỹ đạo yêu cầu của bài toán bám quỹ đạo thẳng .................................. 104 Hình 4.2 Mô men tải thực thay đổi do tương tác với mặt đường (nhiễu) .............. 105 Hình 4.3 Quỹ đạo tròn yêu cầu và các quỹ đạo thực khi bám theo ....................... 106 Hình 4.4 Sai số bám quỹ đạo tròn .......................................................................... 106 Hình 4.5 Góc lái thực tế khi dùng EIVT kết hợp PTSM ....................................... 107 Hình 4.6 Góc lái yêu cầu khi dùng EIVT kết hợp PTSM ...................................... 108 Hình 4.7 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng EIVT kết hợp PTSM ................ 108 Hình 4.8 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng EIVT kết hợp PTSM .................................................................................................................. 109 Hình 4.9 Góc lái thực tế khi dùng EVT kết hợp PTSM ......................................... 110 Hình 4.10 Góc lái yêu cầu khi dùng EVT kết hợp PTSM ..................................... 110 Hình 4.11 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng EVT kết hợp PTSM................ 111 Hình 4.12 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng EVT kết hợp PTSM ............................................................................................................................. 111
xiii Hình 4.13 Góc lái thực tế khi dùng DVTC kết hợp PTSM.................................... 112 Hình 4.14 Góc lái yêu cầu khi dùng DVTC kết hợp PTSM .................................. 113 Hình 4.15 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng DVTC kết hợp PTSM ............ 113 Hình 4.16 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng DVTC kết hợp ...... 114 Hình 4.17 Góc lái thực tế khi dùng thuật toán VT kết hợp với TSM để bám theo quỹ đạo tròn ........................................................................................................ 115 Hình 4.18 Góc lái yêu cầu khi dùng VT kết hợp TSM .......................................... 115 Hình 4.19 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng VT kết hợp TSM .................... 116 Hình 4.20 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng VT kết hợp TSM .. 117 Hình 4.21 Quỹ đạo yêu cầu và các quỹ đạo thực khi bám theo quỹ đạo thẳng. .... 118 Hình 4.22 Sai lệch bám quỹ đạo của các thuật toán với quỹ đạo thẳng. ............... 118 Hình 4.23 Góc lái thực tế khi dùng thuật toán EIVT kết hợp PTSM để bám theo quỹ đạo thẳng ...................................................................................................... 119 Hình 4.24 Góc lái yêu cầu khi dùng EIVT kết hợp PTSM .................................... 119 Hình 4.25 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng EIVT kết hợp PTSM .............. 120 Hình 4.26 Các đầu vào điều khiển của 4 bánh lái khi EIVT kết hợp PTSM ......... 120 Hình 4.27 Góc lái thực tế khi dùng EVT kết hợp PTSM ....................................... 121 Hình 4.28 Góc lái yêu cầu khi dùng thuật toán EVT kết hợp PTSM để bám theo quỹ đạo thẳng ...................................................................................................... 122 Hình 4.29 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng EVT kết hợp PTSM................ 122 Hình 4.30 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng thuật toán EVT kết hợp PTSM ........................................................................................................... 123 Hình 4.31 Góc lái thực tế khi dùng DVTC kết hợp PTSM.................................... 124 Hình 4.32 Góc lái yêu cầu khi dùng DVTC kết hợp PTSM .................................. 124 Hình 4.33 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng DVTC kết hợp PTSM ............ 125 Hình 4.34 Các đầu vào điều khiển của bốn bánh lái khi dùng thuật toán DVTC kết hợp PTSM ........................................................................................................... 125 Hình 4.35 Góc lái thực tế khi dùng thuật toán VT kết hợp với TSM để bám theo quỹ đạo thẳng ...................................................................................................... 126 Hình 4.36 Góc lái yêu cầu khi dùng thuật toán VT kết hợp với TSM để bám theo quỹ đạo thẳng ...................................................................................................... 127
xiv Hình 4.37 Sai lệch bám góc lái thứ nhất khi dùng VT kết hợp TSM .................... 127 Hình 4.38 Các đầu vào điều khiển của 4 bánh lái khi dùng VT kết hợp TSM ...... 128
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Giai đoạn gần đây, các loại rô bốt đang được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng ở tất cả các lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hội và quốc phòng, đặc biệt, sau khi đại dịch COVID-19 đã làm thay đổi mọi mặt của đời sống xã hội loài người. Trong điều kiện bình thường mới, các loại rô bốt đang được sử dụng rộng rãi hơn và là xu hướng trong nhiều năm tới. Trong các loại rô bốt hiện nay, rô bốt tự hành chiếm một vị trí quan trọng. Rô bốt tự hành được ứng dụng trong đời sống ngày càng nhiều như rô bốt phục vụ nông nghiệp, rô bốt vận chuyển hàng hóa trong nhà kho, nhà máy, rô bốt phục vụ y tế, xe lăn cho người khuyết tật, các rô bốt phục vụ thám hiểm, hoạt động trong môi trường độc hại, rô bốt phục vụ an ninh, quốc phòng và đặc biệt là các rô bốt phục vụ trong các khu vực công cộng, nhà hàng, khách sạn, khu vui chơi... Trong số các dạng rô bốt tự hành tiên tiến hiện nay, rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động (4WD4WS) là dạng rô bốt dư dẫn động, sử dụng bốn bánh xe truyền động độc lập và bốn bánh lái độc lập, có khả năng di chuyển linh hoạt với các chế độ điều khiển khác nhau. Với cấu trúc này 4WD4WS tạo ra ưu điểm về tính cơ động cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi hơn các thế hệ rô bốt tự hành non-holonomic khác. Đặc biệt là rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động thể hiện được sự vượt trội khi ứng dụng trong các không gian hẹp với các quỹ đạo đường đi có nhiều khúc cua lớn mà lại không có đường lượn đủ dài để đánh lái (vốn rất cần thiết cho non-holonomic rô bốt) như trong các nhà kho tự động hay các nhà máy sản xuất, lắp ráp trong khi vẫn yêu cầu độ chính xác cao của điểm đến cũng như thời điểm xuất hiện. Trong các bài toán điều khiển rô bốt tự hành, bài toán điều khiển rô bốt tự hành bám quỹ đạo luôn là nhiệm vụ hàng đầu và thu hút được sự quan tâm của
2 đông đảo các nhà khoa học. Việc đạt độ chính xác cao trong chuyển động rô bốt thường rất khó khăn bởi những yếu tố phi tuyến, bất định luôn tồn tại trong mô hình rô bốt. Rất nhiều nghiên cứu hiện có chia bài toán điều khiển bám quỹ đạo của các loại rô bốt tự hành có bánh lái thành hai thành phần, điều khiển động lực truyền động và điều khiển góc lái. Tuy nhiên phần lớn trong số đó đặt trọng số lên phần động lực truyền động, còn bài toán điều khiển góc lái chưa được quan tâm đúng mực. Trong khi đó để bám được một quỹ đạo yêu cầu tốt với các xe rô bốt có bánh lái thì giải pháp tối ưu hơn là duy trì một tốc độ cho thân xe sao cho lực li tâm không vượt quá giới hạn cho phép và tập trung nhiều hơn vào điều khiển góc lái. Khi đó, bài toán bám quỹ đạo có thể được tổng hợp với hai vòng điều khiển, vòng ngoài sẽ coi góc lái của các bánh xe là đầu vào điều khiển. Vòng trong sẽ là các bộ điều khiển bánh lái bám theo các góc lái yêu cầu. Với vòng ngoài hiện tại các giải pháp hiện có thường sử dụng các bộ điều khiển động hình học ngang thân xe (hay là các thuật toán dẫn đường hình học và các biến thể của nó), tuy nhiên trong những ưu điểm riêng của xe rô bốt dạng 4WD4WS thì các thuật toán này chưa tận dụng được. Do vậy cần thiết phải xây dựng một thuật dẫn có thể tận dụng tốt hơn đặc điểm động học độc đáo của 4WD4WS. Ở vòng điều khiển trong, hiện nay các tác giả đa phần sử dụng những bộ điều khiển kinh điển như PI và PID thì hiệu quả bám quỹ đạo sẽ thấp, đặc biệt là khi bánh lái chịu tải thay đổi từ tương tác giữa lốp xe với mặt đường. Như vậy vòng trong cũng cần được cải thiện bằng những thuật toán điều khiển bền vững và tiên tiến hơn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo mới cho rô bốt bốn bánh truyền động và bốn bánh lái độc lập 4WD4WS có mô hình phi tuyến bất định. Với mục tiêu như vậy luận án đặt ra hai mục tiêu cụ thể sau đây: - Xây dựng thuật toán dẫn đường hình học mới cho rô bốt 4WD4WS tận
3 dụng được ưu thế động học của xe. - Xây dựng thuật toán điều khiển bám góc lái mới cho rô bốt 4WD4WS trên nền tảng của điều khiển phi tuyến và điều khiển bền vững. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động 4WD4WS trong đó đi sâu vào nghiên cứu thuật toán dẫn đường, thuật toán điều khiển bám góc lái cho 4WD4WS. Phạm vi nghiên cứu: Rô bốt 4WD4WS di chuyển trên bề mặt nằm ngang với tốc độ không đổi, không bị nghiêng, chịu tác động của nhiễu do tương tác với mặt đường khi bám theo một quỹ đạo yêu cầu được xác định trước. 4. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu của luận án, 4 nội dung nghiên cứu được đặt ra: - Nghiên cứu về mô hình động học của rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động 4WD4WS, tổng hợp và phân tích về các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho rô bốt 4WD4WS đã công bố làm cơ sở cho định hướng nghiên cứu của luận án. - Nghiên cứu các thuật toán dẫn đường cho rô bốt 4WD4WS trên nền tảng đó xây dựng thuật toán dẫn đường mới cho 4WD4WS. - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đại và khả năng áp dụng cho các hệ bậc ba, là đặc trưng của hệ thống điều khiển bánh lái của rô bốt 4WD4WS, với yêu cầu cao về thời gian đáp ứng của hệ thống, từ đó phát triển bộ điều khiển trượt hữu hạn cho các hệ bậc ba và ứng dụng vào bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho rô bốt 4WD4WS. 5. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa phương pháp lý thuyết với mô phỏng số. Các phương pháp dẫn đường hình học: Ngắm theo điểm đích ảo, Stanley; phát triển thuật toán
4 dẫn đường mới. Lý thuyết điều khiển phi tuyến: điều khiển chế độ trượt, điều khiển trượt hữu hạn; tổng hợp các bộ điều khiển mới cho rô bốt 4WD4WS, phân tích tính ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov; mô phỏng số bằng phần mềm Matlab-Simulink. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Xây dựng thuật toán dẫn đường và thuật toán điều khiển bám góc lái mới cho rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động hoạt động trong điều kiện giới hạn về thời gian hội tụ của hệ thống trên nền tảng lý thuyết điều khiển chế độ trượt và chế độ trượt bậc cao, có khả năng dễ dàng áp dụng trong thực tế cho các đối tượng tương đồng, trong đó có các hệ bậc ba. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để áp dụng và triển khai thuật toán đề xuất vào một rô bốt cụ thể trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng thuật toán và sẵn sàng ứng dụng cho rô bốt phục vụ trong kho hàng hoặc các rô bốt vận chuyển, các xe ô tô tự hành bám làn đường. 7. Bố cục của luận án Luận án gồm có: phần mở đầu, bốn chương, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Tổng quan về rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động 4WD4WS và bài toán điều khiển bám quỹ đạo. Chương này trình bày tổng quan về rô bốt tự hành bốn bánh lái chủ động 4WD4WS, tổng quan về các phương pháp dẫn đường bám quỹ đạo cho rô bốt 4WD4WS, tổng quan về các mô hình động học của rô bốt 4WD4WS, tổng quan về các bộ điều khiển bám góc lái cho rô bốt 4WD4WS, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, trên cơ sở đó xác định những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và định hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Xây dựng các thuật toán dẫn đường cho rô bốt 4WD4WS. Chương này xây dựng các thuật toán dẫn đường mới cho rô bốt 4WD4WS: