Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (teleoperation smss)

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo cho hệ bền vững có khả năng thích nghi kháng nhiễu, hoạt động ổn định trong điều kiện vừa có nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài, vừa có hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn tại trong động học của Robot chủ và Robot tớ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (teleoperation smss)

i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Đặng Ngọc Trung, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 06 tháng 7 năm 2017 Tác giả luận án Đặng Ngọc Trung
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình làm luận án, thực sự đã có những lúc khó khăn, tưởng chừng như không thể tiếp tục, nhờ nhận được sự động viên, giúp đỡ của người thân, bạn bè đồng nghiệp, thầy giáo hướng dẫn và tập thể các nhà khoa học, tôi đã có được kết quả hôm nay. Tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả. Cảm ơn những người thầy, người bạn đã đồng hành, giúp đỡ, chia sẽ cùng tôi trong giai đoạn khó khăn, vất vả nhất của chặng đường luận án. Cũng qua đây, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo hướng dẫn TS. Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –ĐH Thái Nguyên và TS. Đỗ Đức Nam –Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình, dìu dắt và định hướng cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện, tập thể các nhà khoa học, đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian. Cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện, Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kỹ thuật công nghiệp, Trung tâm thí nghiệm, các Phòng ban của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình, tạo điều kiện trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hơn hết, tôi muốn được nói lời cảm ơn đến bố mẹ, anh chị, vợ và con gái đã luôn luôn bên tôi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này. Tác giả luận án Đặng Ngọc Trung
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án .......................................................................... 1 2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ............................... 2 3. Mục tiêu của luận án ........................................................................................... 2 4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án .................................... 3 5. Bố cục của luận án .............................................................................................. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation ...................................................... 5 1.1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation...................................................................... 5 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation................................. 7 1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation ................................ 13 1.1.4. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation .................................................... 13 1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) ............................................................................... 15 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation ...... 16 1.4. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất hướng giải quyết trong luận án .................................................................... 18 1.5. Kết luận Chương 1 ...................................................................................... 22 CHƯƠNG 2 23 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 23 2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại 23 2.1.1 Khái niệm về ổn định tiệm cận đều và ổn định theo hàm mũ ....................... 23 2.1.2 Khái niệm về ổn định ISS ........................................................................... 29
iv 2.1.3 Lý thuyết chung về điều khiển trượt (Sliding mode control) ........................ 30 2.1.4 Điều khiển thích nghi ISS ........................................................................... 35 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) ................................................................................ 37 2.3. Mô phỏng điều khiển hệ thống từ xa (Teleoperation-SMSS) trên Matlab- Simulink ..................................................................................................... 57 2.4. Kết luận Chương 2 ...................................................................................... 81 CHƯƠNG 3 83 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 83 3.1. Sơ đồ khối ghép nối điều khiển hệ thống thao tác từ xa qua máy tính và Card DSP1103..................................................................................................... 83 3.2. Sơ đồ kết nối vật lý cho một khớp (1 động cơ) của Robot chủ/Robot tớ với Card DSP1103 ............................................................................................ 84 3.3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ Teleoperation SMS ..................................... 84 3.4. Sơ đồ các khối ghép nối trên Matlab Simulink kết nối với DSP1103 và hệ SMSS thực .................................................................................................. 87 3.5. Sơ đồ ghép nối thực điều khiển hệ thống Teleoperation-SMSS qua máy tính90 3.6. Kết quả điều khiển thực hệ SMSS qua card DSP1103 và phần mềm Control Desk ........................................................................................................... 91 3.7. Kết luận chương 3....................................................................................... 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............. 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 100 PHỤ LỤC............................................................................................................ 109
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu T thời gian trễ trên kênh truyền thông s (e ) mặt trượt x (t ) trạng thái quỹ đạo tự do Mi ma trận quán tính xác định dương Ci ma trận criolit và lực hướng tâm Ji ma trận Jacobi qi góc quay khớp i mi khối lượng khâu i li chiều dài khâu i i mômen quán tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i ri khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i Fi ngoại lực đặt tại khớp i Bi độ giảm chấn tại khớp i τi mômen đầu vào các Robot Fop lực tác động lên Master do người thao tác Fe phản lực từ môi trường lên Slave Gi véc tơ lực trọng trường τ op mômen lực tác động lên Master do người thao tác τe mômen phản lực từ môi trường lên Slave qi véc tơ vận tốc góc khớp i qi véc tơ gia tốc góc khớp i τ Ni các thành phần nhiễu tác động lên các khớp τˆNi các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp i sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot useq tín hiệu điều khiển tương đương lên Slve e sai lệch quỹ đạo Ai ; K s ;  P ;  I các ma trận đường chéo xác định dương
vi  m ;  m* ;  các miền hội tụ (hay miền hấp dẫn) Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt MHRM Mô hình Robot chủ MHRS Mô hình Robot tớ BĐK Bộ điều khiển XLNS Xử lý nhiễu Robot tớ XLNM Xử lý nhiễu Robot chủ ULNS Ước lượng nhiễu Robot tớ ULNM Ước lượng nhiễu Robot chủ Cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững sử dụng chế độ ARSM-SC trượt cho Robot tớ ISS-MC Cấu trúc điều khiển thích ISS cho Robot chủ Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh SMSS Single Master Single Slave SMMS Single Master Multiple Slaves MSMM Multiple Masters Multiple Slaves ISS Input-to-state stability
vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Thông số vật lý mô phỏng của Robot chủ/Robot tớ .......................... 62 Bảng 2. Thông số mô phỏng của bộ điều khiển Robot chủ ............................ 76 Bảng 3. Thông số mô phỏng của bộ điều khiển Robot tớ ............................... 76 Bảng 4. Thông số vật lý thực của Robot chủ/Robot tớ ................................... 84 Bảng 5. Thông số thực nghiệm của bộ điều khiển Robot chủ ........................ 85 Bảng 6. Thông số thực nghiệm của bộ điều khiển Robot tớ ........................... 85
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation ....................................................... 6 Hình1.2. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [38]. ................. 14 Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [85]. ................. 15 Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh trong tài liệu [65]. ................. 15 Hình 2.1. Tạo họ các đường cong kín bao quanh gốc bằng đường đông mức của hàm xác định dương ............................................................................... 24 Hình 2.2. Véc tơ gradien của V(x)................................................................. 25 Hình 2.3. Minh họa miền hấp dẫn và khái niệm ổn định ISS ......................... 30 Hình 2.4. Nhiệm vụ của bài toán điều khiển trượt ......................................... 32 Hình 2.5. Điều khiển trượt bằng phản hồi đầu ra ........................................... 33 Hình 2.6. Hiện tượng rung và nguyên nhân của hiện tượng rung (chattering) 34 Hình 2.7. Thay khâu Relay hai vị trí bằng khâu khuếch đại bão hòa để giảm 35 Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ .................................................................................................................. 40 Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho Robot tớ.......................................... 45 Hình 2.10. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng sin ...................................................... 67 Hình 2.11. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng sin ..................................................... 67 Hình 2.12. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng bất kỳ ................................................. 67 Hình 2.13. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng bất kỳ ................................................ 68 Hình 2.14. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi không bù nhiễu τe* .......................... 68 Hình 2.15. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu τe* .......................... 68 Hình 2.16. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe* ................................ 69 Hình 2.17. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe* ................................ 69 Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ . 47 Hình 2.19. Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot chủ ............................................ 50 Hình 2.20. Quỹ đạo q1 của Robot chủ khi không bù nhiễu τ Nm ...................... 74 Hình 2.21. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi không bù nhiễu τ Nm ...................... 74 Hình 2.22. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi đã bù nhiễu τ Nm ............................ 74 Hình 2.23. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi đã bù nhiễu τ Nm ............................ 75
ix Hình 2.24. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thao tác từ xa trên cơ sở bộ điều khiển thích nghi kháng nhiễu, bền vững sử dụng chế độ trượt................................. 56 Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) trên Matlab-Simulink .................................................................................... 77 Hình 2.26. Thành phần tác động của môi trường τˆe1 ..................................... 78 * Hình 2.27. Thành phần tác động của môi trường τˆe*2 ..................................... 78 Hình 2.28. Thành phần quỹ đạo q1................................................................ 78 Hình 2.29. Thành phần quỹ đạo q2 của Robot................................................ 79 Hình 2.30. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành phần τˆe ......................................................................................................... 79 * Hình 2.31. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành phần τˆe ......................................................................................................... 79 * Hình 2.32. Thành phần mômen τ op1 .............................................................. 80 Hình 2.33. Thành phần mômen τ op 2 ............................................................... 80 Hình 2.34. Thành phần quỹ đạo q1 của Robot................................................ 80 Hình 2.35. Thành phần quỹ đạo q2 của Robot................................................ 81 Hình 3.1. Sơ đồ ghép nối điều khiển hệ SMSS qua máy tính và Card DSP1103 .............................................................................................................................. 83 Hình 3.2. Sơ đồ ghép nối vật lý cho một khớp của Robot với Card DSP1103 84 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS qua card DSP1103 và máy tính ............................................................................................ 86 Hình 3.4. Sơ đồ ghép nối trên Matlab Simulink kết nối với DSP1103 và hệ SMSS thực ............................................................................................................ 87 Hình 3.5. Khối bộ điều khiển Slave ............................................................... 87 Hình 3.6. Khối bộ điều khiển Master ............................................................. 88 Hình 3.7. Khối xuất tín hiệu PWM cho mạch điều khiển và đo dòng điện ..... 88 Hình 3.8. Khối thu thập dữ liệu động học thực của Master ............................ 89 Hình 3.9. Khối thu thập dữ liệu động học thực của Slave .............................. 89 Hình 3.10. Mô hình ghép nối thực giữa hệ SMSS với DSP1103 và mạch điều khiển ..................................................................................................................... 90 Hình 3.11. Mạch đo tín hiệu dòng và mạch điều khiển tốc độ động cơ .......... 90
x Hình 3.12. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu τ e* khi Robot tớ không mang tải .......................................................................................................................... 91 Hình 3.13. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu τ e* khi Robot tớ mang tải ... 91 Hình 3.14. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ NS ............................................................................................................... 92 Hình 3.15. So sánh quỹ đạo q21 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ NS ............................................................................................................... 92 Hình 3.16. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ NS ......................................................................................................................... 92 Hình 3.17. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ NS ......................................................................................................................... 93 Hình 3.18. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ e* ................................................................................................................ 93 Hình 3.19. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ e* ................................................................................................................ 93 Hình 3.20. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ e .......................................................................................................................... 94 * Hình 3.21. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ e* .......................................................................................................................... 94 Hình 3.22. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) . 94 Hình 3.23. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) . 95 Hình 3.24. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.1 (s) . 95 Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.1 (s) . 95 Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) . 96 Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) . 96 Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.5 (s) . 96 Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.5 (s) . 97
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Teleoperation (hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa, thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Trong hệ thao tác từ xa mỗi Robot thực hiện các chức năng riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám chính xác quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ, đảm bảo đem lại cho người thao tác có được cảm giác thực về nhiễu và các lực tương tác của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80]. Cho đến nay hệ thao tác từ xa đã có hơn 60 năm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu khắc hội họa…[25], [55], [64], [74], [77]. Đặc điểm đáng lưu tâm ở đây, đối tượng điều khiển trong hệ thao tác từ xa là những đối tượng phức tạp, phi tuyến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định. Mục đích và yêu cầu đặt ra đối với các phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot tớ và đối với tổng thể cả hệ thống thao tác từ xa cũng khác nhau. Thêm vào đó trong hệ luôn tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, dễ làm mất ổn định hệ thống. Tất cả những điều đó tạo nên những thách thức không nhỏ trong việc tổng hợp các luật điều khiển cho hệ. Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, các nghiên cứu cho hệ thao tác từ xa cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương pháp điều khiển đã được ứng dụng như: điều khiển thụ động, điều khiển PID, điều khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[56], [64], [65], [76], [80]. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây nhìn chung đều đưa ra giải pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot tớ hoàn toàn giống nhau do chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của từng Robot trong hệ thống, đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển đối với hệ thao tác từ xa cụ thể chưa xét đến các ảnh hưởng đồng
2 thời từ các yếu tố như: mô hình động học phi tuyến bất định của Robot chủ và Robot tớ; nhiễu tác động lên hệ, trễ trên kênh truyền cũng như các điều kiện ràng buộc thực tế của hệ…nên bài toán ổn định cũng như chất lượng của hệ còn nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Thực tế đặt ra cho thấy rất cần xây dựng các cấu trúc điều khiển đảm bảo cho hệ thống có khả năng kháng nhiễu, tính bền vững và chịu được hiệu ứng trễ của đường truyền. Do đó việc phân tích tính đặc thù, những khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa và nghiên cứu lý thuyết điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ là vấn đề bức thiết giúp cho hệ thống mở rộng hơn nữa các ứng dụng trong thực tế. Chính vì vậy luận án tập trung xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation có kể đến đồng thời các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định cũng như chất lượng hệ thống đã đề cập ở trên. 2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về hệ thao tác từ xa nói chung và đi sâu vào hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (Truyền thông qua dây dẫn xem như đường truyền hữu tuyến với trễ T=const). Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án tập trung nghiên cứu tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển đảm bảo ổn định tiệm cận cho Robot tớ; ổn định thực tế ISS cho Robot chủ với những đặc thù và nhiệm vụ riêng của từng Robot, cũng như hệ thao tác từ xa làm việc ổn định thực tế ISS khi kết hợp giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền hữu tuyến với trễ trên kênh truyền là hằng số và các nhiễu nội cũng như các tác động của môi trường lên từng Robot được xem như là thành phần nhiễu cộng. Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá và tổng hợp. Thông qua nghiên cứu lý thuyết để đề xuất vấn đề cần giải quyết và xây dựng thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo cho hệ bền vững có khả năng thích nghi kháng
3 nhiễu, hoạt động ổn định trong điều kiện vừa có nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài, vừa có hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn tại trong động học của Robot chủ và Robot tớ. Nhằm nâng cao chất lượng của hệ thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của hệ thao tác từ xa: - Điều khiển bám chính xác quỹ đạo giữa Robot chủ và Robot tớ. - Người điều khiển có được cảm giác thực về những thao tác của Robot tớ cả về vị trí cũng như lực tương tác với môi trường thông qua Robot chủ. 4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án Luận án đã có những đóng góp mới sau: 1. Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu và tác động của môi trường lên Robot chủ và Robot tớ; đưa ra giải pháp bù trừ nhiễu và tác động bên ngoài lên hệ thống. 2. Đã tổng hợp được các bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu trên cơ sở đánh giá, bù nhiễu và sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot tớ. 3. Đã tổng hợp được bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot chủ. 4. Đã chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu bất định từ bên ngoài và tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông. Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng dụng trong một số lĩnh vực như: tháo lắp thuốc nổ trong quân sự, Robot điêu khắc hội họa từ xa... 5. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu và kết luận, được bố cục như sau: Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation), thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển hiện đại; các cấu trúc điều khiển đã được áp dụng cho hệ thao tác từ xa một
4 chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) trong các nghiên cứu trước đây. Nêu ra tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất giải pháp xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp với các đặc điểm và chức năng của từng Robot trong hệ thao tác từ xa một chủ một tớ. Chương 2. Xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) cụ thể như sau: thứ nhất đề xuất thuật toán ước lượng nhiễu và tác động của môi trường lên Robot tớ, từ đó làm cơ sở tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ được thể hiện trong Định lý 2.1. Tiếp đó, cũng tương tự thuật toán ước lượng nhiễu bên phía Robot tớ luận án tiếp tục áp dụng đánh giá nhiễu tác động lên Robot chủ, đồng thời xây dựng bộ điều khiển thích nghi ISS kháng nhiễu cho Robot chủ, thuật toán này được thể hiện ở Định lý 2.2. Cuối cùng bằng việc đề xuất Định lý 2.3. đã đảm bảo điều kiện đủ cho hệ thống thao tác từ xa trên cơ sở ghép giữa Robot chủ và Robot tớ với trễ trên kênh truyền thông là hằng số làm cho hệ ổn định thực tế ISS. Với chứng minh chặt chẽ kết hợp với mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều khiển toàn hệ thống. Chương 3. Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán điều khiển đã đề xuất cho hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Trên cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng về thuật toán ước lượng nhiễu cũng như cấu trúc điều khiển đề xuất cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) đã được chứng minh và đánh giá ở chương 2. Trong chương 3 này, luận án xây dựng mô hình thực nghiệm với hệ thống bao gồm Robot chủ và Robot tớ hai bậc tự do dạng tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết đã đề xuất. Phần kết luận: đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Equation Chapter (Next) Section 1 1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1.1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation Teleoperation (hay còn gọi là hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Các Robot này được điều khiển bởi các bộ điều khiển tương ứng đảm bảo được nhiệm vụ và chức năng riêng của từng Robot, dưới sự vận hành và giám sát của người thao tác đảm bảo cho Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo của Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ. Hệ Teleoperation thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ thống điều khiển này cho phép con người sử dụng khả năng tư duy, sự hiểu biết và hoạt động chân tay của mình tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho con người có những cảm giác thật trong sự tương tác giữa con người với Robot chủ và giữa Robot tớ với môi trường cho dù ở khoảng cách xa [64], [75]. Trong những thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90], điều hành Robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phương tiện không người lái dưới nước, xử lý những vật liệu nguy hiểm, độc hại trong các nhà máy hạt nhân, trong tác chiến quân sự, thao diễn những Robot di động tránh chướng ngại vật, cứu hộ con người, ứng dụng trong các lĩnh vực khai thác và sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ nào đó hệ Teleoperation cũng có thể ứng dụng trong “phẫu thuật từ xa”, khi đó Robot chủ chính là dao điện hoặc thiết bị hỗ trợ phẫu thuật dạng cánh tay máy có độ chính xác hoàn chỉnh và yêu cầu cao về mặt kỹ thuật như: trễ, đường truyền, tín hiệu...
6 Hệ Teleoperation được điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với các cấu trúc song song. Trong hệ kín, những tín hiệu phản hồi có thể là về vị trí, vận tốc, gia tốc của Robot, lực tương tác với môi trường làm việc và thậm chí là hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… tại khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75]. Để trao đổi thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ còn có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây…) [75], [80]. Trên Hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation. Người thao tác Môi trường làm việc Trễ T Trễ T Master và Bộ điều Slave và Bộ điều khiển Master khiển Slave Kênh truyền thông Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation Trong hệ Teleoperation này, quá trình truyền dữ liệu giữa Robot chủ và Robot tớ có hiện tượng trễ trên kênh truyền thông. Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai khác việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation [22], [79], [85]. Vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thông gây ra. Ngoài ra phản lực phản hồi (FR - Force Reflection ) xuất hiện khi Robot tớ tương tác với môi trường làm việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Robot tớ thông qua cảm biến lực hoặc các bộ quan sát và từ đó có phương án bù trừ trực tiếp ảnh hưởng của FR tới sự sai lệch về vị trí và tính ổn định làm việc của Robot tớ thông qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và thông qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau đó gửi tín hiệu điều khiển sang Robot tớ. Nếu không thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy hiểm khi thực hiện các tác vụ. Do đó thông tin phản hồi của lực là rất quan trọng và hữu ích. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation và thông qua hệ
7 Teleoperation có thể cho ta cảm nhận được chính xác về lực tại Robot chủ khi xảy ra tương tác giữa Robot tớ với môi trường. Căn cứ theo số lượng Robot trong mỗi phía của hệ thống Teleoperation thì hiện nay hệ Teleoperation được chia ra làm ba loại chính đó là: hệ SMSS (một thiết bị Master + một thiết bị Slave), hệ MMMS (nhiều thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave) và hệ SMMS (một thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave). Như vậy hệ Teleoperation đã và đang được ứng dụng trong thực tế. Hệ Teleoperation là hệ phi tuyến có trễ và chịu ảnh hưởng của nhiễu và ngoại lực bên ngoài tác động. Trong luận án này chỉ tập trung nghiên cứu đến hệ Teleoperation SMSS. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation Từ nửa đầu thập niên 40, khi lần dầu tiên hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz, những hiểu biết về hệ Teleoperation đã có những bước tiến dài từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan. Đến năm 1954 với sự cải tiến trong điều khiển thì Goertz đã bắt đầu có quan tâm đến vị trí và lực phản hồi tương tác giữa Robot tớ với môi trường làm việc nhờ hệ servo. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và Sheridan bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh hưởng của trễ trong việc truyền thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ, với những định hướng đó trong những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 đã tạo ra một xu thế được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm nhằm làm giảm sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề trễ gây ra [74]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, tiêu biểu như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô hình nội. Đến cuối thập niên 1980 và nửa đầu thập niên 1990, một số thuật toán như: điều khiển trở kháng bởi Raju, Verghese và Sheridan năm 1989; điều khiển lai bởi Hanna Ford và Fiorini năm 1988; điều khiển Cattering và điều khiển thụ động bởi Anderson và Spong năm 1989, thuật toán thụ động được phát triển tiếp và đảm bảo tính chính xác về thông tin trên kênh truyền thông hơn với trễ thời gian là hằng số thực hiện bởi Jokokohji
8 và Yoshikawa năm 1994 [31], [74], [75]. Và sau này đã được mở rộng thành các cấu trúc điều khiển bền vững khác nhau cho hệ Teleoperation [23], [43] đảm bảo được tính ổn định của hệ thống bất chấp sự thay đổi về động lực học của hệ. Trong một số bài báo, sự có mặt của tính bất định động lực học tay người vận hành, môi trường và sự tồn tại thời gian trễ có thể làm cho hệ Teleoperation mất ổn định [30], [47], [73], [74], [80] kết quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất lượng và tính ổn định của hệ thống [21]. Một số kết quả điều khiển H∞ cũng bắt đầu đề xuất bởi Leung và Francis năm 1994; Sano, Fujimoto và Tanaka năm 1998 [74]. Với sự phát triển về internet trên cùng một kênh truyền thông có thể truyền đạt nhiều nội dung thông tin cùng một lúc vì thế thời gian trễ đã có sự thay đổi và không còn là hằng số, thời gian trích mẫu rời rạc thông tin trên kênh truyền thông khác nhau sẽ dẫn tới sự mất mát thông tin trong quá trình truyền đạt. Các kết quả trên được hoàn thiện và dần đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ những năm 2000 [74]. Hầu hết các nghiên cứu trên vẫn chưa cho được kết quả thỏa đáng chính xác về vị trí và lực tương tác giữa Robot chủ và Robot tớ khi có trễ và đặc biệt cũng chưa kể đến ảnh hưởng của các nhiễu tác động lên hệ thống, đó là các yếu tố làm mất ổn định hệ thống và làm giảm chất lượng điều khiển. Một số tác giả đã tiếp cận các hướng giải quyết cho sự thay đổi về động lực học của Robot tớ với môi trường khi thực hiện tác vụ bằng các giải pháp tối ưu hay thích nghi trên cơ sở yêu cầu về sự ước lượng động lực học của môi trường từ xa, tuy nhiên trong nhiều ứng dụng của hệ Teleoperation thường tương tác với một hay nhiều điểm và lặp lại với các mức độ khác nhau, bởi vậy động lực học của Robot tớ và môi trường thay đổi nhanh, các công cụ ước lượng không đảm bảo được về mặt thời gian [15], vì vậy các kỹ thuật về xây dựng bộ ước lượng đáp ứng nhanh được phát triển để đáp ứng được các yêu cầu trên. Sau này các nghiên cứu dần hoàn thiện trên cơ sở các thuật toán trước đây trong điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào bài toán điều khiển bền vững, tuy nhiên cũng chỉ quan tâm đến bài toán ổn định trong hệ Teleoperation mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng của hệ thống như: Điều khiển dự báo cho hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 250ms), sử dụng nhiều mô hình quan sát tham số động lực học đối tượng và môi trường khác nhau, tuy nhiên sự đồng nhất về vị trí và lực giữa hai phía
9 trong hệ chưa thực sự đảm bảo khi thời gian trễ truyền thông tăng [80], bên cạnh đó có sử dụng cảm biến để đo lực tương tác với môi trường, không có giải pháp xư lý triệt để ảnh hưởng của nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát. Thuật toán IQC (Integral Quadratic Constrains) đảm bảo tính bền vững cho hệ thống với trễ thời gian là hằng số, chủ yếu xét đến bài toán ổn định hệ thống, không quan tâm đến bài toán chất lượng, không xét đến nhiễu và lực ma sát [35]. Thiết kế bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông thay đổi, ở đây bỏ qua nhiễu và ma sát, chỉ quan tâm đến điều khiển vị trí mà chưa quan tâm đến điều khiển lực [81]. Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững với trễ truyền thông là hằng số, chỉ xét đến sự ổn định về lực của hệ thống, không xét đến quỹ đạo chuyển động và đánh giá chất lượng điều khiển, không kể đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [36]. Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, ở đây kết hợp điều khiển thụ động và điều khiển thích nghi cho hệ nhưng không xét đến các yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ khi phía Slave va chạm với môi trường không thật sự thỏa mãn [68]. Thuật toán điều khiển thụ động kết hợp với PD điều khiển hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 300ms), không xét đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát, chất lượng điều khiển chưa tốt kể cả về vị trí và lực [23]. Điều khiển bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ phản hồi trên kênh điều khiển là hằng số, không xét đến ảnh hưởng yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát, chỉ quan tâm đến bài toán điều khiển vị trí chưa quan tâm đến điều khiển lực [27]. Một phương pháp điều khiển bền vững cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông là hằng số, không kể đến nhiễu và ma sát tác động lên hệ, sử dụng cấu trúc điều khiển 4 kênh với thuật toán Scattering đã quan tâm đến chất lượng điều khiển
10 vị trí và lực. Nếu thời gian trễ trên kênh truyền thông nhỏ hơn 1s thì chất lượng nhìn chung tốt [16]. Thuật toán dùng nhiều mô hình ước lượng cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông là hằng số (trễ = 500ms), mục đích dùng nhiều mô hình để ước lượng tính thụ động của hệ, sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQG để điều khiển vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [13]. Điều khiển thụ động theo miền thời gian cho hệ Teleoperation với kiến trúc điều khiển vị trí – vị trí với trễ truyền thông là hằng số , ở đây không quan tâm đến bài toán điều khiển lực, với trễ nhỏ hơn 500ms đảm bảo được sự đồng nhất vị trí giữa Robot chủ và Robot tớ, không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [38]. Điều khiển thụ động với kiến trúc 4 kênh cho hệ Teleoperation với trễ hằng số (trễ = 1s) đã quan tâm đến bài toán chất lượng và bài toán ổn định, điều khiển cả vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [39]. Đồng bộ hóa vị trí trong hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông thay đổi trong khoảng 0,1s, kết hợp giữa bộ điều khiển thụ động và bộ điều khiển PD, trong đó tín hiệu truyền qua kênh truyền thông được mã hóa làm giảm sự mất mát thông tin, không kể đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát, áp dụng cho hệ Robot một bậc tự do, mới chỉ quan tâm điều khiển vị trí, chưa tập trung điều khiển lực [88]. Tác giả Nuno cùng các cộng sự [26] đã giới thiệu hàm tựa Lyapunov và khảo sát tính ổn định của hệ thao tác từ xa, có chú ý đến tính phi tuyến và trễ, trong đó không sử dụng phương pháp đo lực. Phương pháp khảo sát hệ thao tác từ xa trên cơ sở sử dụng các hệ điều khiển thích nghi cục bộ cho Robot chủ và Robot tớ, nhằm hạn chế ảnh hưởng tính phi tuyến của hệ thống được đề xuất trong [60]. Tuy nhiên các hệ thao tác từ xa theo phương pháp đó vẫn chưa có tính kháng nhiễu tốt. Ứng dụng bộ điều khiển trượt - PID điều khiển lực/ vị trí cho hệ Teleoperation trong thời gian giới hạn, trường hợp này xem như không kể đến trễ truyền thông và không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường