Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu và xây dựng bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giáp Thị Nghi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – Năm 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giáp Thị Nghi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 8.52.02.16 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đặng Ngọc Trung Thái nguyên - Năm 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Giáp Thị Nghi, tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” là do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Đặng Ngọc Trung và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Nội dung trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020 Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin được chân thành cảm ơn đến Thầy TS. Đặng Ngọc Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng luận văn đến quá trình viết và hoàn thiện luận văn. Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy giáo trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp Bắc Giang 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 để tôi làm bài luận văn này. Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn này được hoàn thiện hơn. Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 9 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 12 2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 13 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 13 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 13 5. Kết quả .................................................................................................................. 14 6. Bố cục của luận văn ............................................................................................. 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA .................................. 16 1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation ............................................................. 16 1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation .......................................................................... 16 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation ................................. 17 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation ................................... 20 1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation ....................................................... 21 1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) ............................................................................................. 23 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation .......... 23 1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation) ................................................ 25 1.4.1. Thám hiểm không gian.................................................................................... 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại ................................................................. 26 1.4.3 Phương tiện dưới nước ..................................................................................... 26 1.4.4 Kính thiên văn .................................................................................................. 27 1.4.5 Robot di động .................................................................................................. 27 1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thông ................................................... 28 1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất hướng giải quyết trong luận văn ............................................................................... 29 1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 30 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN HỆ ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS ........................ 31 2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov ............................................................................... 31 2.1.1 Định nghĩa cơ bản ............................................................................................ 31 2.1.2 Tính ổn định Lyaponov .................................................................................... 32 2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu ................................................................................ 36 2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định .......................................................................... 39 2.4. Lý thuyết về thuật toán điều khiển phản hồi thụ động ....................................... 40 2.4.1. Khái niệm hệ phi tuyến thụ động .................................................................... 40 2.4.2. Những tính chất cơ bản của hệ thụ động ......................................................... 42 2.5. Động lực học Robot ........................................................................................... 43 2.5.1 Phương trình động lực học robot ..................................................................... 43 2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS........................................................................... 50 2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave ............................................... 52 2.5.4 Động lực học môi trường ................................................................................. 56 2.5.5 Độ trễ trên kênh truyền thông .......................................................................... 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS ................................................... 61 2.6.1 Mục tiêu điều khiển .......................................................................................... 61 2.6.2 Thiết kế điều khiển ........................................................................................... 62 2.7. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 68 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TELEOPERATION SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG THAY ĐỔI ............................................................................................................... 69 3.1 Phân tích tính ổn định của hệ Teleoperation SMSS............................................ 69 3.2 Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ........................................................... 74 3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS ............. 75 3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ....................................................... 89 3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu T thời gian trễ trên kênh truyền thông 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
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 e sai lệch quỹ đạo Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt M-M Mô hình Robot chủ S-M Mô hình Robot tớ BĐK Bộ điều khiển DPOS Xử lý nhiễu Robot tớ DPOM Xử lý nhiễu Robot chủ SDE Ước lượng nhiễu Robot tớ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MDE Ước lượng nhiễu 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation ........................................................... 16 Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương ................................................... 21 Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh. ................................................... 22 Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh. ................................................... 22 Hình 1.5 Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ song phương trong ứng dụng không gian ............................................................................................................ 25 Hình 1.6. Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ trong môi trường nguy hiểm26 Hình 1.7. Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot ............................................. 27 Hình 2.1: Hệ hồi tiếp âm ...................................................................................... 42 Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm .................................................. 44 Hình 2.3 Mômen quán trính độc cực ................................................................... 46 Hình 2.4 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS) . 50 Hình 2.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp ...................................................... 52 Hình 2.6 Mô hình môi trường .............................................................................. 57 Hình 2.7. Mô hình thời gian trễ ............................................................................ 60 Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot t64 Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ ....... 66 Hình 2.10 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động .................... 67 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS ......................................... 70 Hình 3.2 Robot 2 bậc tự do dạng cánh tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang .......... 74 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ SMSS trên Matlab Simulink . 77 Hình 3.4. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ (S-D-E)......................... 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.5. Khối xử lý nhiễu τe* tác động lên Robot tớ (DPOS)............................ 79 Hình 3.6. Khối Slave ............................................................................................ 80 Hình 3.7. Khối điều khiển Slave...........................................................................83 Hình 3.8. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ (M-D-E) .................... 81 Hình 3.9. Khối xử lý nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ (DPOM) ....................... 82 Hình 3.10. Khối điều khiển Master ...................................................................... 82 Hình 3.11. Khối Master ........................................................................................ 83 Hình 3.12. Khối người tác động trong hệ thống SMSS (Operator) ................... 85 Hình 3.13. Khối môi trường trong hệ thống SMSS (Enviroment) ..................... 85 Hình 3.14. Khối thời gian trễ biến thiên .............................................................. 85 Hình 3.15. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng hình Sin ................................................... 86 Hình 3.16. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng hình Sin .................................................. 86 Hình 3.17. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi chưa bù nhiễu τe ................................. 87 * Hình 3.18. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu τe .............................. 87 * Hình 3.19. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe ..................................... 88 * Hình 3.20. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe* ..................................... 88 Hình 3.21. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng trơn ngẫu nhiên ....................................... 90 Hình 3.22. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng trơn ngẫu nhiên ...................................... 90 Hình 3.23. Thành phần nhiễu τ Nm1 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91 Hình 3.24. Thành phần nhiễu τ Nm 2 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91 Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92 Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93 Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93 Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94 Hình 3.30. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94 Hình 3.31. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95 Hình 3.32. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay trong các lĩnh vực y học, quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu khắc gỗ... có rất nhiều các công việc mà con người không thể trực tiếp làm được nên cần phải sử dụng đến các robot để thay thế con người làm những công việc đó. Robot nói chung và hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) nói riêng, giúp giải phóng sức lao động cho con người và đảm bảo sự an toàn khi thao tác với các công việc. 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. Các yếu tố nhiễu cũng như ảnh hưởng của thời gian trễ trên kênh truyền thông dễ gây mất ổn định hệ thống. Tất cả những yếu tố đó gây khó khăn 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 PID, điều khiển thụ động, điều khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[1], [5], [6], [7], [26]. Nhìn chung các nghiên cứu trước đây 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 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vì vậy luận văn tập trung xây dựng thuật toán 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. Vì vậy, dưới sự định hướng của thầy hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperartion (Single Master Single Slave)” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu và xây dựng bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo: 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là: 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 thay đổi. Về phạm vi nghiên cứu: 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 cho hệ Teleoperation – SMSS, trong đó Robot chủ và Robot tớ có cấu hình giống nhau. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu các công trình đã công bố trong và ngoài nước trên thế giới, kết hợp nghiên cứu lý thuyết về điều khiển phi tuyến nhằm tìm ra thuật toán mới điều khiển hệ Teleoperation SMSS. Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5. Kết quả - Trình bày được 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. - Đề xuất được cấu trúc điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ và chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu thay đổi từ bên ngoài và tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông. 6. Bố cục của luận văn Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo. Bố cục được trình bày như sau: Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu chính. Chương 1. Tổng quan về hệ thao tác từ xa (Teleoperation) 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 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 của các phân hệ Robot trong hệ thao tác từ xa một chủ một tớ. Chương 2. Xây dựng thuật toán điều khiển cho từng phân hệ Robot trong hệ thống Teleoperation SMSS Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho các phân hệ Robot trong 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, từ đó làm cơ sở tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu cho từng phân hệ Robot. Thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
qua chứng minh chặt chẽ cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều khiển của từng phân hệ Robot. Chương 3. Tổng hợp cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS với trễ trên kênh truyền thông thay đổi Trên cơ sở đã thu được cấu trúc điều khiển từng phân hệ Robot độc lập, tổng hợp hệ thống Teleoperation SMSS với trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đảm bảo hệ thống ổn định thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật của hệ Teleoperation. Thông qua kết quả mô phỏng trên Matlab simulink sẽ kiểm chứng được tính đúng đắn của thuật toán điều khiển cũng như cấu trúc điều khiển đã được đề xuất. Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng phát triển tiếp theo của đề tài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA 1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation [1] Teleoperation là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa. Giống như một hệ thống “điều khiển từ xa”. Teleoperation bao gồm một hệ thống chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống phụ thuộc gọi là “Slave”. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi đến hệ “Slave” thông qua hệ “Master”. Hệ Teleoperation có thể được điều khiển theo kiểu hệ hở hoặc hệ kín. Trong hệ hở, không có tín hiệu phản hồi từ hệ “Slave” về hệ “Master”[1]. Trong hệ kín, tín hiệu phản hồi được truyền ngược từ hệ “Slave” về hệ “Master”, 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 làm việc trong hệ [2]. Trên hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation có phản hồi. Người thao tác Môi trường làm việc Trễ T Trễ T Master và Bộ điều Slave và Bộ điều khiển Master Kênh truyền thông khiển Slave 1 Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Trong Teleoperation này, Robot Master (nhận thao tác từ con người và đóng vai trò điều khiển) và các robot Slave (nhận lệnh điều khiển từ Master và thao tác công việc với môi trường) ngoài ra để trao đổi thông tin 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 wireless…) thực hiện nhiệm vụ truyền thông tin giữa hai phía. Quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot slave có hiện tượng trễ trong kênh truyền thông. Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation. 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. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation. Thông qua hệ 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 rô bốt, hệ thống 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). 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan. 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. Những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đến sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề trễ gây ra [8]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô hình nội. 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 [8], [9] kết Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến 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 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 quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất lượng và tính ổn định của hệ thống [10]. 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. 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: Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, 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 [8]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn