Luận văn Tiến sĩ Kỹ thuật Điện: Điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm xây dựng mô hình vật lý cho FWOMR, chế tạo bộ điều khiển trên cơ sở vi điều khiển và kỹ thuật lập trình nhúng cho FWOMR nhằm chạy thử nghiệm các thuật toán mới đề xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Tiến sĩ Kỹ thuật Điện: Điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2020
i VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… HÀ THỊ KIM DUYÊN ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Phan Xuân Minh 2. TS. Phạm Văn Bạch Ngọc Hà Nội – 2020
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phan Xuân Minh và TS. Phạm văn Bạch Ngọc. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Hà nội, tháng 10 năm 2020 Tác giả Hà Thị Kim Duyên
iii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành với sự nỗ lực không ngừng của tác giả và sự giúp đỡ hết mình từ các thầy giáo hướng dẫn, bạn bè và người thân. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời tri ân tới GS.TS Phan Xuân Minh và TS. Phạm Văn Bạch Ngọc, những cô giáo, thầy giáo đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo và cán bộ của Viện Công nghệ thông tin, Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt để tác giả hoàn thành công trình của mình; cảm ơn các thầy, cô và các đồng nghiệp ở các nơi mà tác giả tham gia viết bài đã có những góp ý chính xác để tác giả có được những công bố như ngày hôm nay. Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, các đồng nghiệp khoa Điện tử nơi tác giả công tác đã ủng hộ để luận án được hoàn thành đúng thời hạn. Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn chân thành nhất vì đã đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua. Hà Nội, tháng 10 năm 2020 Nghiên cứu sinh Hà Thị Kim Duyên
iv MỤC LỤC Trang phụ bìa………..…………………………………………………...………..i LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................ii LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... iii MỤC LỤC ......................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .........................................vii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ .........................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. ix DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... xi MỞ ĐẦU.. .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH ......................................... 6 BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG ..................................................................................... 6 1.1. Robot tự hành di chuyển bằng bánh đa hướng. ........................................ 6 1.2. Bài toán điều khiển bám quỹ đạo .............................................................. 8 1.2.1. Giai đoạn lập phương án chuyển động. .................................................. 8 1.2.2. Giai đoạn thiết kế quỹ đạo. .................................................................... 8 1.2.3. Điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động. .......................................... 9 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. ............................ 9 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước. .......................................................... 9 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................ 11 1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG .................... 17 2.1. Xây dựng mô hình động học, động lực học cho robot tự hành bốn bánh đa hướng. ............................................................................................................. 17 2.1.1. Bánh xe Omni ..................................................................................... 17 2.1.2. Mô hình động học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42] ........... 19 2.1.3. Mô hình động lực học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42] ..... 22 2.1.4. Mô phỏng kiểm chứng các kết quả mô hình hóa mô hình robot. .......... 23 2.2. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng thông dụng. ......................................................................................... 24 2.2.1. Bộ điều khiển PID cho FWOMR ......................................................... 25
v 2.2.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR ............................................ 26 2.2.3. Bộ điều khiển đa mặt trượt cho FWOMR ............................................ 28 2.2.4. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán .................................................. 31 2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................... 35 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG ....................................... 36 3.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động. ................................................... 36 3.1.1. Xây dựng thuật toán điều khiển bám quĩ đạo mặt trượt động cho FWOMR… ........................................................................................................... 36 3.1.2. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thuật toán ............................................ 40 3.2. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR ......................................................................................... 44 3.2.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ. .......................... 44 3.2.2. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. ....................................................... 47 3.3. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi nơ ron mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR. ................................................................................ 50 3.3.1. Xấp xỉ thành phần bất định mô hình FWOMR sử dụng mạng nơ ron bán kính xuyên tâm. ..................................................................................................... 50 3.3.2. Xây dựng luật mờ cho AFNNDSC ...................................................... 55 3.3.3. Kết quả mô phỏng. .............................................................................. 56 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 62 CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN .................................... 64 4.1. Thiết kế chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng. .............................. 64 4.1.1. Thiết kế cơ cấu, cơ khí và xây dựng Omni thực tế. .............................. 64 4.1.2. Thiết kế cấu trúc và mạch điều khiển cho robot. .................................. 65 4.1.3. Phần mềm điều khiển cho robot........................................................... 66 4.2. Cài đặt thuật toán và chạy thử nghiệm. .................................................. 67 4.2.1. Lập trình phần mềm nhúng vi xử lý thuật toán và điều khiển............... 67 4.2.2. Kết quả robot trong môi trường Gazebo và Rviz để mô phỏng kiểm chứng……............................................................................................................. 69 4.2.3. Kết quả chạy thực nghiệm thực tế........................................................ 70
vi 4.3. Kết luận chương 4 .................................................................................... 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 74 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 78 PHỤ LỤC. ........................................................................................................ 86
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt NCS Nghiên cứu sinh FWOMR Four-wheeled Omnidirectional Robot tự hành bốn bánh đa Mobile Robot hướng OMR Omnidirectional Mobile Robot Robot tự hành đa hướng RBFNN Radial Basis Function Neural Mạng Nơ ron bán kính xuyên Network tâm DSC Dynamic Surface Control Mặt trượt động Adaptive Fuzzy Dynamic Surface Điều khiển mặt trượt động AFDSC Control thích nghi mờ Adaptive Neural Network Điều khiển mặt trượt động ANNDSC Dynamic Surface Control thích nghi nơ ron Adaptive Fuzzy Neural Network Điều khiển mặt trượt động AFNNDSC Dynamic Surface Control. thích nghi mờ, nơ ron MSSC Multi Surface Sliding Control Điều khiển đa mặt trượt Proportional–Integral– Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích PID Derivative phân PC Personal Computer Máy tính cá nhân SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt VSS Variable Structure System Hệ thống có cấu trúc thay đổi MCU Micro Control Unit Vi điều khiển FLS Fuzzy Logic System Hệ logic mờ ROS Robot Operating System Hệ điều hành robot
viii BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị ( x, y ,  ) Hệ tọa độ toàn cục (q)  Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc Rad/s vi Vận tốc mỗi bánh m/sec ωi Vận tốc góc mỗi bánh rad/sec fi Lực kéo mỗi bánh N M Khối lượng của robot kg d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh m H Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ vx Vận tốc dài m/s vy Vận tốc pháp tuyến m/s r Bán kính của bánh xe m M (q) Ma trận khối lượng và momen quán tính G (q) Vector trọng lực, G ( q )  0 d Vector thành phần nhiễu bất định e1 Sai lệch bám quỹ đạo của robot e2 Sai lệch bám của vận tốc robot J Mô men quán tính của xe N.m q Biến khớp F Lực ma sát N C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát culomb  Đầu vào của bộ lọc thông thấp x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu s  Hệ số của mặt trượt  Tín hiệu điều khiển của hệ thống  eq Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ
ix thống trên mặt trượt Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về  sw mặt trượt c1 , c2 , c3 Hệ số của bộ điều khiển DSC  Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot  Ma trận trọng số của mạng Nơ ron S Mặt trượt  Sai lệch của mạng nơ ron Chuẩn của ma trận bậc 2 F Chuẩn của ma trận bậc 2 trong không gian F
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông số phương trình động học cho FWOMR ..................................... 20 Bảng 3.1. Các tập mờ của biến ngôn ngữ đầu vào.................................................. 45 Bảng 3.2. Các giá trị của đầu ra ............................................................................. 46 Bảng 3.3. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra c1 ...................................................... 46 Bảng 3.4. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra c2 ( c3 ) ............................................... 47 Bảng 3.5. Các tham số của hệ thống và tham số của bộ điều khiển ........................ 48 Bảng 3.6. Hệ luật suy diễn cơ sở cho c1i (c2i ) ........................................................ 56 Bảng 3.7. Giá trị đầu ra c1i (c2i ) của bộ chỉnh định mờ ........................................... 56 Bảng 3.8. Giá trị tối đa của các sai lệch bám sau khi robot tiến về quỹ đạo ............ 62
xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng ..................................................... 7 Hình 1.2. Một số ứng dụng của OMR dạng holonomic ............................................ 7 Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho OMR. ............................. 8 Hình 2.1. Mô hình OMR dạng n bánh.................................................................... 17 Hình 2.2. Mẫu bánh Omni ..................................................................................... 18 Hình 2.3. Cấu trúc bánh ......................................................................................... 18 Hình 2.4. Các hướng di chuyển của robot .............................................................. 19 Hình 2.5. Hệ trục tọa độ của robot tự hành bốn bánh đa hướng. ............................. 19 Hình 2.6. Quỹ đạo của robot .................................................................................. 23 Hình 2.7. Quỹ đạo góc của robot ........................................................................... 23 Hình 2.8. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot ................................................. 23 Hình 2.9. Quỹ đạo của robot .................................................................................. 24 Hình 2.10. Quỹ đạo góc của robot ......................................................................... 24 Hình 2.11. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot ............................................... 24 Hình 2.12. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển PID .................................. 32 Hình 2.13. Sai lệch bám các thành phần xe , ye , e với bộ điều khiển PID............... 32 Hình 2.14. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển PID........................... 32 Hình 2.15. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e với bộ điều khiển PID ........................................................................................................................ 32 Hình 2.16. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển SMC ................................ 33 Hình 2.17. Sai lệch bám các thành phần xe , ye , e của bộ điều khiển SMC ............ 33 Hình 2.18. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển SMC......................... 33 Hình 2.19. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e (SMC) ............ 33 Hình 2.20. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển MSSC ...................... 34 Hình 2.21. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc xe , ye , e (MSSC) .......... 34 Hình 2.22. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển MSSC .............................. 34 Hình 2.23. Sai lệch bám các thành phần đường tròn xe , ye , e (MSSC) .................. 34 Hình 3.1. Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển DSC ..... 40 Hình 3.2. Cấu trúc mô phỏng bộ điều khiển DSC .................................................. 40
xii Hình 3.3. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo tròn .......... 41 Hình 3.4. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo gấp khúc ... 41 Hình 3.5. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi không có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC. ..................................................................... 42 Hình 3.6. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC. .................................................................................. 43 Hình 3.7. Cấu trúc hệ thống điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ cho FWOMR .............................................................................................................................. 44 Hình 3.8. Các tập mờ cho đầu vào e1 ................................................................... 45 Hình 3.9. Các tập mờ cho đầu vào e 1 ................................................................... 45 Hình 3.10. Nhiễu ngoài.......................................................................................... 47 Hình 3.11. Chuyển động theo trục x ...................................................................... 48 Hình 3.12. Chuyển động theo trục y ...................................................................... 48 Hình 3.13. Sự thay đổi góc quay theo thời gian ..................................................... 48 Hình 3.14. Tham số c1 ........................................................................................... 49 Hình 3.15. Tham số c2 .......................................................................................... 49 Hình 3.16. Tham số c3 .......................................................................................... 49 Hình 3.17. Chuyển động của FWOMR với quỹ đạo tròn ....................................... 49 Hình 3.18. Cấu trúc hệ thống AFNNDSC cho FWOMR ........................................ 50 Hình 3.19. Mạng nơ ron bán kính xuyên tâm ......................................................... 52 Hình 3.20. Hàm đầu vào của bộ mờ ....................................................................... 55 Hình 3.21. Nhiễu momen (Nm) ............................................................................. 57 Hình 3.22. Sai số trên trục x .................................................................................. 57 Hình 3.23. Sai số trên trục y .................................................................................. 57 Hình 3.24. Sai lệch góc.......................................................................................... 57 Hình 3.25. Tối ưu hóa tham số điều khiển c1 ......................................................... 58 Hình 3.26. Tối ưu hóa các tham số điều khiển c2 và c3 ......................................... 59 Hình 3.27. Chuyển động trên quỹ đạo tròn của robot ............................................. 59 ˆ so với Θ ..................................................................... 60 Hình 3.28. Giá trị của Θ x x ˆ so với Θ .................................................................... 60 Hình 3.29. Giá trị của Θ y y
xiii ˆ so với Θ .................................................................... 61 Hình 3.30. Giá trị của Θ  Hình 3.31. Sai số trên trục x .................................................................................. 61 Hình 3.32. Sai số trên trục y .................................................................................. 61 Hình 3.33. Sai lệch góc.......................................................................................... 61 Hình 4.1. Thiết kế cơ khí của FWOMR ................................................................. 64 Hình 4.2. Mô hình xây dựng thực tế. ..................................................................... 64 Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc phần cứng điều khiển robot. ............................................ 65 Hình 4.4. Cấu trúc chương trình của ROS.............................................................. 66 Hình 4.5. Cấu trúc lập trình phần mềm .................................................................. 68 Hình 4.6. Mô hình robot trong môi trường Gazebo ................................................ 69 Hình 4.7. Mô hình robot được theo dõi bằng Rviz ................................................. 70 Hình 4.8. Kết quả mô phỏng bằng ROS với thuật toán DSC và thuật toán AFNNDSC ............................................................................................................ 70 Hình 4.9. Phối cảnh mô hình thực nghiệm robot. ................................................... 71 Hình 4.10. Giao diện HMI và kết quả điều khiển bám quỹ đạo chạy thử nghiệm ... 72 Hình 4.11. Hình ảnh chạy thực nghiệm FWOMR bám theo quỹ đạo hình tròn. ..... 72 Hình 4.12. Hình ảnh chạy thực nghiệm FWOMR với các quỹ đạo zich zắc ........... 72
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ngày nay, robot đang được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng ở tất các lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hội và quốc phòng. Trong các loại robot hiện nay, robot tự hành chiếm một vị trí quan trọng. Robot tự hành được ứng dụng trong đời sống ngày càng nhiều như robot vận chuyển hàng hóa, robot phục vụ y tế, xe lăn cho người khuyết tật… đặc biệt các robot phục vụ thám hiểm, hoạt động trong môi trường độc hại, robot phục vụ an ninh, quốc phòng. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào hướng cải thiện công nghệ chế tạo và áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm tăng độ linh hoạt cho robot khi hoạt động trong các môi trường, địa hình khác nhau. Hướng nghiên cứu về chế tạo cơ khí tập trung vào các cơ cấu truyền động, cơ cấu di chuyển, cách thức di chuyển, các thiết bị chấp hành truyền động giúp robot chuyển động linh hoạt, thích ứng với nhiều loại địa hình phức tạp. Còn hướng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại chính là các nghiên cứu về thuật toán điều khiển điều khiển thích nghi phi tuyến mới, lựa chọn các hệ vi điều khiển có tốc độ tính toán cao và được tích hợp thêm các chức năng xử lý onboard kết hợp với kỹ thuật lập trình nhúng để chế tạo các bộ điều khiển thông minh đảm bảo tính thời gian thực, kháng nhiễu và bám chính xác quĩ đạo đặt trước. Robot tự hành đa hướng (OMR) là dạng robot holonomic, có sử dụng bánh xe Omni, hoặc Mecanum, có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và góc quay. Với cấu trúc bánh xe, cách bố trí bánh xe khác biệt tạo ra ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong các điều kiện môi trường hẹp, khó thay đổi vị trí nên OMR đang được ứng dụng, phát triển một cách rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà đã nhanh chóng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống. Trong điều khiển robot, các vấn đề về điều khiển bám quỹ đạo, kiểm soát quỹ đạo, xử lý khi gặp tác động nhiễu ngoại sinh, hay khi hệ thống tồn tại các thành phần bất định như khối lượng, momen, ma sát, … đang là các nội dung được quan tâm nghiên cứu. Di chuyển của OMR bám quỹ đạo luôn là nhiệm vụ chính và thu hút được sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học. Việc đạt độ chính xác cao trong chuyển động robot thường rất khó khăn bởi những yếu tố phi tuyến, bất định
2 luôn tồn tại trong mô hình robot. Một trong những thuật toán điều khiển bám quỹ đạo thường được áp dụng cho OMR như thuật toán điều khiển PID, kỹ thuật cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển trượt (SMC), điều khiển đa mặt trượt (MSSC) và thuật toán điều khiển mặt trượt động (DSC). Hầu hết các phương pháp này, khi thiết kế bộ điều khiển đòi hỏi phải xây dựng được mô hình toán học chính xác cho đối tượng cần điều khiển. Tuy nhiên trong thực tế, khi robot hoạt động thì luôn có sự thay đổi các tham số như ma sát, mô men, tải trọng, …cho đến điều kiện môi trường làm việc. Để nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho OMR khi có các tham số mô hình thay đổi, nhiễu tác động ngoài (cụ thể là các thay đổi của môi trường tương tác thực tế), việc sử dụng bộ điều khiển có khả năng thích nghi với tham số thay số như hệ logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo là một giải phải pháp hiệu quả. Đặc biệt, hiện nay các hệ thống nhúng trên nền vi xử lý, vi điều khiển ngày càng được phát triển. Với ưu điểm của hệ thống này về tốc độ tính toán nhanh, dung lượng nhớ lớn nên khả năng nhúng các thuật toán điều khiển có khối lượng tính toán lớn như: thuật toán điều khiển thích nghi mờ, thuật toán điều khiển thích nghi mờ nơ ron cũng như các thuật toán điều khiển thích nghi phi tuyến khác trong bộ điều khiển cho robot tự hành đa hướng không còn khó khăn nữa. Với xu hướng đó, NCS chọn đề tài: “Điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng”. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào tổng hợp bộ điều khiển cho robot tự hành bốn bánh đa hướng (FWOMR) dạng holonomic có khả năng bám quỹ đạo và tự thích nghi khi các thông số trong mô hình thay đổi. Để thiết kế được bộ điều khiển đạt được chất lượng đặt ra, NCS đã tiến hành nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám cho OMR đã được công bố trong thời gian gần đây để từ đó đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi mới nhằm nâng cao chất lượng bám cho FWOMR có mô hình bất định, và cuối cùng là hiện thực hóa các nghiên cứu bằng thực nghiệm trên FWOMR, nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất và làm cơ sở phát triển các nghiên cứu tiếp theo. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. - Nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều thích nghi bám quỹ đạo mới cho FWOMR có mô hình phi tuyến bất định, đặc biệt chú ý đến sự thay đổi của các
3 tham số của robot và tác động của nhiễu khi hoạt động trên mặt phẳng khác nhau. - Xây dựng mô hình vật lý cho FWOMR, chế tạo bộ điều khiển trên cơ sở vi điều khiển và kỹ thuật lập trình nhúng cho FWOMR nhằm chạy thử nghiệm các thuật toán mới đề xuất. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Về lý thuyết:  Nghiên cứu tổng quan về FWOMR, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp cho luận án.  Mô hình hóa và mô phỏng động học, động lực học cho FWOMR.  Nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng OMR. Phân tích và đề xuất các thuật toán điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng nhằm nâng cao chất lượng bám và khả năng thích nghi khi robot có các tham số thay đổi và có nhiễu tác động khi hoạt động trong môi trường thực tế và tương tác với mục tiêu (có các tham số khối lượng, mô men quán tính thay đổi, chịu tác động của nhiễuvà sai lệch mô hình).  Nghiên cứu và sử dụng các hệ điều hành ứng dụng cho mô phỏng, lập trình nhúng cho vi điều khiển để chế tạo bộ điều khiển nhúng cho FWOMR. Về thực nghiệm:  Với mục tiêu sản phẩm phải có khả năng ứng dụng, do đó công việc khảo sát, đánh giá các sản phẩm robot tự hành bốn bánh đa hướng đã có trong và ngoài nước nhằm rút ra các tiêu chuẩn cho sản phẩm của luận án là công việc đầu tiên.  Thiết kế và chế tạo đồng bộ phần cứng và các thiết bị ngoại vi với phần cơ khí theo đúng tiêu chuẩn công nghiệp, thuận tiện cho người sử dụng, dễ dàng lắp ghép thao tác và nâng cấp. Thiết kế các mạch điện tử, điều khiển, giao tiếp ngoại vi với mục tiêu đủ nhanh, mạnh theo hướng có thể mở rộng và nâng cấp.  Thiết kế cấu trúc, lập trình, cài đặt các thuật toán đã nghiên cứu cho robot, chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả. 4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là OMR dạng holonomic, trong đó đi sâu vào nghiên cứu xây dựng mô hình toán học, thuật toán điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho FWOMR. Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho FWOMR có
4 chứa thành phần bất định hoạt động trong môi trường phẳng chịu ảnh hưởng bởi ma sát bề mặt và tác động của nhiễu bất kỳ bị chặn. 5. Ý nghĩa khoa học và đóng góp mới của luận án Đóng góp mới của Luận án: 1. Đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo mặt trượt động thích nghi mờ (AFDSC) cho robot tự hành bốn bánh đa hướng. Thuật toán này được xây dựng dựa trên cơ sở thuật toán DSC. Để phát huy ưu điểm, hiệu quả của DSC, AFDSC đã sử dụng một hệ logic mờ để chỉnh định thích nghi các tham số của DSC nhằm đảm bảo chất lượng bám quĩ đạo khi tham số FWOMR thay đổi và chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động không biết trước. Cho đến thời điểm này, DSC với bộ chỉnh định mờ chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào ở trong và ngoài nước. AFDSC có tính linh hoạt cao, cấu trúc đơn giản, dễ dàng cho việc lập trình cài đặt trên vi điều khiển, có khả năng thích nghi do vậy phát huy tối đa hiệu quả của DSC. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy: AFDSC đặc biệt thích hợp cho FWOMR. 2. Đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo mặt trượt động thích nghi mờ nơ ron (AFNNDSC) cho FWOMR có tham số bất định và chịu tác động bởi nhiễu. Đây cũng là thuật toán được phát triển dựa trên nền AFDSC, cấu trúc điều khiển thích nghi dựa trên sự kết hợp giữa mạng nơ ron bán kính xuyên tâm (RBFNN) và hệ logic mờ. Trong đó, mạng RBFNN được sử dụng để xấp xỉ các tham số bật định của FWMOR, còn hệ logic mờ để chỉnh định đồng thời các tham số của bộ điều khiển AFNNDSC. Tính ổn định của hệ kín được được chứng minh dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov. Các kết quả mô phỏng, chạy thử nghiệm cho thấy tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết, hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất và khả năng ứng dụng trong thực tế. AFNNDSC chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào trước đó trong và ngoài nước. AFNNDSC có tính linh hoạt cao, khả năng thích nghi khi có nhiễu tác động đồng thời hoặc khi tham số mô hình của robot thay đổi mở rộng được phạm vi hoạt động cho FWMOR. 6. Bố cục của luận án bao gồm 4 chương: Chương 1: "Tổng quan về robot tự hành bốn bánh đa hướng", nghiên cứu tổng quan về FWOMR, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích chi tiết cụ thể ưu và nhược điểm các công trình đã nghiên cứu trước đó theo nội dung đối
5 tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp cho luận án. Chương 2: "Mô hình hóa và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng" Đi sâu nghiên cứu, mô hình hóa xây dựng mô hình động học, động lực học, mô phỏng kiểm chứng mô hình xây dựng cho FWOMR. Đồng thời trình bày một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho OMR đã được công bố như: thuật toán PID, điều khiển trượt, đa mặt trượt. Mô phỏng đánh giá và phân tích các kết quả của từng thuật toán này để từ đó đánh giá và rút ra các bài học kinh nghiệm trong việc nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo thích nghi mới. Chương 3: "Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng”. Đây là đóng góp chính của luận án. Trong chương này, ngoài việc trình bày phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng sử dụng mặt trượt động, thuật toán DSC là nền tảng cho đề xuất cải tiến bộ điều khiển bám quỹ đạo thích nghi mới cho FWOMR. Từ các phân tích ưu nhược điểm của thuật toán này, một đề xuất mới nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của DSC cho lớp đối tượng có mô hình bất định, chịu ảnh hưởng của nhiễu, đặc biệt là cho FWMOR. Bộ điều khiển mặt trượt động được kết hợp thêm với mạng nơ ron bán kính xuyên tâm (RBFNN) và hệ logic mờ (FLS) tạo ra một bộ điều khiển DSC thích nghi mới được đề xuất trong luận án. AFNNDSC này đảm bảo hệ kín ổn định và bám quĩ đạo đặt trước trong điều kiện khi các tham số mô hình thay đổi và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Các kết quả mô phỏng phù hợp với những phân tích lý thuyết và cho thấy khả năng ứng dụng của thuật toán được đề xuất. Chương 4: “Chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng và chạy thử nghiệm thuật toán điều khiển”: Thiết kế và chế tạo mô hình robot tự hành bốn bánh đa hướng. Lập trình, và chạy thử nghiệm các thuật toán đề xuất kiểm chứng và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của các thuật toán. “Kết luận” Trình bày tóm tắt các đóng góp chính của luận án và hướng phát triển của luận án trong tương lai.
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Robot tự hành đa hướng (OMR) có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không cần phải thay đổi vị trí và góc quay. Với cấu trúc bánh khác biệt và ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong điều kiện môi trường di chuyển hẹp, khó thay đổi vị trí, … Hiện nay, OMR đang được ứng dụng một cách rộng rãi không chỉ trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống nhờ khả năng di chuyển linh hoạt, hiệu quả. 1.1. Robot tự hành di chuyển bằng bánh đa hướng. Robot tự hành có thể di chuyển đa hướng là loại robot có dạng ràng buộc holonomic. Về mặt cơ học Lagrange, robot có dạng holonomic khi mà tất cả ràng buộc mà robot phải chịu có thể tích hợp được thành dạng ràng buộc vị trí thoả mãn phương trình f (q1, q2 ,..., qn , t )  0 , với qi là các toạ độ hệ thống. Ngược lại, khi hệ thống tồn tại những ràng buộc không thể viết được dưới dạng phương trình trên thì nó được coi là dạng non-holonomic. Đơn giản, hệ holonomic là hệ không bị ràng buộc về tốc độ giữa các hướng với nhau, còn hệ non-holonomic có thêm điều kiện ràng buộc về tốc độ. Các hệ non-holonomic thường là các hệ hụt cơ cấu chấp hành. Đối với robot tự hành, chuyển động được đặt trên hệ toạ độ Đề-các Oxy, số bậc tự do tối đa là 3 bậc bao gồm di chuyển tịnh tiến theo phương dọc, phương ngang và theo góc quay của robot. Robot tự hành dạng non-holonomic thông thường chỉ xét đến 2 bậc tự do điều khiển được là bậc tự do theo phương di chuyển tịnh tiến theo phương dọc và di chuyển theo góc. Ngược lại robot tự hành dạng holonomic xét đến đầy đủ cả 3 phương di chuyển, do đó nó tăng tính linh hoạt trong chuyển động của robot. Đặc biệt là robot có thể di chuyển tức thời theo bất cứ phương nào mà không phụ thuộc vào góc quay. Trong phạm vi luận án, robot tự hành có dạng holonomic được xây dựng dựa trên bốn bánh đa hướng Omni với kết cấu bánh xe Omni có thể đảm bảo cho cả di chuyển tịnh tuyến theo phương ngang trong hệ robot. Hơn thế nữa robot tự hành sử dụng 4 bánh xe Omni mà không phải là 3 bánh để điều khiển chuyển động theo 3 bậc tự do của robot do đó hệ thống robot này được xét là hệ robot thừa cơ cấu chấp hành. Với việc lựa chọn hệ thống như vậy sẽ làm cho việc điều khiển robot phức tạp