Điều khiển dự báo phi tuyến: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ về hệ robot tự hành và con lắc ngược

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1. Kết luận

Với đề tài “Điều khiển dự báo phi tuyến cho hệ robot tự hành và con

lắc ngược”, luận án đã giải quyết được vấn đề điều khiển cho mô hình hệ

nhiều Robot tự hành và mô hình con lắc ngược. Mô hình được sử dụng

trong luận án là mô hình Robot tự hành thiếu cơ cấu chấp hành. Các kết

quả nghiên cứu của luận án được tóm tắt như sau:

1. Luận án tập trung phát triển bộ điều khiển dự báo dựa trên nguyên

lý Min-Max cho con lắc ngược với mô hình phi tuyến chịu ảnh

hưởng của nhiễu tác động, tính ổn định của hệ thống kín được phát

biểu bằng định lý và chứng minh chặt chẽ về phương pháp luận.

2. Luận án xây dựng được bộ điều khiển bám quỹ đạo mới theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave đảm bảo tính

ổn định ISS trong các trường hợp có nhiễu tác động và chứng minh

chặt chẽ về mặt lý thuyết và mô phỏng.

3. Luận án xây dựng được bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave có xét đến

đặc điểm thiếu cơ cấu chấp hành, đảm bảo ổn định tiệm cận trong

các trường hợp không có nhiễu tác động và chứng minh chặt chẽ về

mặt lý thuyết và mô phỏng.

4. Luận án xây dựng được bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave có xét đến

đặc điểm thiếu cơ cấu chấp hành, đảm bảo ổn định ISS trong các

trường hợp có nhiễu tác động và chứng minh chặt chẽ về mặt lý

thuyết và mô phỏng.

2. Định hướng phát triển của luận án:

Trong phạm vi hạn hẹp của luận án, những kết quả trình bày trong

luận án còn rất khiêm tốn và còn nhiều hướng đề nghị cần phát triển, cụ

thể như sau:

1. Các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở phân tích đánh giá thông

qua mô phỏng kỹ thuật số, chưa được kiểm định qua thực tế.

2. Những bộ điều khiển được đề xuất trong luận án mới chỉ dừng

lại cho hai đối tượng cụ thể là con lắc ngược và Robot tự hành

dạng hai bánh chủ động, chưa tổng quát hóa được các hệ thiếu

cơ cấu chấp hành nói chung.

Những hạn chế này cũng chính là hướng nghiên cứu phát triển luận án

trong thời gian tới.

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Các hệ thiếu cơ cấu chấp hành như Robot tự hành dạng 2 bánh chủ

động, Omni Robot, con lắc ngược đóng vai trò quan trọng trong đời

sống, công nghiệp, quốc phòng an ninh với những ứng dụng như hỗ trợ

việc vận chuyển những thiết bị mà không cần sự tham gia của con

người, Robot rà phá bom mìn, phương tiện hoạt động ở những khu vực

mà con người không đến được,... Điều này dẫn đến những nghiên cứu

cải thiện hệ thống điều khiển bám quỹ đạo của Robot tự hành dạng 2

bánh chủ động đóng vai trò quan trọng, là một hướng đi cần được quan

tâm trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển – tự động hóa. Tuy nhiên những

nghiên cứu này gặp phải những thách thức sau:

1) Các Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động hoạt động trong môi trường

công nghiệp, hay ở những nơi con người không can thiệp được dẫn

đến ảnh hưởng của nhiễu tác động bên ngoài, ví dụ như những

chướng ngại vật không biết trước, ảnh hưởng của thời tiết, gió khiến

cho ảnh hưởng đến chất lượng bám quỹ đạo.

2) Vì Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động còn thêm yêu cầu vận

chuyển nên các thông số của nó như khối lượng, momen quán tính

là bất định, mô hình thể hiện qua phương trình Euler – Lagrange là

phi tuyến.

3) Thêm nữa với mục đích đơn giản hóa về cấu trúc để tăng tính cơ

động nên nhiều dạng Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động như Robot

tự hành dạng 2 bánh chủ động lại mang đặc điểm của hệ thiếu cơ cấu

chấp hành khi không có cơ cấu chỉnh hướng trực tiếp mà thay vào

đó là sự phối hợp chuyển động của 2 bánh hai bên.

4) Do khả năng hạn chế của cơ cấu chấp hành chính là những động cơ

điện trên Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động dẫn đến việc điều

khiển trong thực tế phải xét đến ràng buộc của tín hiệu điều khiển

cũng như ràng buộc của cả biến trạng thái trong mô hình.

Cho đến nay một số nghiên cứu về cấu trúc điều khiển thích nghi bền

vững cho Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động đã được thực hiện [1-4]

với mục đích xem xét giải quyết những vấn đề 1 và 2 nêu ở trên. Ngoài

ra, cũng cần bổ sung thêm, hiện nay, kỹ thuật điều khiển tối ưu và tối

ưu hóa đang được quan tâm với hai hướng chính là quy hoạch động

thích nghi và điều khiển dự báo. Những trở ngại trong ràng buộc tín

hiệu điều khiển thực ra đã được xử lý đối cho hệ tay máy bằng phương

pháp điều khiển Backstepping với việc bổ sung khâu hiệu chỉnh ngược

[5]. Tuy nhiên, việc bổ sung này phụ thuộc vào đặc điểm phương trình

động lực học của từng hệ cụ thể, chưa có phương pháp, nguyên lý tổng

quát được công bố. Đặc biệt đối với Robot tự hành dạng 2 bánh chủ

động thì vẫn chưa được đề cập nhiều. Kỹ thuật điều khiển tối ưu và tối

ưu hóa về cơ bản có thể triển khai được cho tình huống xét đến ràng

buộc của tín hiệu điều khiển cũng như ràng buộc của cả biến trạng thái

trong mô hình bằng cách đưa thành phần ràng buộc này vào trong bài

toán tối ưu, thậm chí kể cả những dạng phức tạp của ràng buộc, ví dụ

như ràng buộc dạng đa diện [6]. Bên cạnh việc ứng dụng kỹ thuật quy

hoạch động thích nghi đã được Xem xét trong điều khiển Robot tự hành

dạng 2 bánh chủ động [7] thì việc ứng dụng phương pháp điều khiển dự

báo trong hệ Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động với ưu điểm giúp tối

thiểu hàm mục tiêu dựa trên mô hình dự báo, xử lý ràng buộc tín hiệu

điều khiển cũng như biến trạng thái cũng là hướng đi triển vọng mặc dù

xuất hiện những khó khăn sau:

1) Ảnh hưởng của nhiễu trong triển khai bộ điều khiển dự báo;

2) Triển khai điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến và hệ thiếu cơ cấu

chấp hành;

3) Sự thống nhất của vấn đề tối ưu và vấn đề ổn định, bám theo quỹ đạo

của Robot tự hành chủ của hệ kín khi sử dụng bộ điều khiển dự báo.

Việc nghiên cứu ứng dụng của bộ điều khiển dự báo với những thuận

lợi, khó khăn nói trên chính là động lực cho việc lựa chọn đề tài nghiên

cứu của tác giả.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Mục đích của đề tài nghiên cứu là xây dựng bộ điều khiển dự báo mới

bám quĩ đạo cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành, đảm bảo tính ổn định của hệ

kín có xét đến trường hợp có nhiễu và không nhiễu. Hệ thiếu cơ cấu chấp

chấp hành được tập trung nghiên cứu ở đây bao gồm:

- Con lắc ngược

- Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động thiếu cơ cấu chấp hành.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Để đạt được những mục tiêu đã đề ra, luận án cần thực hiện các nhiệm

vụ chính sau đây:

 Thiết lập mô hình toán mô tả 1 Robot tự hành với đặc điểm thiếu

chấp hành, làm rõ ràng buộc không tích phân được. Ngoài ra để Xem

xét nhiệm vụ điều khiển bám theo quỹ đạo của Robot tự hành chủ

thì luận án Xem xét thiết lập mô hình sai lệch bám với 2 Robot tự

hành có tính đến góc hướng và không tính góc hướng của Robot;

 Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ con lắc ngược phi

tuyến bằng cách tuyến tính hóa sử dụng bất đẳng thức ma trận để xác

định nghiệm tối ưu và xem xét tính ổn định của hệ kín;

Hình 3.19: Tín hiệu điều khiển cho robot 𝑹𝒔

Từ các đồ thị ta có thể thấy robot 𝑅 có thể bám theo robot 𝑅 với

khoảng cách 0.5( ), 3 / 2

ms ms







ngay cả khi trong trường hợp

có nhiễu. Các sai lệch là rất nhỏ và điều kiện ràng buộc cho tín hiệu điều

khiển của Robot tự hành dạng hai bánh chủ động 𝑅 là 1





được thoản mãn.

3.4 Kết chương 3

Có thể thấy rằng, những nghiên cứu trước đây [10-12, 29, 30] xem xét

điều khiển bám quỹ đạo cho Robot tự hành dựa trên phương pháp

BackStepping truyền thống chỉ tập trung vào mục đích bám quỹ đạo.

Ngoài ra, một số nghiên cứu sử dụng điều khiển dự báo cho Unicycle,

robot dưới nước [16,26,27] thì chưa quan tâm đến thành phần góc

hướng của robot di động cũng như chưa chỉ ra cụ thể thành phần trung

gian trong so sánh bắc cầu với bộ điều khiển trung gian phù hợp. Vì vậy

cần bổ sung một số điều kiện để cho phép so sánh giữa 2 hàm ứng viên

trong 2 chu kỳ liên tiếp [26]. Thêm nữa cũng cần lưu ý là việc chưa

quan tâm đến thành phần góc hướng dẫn đến những nghiên cứu đó mới

chỉ dừng lại ở hệ Robot đủ cơ cấu chấp hành khác [16,26,27].

Luận án đã khắc phục những vấn đề nói trên một số đóng góp sau:

Đề xuất bộ điều khiển dự báo có xét đến ràng buộc của tín hiệu điều

khiển bám theo quỹ đạo của Robot tự hành chủ cho một Robot tự hành

chưa và có xét đến nhiễu và cũng như Xem xét về mối liên hệ giữa 2 tình

huống có nhiễu và không nhiễu trong việc thiết lập bài toán tối ưu hóa. Đặc

điểm thiếu cơ cấu chấp hành đã được xét đến thông qua việc đảm bảo bám

không chỉ vị trí mà còn cả góc hướng. Bộ điều khiển trung gian giúp thực

hiện việc so sánh các hàm ứng viên Lyapunov đã được chỉ ra cụ thể đảm

báo tính khả thi trong việc khảo sát tính ổn định của bộ điều khiển dự báo.

Hình 3.14: Khoảng cách 𝑷𝒎𝒔, góc 𝝍𝒎𝒔 và giá trị đặt.

3.2.2.2 Điều khiển bám với Robot Master di chuyển trên một đường cong.

Vận tốc tịnh tiến thay đổi và quỹ đạo thay đổi, vận tốc tịnh tiến và vận

tốc góc của Master (Chủ) được cho như sau:

15( ): 5( / ), 0.1( / )

15( ): 10( / ), 0.1( / )

tsvms rads

tsv ms rads



 



 



Hình 3.174: Quỹ đạo trạng thái của Master– Slave

Hình 3.18: Sai lệch điều khiển của Robot tự hànhdạng hai bánh chủ động 𝑅 và 𝑅



 Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ Robot tự hành

có nhiễu tác động bám theo quỹ đạo của Robot chủ không tính đến

góc hướng;

 Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ Robot tự hành

không nhiễu và có nhiễu ngoài với yêu cầu bám theo quỹ đạo của

Robot chủ có tính đến góc hướng;

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển

thuật toán điều khiển dự báo mới cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành bao

gồm:

- Con lắc ngược

- Robot tự hành hai bánh chủ động bám quỹ đạo của Robot chủ cùng

loại có xét đến ảnh hưởng của nhiễu.

Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu thuật toán điều

khiển dự báo, giải bài toán tối ưu trực tuyến dựa trên cơ sở bất đẳng thức

ma trận đảm bảo bám theo quỹ đạo của Robot chủ cho hệ Robot tự hành,

con lắc ngược có xét tới ảnh hưởng của nhiễu bị chặn.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đưa ra phương pháp luận, xây dựng một số bộ điều khiển dự

báo mới áp dụng trong một số tình huống với yêu câu bám theo quỹ đạo

của Robot chủ trong hệ Robot tự hành, con lắc ngược chịu ảnh hưởng

của nhiễu ngoài. Bộ điều khiển được đề xuất trong luận án có khả năng

đáp ứng tốt trong điều kiện làm việc phức tạp. Các bộ điều khiển mới

được đề xuất trong luận án được phân tích và chứng minh tính ổn định

của hệ kín và chất lượng của bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô

phỏng kỹ thuật số đảm bảo tính đúng đắn của các đề xuất mới này. Luận

án góp phần bổ sung và làm phong phú thêm các phương pháp điều

khiển cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành nói chung, đặc biệt là cho hệ robots

tự hành bám theo quĩ đạo của Robot chủ. Chính vì thế, các kết quả

nghiên cứu của luận án vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực

tiễn.

6. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trong luận án là nghiên cứu lý thuyết

kết hợp với thực nghiệm mô phỏng.

 Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình đã nghiên cứu mới

nhất được công bố trong và ngoài nước về điều khiển hệ Robot tự

hành dạng 2 bánh chủ động với Robot tự hành, con lắc ngược. Đặc

biệt là các phương pháp điều khiển phi tuyến, tối ưu đã áp dụng cho

mô hình Robot tự hành thiếu cơ cấu chấp hành, trên cơ sở đó đưa ra

định hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển và phương pháp phân

tích tính ổn định của hệ thống.

 Nghiên cứu và xây dựng các bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo cho

các hệ chuyển động thiếu cơ cấu chấp hành, chịu tác động của nhiễu

tập trung vào hệ bám Robot tự hành chủ và con lắc ngược. Các kết

quả nghiên cứu được phân tích lý thuyết và kiểm chứng bằng mô

phỏng trên phần mềm Matlab có sử dụng một số công cụ chuyên

dụng Yalmip, Casadi.

7. Kết quả mới của luận án

Kết quả nghiên cứu mới của luận án có thể được tóm tắt tập trung vào

các điểm chính sau:

 Luận án đã tập trung phát triển bộ điều khiển dự báo dựa trên nguyên

lý Min Max cho con lắc ngược với mô hình phi tuyến chịu ảnh hưởng

của nhiễu tác động, tính ổn định của hệ thống kín được phát biểu bằng

định lý và chứng minh chặt chẽ về phương pháp luận.

 Luận án đã xây dựng được bộ điều khiển bám quỹ đạo mới theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave đảm bảo tính ổn

định ISS trong các trường hợp có nhiễu tác động và chứng minh chặt

chẽ về mặt lý thuyết và mô phỏng.

 Luận án đã xây dựng được bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave có xét đến đặc

điểm thiếu cơ cấu chấp hành, đảm bảo ổn định tiệm cận trong các

trường hợp không có nhiễu tác động và chứng minh chặt chẽ về mặt lý

thuyết và mô phỏng.

 Luận án đã xây dựng được bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo theo quỹ

đạo của Robot tự hành Chủ với mô hình Master-Slave có xét đến đặc

điểm thiếu cơ cấu chấp hành, đảm bảo ổn định ISS trong các trường

hợp có nhiễu tác động và chứng minh chặt chẽ về mặt lý thuyết và mô

phỏng.

8. Cấu trúc của luận án

Luận án được trình bày trong 3 chương với nội dung tóm tắt như sau:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển dự báo phi tuyến và mô hình Robot

tự hành; Phân tích mô hình của hệ một Robot tự hành với đặc điểm thiếu

cơ cấu chấp hành và ràng buộc không tích phân được. Từ đó Xem xét

mô hình sai lệch bám của hệ gồm 2 Robot tự hành với tình huống có và

không xét đến góc hướng. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều

khiển dự báo đã công bố và những vận dụng và đề xuất hướng nghiên

cứu của luận án.

2. Giải Bài toán tối ưu 3.2.1 để xác định được tín hiệu điều khiển tối ưu

()

.

3. Tính tín hiệu điều khiển cho Robot tự hành dạng hai bánh chủ động

Tớ

theo công thức (3.17).

4. Đưa tín hiệu vừa tím được vào Slave chỉ trong khoảng





.

5. Cho 1hh

rồi quay lại bước 1.

3.2.2 Kết quả mô phỏng

3.2.2.1 Điều khiển bám với Robot Master di chuyển trên một đường thẳng.

Vận tốc tịnh tiến thay đổi vận tốc góc bằng không, vận tốc tịnh tiến và

vận tốc góc của Master (Chủ) được cho như sau:

15( ): 5( / ), 0( / )

15( ): 10( / ), 0( / )

tsvms rads

tsv ms rads



 



 



Hình 3.12: Quỹ đạo trạng thái Master (Chủ) – Slave (Tớ)

Hình 3.13: Sai lệch điều khiển của Robot tự hành dạng hai bánh chủ động 𝑹𝒔 và 𝑹𝒎

𝒅

khoảng cách đặt d

và góc đỡ d



, ta cũng có thể dễ thấy rằng

ms ms

P và d

ms ms



.

Ở đây ta cần có 1





. Điều này luôn được thỏa mãn trong suốt

quá trình hoạt động của Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động

3.2 Thiết lập Bộ điều khiển dự báo bền vững bám quỹ đạo cho hệ hai

Robot tự hành kiểu Chủ - Tớ (Master-Slave) có nhiễu

3.2.1 Thuật toán điều khiển dự báo có tính đến Nhiễu và Phân tích tính

ổn định.

Với cách làm tương tự như trong 3.1, ta có thể thiết lập mô hình sai lệch

giữa Robot Slave (Tớ)

và Robot Master (Chủ)m

là:



cos( ) sin( )

sin( ) cos( )

sin( ) sin( ) 2

se m ms s se s ms m ms ms

se m nms s se s ms m ms ms

se dd

ms ms ms ms se s

xv yvP

yv xdP

vP ky

 

   











 





 



 



















(3.14)

Ta sẽ thiết kế thuật toán điều khiển dự báo bền vững cho hệ (3.14) để đưa

evề miền lân cận với gốc tọa độ bằng cách sử dụng mô hình danh dịnh

(thu được từ mô hình thực tế sau khi loại bỏ nhiễu) làm mô hình dự báo.

Bài toán tối ưu 3.2.1 (Thiết lập tại chu kỳ trích mẫu có tính đến

góc): Tìm:



(| )

cos( ) sin( )

sin( ) cos(

arg m

)

sin( )

n(),()

()

se m ms s se s ms m ms ms

se d

ssh

mmsm

smsss

xv yvP

yv xdPt

et u

Pky



 

   





 





 







 





 

 

























() ( | ))

(| )

(|)

sh sh h

sh tube

sh h tube

pt pt t P

utU

et Tt



























Thuật toán điều khiển 3.2.1:

1. Tại thời điểm h

t, tiến hành đo các trạng thái và tín hiệu điều khiển

của Master (Chủ) và Tớ (Slave) gồm:

u,m

Chương 2: Điều khiển dự báo tuyến tính và phi tuyến trong các hệ

chuyển động; Xây dựng cấu trúc điều khiển dự báo cho hệ con lắc ngược

bằng cách tuyến tính hóa mô hình và sử dụng bất đẳng thức ma trận.

Tiếp đến phát triển cho cấu trúc điều khiển dự báo trực tiếp cho hệ Robot

tự hành với yêu cầu điều khiển bám theo quỹ đạo của Robot tự hành

chủ và chưa xét đến góc hướng. Các định lý về tính ổn định của hệ kín

được phát biểu và chứng minh chặt chẽ. Các kết quả phân tích lý thuyết

được đánh giá thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab.

Chương 3: Điều khiển dự báo bám theo quỹ đạo của Robot tự hành chủ

có xét đến góc hướng; Xây dựng cấu trúc điều khiển dự báo bám theo

quỹ đạo của Robot tự hành chủ cho hệ Robot tự hành trong 2 tình huống

có xét và chưa xét đến góc hướng. Các định lý về tính ổn định của hệ

kín được phát biểu và chứng minh chặt chẽ. Các kết quả phân tích lý

thuyết được kiểm chứng dựa trên mô phỏng bằng phần mềm Matlab sử

dụng một số công cụ chuyên dụng Yalmip, Casadi.

Cuối cùng, phần Kết luận tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã đạt được,

những đóng góp mới và hướng mở rộng nghiên cứu phát triển của luận án.

1. TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO PHI TUYẾN VÀ MÔ HÌNH ROBOT

TỰ HÀNH

Nội dung chính trong chương này là xây dựng mô hình động lực học

của Robot tự hành dựa trên kết quả nghiên cứu của [1-4], cũng như mô

hình sai lệch bám của hệ gồm 2 Robot tự hành [8-13] làm cơ sở cho

việc thiết kế bộ điều khiển dự báo có khả năng bám theo quỹ đạo của

Robot tự hành chủ ở chương sau. Ngoài ra nội dung còn được bổ sung

thêm về phân tích đặc điểm tích phân được và không tích phân được

làm cơ sở định hướng cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển sau này.

Những nghiên cứu trước đây về điều khiển chuyển động cho Robot tự

hành dạng 2 bánh chủ động cũng như kỹ thuật điều khiển dự báo sẽ

được làm rõ.

1.1 Tình hình nghiên cứu

Phần này trình bày về điều khiển dự báo; Điều khiển Robot tự hành và

một số phương tiện chuyển động liên quan; Một số vấn đề tiếp tục được

khai thác.

1.2 Hướng nghiên cứu

Phần này trình bày các hướng nghiên cứu chính của luận án.

1.3 Mô 1 Robot tự hành

1.3.1 Phương trình động học

Mô hình động học của một Robot tự hành dạng 2 bánh chủ động là

một hệ phương trình toán học mô tả các mối quan hệ giữa vận tốc dài,

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Điều khiển dự báo phi tuyến cho hệ robot tự hành và con lắc ngược

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi