Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp" với mục tiêu tham gia giải quyết bài toán nhược điểm của hệ thống điều khiển qua mạng; đóng góp giải pháp điều khiển mới trong việc giảm tác động tiêu cực của thời gian trễ sinh ra trên đường truyền của hệ thống điều khiển qua mạng; xây dựng một cấu trúc điều khiển thay thế cho cấu trúc điều khiển truyền thống, ứng dụng trong lĩnh vực robot tự hành.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ---***--- NGUYỄN TRỌNG TRUNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA MẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 9520203 TP Hồ Chí Minh - 2022
Công trình được hoàn thành tại: Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Thanh Phương TS. Trần Viết Thắng Phản biện 1: PGS. TS. Thái Quang Vinh Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công Phản biện 3: PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá họp tại hội trường vào hồi giờ 9h00 ngày 08 tháng 01 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa
Mục lục Phần mở đầu ...................................................................................................... 2 Tính cấp thiết của luận án ................................................................................. 2 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 Các đóng góp của luận án ................................................................................. 3 Bố cục của luận án ............................................................................................ 4 Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng ............................................................................................................ 4 1.1 Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi trường công nghiệp ........................................................................................... 4 1.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành ........ 6 1.3 Các vấn đề cần giải quyết ................................................................... 7 1.4 Tình hình nghiên cứu ......................................................................... 7 1.5 Kết luận chương 1 .............................................................................. 8 Chương 2 Xây dựng mô hình hóa robot tự hành trong sự ảnh hưởng của thời gian trễ ............................................................................................................ 8 2.1 Mô tả hệ thống.................................................................................... 8 2.2 Mô hình động học của robot tự hành ................................................. 9 2.3 Mô hình động lực học của robot tự hành ........................................... 9 2.4 Mô hình hóa thời gian trễ ................................................................. 12 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................ 13 Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho robot tự hành với tín hiệu đầu vào trễ ........................................................................... 13 3.1 Thuật toán bám theo quỹ đạo mong muốn ....................................... 14 3.2 Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định ...................................... 15 3.3 Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành .......................................................................................................... 16 3.4 Kết luận chương 3 ............................................................................ 18 Chương 4 Kết quả .......................................................................................... 18 4.1 Cấu trúc hệ thống ............................................................................. 18 4.1.1 Cấu hình điều khiển qua mạng ......................................................... 18 4.1.2 Cấu trúc robot tự hành ...................................................................... 19 4.1.3 Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng .................................................. 19 4.2 Thiết lập mô phỏng .......................................................................... 21 4.3 Kết quả mô phỏng trên Matlab......................................................... 22 4.4 Thực nghiệm xác định thời gian trễ ................................................. 25 4.5 Kết quả thực nghiệm điều khiển robot tự hành ảo qua mạng .......... 26 4.6 Kết luận chương 4 ............................................................................ 30 Kết luận .......................................................................................................... 30 Tài liệu tham khảo (Trích lược một phần của luận án) .................................. 33 Danh mục công trình công bố của tác giả ....................................................... 33 1
Phần mở đầu Tính cấp thiết của luận án Cách mạng 4.0 đang diễn ra và tác động tích cực đến nhiều lĩnh vực sản xuất, khoa học, và xã hội. Hàng loạt các doanh nghiệp đã và đang thực hiện chuyển đổi số, nhằm tối ưu hiệu quả hoạt động. Cùng với sự cải tiến qui trình quản lí, các thiết bị/máy móc phục vụ quá trình sản xuất của doanh nghiệp cũng cần có sự cải tiến đồng bộ. Xu hướng phát triển của các thiết bị/máy móc trong sản xuất là cho phép giám sát bởi các cấp quản lí, từ xưởng sản xuất cho đến văn phòng điều hành theo các mức độ, chức năng khác nhau. Để hiện thực hóa khả năng giám sát từ xa bởi nhiều cấp quản lí, đồng thời giảm thời gian/chi phí cho việc lắp đặt ban đầu/bảo trì định kỳ/bảo trì dự đoán, các thiết bị/máy móc cần được điều khiển và giám sát thông qua mạng. Từ đó, khái niệm hệ thống vật lí ảo được hình thành, trong đó hệ thống điều khiển qua mạng là một hình thức đặc biệt của nó. Cùng với sự phát triển của công nghệ mạng 5G, hệ thống điều khiển qua mạng ngày càng được ứng dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp, cũng như thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu, nhằm cải tiến nó. Mục tiêu của luận án • Tham gia giải quyết bài toán nhược điểm của hệ thống điều khiển qua mạng. • Đóng góp giải pháp điều khiển mới trong việc giảm tác động tiêu cực của thời gian trễ sinh ra trên đường truyền của hệ thống điều khiển qua mạng. • Xây dựng một cấu trúc điều khiển thay thế cho cấu trúc điều khiển truyền thống, ứng dụng trong lĩnh vực robot tự hành. Phương pháp nghiên cứu • Nghiên cứu, phân tích các phương pháp đã được đề xuất trước đây, mỗi phương pháp giải quyết một vấn đề đặc thù. • Cải tiến giải pháp đã công bố, kết hợp các phương pháp để tạo thành một giải pháp tổng hợp (chưa được công bố), để giải quyết bài toán tổng thể. • Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất. 2
Các đóng góp của luận án Luận án đề xuất bộ điều khiển, được thiết kế theo phương pháp dựa trên mô hình hóa, tích hợp hai kỹ thuật nổi tiếng là: Backstepping – sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có cấu trúc đệ quy, và kỹ thuật thích nghi theo hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định (MRAC) – sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có mô hình hóa không mô tả chính xác hệ thống. Trong đó kỹ thuật MRAC được sử dụng để giải quyết hai vấn đề. Một là, thiết kế bộ điều khiển có khả năng thích nghi với các thông số hệ thống không được xác định chính xác, hoặc thay đổi trong quá trình hệ thống vận hành. Hai là, cho phép bộ điều khiển có khả năng thích nghi với hiệu ứng thời gian trễ sinh ra trên đường truyền mạng trong quá trình điều khiển. Mặc dù, luận án sử dụng hai kỹ thuật nổi tiếng để thiết kế bộ điều khiển, tuy nhiên các điểm mới của luận án là: - Đề xuất một hệ thống tham chiếu mới cho kỹ thuật MRAC, có khả năng đáp ứng với tín hiệu đầu vào mong muốn, biến thiên theo thời gian và có thời gian trễ. - Đề xuất luật điều khiển cho kỹ thuật MRAC, khác với luật điều khiển truyền thống, khi bên cạnh sử dụng biến trạng thái hồi tiếp, luật điều khiển còn sử dụng hồi tiếp tín hiệu đầu vào mong muốn có thời gian trễ, thành phần tích lũy của đạo hàm tín hiệu đầu vào mong muốn qua thời gian trễ, và đạo hàm của tín hiệu đầu vào mong muốn. - Đề xuất luật cập nhật cho các ma trận thông số độ lợi của luật điều khiển, khác với luật cập nhật truyền thống, khi sử dụng thêm đạo hàm của các ma trận thông số độ lợi trong lần lấy mẫu hiện tại và lần lấy mẫu ở thời gian trễ trước đó. Ngoài ra, luận án còn có các đóng góp khác như: - Xây dựng phần mềm xác định thời gian trễ ở tầng mạng và tầng ứng dụng của mô hình TCP/IP, bằng phương pháp lặp vòng (RTT). - Xây dựng phần mềm mô phỏng đặc tính động học/động lực học cho robot tự hành phục vụ cho việc kiểm chứng bộ điều khiển đề xuất. - Xây dựng phần mềm điều khiển và giao diện để điều khiển robot tự hành từ xa qua mạng internet, sử dụng giao thức truyền thông điệp theo cơ chế máy 3
chủ/thuê bao (MQTT) của tầng ứng dụng. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm phần mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết luận, và danh mục công trình khoa học của tác giả. Chương 1. Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi trường công nghiệp, trong đó bao gồm hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành, các vấn đề cần giải quyết/tình hình nghiên cứu của hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành. Chương 2. Trình bày việc mô hình hóa của robot tự hành với đặc tính động học và động lực học, trong điều kiện có thời gian trễ ở tín hiệu đầu vào. Chương 3. Trình bày các bước thiết kế bộ điều khiển ổn định cho việc điều khiển robot tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn, dưới sự tác động tiêu cực của thời gian trễ trên đường truyền mạng, và các đại lượng vật lí không đo được, hoặc không thể đo chính xác của robot tự hành. Chương 4. Trình bày kết quả mô phỏng của bộ điều khiển đề xuất; thực nghiệm đo thời gian trễ trên đường truyền mạng internet, ở tầng mạng và tầng ứng dụng của mô hình TCP/IP; kết quả thực nghiệm điều khiển robot tự hành ảo qua mạng internet. Phần kết luận nêu những đóng góp của luận án, hướng phát triển và các vấn đề đáng quan tâm để nghiên cứu. Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng 1.1 Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi trường công nghiệp Hệ thống vật lí ảo điển hình, được mô tả như Hình 1.1, tích hợp nhiều công nghệ khác nhau. 4
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống vật lí ảo Hệ thống vật lí ảo kết hợp các công nghệ này để phục vụ cho việc tương tác giữa hệ thống vật lí trong thế giới thực, và hệ thống ảo trong không gian mạng internet. Thế giới ảo cho phép các hoạt động với khối lượng tính toán xử lí và lưu trữ lớn, chẳng hạn phân tích dữ liệu để đưa ra các quyết định cho hệ thống vật lí trong thế giới thực. Việc trao đổi dữ liệu giữa các phần tử trong hệ thống vật lí ảo là rất cần thiết và được thực hiện thông qua kết nối internet, nhằm đảm bảo dữ liệu có khả năng sử dụng cho nhiều tầng quản lí, theo dõi, và điều khiển. Hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi trường công nghiệp chia thành 5 cấp độ (Hình 1.2) bao gồm: 1. Cho phép chia sẻ thông tin về năng lực sản xuất, tiến độ thực hiện đơn hàng, hiệu suất vận hành và khả năng kho vận của nhà máy; 2. Theo dõi tình trạng hoạt động của robot tự hành như: tác vụ đang thực thi, vị trí hiện tại, tình trạng năng lượng, quỹ đạo di chuyển, vị trí xuất phát, và vị trí đích đến; 3. Phối hợp với cấp độ 2, nhận quỹ đạo di chuyển toàn cục cho toàn hệ thống robot tự hành, cung cấp quỹ đạo di chuyển tham chiếu cục bộ hiện hành cho các robot tự hành; 4. Hệ thống mạng với chuẩn truyền thông giao tiếp và phương thức giao tiếp mạng, cho phép kết nối giữa hệ thống vật lí và thế giới ảo; 5. Hệ thống robot tự hành được trang bị với các cảm biến, cơ cấu chấp hành, và bộ điều khiển. 5
Hình 1.2 Hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận 1.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng Về mặt cấu trúc hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành (như Hình 1.3) có thể chia thành hai cấp độ: - Hệ thống điều khiển cấp thấp: Bao gồm các đối tượng vật lí của robot tự hành, các cảm biến phát hiện vật cản, các thiết bị ngoại vi phục vụ thao tác vận hành, và mạch điều khiển để nhận lệnh và thực thi cơ cấu chấp hành. - Hệ thống điều khiển cấp cao: Bao gồm đối tượng ảo cho mỗi robot tự hành, máy tính xử lí trung tâm thực hiện các thuật toán xử lí phức tạp như thuật toán 6
bám theo quỹ đạo, thuật toán tối ưu hóa quỹ đạo, thuật toán ưu tiên di chuyển tránh va chạm và tình huống khóa chết. 1.3 Các vấn đề cần giải quyết Mặc dù hệ thống điều khiển qua mạng có nhiều ưu điểm như: cho phép điều khiển/giám sát từ xa, cho phép mở rộng hệ thống một cách linh hoạt, giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng cho truyền thông dữ liệu, và bảo trì nâng cấp hệ thống dễ dàng. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển qua mạng có nhược điểm là: - Thời gian trễ sinh ra trên đường truyền mạng do tốc độ truyền dữ liệu của hạ tầng mạng; do cơ chế bảm đảo độ tin cậy dữ liệu của giao thức TCP, khi các gói tin của tầng mạng phát đi bị sai thứ tự, mất gói tin, và hỏng gói tin. - Nếu tầng giao vận sử dụng giao thức UDP thay cho giao thức TCP, thì vấn đề thời gian trễ có thể cải thiện. Tuy nhiên, vấn đề phải xử lí là mất gói tin và truyền gói tin sai thứ tự. - Thời gian trễ sinh ra trên đường truyền mạng làm trì trệ tín hiệu điều khiển gửi đến hệ thống, cũng như trạng thái của hệ thống gửi đến bộ điều khiển. Hiện tượng này dẫn đến, tín hiệu điều khiển được tính toán dựa trên trạng thái hiện tại của hệ thống, nhưng không thể tác động để thay đổi trạng thái của hệ thống theo yêu cầu, trong thời điểm hiện tại. Từ đó, chất lượng điều khiển của hệ thống bị giảm, hoặc có thể dẫn đến mất kiểm soát. 1.4 Tình hình nghiên cứu Ở thế giới Năm 1999, các tác giả ở nghiên cứu [1][2] đã sử dụng thuật toán Smith Predictor để dự đoán trạng thái nhằm tăng tính bền vững của bộ điều khiển ổn định bám theo quỹ đạo cho robot tự hành hai bánh. Năm 2005, nhóm nghiên cứu của trường đại học Tokyo (Nhật Bản) đã đề xuất mô hình điều khiển robot xuyên lục địa giữa hai phòng lab ở Nhật Bản và Mỹ [3]. Năm 2011, các tác giả ở nghiên cứu [4] đã dùng mô phỏng để kiểm chứng đề xuất điều khiển robot tự hành qua mạng không dây. Năm 2012, các tác giả [5] đã đề xuất mô hình điều khiển robot phục vụ qua internet thông qua giao thức TCP với cấu trúc dạng server và client. 7
Năm 2015, nhóm tác giả [6] đã sử dụng máy tính thông minh để điều khiển qua internet robot tự hành. Ở Việt Nam Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trần Hiệp [7] nghiên cứu cải tiến chất lượng điều khiển robot bằng mạng nơron và giải thuật di truyền. Luận án tiến sĩ của tác giả Tăng Quốc Nam [8] nghiên cứu về robot tự hành định vị theo dữ liệu dạng bản đồ. Luận án tiến sĩ của tác giả Phùng Mạnh Dương nghiên cứu vấn đề điều khiển và giám sát robot tự hành qua mạng máy tính [9]. Luận văn thạc sĩ của tác giả Phạm Duy Hưng [10] điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng internet. 1.5 Kết luận chương 1 Trong các nghiên cứu về điều khiển robot tự hành qua mạng trên thế giới và trong nước, có một số nội dung chưa được đề xuất: - Xây dựng bộ điều khiển bám theo quỹ đạo cho robot tự hành dựa trên đặc tính động học/động lực học, bao gồm các thông số vật lí của robot khó, hoặc không thể xác định chính xác. - Cải thiện chất lượng của bộ điều khiển bám theo quỹ đạo cho robot tự hành với ảnh hưởng của thời gian trễ. Trên cơ sở đó, luận án này đề xuất nội dung để giải quyết các vấn đề nêu trên mà các nghiên cứu trước đây chưa đề xuất. Chương 2 Xây dựng mô hình hóa robot tự hành trong sự ảnh hưởng của thời gian trễ 2.1 Mô tả hệ thống Robot tự hành, được sử dụng trong nghiên cứu của luận án này, có cấu trúc hai bánh xe vi sai (Hình 2.1). Cấu tạo cơ khí của robot tự hành gồm: khung robot (1), ổ đỡ trục bánh xe (2), hai bánh xe chủ động (3) được dẫn động độc lập bằng hai động cơ điện một chiều (DC) kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (5). Để tăng mô- men dẫn động cho hai bánh xe, trục động cơ DC được lắp với bánh xe của robot tự hành thông qua hộp số bánh răng với bánh răng sơ cấp (7) và bánh răng thứ cấp 8
(4). Robot tự hành được đảm bảo cân bằng nhờ vào bánh xe đa hướng (6), (8) được lắp vào phần trước và sau của robot. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí của robot tự hành với cấu Hình 2.2 Robot tự hành trong hệ tọa độ gốc trúc hai bánh xe vi sai 2.2 Mô hình động học của robot tự hành Vị trí tức thời tại tâm hình học 𝐶 của robot tự hành trong hệ tọa độ gốc (OXY) được xác định bởi công thức sau: 𝑥̇ 𝑐 = 𝑣𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑦̇ 𝑐 = 𝑣𝑠𝑖𝑛𝜃 (2.1) 𝜃̇ = 𝜔 Trong đó, vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc của robot tự hành được xác định bằng phương trình sau: 𝑟𝑤 𝑟𝑤 𝑣 [ ]= [2 2 ] [ 𝜔𝑙] (2.2) 𝜔 𝑟𝑤 𝑟𝑤 𝜔𝑟 − 𝑊 𝑊 2.3 Mô hình động lực học của robot tự hành Mô hình động lực học của robot tự hành có thể thực hiện bằng các phương pháp khác nhau như sử dụng định luật Lagrange – Euler, định luật bảo toàn năng lượng và định luật Newton – Euler. Hình 2.3 Sơ đồ vật thể tự do của các thành phần robot tự hành 9
Trong nội dung luận án này, tác giả chọn phương pháp sử dụng định luật Newton – Euler, để xây dựng mô hình hóa động lực học của robot tự hành. Áp dụng định luật Newton – Euler cho các lực, mô-men tác động lên bánh xe của robot tự hành, phương trình mô tả mối quan hệ giữa vận tốc quay của bánh xe và các mô-men tác động lên bánh xe như sau (với ∎ ≜ 𝑟, 𝑙): ∎ 𝐽 𝑤 𝜔̇ ∎ + 𝑏 𝑤 𝜔∎ = 𝑇 𝑔𝑠 − 𝑓∎ . 𝑟 𝑤 (2.3) Mô-men của bánh răng thứ cấp 𝑇 𝑔𝑠 và sơ cấp 𝑇 ∎ trong hộp số được biểu diễn ∎ 𝑔𝑝 trong mối quan hệ sau (với 𝑛 là tỉ số truyền của hộp số): 𝑇 𝑔𝑠 = 𝑛𝑇 ∎ ∎ 𝑔𝑝 (2.4) Hình 2.4 Mạch điện phần ứng của động cơ một chiều Hình 2.5 Sơ đồ vật thể tự do của robot tự hành Mô-men trục động cơ 𝑇 ∎ tỉ lệ với dòng điện trong mạch phần ứng 𝑖 ∎ bởi: 𝑚 𝑎 𝑇∎ = 𝑘 𝑚 𝑖∎ 𝑚 𝑎 (2.5) Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp cho mạch điện phần ứng của động cơ DC (Hình 2.4), ta có phương trình sau: 𝑑𝑖 ∎ 𝑎 𝑉𝑎∎ = 𝑖∎ 𝑎 𝑅𝑎 + 𝐿𝑎 + 𝐸∎ 𝑏 (2.6) 𝑑𝑡 𝐸 ∎ là suất điện động phản ngược sinh ra trong cuộn dây stato khi trục động cơ 𝑏 quay, có độ lớn xác định như sau: 𝐸∎ = 𝑘 𝑏 𝑚 𝜔∎ 𝑚 (2.7) Trong thực tế, giá trị cảm kháng của mạch điện phần ứng nhỏ hơn rất nhiều lần so với trở kháng của nó (𝐿 𝑎 ≪ 𝑅 𝑎 ). Do đó, vì lí do đơn giản hóa, thành phần 𝑑𝑖 ∎ 𝑎 𝐿𝑎 trong công thức (2.6) được bỏ qua. Khi đó sử dụng phương trình (2.7), 𝑑𝑡 10
dòng điện trong mạch điện phần ứng của động cơ DC được xác định bởi: 𝑉𝑎∎ 𝑘 𝑚 𝜔∎𝑚 𝑖∎ 𝑎 = − (2.8) 𝑅𝑎 𝑅𝑎 Áp dụng định luật Newton – Euler cho các thành phần tác động lên trục động cơ, ta có: 𝐽 𝑚 𝜔̇ ∎ + 𝑏 𝑚 𝜔∎ = 𝑇 ∎ − 𝑇 ∎ 𝑚 𝑚 𝑚 𝑔𝑝 (2.9) Bằng các biến đổi đại số và sử dụng các phương trình trên, mối quan hệ giữa điện áp đặt vào mạch điện phần ứng của động cơ và vận tốc, gia tốc của động cơ tương ứng cho bánh xe trái và phải của robot tự hành được thể hiện như sau: 2 2 𝑘 2𝑚 𝑛2 𝑛𝑘 𝑚 ∎ (𝐽 𝑤 + 𝑛 𝐽 𝑚 )𝜔̇ ∎ + (𝑏 𝑤 + 𝑛 𝑏 𝑚 + ) 𝜔∎ = 𝑉 − 𝑓∎ 𝑟 𝑤 (2.10) 𝑅𝑎 𝑅𝑎 𝑎 Mặt khác để xác định các lực/mô-men tác dụng lên robot tự hành tạo ra chuyển động tịnh tiến/xoay, sơ đồ vật thể tự do của robot được đưa ra như Hình 2.5. Bằng cách áp dụng định luật Newton – Euler, phương trình mô tả chuyển động tịnh tiến và chuyển động xoay của robot tự hành được đưa ra bởi phương trình sau: 𝑓𝑙 + 𝑓𝑟 = 𝑀𝑣̇ 𝑊 (2.11) (𝑓 − 𝑓𝑟 ) = 𝐼𝜔̇ 2 𝑙 Sử dụng các phương trình trên và các biến đổi đại số, phương trình mô tả đặc tính động học/động lực học của robot tự hành được thể hiện như sau: 2 2𝐼𝑟 2 𝑤 2 𝑘 2𝑚 𝑛2 𝑛𝑘 𝑚 𝑟 𝑤 (𝑉𝑎𝑙 − 𝑉𝑎 𝑟 ) (𝐽 𝑤 + 𝑛 𝐽 𝑚 + 2 ) 𝜔̇ + (𝑏 𝑤 + 𝑛 𝑏 𝑚 + ) 𝜔= (2.12) 𝑊 𝑅𝑎 𝑅𝑎 𝑊 Bằng cách định nghĩa các vectơ 𝒛 = [𝑣 𝜔] 𝑇 ∈ ℝ2×1 , 𝒖 = [ 𝑉𝑎𝑙 𝑉𝑎 𝑟 ] 𝑇 ∈ ℝ2×1 , phương trình (2.12) có thể trình bày dưới dạng phương trình trạng thái như sau: 𝒛̇ (𝑡) = 𝑨𝒛(𝑡) + 𝑩𝒖(𝑡) (2.13) 𝑎11 0 Trong đó 𝑨 = [ ] ∈ ℝ2×2 là ma trận thông số liên quan với biến trạng 0 𝑎22 thái của robot tự hành với các thông số thành phần không thể xác định chính xác 11
𝑘2 𝑛2 𝑘2 𝑛2 𝑛2 𝑏1 +𝑏2 + 𝑚 𝑛2 𝑏1 +𝑏2 + 𝑚 𝑅𝑎 𝑅𝑎 giá trị: 𝑎11 = − 𝑀 2 < 0, 𝑎22 = − 2𝐼 0, 𝑏2 = 2𝐼 >0 𝑏2 −𝑏2 2𝑅 𝑎 (𝑛 1 2 2 𝑤 𝑊𝑅 𝑎 (𝑛2𝐽1 +𝐽2 + 2 𝑟 2 ) 𝑊 𝑤 là ma trận không thể (khó) xác định chính xác các thông số. 2.4 Mô hình hóa thời gian trễ Thời gian của một chu trình điều khiển robot tự hành được mô tả như Hình 2.6. Từ thời điểm lấy mẫu của các cảm biến, cho đến khi cơ cấu chấp hành đáp ứng theo giá trị điều khiển, khoảng thời gian này là giá trị gộp của các thời gian trễ thành phần 𝜏 𝑠𝑐 , 𝜏 𝑝𝑐 , 𝜏 𝑐𝑎 , và 𝜏 𝑟𝑒𝑠 . 𝜏 = 𝜏 𝑠𝑐 + 𝜏 𝑝𝑐 + 𝜏 𝑐𝑎 + 𝜏 𝑟𝑒𝑠 (2.14) Với 𝜏 𝑠𝑐 là thời gian trễ của tín hiệu cảm biến gửi đến bộ điều khiển; 𝜏 𝑝𝑐 là thời gian trễ gây ra do quá trình tính toán; 𝜏 𝑐𝑎 là thời gian trễ của tín hiệu điều khiển gửi đến cơ cấu chấp hành; và 𝜏 𝑟𝑒𝑠 là thời gian trễ do đáp ứng của cơ cấu chấp hành. Hình 2.6 Thời gian của một chu trình điều khiển Trong trường hợp điều khiển robot tự hành qua mạng, thời gian trễ gộp lớn hơn nhiều lần so với thời gian giữa hai lần lấy mẫu. Do đó, giá trị điều khiển hiện tại không được dùng để điều chỉnh cơ cấu chấp hành theo trạng thái hiện tại của robot, mà nó tác động đến cơ cấu chấp hành theo trạng thái tương lai của robot. 12
Khi đó, mô hình hóa của robot tự hành được mô tả ở phương trình (2.13) có thể viết lại như sau: 𝒛̇ (𝑡) = 𝑨𝒛(𝑡) + 𝑩𝒖(𝑡 − 𝜏) (2.15) Phương trình (2.15) mô tả đặc tính động lực học của robot tự hành biến đổi liên tục theo thời gian với tín hiệu đầu vào có thời gian trễ 𝜏 (là giá trị gộp của các thời gian trễ thành phần). Thời gian trễ 𝜏 trong nghiên cứu của luận án này được xem xét là hằng số (𝜏 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) và có giá trị lớn hơn nhiều lần so với thời gian giữa hai lần lấy mẫu (gọi tắt là thời gian lấy mẫu ℎ) với 𝜏 ≫ ℎ. 2.5 Kết luận chương 2 Chương này tác giả đã trình bày việc xây dựng mô hình hóa, kết hợp yếu tố động học và động lực học cho robot tự hành. Tuy nhiên, mô hình hóa chỉ được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển động học cho robot tự hành, việc kết hợp yếu tố động lực học nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. Vì thế, mô hình hóa đã được 𝑑𝑖 ∎ suy biến bằng cách lược bỏ thành phần 𝐿 𝑎 𝑎 trong phương trình (2.6) nhờ giả 𝑑𝑡 thiết (𝐿 𝑎 ≪ 𝑅 𝑎 ), nhằm đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển. Phần cuối chương đã trình bày việc xây dựng mô hình hóa của robot tự hành, với thời gian trễ ở tín hiệu đầu vào. Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho robot tự hành với tín hiệu đầu vào trễ Kỹ thuật Backstepping được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn qua hai bước: Bước 1, sử dụng mô hình hóa động học của robot, thuật toán hồi tiếp trạng thái, và phương pháp ổn định Lyapunov để thiết kế luật điều khiển cho robot tự hành dựa trên sai số được xác định trong hệ tọa độ gốc (OXY). Bước 2, luật điều khiển của bước 1 được định nghĩa thành tín hiệu đầu vào mong muốn, sử dụng mô hình hóa động lực học, kỹ thuật MRAC, và phương pháp ổn định Lyapunov để thiết kế luật điều khiển của robot, nhằm điều khiển các trạng thái của mô hình động lực học bám theo tín hiệu đầu vào mong muốn đã 13
được định nghĩa. Qua đó, vị trí của robot tự hành được đảm bảo để bám theo quỹ đạo mong muốn, trong khi luật điều khiển của robot được thiết kế dựa trên cả yếu tố động học và động lực học của nó. Trong đó, vấn đề cần giải quyết của luận án được thực hiện ở bước 2. 3.1 Thuật toán bám theo quỹ đạo mong muốn Mô hình động học của robot tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn được mô tả như trong Hình 3.1. Hình 3.1 Sai số giữa vị trí robot và quỹ đạo mong muốn Định nghĩa 𝒒 𝒓 ≜ [𝑥 𝑟 𝑦𝑟 𝜃 𝑟 ] 𝑇 là vị trí tức thời thuộc quỹ đạo mong muốn, quỹ đạo mong muốn của robot tự hành được tạo ra bởi phương trình động học của robot ảo như sau: 𝑥̇ 𝑟 𝑣 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑟 𝒒̇ 𝒓 = [ 𝑦̇ 𝑟 ] = [ 𝑣 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑟 ] (3.1) 𝜃̇ 𝑟 𝜔𝑟 Gọi 𝒒 𝒄 ≜ [𝑥 𝑐 𝑦𝑐 𝜃] 𝑇 là vectơ vị trí của robot tự hành, vectơ sai số bám theo quỹ đạo 𝒆 𝒒 ≜ [ 𝑒 𝑥 𝑒𝑦 𝑒 𝜃 ] 𝑇 ∈ ℝ3×1 được xác định như sau: 𝑒𝑥 𝒆 𝒒 = [ 𝑒 𝑦 ] = 𝑯(𝒒 𝒓 − 𝒒 𝒄 ) (3.2) 𝑒𝜃 Với 𝑯 là ma trận chuyển đổi vị trí từ hệ trục tọa độ gốc sang hệ trục tọa độ robot, xác định bởi: 14
𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 0 𝑯 = [−𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 0] (3.3) 0 0 1 Luật điều khiển của bộ điều khiển động học được chọn như sau: 𝑣 𝑣 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝑒 𝜃 + 𝑘1 𝑒 𝑥 [ ]=[ 𝜔 𝑟 + 𝑣 𝑟 𝑘2 𝑒 𝑦 + 𝑘3 𝑠𝑖𝑛𝑒 𝜃 ] (3.4) 𝜔 Trong đó, 𝑘1 , 𝑘2 , 𝑘3 là hằng số dương. Hàm Lyapunov được đề xuất để phân tích tính ổn định luật điều khiển (3.4) được cho bởi: 1 2 1 2 1 − 𝑐𝑜𝑠𝑒 𝜃 𝑉𝑞 = 𝑒 + 𝑒 + (3.5) 2 𝑥 2 𝑦 𝑘2 Nội dung chứng minh tính ổn định đã không được trình bày trong tài liệu tóm tắt này, do giới hạn số trang theo quy định. 3.2 Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định Hệ thống tham chiếu là thành phần quan trọng của kỹ thuật MRAC, được thiết kế sao cho đáp ứng của nó, bám theo tín hiệu đầu vào mong muốn của hệ thống cần được điều khiển. Từ đó, đáp ứng của hệ thống cần được điều khiển có thể bám theo tín hiệu đầu vào mong muốn, nhờ “học theo” đáp ứng của hệ thống tham chiếu, thông qua luật điều khiển thích nghi và các thông số độ lợi có khả năng cập nhật theo thời gian. Khác với hệ thống tham chiếu truyền thống, trong luận án này, tác giả đã đề xuất hệ thống tham chiếu, với hệ thống đơn giản một ngõ vào – một ngõ ra, nó có dạng như sau: 0 𝑥̇ 𝑚 (𝑡) = 𝑎 𝑚 𝑥 𝑚 (𝑡) + 𝑏 𝑚 𝑟(𝑡 − 𝜏) + 𝑟̇ ( 𝑡) + 𝑏 𝑚 ∫ 𝑟̇ ( 𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂 (3.6) −𝜏 0 Trong đó, các thành phần 𝑏 𝑚 𝑟(𝑡 − 𝜏), 𝑟̇ ( 𝑡), 𝑏 𝑚 ∫ 𝑟̇ ( 𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂 được điều −𝜏 chỉnh và thêm mới, so với hệ thống tham chiếu truyền thống – sử dụng thành phần 𝑏 𝑚 𝑟(𝑡), nhằm giúp hệ thống tham chiếu có khả năng bám sát tín hiệu đầu vào mong muốn, biến thiên theo thời gian và có thời gian trễ. Sử dụng các biến đổi đại số và áp dụng qui tắc tích phân của Leibniz, phương trình động lực học của sai số 𝑒 𝑚 (𝑡) ≜ 𝑥 𝑚 (𝑡) − 𝑟(𝑡) được mô tả như sau: 15
𝑒̇ 𝑚 (𝑡) = 𝑎 𝑚 𝑒 𝑚 (𝑡) + (𝑎 𝑚 + 𝑏 𝑚 )𝑟(𝑡) (3.7) Hàm Lyapunov được đề xuất để phân tích tính ổn định của hệ thống tham chiếu xác định bởi: 1 2 𝑉 𝑚 (𝑡) = 𝑒 (𝑡) (3.8) 2 𝑚 Nội dung chứng minh tính ổn định đã không được trình bày trong tài liệu tóm tắt này, do giới hạn số trang theo quy định. 3.3 Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành Đây là bước 2 của kỹ thuật Backstepping, tiếp nối bước 1 đã được trình bày ở tiểu mục 3.1. Đầu tiên, vận tốc di chuyển yêu cầu cho robot tự hành, xác định bằng luật điều khiển dựa trên mô hình động học ở phương trình (3.4), được định nghĩa thành tín hiệu đầu vào mong muốn 𝒛 𝒅 (𝑡) ∈ ℝ2×1 của mô hình động lực học. 𝒛 𝒅 (𝑡) = [𝑣 ̂(𝑡) ̂(𝑡)] 𝑇 𝜔 (3.9) Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định được thiết kế cho hệ thống (2.15) theo phương pháp đã đề xuất ở tiểu mục 3.2 như sau: 0 𝒛̇ 𝒎 (𝑡) = 𝑨 𝒎 𝒛 𝒎 (𝑡) + 𝑩 𝒎 𝒛 𝒅 (𝑡 − 𝜏) + 𝒛̇ 𝒅 (𝑡) + 𝑩 𝒎 ∫ 𝒛̇ 𝒅 (𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂 (3.10) −𝜏 Gọi 𝚯(𝑡) ≜ [ 𝚯 𝒛 (𝑡) 𝚯 𝒓 (𝑡) 𝚯 𝝃 (𝑡)] 𝑇 ∈ ℝ6×2 là ma trận thông số độ lợi được cập nhật theo thời gian để đảm bảo đặc tính động lực học của hệ thống (2.15) bám theo đặc tính động lực học của hệ thống (3.10). Ma trận thông số độ lợi được cập nhật để đạt giá trị lý tưởng 𝚯∗ ≜ [ 𝚯∗𝒛 𝚯∗𝒓 𝚯∗𝝃 ] 𝑇 ∈ ℝ6×2 sao cho thỏa mãn điều kiện sau: 𝑨 + 𝑩𝚯∗𝒛 − 𝑨 𝒎 = 0, 𝑩𝚯∗𝒓 − 𝑩 𝒎 = 0, 𝑩𝚯∗𝝃 − 𝑰 = 0 (3.11) Vectơ sai số trạng thái 𝒆(𝑡) ∈ ℝ2×1 giữa hai hệ thống (2.15) và (3.10) cần được điều khiển để giảm về 0, định nghĩa như sau: 𝒆(𝑡) = 𝒛(𝑡) − 𝒛 𝒎 (𝑡) (3.12) Lấy đạo hàm bậc 1 phương trình (3.12) và sử dụng các biến đổi đại số, phương trình mô tả động lực học sai số được xác định như sau: 16
𝒆̇ (𝑡) = 𝑨 𝒎 𝒆(𝑡) + 𝑩(𝒖(𝑡) − 𝚯∗𝒛 𝒛(𝑡) − 𝚯∗𝒓 𝒛 𝒅 (𝑡 − 𝜏)) − 𝑩 𝒎 𝚯∗𝒓 −𝟏 (𝒖(𝑡) − 𝒖(𝑡 − 𝜏)) + 𝑩 𝒎 𝝃(𝑡)(𝒖(𝑡) − 𝒖(𝑡 − 𝜏)) (3.13) 0 − 𝒛̇ 𝒅 (𝑡) − 𝑩 𝒎 ∫ 𝒛̇ 𝒅 (𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂 − 𝑩 𝒎 𝝃(𝑡)(𝒖(𝑡) − 𝒖(𝑡 − 𝜏)) −𝜏 Trong đó, 𝝃(𝑡) ∈ ℝ2×2 là thông số độ lợi liên quan đến sai lệch giá trị giữa tín hiệu điều khiển tại thời điểm hiện tại 𝒖(𝑡) và tại thời điểm trễ 𝒖(𝑡 − 𝜏), được định nghĩa 𝚫𝒖(𝑡) = 𝒖(𝑡) − 𝒖(𝑡 − 𝜏) ∈ ℝ2×1 . Gọi 𝒛 𝒂 (𝑡) là tín hiệu đáp ứng của mô hình phụ trợ sử dụng các thông số của hệ thống tham chiếu (3.10) với tín hiệu đầu vào mong muốn là 𝝃(𝑡)𝚫𝒖(𝑡), mô hình phụ trợ có dạng: 𝒛̇ 𝒂 (𝑡) = 𝑨 𝒎 𝒛 𝒂 (𝑡) + 𝑩 𝒎 𝝃(𝑡)𝚫𝒖(𝑡) (3.14) Khi đó vectơ sai số đáp ứng được biến đổi như sau: ̅(𝑡) = 𝒆(𝑡) + 𝒛 𝒂 (𝑡) ∈ ℝ2×1 𝒆 (3.15) Để xây dựng luật điều khiển, vectơ trạng thái hồi tiếp được định nghĩa như sau: 𝑇 𝑇 0 𝒁(𝑡) = [ 𝒛 𝑇 (𝑡) (𝒛 𝒅 (𝑡 − 𝜏) + ∫ 𝒛̇ 𝒅 (𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂) 𝒛̇ 𝑇 (𝑡)] ∈ ℝ6×1 𝒅 (3.16) −𝜏 0 Trong đó các thành phần (𝒛 𝒅 (𝑡 − 𝜏) + ∫ 𝒛̇ 𝒅 (𝑡 + 𝜂)𝑑𝜂 ) , 𝒛̇ 𝑇 (𝑡) được bổ sung −𝜏 𝒅 thêm, so với vectơ trạng thái hồi tiếp của kỹ thuật MRAC truyền thống. Tín hiệu điều khiển và luật cập nhật thông số độ lợi cho hệ thống (2.15) được thiết kế như sau: 𝒖(𝑡) = 𝚯 𝑇 (𝑡)𝒁(𝑡) (3.17) ̇ 𝚯(𝑡) = −(𝝈(𝑡) + 𝝈̇ (𝑡) + 𝝈̇ (𝑡 − 𝜏)) ∈ ℝ6×2 𝝃̇(𝑡) = −(𝝇(𝑡) + 𝝇̇ (𝑡) + 𝝇̇ (𝑡 − 𝜏)) ∈ ℝ2×2 (3.18) ̅ 𝑇 (𝑡)𝑷𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑩)𝚪 6×2 𝝈(𝑡) = 𝒁(𝑡)𝒆 𝟏 ∈ℝ 𝝇(𝑡) = 𝚪 𝟐 𝑩 𝑇𝒎 𝑷𝒆 ̅(𝑡)𝚫𝒖 𝑇 (𝑡) ∈ ℝ2×2 Hàm Lyapunov được đề xuất để chứng minh tính ổn định của hệ thống (2.15) được mô tả như sau: 17
𝑉(𝑡) = 𝑉1 (𝑡) + 𝑉2 (𝑡) + 𝑉3 (𝑡) 𝑡 𝑉1 (𝑡) = ̅ 𝒆 𝑇 (𝑡)𝑷𝒆 ̅(𝑡) 𝒆 ̅𝒆 + ∫ ̅ 𝑻 (𝜂)𝑸 ̅(𝜂)𝑑𝜂 𝑡−𝜏 𝑡 (3.19) 𝑉2 (𝑡) = ̃(𝑡)𝚪 −1 |𝑩|𝝈 𝑇 (𝑡)) + 𝑇𝑟 (𝝈 𝟏 ̃ ∫ 𝑇𝑟 (𝝈(𝜂)𝚪 −1 |𝑩|𝝈 𝑇 (𝜂)) 𝑑𝜂 𝟏 𝑡−𝜏 𝑡 𝑇 (𝑡)𝚪 −1 ̃(𝑡)) 𝑉3 (𝑡) = 𝑇𝑟 (𝝇 ̃ 𝟐 𝝇 + ∫ 𝑇𝑟 (𝝇 𝑇 (𝜂)𝚪 −1 𝝇(𝜂)) 𝑑𝜂 𝟐 𝑡−𝜏 Trong đó, 𝑇𝑟(∗) là hàm kí hiệu của hàm Trace và: ̃(𝑡) ≜ ̃ (𝑡) + 𝝈(𝑡) + 𝝈(𝑡 − 𝜏) ∈ ℝ6×2 𝝈 𝚯 (3.20) ̃(𝑡) ≜ ̃𝝃(𝑡) + 𝝇(𝑡) + 𝝇(𝑡 − 𝜏) ∈ ℝ2×2 𝝇 Nội dung chứng minh tính ổn định đã không được trình bày trong tài liệu tóm tắt này, do giới hạn số trang theo quy định. 3.4 Kết luận chương 3 Chương này tác giả đã trình bày hai bước thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn cho robot tự hành, sử dụng kỹ thuật Backstepping. Trong đó, đóng góp mới của luận án thể hiện ở bước 2, bao gồm hệ thống tham chiếu, luật điều khiển, và luật cập nhật thông số độ lợi, được đề xuất khác với kỹ thuật MRAC truyền thống, nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống có tín hiệu đầu vào trễ và các thông số vật lí của mô hình hóa không thể xác định chính xác. Chương 4 Kết quả 4.1 Cấu trúc hệ thống 4.1.1 Cấu hình điều khiển qua mạng Trong nội dung nghiên cứu của luận án này, tác giả chọn cấu hình điều khiển như mô tả ở Hình 4.1. Bộ điều khiển trung tâm nhận giá trị đo được từ cảm biến được gửi từ bộ điều khiển cấp thấp của robot tự hành thông qua mạng. Luật điều khiển dựa trên mô hình động học, tính toán vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc yêu cầu và được định nghĩa thành tín hiệu đầu vào mong muốn của mô hình động lực học. 18