Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển robot công nghiệp có nhiều tham số bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠNG NGHIỆP CĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2018 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠNG NGHIỆP CĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TUẤN TS.NGUYỄN TRẦN HIỆP HÀ NỘI - 2018 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết viết chung với tác giả khác có đồng ý họ trước đưa vào luận án Các kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiệm Luận án tiến sĩ Kĩ thuật ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn cố PGS.TSKH: Phạm Thƣợng Cát, cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Minh Tuấn- hướng dẫn khoa học 1, TS.Nguyễn Trần Hiệp-Hướng dẫn khoa học hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả cảm ơn bạn đồng mơn, phịng đào tạo, phịng ban liên quan thuộc Viện công nghệ thông tin-Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam hỗ trợ đóng góp ý kiến để tác giả hồn thành luận án Tác giả cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường, bạn lãnh đạo khoa, đồng nghiệp nơi công tác trường đại học công nghiệp Hà Nội hỗ trợ, động viên, giúp đỡ trình làm nghiên cứu sinh Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiệm Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ý nghĩa Ký hiệu Đơn vị 3 Góc quay robot bánh xe rad 4 Góc quay trục Pan rad 5 Góc quay trục Tilt rad Jc Ma trận Jacobi camera Jim Ma trận Jacobi đặc trưng ảnh δ Véc tơ tọa độ đặc trưng ảnh m u,v Tọa độ điểm ảnh m  Mô men khớp quay N.m o Mô men điều khiển đại lượng biết trước N.m 1 Mô men điều khiển bù đại lượng bất định N.m f Tiêu cự thấu kính camera m qd Vận tốc góc khớp mong muốn m/s q Vận tốc khớp thực bệ Pan-Tilt m/s ro Tọa độ mục tiêu hệ tọa độ bệ Pan-Tilt m ro Tọa độ mục tiêu hệ tọa độ camera m i Dòng điện phần ứng động chiều A UE Điện áp điều khiển phần ứng động chiều V R Điện trở phần ứng động chiều Ω tE Thành phần tín hiệu bất định động chiều V L Điện cảm phần ứng động chiều H w c Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải nội dung PBVS Position- based visual servoing -servo thị giác dựa vị trí IBVS Image-based visual servoing - servo thị giác dựa ảnh WMR Wheeled mobile robot di động bánh xe TSMC Terminal sliding mode control- phương pháp điều khiển trượt đầu cuối RBFNN Radial basic funtion neural network-mạng nơ ron RBF SMC Sliding mode control-điều khiển trượt ANN Artificial neural network-mạng nơ ron nhân tạo MIMO Multi input multi output- hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu BP Back propagation-lan truyền ngược GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền RBF Radial basic function - Hàm bán kính sở Luận án tiến sĩ Kĩ thuật v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài 3 Đối tượng nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết tính luận án Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Một số ứng dụng robot 1.2.1 Trong công nghiệp 1.2.2 Các ứng dụng phịng thí nghiệm 1.2.3 Ứng dụng công nghệ hạt nhân 1.2.4 Ứng dụng nông nghiệp 1.2.5 Ứng dụng thám hiểm không gian 1.2.6 Ứng dụng thiết bị lặn 10 1.2.7 Ứng dụng giáo dục 10 1.2.8 Ứng dụng hỗ trợ người khuyết tật 10 1.3 Mơ hình robot với nhiều tham số bất định 15 1.4 Tình hình nghiên cứu nước nước 10 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 11 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 11 1.5 Các nội dung nghiên cứu luận án 19 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật vi CHƢƠNG MÔ HÌNH HĨA CHUYỂN ĐỘNG VI PHÂN CỦA TAY MÁY DI ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ LUẬT VISUAL SERVOING MỚI ĐỂ BÁM THEO MỤC TIÊU DI ĐỘNG 29 2.1 Thị giác máy điều khiển hệ robot - camera 29 2.1.1 Các khái niệm thị giác máy 29 2.1.2 Các hệ thị giác máy 30 2.2 Mơ hình hóa chuyển động vi phân camera tay máy chuyển động thiết kế hệ servo thị giác bám mục tiêu di động 35 2.2.1 Mô tả hệ tọa độ 35 2.2.2 Chuyển động vi phân 36 2.2.3 Tính tốn đạo hàm đặc trưng ảnh 41 2.3 Đề xuất luật điều khiển 43 2.3.1 Phát biểu toán 43 2.3.2 Luật điều khiển động học 44 2.3.3 Luật điều khiển động lực học 46 2.3.4 Xét tính ổn định 47 2.4 Mô phương pháp điều khiển 48 2.5 Kết luận chương 51 CHƢƠNG 52 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT GẮN CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 52 3.1 Mạng nơ ron nhân tạo 52 3.1.1 Mơ hình nút nơ ron 54 3.1.2 Cấu trúc mạng nơ rơn 56 3.1.3 Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo 57 3.1.4 Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function Networks) 58 3.2 Mạng nơron điều khiển robot 60 3.3 Điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định 68 3.3.1 Đặt vấn đề 68 3.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động 69 3.3.3 Thuật điều khiển tốc độ hệ robot-camera bám mục tiêu di động 71 3.3.4 Thuật điều khiển visual servoing cho hệ robot có nhiều tham số bất định 73 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật vii 3.3.5 Mô hệ thống điều khiển visual sevoing Matlab 77 3.3 Kết luận chương 81 CHƢƠNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CƠNG NGHIỆP DÙNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CĨ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP HÀNH 82 4.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu 82 4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có ý tác động cấu chấp hành 85 4.2.1 Đặt vấn đề 85 4.2.2 Xây dựng mơ hình tốn học học hệ Robot-camera có tác động cấu chấp hành 86 4.2.3 Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron 89 4.2.4 Mô hệ servo thị giác có mơ hình động Matlab 92 4.2.5 Kết luận chương 95 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI NGĂN CHẶN SỰ SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MƠ HÌNH BẤT ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI 96 5.1 Tóm tắt nội dung 96 5.2 Các kiến thức 97 5.3 Thiết kế luật điều khiển 99 5.4 Phân tích ổn định .103 5.5 Mô phương pháp điều khiển 105 5.6 Kết luận chương 113 KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN 114 Các kết đạt luận án .114 Hướng phát triển luận án 115 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Quá trình xử lý ảnh thị giác rô bốt 29 Hình 2.2 Mơ hình hệ sever thị giác eye-in-hand 31 Hình 2.3 Cấu trúc hệ servo vị trí ảnh 32 Hình 2.4 Cấu trúc servo đặc trưng ảnh 33 Hình 2.5 Một tay máy hai bậc tự gắn camera đặt robot di động có bánh 35 Hình 2.6 Chân đế di động hai trục tọa độ, O2X2Y2Z2 O3X3Y3Z3, khung sở 36 Hình 2.7 Mặt trước hệ trục, vị trí hướng O4X4Y4Z4 O3X3Y3Z3 38 Hình 2.8 Vị trí hướng OCXCYCZC O4X4Y4Z4, mơ hình điểm ảnh camera 39 Hình 2.9 Đồ thị mơ tả chuyển động vi phân camera qua OCXCYCZC 42 Hình 2.10 Mơ hình rơ bốt di động bám mục tiêu di động 42 Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển đề xuất visual servoing bám mục tiêu di động 44 Hình 2.12 Mơ tả quỹ đạo WMR (màu xanh) mục tiêu bay (đỏ) không gian 3D 46 Hình 2.13 Quỹ đạo chuyển động đặc trưng ảnh mặt phẳng ảnh 46 Hình 2.14 Đặc tính  = v – vd theo thời gian 50 Hình 2.15 Đặc tính mơ men theo thời gian 50 Hình 3.1 Cấu trúc mạng RBF 59 Hình 3.5 Hệ robot gắn camera 69 Hình 3.6 Mơ hình tạo ảnh camera 70 Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ hệ robot-camera 73 Hình 3.8 Mạng RBF xấp xỉ hàm f  75 Hình 3.9 Cấu trúc hệ visual servoing điều khiển camera bám mục tiêu di động có nhiều tham số bất định 77 Hình 3.10 Quỹ đạo đặc trưng ảnh 79 Hình 3.11 Đăc tính vận tốc khớp 79 Hình 3.12 Đặc tính momen khớp 79 Hình 3.13 Sự thay đổi trọng số mạng nơ ron 80 Hình 3.14 Sự thay đổi góc khớp 80 Hình 3.15 Sự thay đổi góc khớp 80 Hình 4.1 Đặc tính mơmen cơng suất 84 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 125 Learning mechanisms of Artificial Neural network in Control Engineering Applications”, Inter Journal of interlligent systems, Vol 15, pp 365-388 [87] M On der Efe, Okyay Kaynak (2000), “The use of variable structure systems theory in learning for computationally intelligent [88] Min-Jung Lee, Gi Hyun Hwang, Tae-Seok Jin (2008), “Design and Implementation Method”, of Manipulator Tracking Control based on Intelligent Reseachs was supported by the Program for the Training of Graduate Students in Regional Innovation with was conducted by the Ministry of Commerce Industry and Energy of the Korean government [89] Nasser Sadati, Rasoul Ghdami, Mahdi Bagherpour (2007), “Adaptive Neural Network Multiple Models Sliding Mode Control of Robotic Manipulators Using Soft Switching”, Department of Electrical Engineering, Shrif University of Thechnology, Tehran, Iran [90] P Buttolo, P.Braathen, B Hannaford (1994), “Sliding Control of Force Reflecting Teleoperation: Preliminary Stadies”, Presence, Sprinf 1994, Vol 3, Num 2, pp 158 – 172 [91] S Kawaji, K Ogasawara, Hidenobu Honda (1994), “Swing-up of pendulum using Genetic Algorithms”, Proceedings of the 33rd Conference on Decision and Control Lake Buena Vista Florida, December 1994 [92] Toshio Fukuda and Naoyuki Kubota, (1998), “Intelligent Robotic Systems, Japan-USA-Vietnam Workshop on Research and Education In System”, Computation and Control Engineering, Hanoi, 1998 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 126 PHỤ LỤC CHƢƠNG Sơ đồ mô matlab-simulink Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 127 Mơ hình điều khiển động học Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 128 Mơ hình điều khiển động lực học Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 129 Mơ hình cánh tay robot (Pan-Tilt) Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 130 PHỤ LỤC CHƢƠNG Sơ đồ mô hệ matlab-simulink Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 131 Bộ điều khiển Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 132 Mơ hình cánh tay robot (Pan-Tilt) Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 133 PHỤ LỤC CHƢƠNG Sơ đồ mô matlab-simulink Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 134 Mơ hình cánh tay robot (pan-tilt) Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 135 Mô hình điều khiển Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 136 Mơ hình động điện Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 137 PHỤ LỤC CHƢƠNG Sơ đồ mô matlab-simulink Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 138 Mô hình điều khiển Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 139 Mơ hình cánh tay robot Luận án tiến sĩ Kĩ thuật