Điều khiển từ xa có phản hồi lực trong môi trường truyền thông có trễ

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn: “Điều khiển từ xa có phản hồi lực môi trường truyền thông có trễ” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Việt Phương Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 24 tháng 03 năm 2015 Học viên Phạm Trường Giang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG KÝ HIỆU LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VẬN HÀNH TỪ XA 10 1.1 Tổng quan 10 1.2 Ứng dụng hệ thống vận hành từ xa 11 1.2.1 Ứng dụng y học 11 1.2.2 Ứng dụng việc khám phá đại dương 12 1.2.3 Ứng dụng vũ trụ 12 1.3 Vấn đề gặp phải 14 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THỤ ĐỘNG VÀ HỆ LTI CÓ TRỄ 16 2.1 Lý thuyết thụ động 16 2.1.1 Hệ thụ động 16 2.1.2 Ghép nối hệ thống thụ động 17 2.1.3 Nối tầng thành phần mạng hai cửa 18 2.1.4 Hệ LTI thụ động 20 a) Khái niệm hệ tuyến tính thụ động 20 b) Khái niệm hàm thực dương 21 2.2 Khảo sát hệ LTI có trễ 22 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG VẬN HÀNH TỪ XA CÓ PHẢN HỒI LỰC 26 3.1 Hệ vận hành song phương trễ 26 3.1.1 Mô hình master slave 28 3.1.2 Phản hồi lực hệ vận hành từ xa song phương 29 3.1.3 Phản hồi thông tin lực tiếp xúc thông qua lực đặt cho slave 31 3.1.4 Hệ vận hành song phương môi trường truyền thông trễ 33 3.2 Hệ vận hành từ xa có phản hồi lực có trễ truyền thông 34 3.3 Sự ổn định gây thời gian trễ sở lý thuyết thụ động 35 CHƯƠNG 4: ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG VẬN HÀNH TỪ XA TRỄ HẰNG SỐ TRÊN CƠ SỞ BIẾN SÓNG 39 4.1 Định nghĩa biến sóng tán xạ sóng 40 4.2 Điều kiện thụ động 41 4.3 Truyền thông sóng 43 4.3.1 Định nghĩa 44 4.3.2 Tính thụ động 45 4.4 Hệ thống vận hành master-slave miền sóng 45 4.4.1 Sơ đồ hệ thống vận hành từ xa 46 4.4.2 Sự phản xạ sóng phù hợp trở kháng 47 CHƯƠNG 5: ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG VẬN HÀNH TỪ XA TRỄ BIẾN THIÊN BẰNG BỘ LỌC TÁI TẠO NĂNG LƯỢNG 49 5.1 Thời gian trễ biến thiên 49 5.1.1 Trễ biến thiên không xử lý 49 a) Giải thích theo biến sóng 49 b) Chứng minh theo công thức 51 5.1.2 Tích phân sóng 52 5.1.3 Truyền tích phân sóng 52 5.2 Bộ lọc tái tạo 54 5.2.1 Đáp ứng xung 54 5.2.2 Thực rời rạc hóa 56 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK 58 6.1 Mô hệ thống có phản hồi lực có trễ trễ 58 6.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 58 6.1.2 Kết mô 59 a) Trường hợp slave di chuyển môi trường tự 59 b) Trường hợp slave tiếp xúc với môi trường 62 6.2 Mô hệ thống vận hành song phương sử dụng biến sóng 66 6.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 66 6.2.2 Kết mô 67 6.3 Mô hệ thống vận hành từ xa với trễ biến thiên có sử dụng lọc tái tạo lượng 72 6.3.1 Sơ đồ cấu trúc 72 6.3.2 Kết mô 73 KẾT LUẬN 76 PHỤ LỤC 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống vận hành từ xa 10 Hình 1.2 Robot phẫu thuật điều khiển từ xa ứng dụng Canada 11 Hình 1.3 Tàu ngầm thám hiểm đại dương Hemire Hàn Quốc 12 Hình 1.4 Hai người máy robonaut trung tâm vũ trụ Johnson Houston, Mỹ 13 Hình 1.5 Robot Curiosity thám hiểm bề mặt Hỏa Nasa 14 Hình 2.1 Hệ thống có tín hiệu vào x/ y 16 Hình 2.2 Ghép phần tử thụ động thành hệ thụ động 17 Hình 2.3 Hệ nối tầng ba phần tử 19 Hình 2.4 Hệ LTI phản hồi có trễ 22 Hình 2.5 Đồ thị Bode (a) Nyquist (b) hệ thời gian trễ 23 Hình 2.6 Đồ thị Bode (a) Nyquist (b) hệ thống thời gian trễ τ=0.2 23 Hình 2.7 Đồ thị Bode (a) Nyquist (b) hệ thống thời gian trễ τ=0.5 24 Hình 2.8 Đồ thị Bode (a) Nyquist (b) hệ thống thời gian trễ τ=1 24 Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống vận hành từ xa master-slave có phản hồi lực 26 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ vận hành từ xa 27 Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển slave mô Simulink 29 Hình 3.4 Đáp ứng đầu vận tốc slave 29 Hình 3.5 Cấu trúc phản hồi trực tiếp lực tương tác slave môi trường 30 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc tương đương phía slave-môi trường 30 Hình 3.7 Đặc tính Nyquist phía slave-môi trường 31 Hình 3.8 Cấu trúc vận hành từ xa có phản hồi lực 32 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc phía slave-môi trường 33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ vận hành từ xa có phản hồi lực môi trường truyền thông không trễ 33 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc hệ vận hành từ xa master-slave có trễ 35 Hình 3.12 Khối truyền thông chuẩn cho phản hồi lực 36 Hình 4.1 Phép chuyển đổi biến lượng (𝒙, 𝑭) sang biến sóng (u,v) 40 Danh mục hình vẽ Hình 4.2 Các hệ thống miền lượng miên sóng kiểm tra tính thụ động trực tiếp miền tương ứng 41 Hình 4.3 Cấu trúc truyền dẫn có trễ biến sóng 44 Hình 4.4 Sơ đồ tổng quất hệ thống vận hành từ xa miền sóng 46 Hình 4.5 Sơ đồ hệ vận hành từ xa miền sóng 46 Hình 5.1 Trễ thời gian biến thiên miền sóng 49 Hình 5.2 Sơ đồ truyền tích phân lượng sóng 53 Hình 5.3 Các đáp ứng xung cho lọc tái tạo với tham số khác 55 Hình 6.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực 58 Hình 6.2 Lực người vận hành đặt vào cấu master có dạng tín hiệu step 59 Hình 6.3 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực với giá trị thời gian trễ truyền thông khác slave di chuyển tự 62 Hình 6.4 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực với giá trị thời gian trễ truyền thông khác trường hợp slave tiếp xúc với môi trường 66 Hình 6.5 Cấu trúc truyền sóng với điều khiển vị trí phía slave 67 Hình 6.6 Phép biến đổi sang miền sóng ngược lại 67 Hình 6.7 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực miền sóng70 Hình 6.8 Đáp ứng hệ thống với trở kháng sóng b thay đổi 72 Hình 6.9 Cấu trúc hệ vận hành từ xa master-slave có sử dụng lọc tái tạo lượng để ổn định với trễ biến thiên 73 Hình 6.10 Biến thiên thời gian trễ T theo thời gian 73 Hình 6.11 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực với trễ biến thiên sử dụng lọc tái tạo lượng 75 Danh mục bảng ký hiệu DANH MỤC BẢNG KÝ HIỆU Bảng 3.1 Các biến tham số hệ vận hành từ xa 27 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Một hệ thống vận hành từ xa giúp người thao tác điều khiển cấu khoảng cách xa Từ mô hình đời vào năm 40, có nhiều công trình nghiên cứu hệ thống từ xa làm cho ứng dụng mở rộng trở thành nhánh thiếu khoa học đại Một mục tiêu hệ thống vận hành từ xa đặt phản hồi lực cho người vận hành, làm tăng nhận thức cho người vận hành môi trường tác động qua cải thiện khả người vận hành việc thực nhiệm vụ phức tạp thông tin hình ảnh bị hạn chế Bên cạnh hệ thống vận hành từ xa, trễ truyền thông yếu tố thuộc chất hệ thống tồn hầu hết hệ thống vận hành từ xa Việc xuất thời gian trễ làm cho hệ ổn định việc xây dựng điều khiển đảm bảo hệ ổn định khí có thời gian trễ thách thức lớn Để ổn định hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực có trễ truyền thông, tìm hiểu lý thuyết thụ động biến sóng đồng thời xây dựng hệ thống chuyển đổi thông tin điều khiển biến sóng Các biến sóng mã hóa cách cung cấp bền vững với thời gian trễ Sau xem xét phản hồi lực, phù hợp trở kháng, xây dựng cấu trúc cho hệ thống vận hành từ xa với lọc tái tạo lượng giúp cho hệ thống ổn định với thời gian trễ truyền thông biến thiên Đó mục tiêu, nhiệm vụ luận văn “ Điều khiển từ xa có phản hồi lực môi trường truyền thông có trễ” Nội dung luận văn em gồm chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống vận hành từ xa Chương 2: Lý thuyết thụ động hệ LTI có trễ Chương 3: Hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực Chương 4: Ổn định hệ thống vận hành từ xa trễ số sở biến sóng Lời nói đầu Chương 5: Ổn định hệ thống vận hành từ xa trễ biến thiên lọc tái tạo lượng Chương 6: Mô Matlab-Simulink Sau thời gian cố gắng, với giúp đỡ thầy TS Phạm Việt Phương, em hoàn thành luận văn Tuy nhiên thời gian có hạn hạn chế kiến thức, kinh nghiệm nên không tránh khỏi thiếu sót Vì em mong thầy cô bảo để luận văn hoàn thiện Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Việt Phương tạo điều kiện giúp đỡ em suốt thời gian làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 24 tháng 03 năm 2015 Học viên Phạm Trường Giang Chương 1: Giới thiệu hệ thống vận hành từ xa CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VẬN HÀNH TỪ XA 1.1 Tổng quan Một hệ thống vận hành từ xa bao gồm: người vận hành, robot-chủ hay ta gọi robot-master, khối truyền thông, robot-tớ hay robot-slave môi trường Trong hệ thống người vận hành tác dụng lực lên robot-master tín hiệu robot-master nhận truyền qua khối truyền thông để điều khiển robotslave Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống vận hành từ xa Hệ thống vận hành từ xa bắt nguồn từ năm 40, mà Goertz xây dựng hệ thống vận hành master-slave sau có nhiều nghiên cứu lĩnh vực tiến hành Năm 1954, phiên cải tiến với phân tách khí master-slave phản hồi lực tín hiệu điện thực Trong nhiều trường hợp, để cải thiện hiệu suất công việc, lực tiếp xúc slave với môi trường phản ánh trở lại với người vận hành, việc làm tăng nhận thức người vận hành từ cải thiện khả việc thực nhiệm vụ phức tạp, cụ thể mà thông tin hình ảnh bị hạn chế Trong trường hợp hệ thống gọi hệ vận hành từ xa song phương Tuy nhiên từ năm 60 vấn đề quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng trễ hệ thống vận hành từ xa Một thời gian dài sau đó, nhà khoa học gặp khó khăn việc nghiên cứu phức tạp việc phân tích hệ thống có xuất trễ truyền thông Mãi đến năm 80, phương pháp điều khiển tiên tiến áp dụng, ví dụ lý thuyết Lyapunov, mô hình nội ảo đặc biệt lý thuyết tán xạ, điều khiển dựa lý thuyết thụ động [1],[2] mở phương pháp ổn định cho hệ thống vận hành từ xa với trễ Từ đến 10 Chương 6: Mô Matlab-Simulink Không tương tác với môi trường T=0.2s T=1s 3.5 3.5 Master Slave 2.5 Position Position 2.5 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 Master Slave 10 Time 15 0 20 20 0.2 0.2 Master Slave 0.15 Master Slave Velocity 0.15 Velocity 15 Đáp ứng vị trí Đáp ứng vị trí 0.1 0.1 0.05 0.05 0 10 Time 10 Time 15 0 20 10 Time 15 Đáp ứng vận tốc Đáp ứng vận tốc 68 20 Chương 6: Mô Matlab-Simulink 0.7 0.7 Master Slave 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 10 Time 15 Master Slave 0.6 Force Force 0.6 0 20 Đáp ứng lực 10 Time 15 20 Đáp ứng lực Slave tiếp xúc với môi trường T=0.2s T=1s 3.5 Master Slave 2.5 2.5 Position Position Master Slave 1.5 1.5 1 0.5 0 0.5 10 Time 15 0 20 Đáp ứng vị trí 10 Time Đáp ứng vị trí 69 15 20 Chương 6: Mô Matlab-Simulink 0.2 0.2 0.15 Master Slave Velocity Velocity 0.15 0.1 0.05 Master Slave 0.1 0.05 0 10 Time 15 0 20 Đáp ứng vận tốc 15 20 Đáp ứng vận tốc 0.7 0.7 Master Slave 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 10 Time 15 Master Slave 0.6 Force Force 10 Time 0 20 Đáp ứng lực 10 Time 15 Đáp ứng lực Hình 6.7 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực miền sóng Nhận xét: - Trong hai trường hợp slave tiếp xúc không tiếp xúc với môi trường đáp ứng slave bám theo master Như phương pháp biến sóng giúp hệ thống ổn định với thời gian trễ số - Tuy nhiên thời gian trễ tăng sai lệch đáp ứng tăng theo 70 20 Chương 6: Mô Matlab-Simulink Khảo sát ảnh hưởng trở kháng sóng b chất lượng hệ thống b=10 ( T=1, slave tiếp xúc b=3 (T=1, slave tiếp xúc với môi trường) với môi trường) 3.5 Master Slave 2.5 Master Slave 2.5 Position Position 1.5 1.5 1 0.5 0 0.5 10 Time 15 0 20 0.2 20 0.2 0.15 0.15 Master Slave Velocity Velocity 15 Đáp ứng vị trí Đáp ứng vị trí 0.1 0.05 0 10 Time Master Slave 0.1 0.05 10 Time 15 0 20 Đáp ứng vận tốc 10 Time 15 Đáp ứng vận tốc 71 20 Chương 6: Mô Matlab-Simulink 0.8 0.7 Master Slave 0.7 Master Slave 0.6 0.6 0.5 Force Force 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 10 Time 15 0 20 Đáp ứng lực 10 Time 15 Đáp ứng lực Hình 6.8 Đáp ứng hệ thống với trở kháng sóng b thay đổi Nhận xét: - Khi thay đổi hệ số b đáp ứng slave bám theo master, hệ thống ổn định - Khi hệ số b ≠ 𝐵𝑚(𝑠) ( thành phần tắt dần master, slave) chất lượng hệ thống không tốt nữa, ảnh hưởng sóng phản xạ gây trở kháng không phù hợp làm hệ thống trở nên dao động 6.3 Mô hệ thống vận hành từ xa với trễ biến thiên có sử dụng lọc tái tạo lượng 6.3.1 Sơ đồ cấu trúc 72 20 Chương 6: Mô Matlab-Simulink Bộ lọc tái tạo lượng T(t) T(t) Slave Controller Master Bộ lọc tái tạo lượng _ Chuyển đổi sóng T(t) Slave Môi trường + Chuyển đổi sóng T(t) Hình 6.9 Cấu trúc hệ vận hành từ xa master-slave có sử dụng lọc tái tạo lượng để ổn định với trễ biến thiên Cấu trúc sử biến sóng giúp hệ thống ổn định với trễ số Khi trễ biến thiên hệ thống lại trở nên ổn định khối truyền thông không thụ động (xem mục 5.1) Khi sử dụng lọc tái tạo lượng giúp khối truyền thông trở nên thụ động Mô hình lọc tái tạo xây dựng dựa biểu thức 5.14 Ta xây dựng hàm trễ tăng theo thời gian sau: 1.4 1.2 Time delay 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 Time 20 25 30 Hình 6.10 Biến thiên thời gian trễ T theo thời gian 6.3.2 Kết mô 73 Chương 6: Mô Matlab-Simulink Slave chuyển động tự Slave tiếp xúc với môi trường 5 4 3 Position Position Master Slave 0 Master Slave 10 15 Time 20 25 0 30 Đáp ứng vị trí 20 25 30 0.2 Master Slave 0.15 Master Slave Velocity 0.15 Velocity 15 Time Đáp ứng vị trí 0.2 0.1 0.1 0.05 0.05 0 10 10 15 Time 20 25 0 30 10 15 Time 20 Đáp ứng vận tốc Đáp ứng vận tốc 74 25 30 Chương 6: Mô Matlab-Simulink 0.7 0.7 Master Slave 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 10 15 Time 20 25 Master Slave 0.6 Force Force 0.6 0 30 Đáp ứng lực 10 15 Time 20 25 Đáp ứng lực Hình 6.11 Kết mô hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực với trễ biến thiên sử dụng lọc tái tạo lượng Nhận xét: Trong hai trường hợp vận tốc, vị trí lực slave bám tốt master, sai lệch lực phản xạ đáng kể Như phương pháp hoàn toàn chấp nhận chất lượng đáp ứng tốt Kết luận: Trong chương ta trình bày kết mô với sơ đồ cấu trúc đưa chương 3,4,5 qua kiểm chứng tính đắn hai phương pháp biến sóng thời gian trễ số lọc tái tạo lượng thời gian trễ biến thiên Tuy nhiên có thành phần nhiễu vào tín hiệu truyền thông làm thông tin lực, vận tốc không đảm bảo làm hệ thống ổn định 75 30 Chương 6: Mô Matlab-Simulink KẾT LUẬN Luận văn rõ vấn đề hệ thống vận hành phản hồi lực diện đáng kể thời gian trễ Phản hồi lực thường xem xét mang đến lợi ích cho người vận hành, thường tránh vấn đề ổn định gây trễ Trong giải pháp ổn định thông thường đối hệ thống cụ thể với hiệu suất chấp nhận với trễ lớn lên tới vài giây thất bại Việc phát triển khái niệm biến sóng cho phép giải vấn đề xây dựng hệ thống bền vững với thời gian trễ tùy ý cung cấp vận hành đáng tin cậy Kết đạt - Dựa công cụ lý thuyết thụ động đưa cấu trúc chuẩn hệ thống vận hành từ xa, phân tích động học hệ thống - Chỉ ổn định hệ thống gây khối truyền thông không thụ động - Một cấu trúc hệ thống vận hành xây dựng dựa sở biến sóng tán xạ sóng giúp cho hệ thống ổn định với thời gian trễ không đổi - Giải toán ổn định với trễ biến thiên lọc tái tạo - Một số kết mô matlab/Simulink trình bày minh họa cho thảo luận trước Hướng phát triển đề tài: - Tiến hành thực nghiệm: Xây dựng hệ thống vận hành từ xa masterslave để kiểm chứng lý thuyết phục vụ cho nghiên cứu, phát triển - Nâng cao hiệu suất hệ thống: Đưa chiến lược điều khiển nâng cao khả bám slave so với master nâng cao hiệu suất khả cảm nhận người vận hành 76 Kết luận - Truyền thông mạng: Sự phát triển truyền thông việc sử dụng mạng chuyển mạch gói, ví dụ mạng internet Vấn đề khó khăn lớn thời gian trễ ngẫu nhiên gói liệu - Điều khiển chia sẻ: Xây dựng liên kết sóng cho phép chia sẻ việc điều khiển robot slave từ nhiều người vận hành Ví dụ thực nhiệm vụ khó khăn chuyên gia xa xem hỗ trợ điều khiển cho người vận hành địa phương - Mở rộng hệ thống bao gồm master với nhiều đối tượng slave 77 Phụ lục PHỤ LỤC Các sơ đồ matlab/Simulink mô hệ thống Hình A.1 Sơ đồ mô hệ thống vận hành từ xa phản hồi lực có trễ Hình A.2 Sơ đồ mô hệ thống vận hành phản hồi lực sở biến sóng 78 Phụ lục Hình A.3 phép chuyển đổi sóng địa phương Hình A.4 phép chuyển đổi sóng xa Hình A.5 Sơ đồ simulink hệ thống vận hành từ xa có phản hồi lực với thời gian trễ biến thiên có sử dụng lọc tái tạo lượng 79 Phụ lục Hình A.6 Mô hình lọc tái tạo lượng (Energy Conserving Filter) Các tham số mfile 2.1 Các tham số hệ thống Mm=5; % Hệ số quán tính master Ms=5; % Hệ số quán tính slave Bm=3; % Hệ số tắt dần master Bs=3;% Hệ số tắt dần slave %Tham số điều khiển PI cho vận tốc (hay PD cho vị trí) Kp=10; Ki=7; % Delay of communication T=1; % trở kháng sóng b=3; 2.2 Code lọc tái tạo lượng % Hàm tính toán lọc tái tạo lượng function u_out = Filter(U,U1,E) %#codegen delta_t=0.01; % the discrete sample time step if(U==0) u_out=0; 80 Phụ lục elseif (U