Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Teleoperation (hệ thao tác từ xa) hệ thống điều khiển có tương tác khoảng cách xa, thường gặp học thuật môi trường kỹ thuật Hệ Teleoperation bao gồm hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ) Trong hệ Teleoperation Robot thực chức riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám xác quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo quỹ đạo theo mong muốn tay người thao tác, đồng thời phải giám sát việc thực nhiệm vụ Robot tớ khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ bám ngược trở lại quỹ đạo Robot tớ, đảm bảo đem lại cho người thao tác có cảm giác thực nhiễu lực tương tác môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ Ở tín hiệu điều khiển gửi qua lại Robot chủ Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80] Cho đến hệ Teleoperation có 60 năm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quân sự, nghệ thuật điêu khắc hội họa [25], [55], [64] Đặc điểm đáng lưu tâm đây, đối tượng điều khiển hệ Teleoperation đối tượng phức tạp, phi tuyến chịu tác động nhiều yếu tố bất định Mục đích yêu cầu đặt phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot tớ tổng thể hệ thống Teleoperation khác Thêm vào hệ tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông, dễ làm ổn định hệ thống Tất điều tạo nên thách thức không nhỏ việc tổng hợp luật điều khiển cho hệ Cùng với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật, nghiên cứu cho hệ Teleoperation ngày hoàn thiện với phương pháp điều khiển ứng dụng như: điều khiển thụ động, điều khiển PID, điều khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[56], [64], [65], [76], [80] Tuy nhiên nghiên cứu trước nhìn chung đưa giải pháp xây dựng điều khiển cho Robot chủ Robot tớ hoàn toàn giống chưa quan tâm đến chức nhiệm vụ riêng Robot hệ thống, đồng thời thuật toán đề xuất chưa thực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật điều khiển hệ Teleoperation cụ thể chưa xét đến ảnh hưởng đồng thời từ yếu tố như: mô hình động học phi tuyến bất định Robot chủ Robot tớ; nhiễu tác động lên hệ, trễ kênh truyền…nên toán ổn định chất lượng hệ nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu Thực tế đặt cho thấy cần xây dựng cấu trúc điều khiển đảm bảo cho hệ thống có khả kháng nhiễu, tính bền vững chịu hiệu ứng trễ đường truyền Chính luận án tập trung xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation có ` kể đến đồng thời yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chất lượng hệ thống đề cập Phạm vi, đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu hệ thao tác từ xa nói chung sâu vào hệ thống thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ kênh truyền thông số (Truyền thông qua dây dẫn xem đường truyền hữu tuyến với trễ T=const) Phạm vi nghiên cứu luận án: Luận án đề xuất cấu trúc phương pháp điều khiển cho hệ Teleoperation-SMSS đảm bảo ổn định tiệm cận cho Robot tớ; ổn định thực tế ISS cho Robot chủ toàn hệ thao tác từ xa làm việc ổn định thực tế với kênh truyền hữu tuyến (trễ T=const) Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp Thông qua nghiên cứu lý thuyết để đề xuất vấn đề cần giải xây dựng thuật toán giải vấn đề đó, kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Mục tiêu luận án Nghiên cứu xây dựng điều khiển hệ thao tác từ xa Teleoperation SMSS, đảm bảo cho hệ bền vững có khả thích nghi kháng nhiễu, hoạt động ổn định điều kiện vừa có nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài, vừa có hiệu ứng trễ kênh truyền thông, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn động học Robot chủ Robot tớ Những đóng góp lý luận thực tiễn luận án Luận án có đóng góp sau:  Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu tác động môi trường lên Robot chủ Robot tớ; đưa giải pháp bù trừ nhiễu tác động bên lên hệ thống  Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu sở đánh giá, bù nhiễu sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot tớ  Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot chủ  Đã chứng minh điều kiện đủ để toàn hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng yêu cầu đặt hệ thao tác từ xa tác động nhiễu bất định từ bên tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông Những đóng góp có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn áp dụng cho lớp đối tượng công nghiệp thực tiễn sản xuất ứng ` dụng số lĩnh vực như: tháo lắp thuốc nổ quân sự, Robot điêu khắc hội họa từ xa Bố cục luận án Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu kết luận, bố cục sau: CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ Teleoperation 1.1.1 Khái niệm hệ Teleoperation Hệ thống điều khiển cho phép người sử dụng khả tư duy, hiểu biết hoạt động chân tay tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho người có cảm giác thật tương tác người với Robot chủ Robot tớ với môi trường cho dù khoảng cách xa [64], [75] Trong thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation ứng dụng nhiều lĩnh vực khác [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90] như: điều hành Robot không gian từ mặt đất, huy phương tiện không người lái nước, xử lý vật liệu nguy hiểm, độc hại nhà máy hạt nhân, tác chiến quân sự, ứng dụng lĩnh vực khai thác sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ hệ Teleoperation ứng dụng “phẫu thuật từ xa” Hệ Teleoperation điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với cấu trúc song song Trong hệ kín, tín hiệu phản hồi vị trí, vận tốc, gia tốc Robot, lực tương tác với môi trường làm việc chí hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75] Để trao đổi thông tin qua lại Robot chủ Robot tớ có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây…) [75], [80] Trên Hình 1.1 biểu diễn mô hình hệ thống Teleoperation Người thao tác Môi trường làm việc Trễ Trễ Slave Bộ điều Master Bộ điều khiển Master Kênh truyền thông khiển Slave Hình1.1 Mô hình hệ thống Teleoperation Hiện hệ Teleoperation chia làm ba loại là: hệ SMSS (một Master + Slave), hệ MMMS (nhiều Master + nhiều Slave) hệ SMMS (một Master + nhiều Slave) ` Như hệ Teleoperation ứng dụng thực tế Hệ Teleoperation hệ phi tuyến có trễ chịu ảnh hưởng nhiễu ngoại lực bên tác động Trong luận án tập trung nghiên cứu đến hệ TeleoperationSMSS 1.1.2 Tình hình nghiên cứu giới hệ Teleoperation Trong thời gian vài thập niên vừa qua có nhiều thuật toán điều khiển đề xuất nhằm vượt qua những thách thức trở ngại đặc thù riêng hệ Teleoperation nêu Trong [44], thời gian trễ xấp xỉ hóa nhờ phương pháp Pade Tuy nhiên sai số xấp xỉ trường hợp tăng nhiều tần số cao [60] Trong số công trình [30], [37], [71] thời gian trễ kênh truyền thông xem xét nhiễu Cách giải xử lý nhiễu không mang lại hiệu mong đợi, không phản ánh hiệu ứng trễ thực tế kênh truyền thông Xử lý trễ hệ Teleoperation thực theo phương pháp sử dụng dự báo Smith [8] Tuy để áp dụng dự báo Smith, tác giả buộc phải sử dụng mô hình tuyến tính thay cho mô hình động học bất định Robot chủ Robot tớ Để hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt tính phi tuyến bất định, [14], [17] đề xuất điều khiển thích nghi Tuy công trình không bàn đến trễ kênh truyền thông [17] có xét đến trễ (T300ms) chất lượng điều khiển quỹ đạo hạn chế [14] Tương tự vậy, [60] luật điều khiển thích nghi tổng hợp sở tuyến tính hóa mô hình động học Robot chủ Robot tớ, đáp ứng yêu cầu đặt cho hệ thao tác từ xa với đối tượng phi tuyến bất định Một số công trình xuất thời gian gần đây, liên quan đến điều khiển thích nghi cho hệ Teleoperation công trình Zhijun Li cộng [94] Luật điều khiển thích nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên thời gian trễ kênh truyền thông, thời gian trễ theo hai chiều có giá trị khác Tuy nhiên hạn chế luật điều khiển xây dựng dựa mô hình tuyến tính hóa Robot chủ Robot tớ Trong [45] điều khiển cho hệ Teleoperation đề xuất, sử dụng luật điều khiển PD quan sát tốc độ cho trường hợp thời gian trễ thay đổi Nhược điểm điều khiển đề xuất chưa tính đến nhiễu tác động từ bên ngoài, mà nhiễu thường không đo có tính bất định Để tạo khả kháng nhiễu, đặc biệt nhiễu bất định, không đo vấn đề cốt yếu đặt phải nhận dạng, đánh giá nhiễu Một quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa đề xuất [94] Tuy nhiên quan sát áp dụng cho trường hợp Robot có bậc tự (DOF), mô hình động học tuyến tính hóa ` Tác giả A Mohammadi cộng đề xuất điều khiển dựa quan sát nhiễu cho hệ Teleoperation [59] Theo đó, kết quan sát nhiễu tác động lên hệ sử dụng để bù trừ tín hiệu điều khiển Tuy nhiên quan sát nhiễu đề xuất áp dụng cho trường hợp nhiễu biến đổi chậm 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước hệ Teleoperation Cho đến nay, nhìn chung nghiên cứu nước hệ Teleoperation nói chung hệ Teleoperation SMSS nói riêng hạn chế, việc tổng hợp điều khiển cho hệ hầu hết không xét đến yếu tố ảnh hưởng môi trường, ma sát, gia tốc trọng trường…tác động lên hệ [3], [5], [6] Từ phân tích ta thấy việc xây dựng điều khiển đảm bảo chất lượng cao cho hệ Teleoperation SMSS kể nước nhiều vấn đề chưa thực giải thỏa đáng, thực vấn đề cấp thiết thu hút quan tâm giới khoa học 1.1.4 Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation  Cấu trúc điều khiển hai kênh (Two-Channel Architecture)  Cấu trúc điều khiển bốn kênh (Four-Channel Architecture) 1.2 Tính xác đồng hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) Theo [21] hệ Teleoperation gọi chất lượng cao đảm bảo tính xác đồng yếu tố: đồng biên, đồng dạng cho tất loại tín hiệu như: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực… gửi từ Robot chủ đến Robot tớ ngược lại 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chất lượng hệ Teleoperation  Trễ kênh truyền thông (Time Delay)  Nhiễu ngoại lực bên tác động lên hệ 1.4 Tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ Teleoperation đề xuất hướng giải luận án Tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ Teleoperation: - Ngoài nhiễu nội loại ma sát khớp Robot tác động môi trường lên Robot tớ yếu tố không đo Thêm vào đó, tác động môi trường thay đổi theo quy luật trước dải rộng Rõ ràng muốn đảm bảo chất lượng điều khiển đòi hỏi phải ước lượng tác động thuật toán điều khiển phải xử lý tác động cách hiệu Như vậy, thiết phải xây dựng điều khiển thích nghi kháng nhiễu giảm thiểu ảnh hưởng tương tác môi trường nhiễu nội lên chất lượng hệ thống Bên cạnh cần quan tâm đến giải pháp đảm bảo cho người thao tác có cảm nhận thực tác động môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ, để từ người thao tác đưa định vận hành xác ` - Robot chủ Robot tớ đối tượng phi tuyến bất định, cần điều khiển đồng thời Robot chủ Robot tớ, Robot tớ phải bám theo quỹ đạo (véc tơ vị trí) Robot chủ; ngược lại Robot chủ vừa phải bám theo quỹ đạo Robot tớ, lại vừa phải tạo quỹ đạo theo chủ ý người thao tác Điều làm cho toán điều khiển trở lên phức tạp thêm nhiều Để giải vấn đề điều khiển cho đối tượng phi tuyến bất định với yêu cầu đặc thù vậy, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp điều khiển bền vững sở sử dụng chế độ trượt (hay goi Mode trượt), chế độ trượt cho phép chế ngự tính phi tuyến bất định cách hiệu [19], [87] Vấn đề đặt xây dựng thuật toán điều khiển, đảm bảo tồn chế độ trượt hệ thống có yêu cầu đặc thù nêu - Trong hệ thống tồn hiệu ứng trễ với thời gian trễ T, kênh truyền thông gây nên Điều làm cho toán điều khiển phức tạp thêm bên cạnh phức tạp nêu phần Đề xuất hướng nghiên cứu giải quyết: Qua phân tích tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ thao tác từ xa Để đạt mục tiêu luận án cần giải toán sau:  Bài toán 1: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot tớ hệ thao tác từ xa Theo [94] động học Robot tớ mô tả phương trình: M s (qs )qs  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τ Ns  τ s  τ e Trong đó: “s” số Robot tớ; qs   n véc tơ góc (vị trí) Robot tớ; τ s   n mô men đầu vào Robot tớ (tín hiệu từ điều khiển Robot tớ); τ e   n mô men lực tương tác môi trường tác động lên Robot tớ; M s ( qs )   nxn mô men quán tính Robot tớ (ma trận đối xứng xác định dương); Cs (qs , q s )   nxn véc tơ mô men Coriolis hướng tâm; τ Ns   n thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo khó mô hình hóa tác động lên Robot tớ Nhận thấy rằng, thực tế trạng thái Robot chủ Robot tớ bị chặn Vì điều kiện đảm bảo cho Robot tớ hoạt động bám sát quỹ đạo Robot chủ khi: lim qm t  T   qs  0; t  lim q m t  T   q s  t  Trong đó: qm t  T    n véc tơ góc (vị trí) Robot chủ qua kênh truyền thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot tớ * Do vấn đề đặt phải xác định thuật toán đánh giá thành phần τe  τe τNs (gọi tắt tác động môi trường lên Robot tớ) nhằm xây dựng cấu trúc điều khiển bền vững, có khả thích nghi kháng nhiễu cho Roobot tớ truyền thành ` * phần τ e phía Robot chủ giúp cho người thao tác cảm nhận tác động lên Robot tớ thông qua Robot chủ  Bài toán 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot chủ hệ thao tác từ xa Điều khiển Robot chủ vừa phải bám ngược trở lại theo quỹ đạo Robot tớ, lại vừa phải tạo quỹ đạo theo chủ ý người thao tác điều kiện có nhiễu nội tác động thành phần không mô hình hóa Robot chủ Bên cạnh cấu * trúc điều khiển cần phải đảm bảo chứa mạch vòng phản hồi thành phần τe phía Robot chủ để giúp người thao tác có cảm nhận thực tác động môi trường lên Robot tớ Theo [94] người thao tác cảm nhận xác tác động môi * trường τe lên Robot tớ động học Robot chủ có dạng: M m (qm )qm  Cm (qm , q m )q m  G m (qm )  τ Nm  τ m + τ op  τ e* Trong đó: “m” số Robot chủ; qm   n véc tơ góc (vị trí) Robot chủ; τ m   n mô men đầu vào Robot chủ (tín hiệu từ điều khiển Robot chủ); τ op   n mô men người thao tác tạo nên; M m (qm )   nxn mô men quán tính Robot chủ (ma trận đối xứng xác định dương); Cm (qm , q m )   nxn véc tơ mô men Coriolis hướng tâm; τ Nm   n thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo khó mô hình hóa tác động lên Robot chủ Tương tự Robot tớ, để đảm bảo cho Robot chủ hoạt động bám sát quỹ đạo Robot tớ khi: lim qs t  T   qm  0; t  lim q s t  T   q m  t  Trong đó: qs t  T    n véc tơ góc (vị trí) Robot tớ qua kênh truyền thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot chủ Như vậy, trước hết cần xác định thuật toán đánh giá thành phần nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ Tiếp xây dựng cấu trúc điều khiển thích nghi kháng nhiễu đảm bảo ổn định ISS cho Robot chủ với tác động kích thích bên τ op ;τ e* …lên Robot chủ  Bài toán 3: Tổng hợp hệ thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu với trễ kênh truyền thông T số Trong luận án đề cập đến hệ thống thao tác từ xa xây dựng sở tích hợp Robot chủ Robot tớ thông qua kênh truyền thông với trễ T số Yêu cầu đặt phải tổng hợp hệ thao tác từ xa, điều khiển Robot đề cập Bài toán 1; Bài toán Mặt khác phải đảm bảo cho toàn hệ ` thống hoạt động ổn định chịu hiệu ứng trễ kênh truyền Vấn đề đặt cần phải xác định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế Nội dung toán nhóm gọn lại sau: - Ước lượng thành phần nhiễu nội tác động môi trường lên Robot chủ/Robot tớ; - Tổng hợp điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ tổng hợp điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ; - Tổng hợp hệ thống thao tác từ xa thích nghi bền vững kháng nhiễu với trễ kênh truyền thông số đảm bảo tính ổn định chất lượng hệ thống 1.5 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) bao gồm cấu trúc, phân loại, đặc điểm yêu cầu chất lượng điều khiển hệ thống Teleoperation Điểm lại số kỹ thuật điều khiển hệ thống thao tác từ xa công bố tạp chí khoa học giới nước Đã vấn đề tồn chưa giải thỏa đáng nêu lên đặc thù khó khăn tổng hợp điều khiển hệ thống Teleoperation đảm bảo yêu cầu kỹ thuật điều khiển Từ nêu rõ tính thiết luận án cần giải quyết, xác định rõ mục tiêu cần đạt được, đề xuất thuật toán đảm bảo giải mục tiêu luận án ` CHƯƠNG XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển đại 2.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Dưới đề xuất phương pháp để tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, đảm bảo tính bền vững tính kháng nhiễu, đồng thời có ý đến tính phi tuyến Robot chủ Robot tớ; hiệu ứng trễ truyền thông gây đặc biệt ước lượng tác động môi trường lên Robot tớ bù trừ ảnh hưởng nó, đảm bảo cho người thao tác cảm nhận tác động Đặt vấn đề Theo [94] động học hệ thao tác từ xa, bao gồm hai Robot Robot chủ (Master) Robot tớ (Slave) mô tả hệ phương trình: M m ( qm ) qm  Cm (qm , q m )q m  G m ( qm )  τ Nm  τ op  τ m (2.24) M s (qs )qs  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τ Ns  τ s  τ e (2.25) Để giải vấn đề đặt ra, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp điều khiển thích nghi, bền vững sở ước lượng nhiễu kết hợp sử dụng chế độ trượt cho phía Robot tớ tổng hợp điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ 2.2.1 Tổng hợp điều khiển thích nghi bền vững sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ 2.2.1.1 Ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ Động học Robot Slave mô tả phương trình (2.25) thành phần mô men lực tác động môi trường τ e thành phần nhiễu bất định τ Ns đại lượng thay đổi dải rộng không đo Như nêu phần trên, tác động bên τ e τ Ns cần ước lượng, từ sử dụng kết ước lượng để điều khiển, làm cho hệ thống có khả thích nghi kháng nhiễu Trên Hình 2.8 sơ đồ cấu trúc ước lượng tác động môi trường lên Robot tớ, có hai khối chính: khối mô hình Robot tớ MHRS khối xử lý nhiễu Robot tớ XLNS Động học khối mô hình MHRS mô tả phương trình: M s (qs )qs  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τ s (2.30) M s (qs )  M s (qs ); Cs (qs , q s )  Cs (qs , q s ); G s ( qs )  G s (qs ) qs , q s , qs biến trạng thái mô hình Robot tớ MHRS (2.31) Lấy hai vế phương trình (2.30) trừ hai vế tương ứng phương trình (2.25), có ý đến (2.31), ta thu được: M s (qs ) εs  C s (qs , q s )εs  τ e* (2.32) ` với εs  qs  qs ; εs  q s  q s ; εs  qs  qs ; τ e*  τ e  τ NS (2.33) Các biểu thức (2.32), (2.33) sử dụng để xác định thành phần τ e* Kết ước lượng theo (2.32), (2.33) véc tơ đánh giá tác động môi trường lên Robot tớ τ e* , với sai số đánh giá e phụ thuộc vào độ xác sensor * * nói trên: τ e  τˆe  e hay τ e*  e  τˆe* (2.34) Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc khâu ước lượng tác động môi trường lên Robot tớ 2.2.1.2 Tổng hợp luật điều khiển cho cho Robot tớ Ý tưởng chủ đạo phương pháp đề xuất là: sử dụng đầu ước lượng nhiễu đề xuất phần nhằm làm cho hệ thống có khả thích nghi kháng nhiễu; sử dụng phương pháp “tính mômen” chế độ trượt nhằm chế ngự yếu tố bất định, làm cho hệ thống có tính bền vững tốt [19], [87], [91] Thực ý tưởng nêu trên, trước hết áp dụng phương pháp “tính mômen”, theo đầu vào Robot tớ (2.25) tạo theo luật [57]: τ s  M s (qs )u s  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τb (2.35) Với u s biến điều khiển phải xác định tiếp theo; Cs (qs , q s )q s  G s (qs ) thành phần bù phi tuyến τ b thành phần bù nhiễu Sử dụng kết ước lượng nhiễu thu phần trên, ta chọn τ b  τˆe Khi đó, (2.35) vào (2.25) biến đổi ta thu được: M s (qs )qs  M s (qs )u s e (2.36) * Tiếp theo, phải xác định u s nhằm đảm bảo tính bền vững cho hệ thống Điều khiển mode trượt lựa chọn thích hợp cho đối tượng (2.36) qsd (t)  qs (t)  e(t) Đặt: (2.37) Cần xác định thuật toán điều khiển mode trượt cho (2.36) đảm bảo đầu Robot tớ bám theo đầu vào mong muốn (2.37), nghĩa làm cho: lim e (t)  lim qm (t T)  qs (t)  qsd (t)  qs (t)  lim t  s t  t  lim e (t)  lim q m (t T)  q s (t)  q sd (t)  q s (t)  lim t  s t  t  Chọn mặt trượt dạng: t S s  es   p es   I  es  d  o ` 10 (2.39) (2.40) Với S s   n ,  p  I ma trận đường chéo xác định dương  p  diag  p1  p  pn  ,  I  diag  I  I  In ;  pi  0;  Ii  0, i  1, 2, , n Tiếp theo, ta phải xác định u s (2.36) đảm bảo tồn chế độ trượt mặt trượt S s cho hệ thống Robot tớ Chọn u s dạng: u s  u seq  K s S s  AsgnS s (2.43) Trong u seq điều khiển tương đương thành phần K s , A xác định sau: K s  diag k si    nxn , ksi  0, i (2.44) A  A o  I, A o  diag aoi    nxn , (2.45) *e  M s qs e  1* *2 *n  T (2.46) aoi  *i max ; I ma trận đơn vị Định lý sau thiết lập điều kiện đủ cho tồn chế độ trượt hệ (2.36), (2.43) Định lý 2.1 Xét hệ động học (2.36) Luật điều khiển (2.43) đảm bảo tồn chế độ trượt cho hệ thống mặt trượt (2.40) thỏa mãn điều kiện (2.44), (2.45), (2.46) với  đại lượng dương nhỏ tùy ý (Định lý chứng minh.) Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho Robot tớ 2.2.2 Tổng hợp điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ Để đáp ứng đồng thời yêu cầu đòi hỏi hệ thống phải có khả thích nghi kháng nhiễu đảm bảo ổn định ISS Vì trước hết cần ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ 2.2.2.1 Ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ Để cho người thao tác cảm nhận xác tác động môi trường lên Robot tớ, τˆe đưa tới Robot chủ, lúc kết hợp với phương trình gốc (2.24), phương trình động học Robot chủ có dạng: M m (qm ) qm  Cm (qm , q m )q m  G m ( qm )  τ Nm  τ op  τ m  τˆe* (2.58) * Để đánh giá nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ, ta sử dụng cấu trúc Hình 2.10 phương trình mô hình Robot chủ MHRM có dạng: ` 11 M m ( qm ) qm  Cm (qm , q m )q m  G m ( qm )  τ op  τ m  τˆe* (2.59) Trong đó: M m ( qm )  M m ( qm ); Cm (qm , q m )  Cm ( qm , q m ); G m ( qm )  G m ( qm ) (2.60) qm , q m , qm biến trạng thái mô hình Robot chủ MHRM Lấy hai vế phương trình (2.59) trừ hai vế tương ứng phương trình (2.58), có ý đến (2.60), ta thu được: M m ( qm ) εm  Cm (qm , q m )εm  τ Nm (2.61) với εm  qm  qm ; εm  q m  q m ; εm  qm  qm (2.62) Như vậy, thành phần nhiễu τ Nm bất định tác động lên Robot chủ hoàn toàn xác định thông qua đại lượng qm , qm , q m , q m , qm , qm sở (2.61) (2.62), kết đánh giá τˆNm kèm theo sai số  Nm :  Nm  τ Nm  τˆNm (2.63) Kết đánh giá nhiễu τˆNm đầu ước lượng sử dụng luật điều khiển Robot chủ Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ 2.2.2.2 Tổng hợp luật điều khiển cho Robot chủ Do yêu cầu đặt Robot chủ, điều khiển cho Robot chủ phải có khả kháng nhiễu phải đảm bảo ổn định ISS Để đạt mục tiêu này, ta sử dụng phương pháp “tính mô men” kết hợp bù trừ nhiễu Chọn luật điều khiển dạng: τ m  M m ( qm )  qmd  K p em  K D em   Cm (qm , q m )q m  G m (qm )  τˆNm (2.64) Trong đó: em  qmd  qm ; em  q md  q m ; qmd đầu vào mong muốn Robot chủ; Kp, KD ma trận đối xứng, xác định dương Thế τ m từ (2.64) vào (2.58) biến đổi ta có: M m (qm )  qm  qmd  K p em  K D em   τ op  τˆe*  τˆNm  τ Nm Đặt:  Nm  τ Nm  τˆNm 0 0  0  em  Im  , B     Xm    , A     p    M m qm  B qm  em  D        ` (2.66) 12 (2.67) B qm   M m1  qm  Giả thiết rằng:   AX  B τ  τˆ*    X m m e  op Nm  τ op   Nm  sup τop t   op ; τˆe* t  (2.68)  sup τˆe* t   e ; t n  sup  Nm t   Nm ; max  bij qm   b  (2.69) 1in j 1 t hệ tác động kích thích τ op , τˆe* ,  Nm mô hình hệ (2.68) có dạng:   AX X (2.70) mo mo Tính ổn định (2.70) hoàn toàn phụ thuộc vào ma trận A theo dạng (2.67) Vì K P , K D ma trận đối xứng xác định dương nên ma trận A ma trận bền, tức ma trận Hurwitz Do hệ (2.70) ổn định quỹ đạo Xmo t  với giá trị ban đầu X mo 0 bị chặn tiệm cận gốc tọa độ t   Bây ta chứng minh hệ (2.68) ổn định thực tế, hay ổn định ISS Định lý sau thiết lập điều kiện đủ Định lý 2.2 Xét hệ động học (2.68), tác động τ op , τˆe* ,  Nm bị chặn (2.69) Hệ ổn định thực tế (practical Stabilied) với quỹ đạo không gian sai lệch bị chặn hội tụ miền  chứa gốc tọa độ, xác định bởi:   (2.71) Xm   n : Xm  2 pbv  v  op  e   Nm (2.72) AT Pm  Pm A = -I (2.73)  p chặn chuẩn . ma trận Pm   2nx 2n : Định lý chứng minh Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot chủ 2.2.3 Tổng hợp hệ thống thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu Hệ thống thao tác từ xa xây dựng sở hệ Robot chủ tích hợp với Robot tớ thông qua kênh truyền với trễ T=const τ e t   τˆe* t  T  ; qsd t   qm (t  T ) ; q sd t   q m (t  T ) ; qmd t   qs (t  T ) ; q md t   q s (t  T ) ` 13 (2.83) Với qsd t , q sd t  đầu vào Robot tớ; qmd t , q md t  đầu vào Robot chủ Từ (2.83) ta suy ra: em t   qmd t   qm t   qs (t  T )  qm t  ; em t   q md t   q m t   q s (t  T )  q m t  es t   qsd t   qs t   qm (t  T )  qs t  ; es t   q sd t   q s t   q m (t  T )  q s t  Như thời gian trễ T ảnh hưởng trực tiếp đến véc tơ: T T X m t    em t  em t  ; X s t    es t  es t  (2.84) (2.85) Vấn đề đặt phải xác định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế Định lý sau thiết lập điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định với hệ Robot chủ Robot tớ xác định (2.21) (2.22) Định lý 2.3 Xét hệ thao tác từ xa với hệ Robot chủ (2.24), (2.61)(2.64); hệ Robot tớ (2.25), (2.32)(2.35), (2.40), (2.43), (2.52) trễ đường truyền T (2.83) Hệ ổn định thực tế với quỹ đạo không gian sai lệch bị chặn hội tụ miền  t chứa gốc tọa độ, xác định bởi:  t  Xt   XTm XTs    n  T g  Pm B τv ; Xm  g  g  4 ; Xs  ;   m  s  τe ; m  m1  m ; s   s1  s d i qmT t  T  qm t  T  i T i1 dt i  m1   d i qsT t  T  qs t  T  i T i 1 dt i  s1   d i q mT t  T  q m t  T  i T i1 dt i  m   d i q sT t  T  q s t  T  i T i1 dt i  s   d i τˆe*T t  T  τˆe* t  T  i T i1 dt i  τe   (2.87) (2.90) (2.93) (2.95) (2.96) Định lý chứng minh Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thao tác từ xa sở điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu 2.3 Mô điều khiển hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) Matlab-Simulink 2.3.1 Động lực học hệ Teleoperation SMSS ` 14 Hình 2.13 Robot bậc tự dạng tay nối phương ngang 2.3.1.1 Phương trình động lực học Robot chủ 2.3.1.2 Phương trình động lực học Robot tớ 2.3.2 Cấu hình Robot chủ Robot tớ 2.3.3 Mô minh họa thuật toán tổng hợp luật điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ 2.3.4 Mô minh họa thuật toán tổng hợp luật điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ 2.3.5 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) Matlab Simulink 2.3.6 Kết mô thuật toán điều khiển hệ thao tác từ xa nhận xét * Kết mô ước lượng tác động môi trường lên Robot tớ τ e* Hình 2.38 Thành phần tác động môi trường τˆe*1 Hình 2.39 Thành phần tác động môi trường τˆe*2 * Kết mô quỹ đạo Robot chủ Robot tớ T=0(s) Trường hợp 2: Khi bù trừ ảnh hưởng thành phần τ e* phía Robot tớ ` 15 Hình 2.42 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ bù trừ thành phần τˆe* Hình 2.43 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ bù trừ thành phần τˆe* - Kết mô so sánh τ op trường hợp có mạch vòng phản hồi thành phần τˆe phía Robot chủ * Hình 2.44 Thành phần mômen τ op1 Hình 2.45 Thành phần mômen τ op ` 16 * Kết mô quỹ đạo Robot chủ Robot tớ với trễ kênh truyền T=0.5 (s) Hình 2.46 Thành phần quỹ đạo q1 Robot Hình 2.47 Thành phần quỹ đạo q2 Robot * Nhận xét: Thông qua kết mô Hình 2.38 Hình 2.39 cho ta thấy thuật toán đánh giá nhiễu tác động môi trường lên Robot chủ/Robot tớ đề xuất theo cấu trúc Hình 2.12 hoàn toàn xác làm sở cho việc bù trừ tín hiệu điều khiển giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu lên hệ thống Hình 2.40 đến Hình 2.43 cho ta thấy quỹ đạo Robot tớ bám hoàn toàn đồng dạng quỹ đạo, biên độ, pha với Robot chủ trường hợp trễ kênh truyền; Hình 2.46 Hình 2.47 trễ T=2 (s) quỹ đạo Robot tớ lệch pha đồng dạng quỹ đạo với Robot chủ Mặt khác kết mô Hình 2.44 Hình 2.45 cho ta thấy có tác động môi trường gây sức cản lên Robot tớ người thao tác có khả cảm nhận sức cản 2.4 Kết luận chương Chương luận án tập trung vào xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thao tác từ xa với đóng góp sau đây:  Đã đưa thuật toán ước lượng nhiễu tác động môi trường lên Robot chủ Robot tớ, từ làm sở cho việc tổng hợp điều khiển thích nghi kháng nhiễu cho Robot hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS)  Đã phát biểu chứng minh ba định lý điều kiện đủ, từ đưa cấu trúc điều khiển cho Robot chủ Robot tớ hoạt động ổn định với đặc thù yêu cầu kỹ thuật điều khiển riêng cho Robot ` 17 CHƯƠNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION SMSS) 3.1 Sơ đồ khối ghép nối điều khiển hệ thống thao tác từ xa qua máy tính Card DSP1103 Hình 3.1 Sơ đồ ghép nối điều khiển hệ SMSS qua máy tính Card DSP1103 3.2 Sơ đồ kết nối vật lý cho khớp (1 động cơ) Robot chủ/Robot tớ với Card DSP1103 Hình 3.2 Sơ đồ ghép nối vật lý cho khớp Robot với Card DSP1103 3.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ Teleoperation SMSS 3.4 Sơ đồ khối ghép nối Matlab Simulink kết nối với DSP1103 hệ SMSS thực 3.5 Sơ đồ ghép nối thực điều khiển hệ thống Teleoperation SMSS qua máy tính Hình 3.10 Mô hình ghép nối thực hệ SMSS với DSP1103 mạch điều khiển ` 18 3.6 Kết điều khiển thực hệ SMSS qua card DSP1103 phần mềm Control Desk  Kết ước lượng tác động môi trường τ e* lên Robot tớ Hình 3.12 Kết ước lượng thành phần nhiễu τ e* Robot tớ không mang tải Hình 3.13 Kết ước lượng thành phần nhiễu τ e* Robot tớ mang tải Nhận xét: Việc ước lượng nhiễu đóng vai trò quan trọng trình điều khiển, góp phần bù trừ tín hiệu điều khiển thành phần nhiễu gây lên hệ thống Hình 3.13 Hình 3.14 cho ta thấy thành phần nhiễu đánh giá trường hợp không tải có tải  So sánh quỹ đạo Robot chủ Robot tớ với trễ kênh truyền T=0 (s) + Trường hợp 1: Robot tớ không mang tải chưa bù trừ nhiễu nội τ NS Hình 3.14 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu τ NS Hình 3.15 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu τ NS ` 19 + Trường hợp 2: Robot tớ không mang tải bù trừ nhiễu nội τ NS Hình 3.16 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu τ NS Hình 3.17 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu τ NS + Trường hợp 3: Robot tớ có mang tải chưa bù trừ nhiễu τ e* Hình 3.38 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu τ e* Hình 3.49 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu τ e* ` 20 + Trường hợp 4: Robot tớ có mang tải bù trừ nhiễu τ e* Hình 20 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu τ e* Hình 3.21 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu τ e*  So sánh quỹ đạo Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu τ với trễ kênh * e truyền T≠0 + Trường hợp 1: Trễ kênh truyền T=0,2s Hình 3.22 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.2 (s) Hình 3.23 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.2 (s) ` 21  So sánh quỹ đạo Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu τ với trễ kênh * e truyền T≠0 + Trường hợp 1: Trễ kênh truyền T=0,1s Hình 3.24 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.1 (s) Hình 3.25 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.1 (s) + Trường hợp 3: Trễ kênh truyền T=0,5 s Hình 3.28 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.5 (s) Hình 3.29 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ với trễ T=0.5 (s) ` 22 Nhận xét: Thông qua kết thực nghiệm từ Hình 3.14 đến Hình 3.21 cho ta thấy, trường hợp trễ kênh truyền T=0 (s) việc việc đánh giá xác thành phần nhiễu tác động lên hệ thống từ bù trừ tín hiệu điều khiển khớp giúp quỹ đạo Robot tớ bám xác theo quỹ đạo Robot chủ với sai số xấp xỉ Tuy nhiên nhiễu lớn gây sai lệch phần quỹ đạo Robot chủ Robot tớ Từ Hình 3.22 đến Hình 3.29 với trễ kênh truyền T=0.1(s); T=0.2(s); T=0.5(s) (ở xem đường truyền hữu tuyến) ta thấy cấu trúc điều khiển hệ thống đề xuất chương đảm bảo tính ổn định yêu cầu chất lượng đồng quỹ đạo Robot chủ Robot tớ Tuy nhiên thời gian trễ tăng lên chất lượng hệ thống giảm, phần kết cấu khí đối tượng làm thực nghiệm chưa thực xác nên tồn tượng rung giật vận hành 3.7 Kết luận chương Bằng thực nghiệm kiểm tra tính đắn thuật toán đề xuất khẳng định hệ thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật điều khiển bám quỹ đạo giúp người thao tác cảm nhận tương tác lực Robot tớ với môi trường KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Luận án đạt được:  Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu tác động môi trường lên Robot chủ Robot tớ; đưa giải pháp bù trừ nhiễu tác động bên lên hệ thống  Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu sở đánh giá, bù nhiễu sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot tớ  Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot chủ  Đã chứng minh điều kiện đủ để toàn hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng yêu cầu đặt hệ thao tác từ xa tác động nhiễu bất định từ bên tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông  Hướng nghiên cứu luận án kiến nghị  Triển khai áp dụng kết nghiên cứu cho hệ SMMS MMMS  Luận án đề cập đến phân tích tổng hợp hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) với cấu hình Robot chủ Robot tớ giống trễ kênh truyền số Cần tiếp tục nghiên cứu cho trường hợp trễ trênh kênh truyền thay đổi không đối xứng cấu hình Robot chủ Robot tớ khác ` 23 31 ` ... DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển đại 2.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS)... Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot chủ 2.2.3 Tổng hợp hệ thống thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu Hệ thống thao tác từ xa xây dựng sở hệ Robot chủ tích hợp với Robot tớ thông qua kênh... định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế Định lý sau thiết lập điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định với hệ Robot chủ Robot tớ xác định (2.21) (2.22) Định lý 2.3 Xét hệ thao tác