Xây dựng thuật toán điều khiển hệ teleoperation (single master single slave)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giáp Thị Nghi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giáp Thị Nghi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 8.52.02.16 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Ngọc Trung Thái nguyên - Năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Giáp Thị Nghi, xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” tơi thực hướng dẫn Thầy TS Đặng Ngọc Trung tài liệu tham khảo trích dẫn Nội dung luận văn hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020 Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài luận văn này, xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS Đặng Ngọc Trung hướng dẫn giúp đỡ tận tình từ định hướng luận văn đến q trình viết hồn thiện luận văn Cũng qua đây, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc kính trọng đến thầy giáo khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên giúp đỡ cho suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy cô giáo, đồng nghiệp Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghiệp Bắc Giang đóng góp ý kiến quý báu chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ công việc thời gian để làm luận văn Tuy nhiên, với nhiều khó khăn vấn đề thời gian, kinh nghiệm lực thân nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi sai sót Tơi mong nhận đóng góp ý kiến q báu Thầy, Cơ để luận văn hoàn thiện Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .9 MỞ ĐẦU 12 Lý chọn đề tài 12 Mục tiêu nghiên cứu 13 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu 13 Kết 14 Bố cục luận văn 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA .16 Giới thiệu tổng quan hệ Teleoperation 16 1.1 Khái niệm hệ Teleoperation 16 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới hệ Teleoperation .17 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước hệ Teleoperation 20 1.1.3 Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation 21 1.2 Tính xác đồng hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) 23 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chất lượng hệ Teleoperation 23 1.4 Ứng dụng hệ thao tác từ xa (Teleoperation) 25 1.4.1 Thám hiểm không gian 25 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1.4.2 Làm việc môi trường độc hại 26 1.4.3 Phương tiện nước 26 1.4.4 Kính thiên văn 27 1.4.5 Robot di động 27 1.4.6 Các ứng dụng khác hệ thống viễn thông 28 1.5 Tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ Teleoperation đề xuất hướng giải luận văn 29 1.6 Kết luận Chương 30 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN HỆ ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS 31 2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov 31 2.1.1 Định nghĩa 31 2.1.2 Tính ổn định Lyaponov 32 2.2 Ổn định hệ thống nhiễu 36 2.3 Đầu vào đến trạng thái ổn định 39 2.4 Lý thuyết thuật toán điều khiển phản hồi thụ động 40 2.4.1 Khái niệm hệ phi tuyến thụ động 40 2.4.2 Những tính chất hệ thụ động 42 2.5 Động lực học Robot 43 2.5.1 Phương trình động lực học robot 43 2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS 50 2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave 52 2.5.4 Động lực học môi trường 56 2.5.5 Độ trễ kênh truyền thông 59 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS 61 2.6.1 Mục tiêu điều khiển 61 2.6.2 Thiết kế điều khiển 62 2.7 Kết luận Chương 68 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TELEOPERATION SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG THAY ĐỔI 69 3.1 Phân tích tính ổn định hệ Teleoperation SMSS 69 3.2 Mô hệ thống thao tác từ xa SMSS 74 3.2.1 Mô phân hệ Robot hệ thống thao tác từ xa SMSS 75 3.2.2 Mô hệ thống thao tác từ xa SMSS 89 3.3 Kết luận Chương 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu T thời gian trễ kênh truyền thông x (t ) trạng thái quỹ đạo tự Mi ma trận quán tính xác định dương Ci ma trận criolit lực hướng tâm J ma trận Jacobi i qi góc quay khớp i m khối lượng khâu i i l chiều dài khâu i i λi mơmen qn tính với tâm qua trọng tâm khâu i ri khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i F ngoại lực đặt khớp i i B độ giảm chấn khớp i i mômen đầu vào Robot τi F lực tác động lên Master người thao tác op Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Fe phản lực từ môi trường lên Slave G véc tơ lực trọng trường i τ op τe mômen lực tác động lên Master người thao tác mômen phản lực từ môi trường lên Slave q& i q& véc tơ vận tốc góc khớp i véc tơ gia tốc góc khớp i i τ Ni thành phần nhiễu tác động lên khớp τˆNi thành phần nhiễu đánh giá tác động lên khớp ∆i sai số đánh giá nhiễu tác động lên e Robot sai lệch quỹ đạo Danh mục chữ viết tắt tiếng việt M-M Mơ hình Robot chủ S-M Mơ hình Robot tớ BĐK Bộ điều khiển DPOS Xử lý nhiễu Robot tớ DPOM Xử lý nhiễu Robot chủ SDE Ước lượng nhiễu Robot tớ Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu Hình 3.19 Quỹ đạo q1 Robot tớ bù nhiễu τ* e Hình 3.20 Quỹ đạo q2 Robot tớ bù nhiễu τe* b Nhận xét: Qua kết mô Matlab Simulink từ Hình 3.15 đến Hình 3.20 cho thấy thuật toán ước lượng nhiễu tác động lên phân hệ Robot hồn tồn xác, từ làm sở liệu quan trọng cho việc bổ sung tổng hợp tín hiệu điều khiển cho phân hệ Robot Trong Hình 3.17 Hình 3.18 chưa bù nhiễu tác động lên phân hệ Robot quỹ đạo khớp Robot tồn sai lệch đáng kể, Hình 3.19 Hình 3.20 bù trừ ảnh hưởng nhiễu đảm bảo quỹ đạo phân hệ Robot bám xác theo quỹ đạo đặt trước với sai số xấp xỉ Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3.2.2 Mô hệ thống thao tác từ xa SMSS Phần trình bày kết mô ước lượng nhiễu quỹ đạo phân hệ Robot theo thuật toán đề xuất Trong phần tập trung mô quỹ đạo Robot tớ Robot chủ với ảnh hưởng nhiễu tác động lên phân hệ Robot trễ kênh truyền thông thay đổi Khi tín hiệu điều khiển phân hệ Robot sau: τ m = − M m ( qm )δ qm − Cm ( qm , qm )δ qm + Gm ( qm ) + τˆNm + Pm  * τ s = − M s ( qs )δ qs − Cs ( qs , qs )δ qs + Gs ( qs ) + τˆe + Ps Thông số mô sau: 1 K= 0  Thông số nhiễu tác động lên Robot thời gian trễ: τ* = f(q e s Tm (t ) = 0,1sin 0, 3t + 2[ s] Ts (t ) = 0,1sin 0, 3t + 2[ s]  Kết mô ước lượng nhiễu môi trường tác động lên hệ thao tác từ xa SMSS: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.21 Thành phần nhiễu τe*1 dạng trơn ngẫu nhiên Hình 3.22 Thành phần nhiễu τe* dạng trơn ngẫu nhiên Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.23 Thành phần nhiễu τNm1 dạng trơn ngẫu nhiên Hình 3.24 Thành phần nhiễu τNm dạng trơn ngẫu nhiên  Kết mô quỹ đạo bám Robot tớ theo Robot chủ hệ thao tác từ xa SMSS:  Trường hợp khơng có trễ kênh truyền thơng: (Tm =Ts = T = 0s) Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.25 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu Hình 3.26 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ chưa bù trừ nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.27 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu Hình 3.28 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ bù trừ nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn  Trường hợp trễ kênh truyền thông số: (Tm =Ts = T ≠ 0s) Hình 3.29 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ với trễ T=3s Hình 3.30 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ với trễ T=3s Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn  Trường hợp trễ kênh truyền thông biến thiên: Hình 3.31 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ với trễ biến thiên Hình 3.32 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ với trễ biến thiên Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Nhận xét: Qua kết mô Matlab Simulink từ Hình 3.21 đến hình 3.24 lần cho thấy ưu việt thuật toán đánh giá nhiễu đề xuất luận văn Ngoài với kết mơ Hình từ 3.25 đến Hình 3.32 cho ta thấy quỹ đạo Robot tớ bám xác theo quỹ đạo Robot chủ kết hợp bù trừ nhiễu vào tín hiệu điều khiển kiểm chứng tính ổn định chất lượng điều khiển phản hồi thụ động đề xuất trường hợp khơng có trễ có trễ kênh truyền thơng biến thiên 3.3 Kết luận Chương Chương tập trung đưa cấu trúc điều khiển chứng minh tính ổn định hệ thao tác từ xa SMSS Bên cạnh thơng qua phần mềm Matlab Simulink mơ thuật toán ước lượng nhiễu thuật toán xây dựng điều khiển phản hồi thụ động cho phân hệ Robot hệ thao tác từ xa SMSS có kể đến yếu tố nhiễu trễ truyền thông thay đổi Robot chủ Robot tớ Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Luận văn giới thiệu 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 Luận văn xây dựng thuật tốn điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu sở đánh giá, bù nhiễu sử dụng điều khiển phản hồi thụ động, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù phân hệ Robot Luận văn chứng minh tính ổn định cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS đề xuất luận văn, đáp ứng yêu cầu đặt hệ thao tác từ xa tác động nhiễu bất định từ bên tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông biến thiên  Hướng nghiên cứu luận văn kiến nghị Tiếp tục áp dụng kết nghiên cứu cho hệ SMMS MMMS Luận văn 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 biến thiên với thời gian nhỏ 3s Cần tiếp tục nghiên cứu cho trường hợp trễ trênh kênh truyền lớn thay đổi không đối xứng, với cấu hình Robot chủ Robot tớ khác Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn =========================================================== TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Đặng Ngọc Trung (2017), “Phương pháp tổng hợp điều khiển cho hệ thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation-SMSS)”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật,Việt Nam Nguyễn Xuân Thuận, Đỗ Đức Nam (2012), “Điều khiển song phương hệ thống Teleoperation sử dụng phương pháp Scattering & Virtual Damping với trễ kênh truyền thơng”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị điện tử toàn quốc lần thứ 6,Hà Nội, tr 429-435 TS Phạm Đăng Phước, Giáo trình robot cơng nghiệp Nguyễn Dỗn Phước (2012), Phân tích điều khiển hệ phi tuyến, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Xuân Thuận, Lâm Thế Kiên, Nguyễn Công Khoa, Đỗ Đức Nam (2013), “Động lực học đề xuất điều khiển cho hệ thống Teleoperation sử dụng phương pháp PD kết hợp với thông số trở kháng”, Kỷ yếu hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ 3, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, tr 11541161 Nguyễn Xuân Thuận, Đỗ Đức Nam (2012), “Điều khiển song phương hệ thống Teleoperation sử dụng phương pháp Scattering & Virtual Damping với trễ kênh truyền thơng”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị điện tử toàn quốc lần thứ 6,Hà Nội, tr 429-435 Tiếng Anh Peter F Hokayem, Mark W Spong (2006), “Bilateral teleoperation: An historical survey”, Automatica 42, pp 2035 – 2057 G Niemeyer, J J E Slotline (1991), “Stable adaptive teleoperation”, IEEE J Oceanic Eng., January, Vol 16(1), pp 152 – 162 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn D A Lawrence (1993), “Stability and transparency in bilateral teleoperation”, IEEE Trans on Robot and Auto., October, Vol 9(5), pp 624 – 637 10 Amir Haddadi (2011), A thesis of Stability, Performance, and Implementation Issues in Bilateral Teleoperation Control and Haptic Simulation Systems, Queen’s University Kingston, Ontario, Canada 11 N Chopra, Mark W Spong, Rogelio Lozano (2008), “Synchronization of bilateral teleoperators with time delay”, Automatica 44, pp 2142 – 2148 12 Fernando O Souza, Reinaldo M Palhares, Eduardo Mendes, Leonardo Torren (2008), “Robust H∞ Control for Master – Slave Synchronization of Lur’e Systems with time-delay feedback control”, International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol 18(4), pp 1161 – 1173 13 Joao Rebelo, Andre Schiele (2013), “Time domain passivity controller for 4- channel time-delay bilateral teleoperation”, IEEE Transactions on Haptics, Vol 8(1), pp 79 – 89 14 M Motaharifar, I Sharifi, H A Talebi (2011), “An Adaptive Observer-Based Controller Design for Time-Delay Teleoperation with Uncertainty in Environment and Parameters”, American Control Conference, On O'Farrell Street, San Francisco, CA, USA June 29 - July 01, pp 3710 – 3715 15 W R Ferrell (1965), “Remote manipulation with transmission delay”, PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Nasa Technical Note 16 Ali Shahdi (2005), “Multiple Model Control for Teleoperation under Time – delay”, A thesis, Submited to the Department of Electrical & Computer Engineering, MC Master University, Hamilton, Ontario, Canada 17 E Nuno, L Basanez, R Ortega (2011), “Passivity – Based Control for Bilateral Teleoperation”, A Tutorial, Automatica, Vol 47, pp 485 – 495 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 18 Asier Ibeas (2006), “A Robust Multiestimation Based Stable Adaptive Control Scheme for a Tandem of Master-Slave Robotic Manipulators with Force Reflection”, IEEE Proceedings of the American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16, pp 3215 – 3220 19 M Sadeghi, H R Momeni, R Amirifa (2008), “H∞ and LI control of a Teleoperation systems via LMIs, J Appl Math Comput, vol 206, No.1, pp 669677 20 Zhijun Li, Yuanqing Xia (2013), “Adaptive neural network control of bilateral teleoperation with unsymmetrical stochastic delays and unmodeled dynamics”, International Journal of Robust and Nonlinear control DOI:10.1002/rnc.2950, pp – 21 T Nozaki, Takahiro Mizoguchi, Kouhei Ohnishi (2014), “Decoupling Strategy for Position and Force Control Based on Modal Space Disturbance Observer”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 61(2), February, pp 1022 – 1032 22 Yen-Chen Liu, Senior Member, IEEE, Phuong Nam Dao, and Kai Yong Zhao (2019), “On Robust Control of Nonlinear Teleoperators under Dynamic Uncertainties with Variable Time Delays and without Relative Velocity”IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS DOI 10.1109/TII.2019.2950617 23 K Hashtrudi Zaad, S.E Salcudean (2000), “Analysis and evaluation of stability and performance robustness for teleoperation control architectures”, In Proc of the IEEE Int Conf on Robotic and Auto., April, Vol 4, pp 3107 – 3113 24 G M H Leung, B A Francis, J Apkarian (1995), “Bilateral controller for teleoperators with time delay via µ-synthesis”, IEEE Trans on Robot and Auto., February, Vol 11(1), pp 105 – 116 25 H Kazerooni, T I Tsay, K Hollerbach (1993), “A controller design framework for telerobotic systems”, IEEE Trans on Trans Cont Sys Tech., March, Vol 1(1), pp 50 – 62 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 26 Do Duc Nam (2010), “Cooperative Control of Teleoperation System with Four – channel Force Reflection”, Natural Science & Technology Kanazawa University Japan 27 Y Yokokohji, T Yoshikawa (1994), “Bilateral control of master-slave manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment”, IEEE Trans On Robot and Auto, 10(5), October, pp 605 – 620 28 J H Park, H C Cho (1999), “Sliding-Mode Controller for Bilateral Teleoperation with Varying Time Delay”, International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp 311 – 316 29 Amir Haddadi (2011), A thesis of Stability, Performance, and Implementation Issues in Bilateral Teleoperation Control and Haptic Simulation Systems, Queen’s University Kingston, Ontario, Canada 30 M W Hirche, S Chopra, N Spong, M Buss (2003), “Bilateral teleoperation over the internet”, The time varying delay problem In Proc of American Control Conf, Jun, pp 155 – 160 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... đề tài ? ?Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperartion (Single Master Single Slave)? ?? làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu xây dựng điều khiển hệ thao... THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giáp Thị Nghi XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 8.52.02.16... điểm phân hệ Robot hệ thao tác từ xa chủ tớ Chương Xây dựng thuật toán điều khiển cho phân hệ Robot hệ thống Teleoperation SMSS Chương xây dựng cấu trúc điều khiển cho phân hệ Robot hệ thống thao