Luận văn thạc sĩ 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 Thái Nguyên – Năm 2020 Số hóa Trung tâm Học liệu Công 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 công bố cơng trình khác Thái Ngun, ngày 01 tháng 10 năm 2020 Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài luận văn này, tơi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS Đặng Ngọc Trung hướng dẫn giúp đỡ tận tình từ định hướng luận văn đến trình viết hồn thiện luận văn Cũng qua đây, tơi 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 hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng 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 khơng tránh khỏi sai sót Tơi mong nhận đóng góp ý kiến quý báu Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Tác giả luận văn Giáp Thị Nghi Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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 Công 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 Ji ma trận Jacobi qi góc quay khớp i mi khối lượng khâu i li chiều dài khâu i i mơmen qn tính với tâm qua trọng tâm khâu i ri khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i Fi ngoại lực đặt khớp i Bi độ giảm chấn khớp i τi mômen đầu vào Robot Fop lực tác động lên Master người thao tác Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Fe phản lực từ môi trường lên Slave Gi véc tơ lực trọng trường τ op mômen lực tác động lên Master người thao tác τe mômen phản lực từ môi trường lên Slave q&i véc tơ vận tốc góc khớp i & q& i véc tơ gia tốc góc khớp 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 Robot e 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 Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MDE Ước lượng nhiễu Robot chủ Danh mục chữ viết tắt tiếng anh SMSS Single Master Single Slave SMMS Single Master Multiple Slaves MSMM Multiple Masters Multiple Slaves ISS Input-to-state stability Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng 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... 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