Tài liệu Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (tt)

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Teleoperation (hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa, thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Trong hệ Teleoperation mỗi Robot thực hiện các chức năng riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám chính xác quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ, đảm bảo đem lại cho người thao tác có được cảm giác thực về nhiễu và các lực tương tác của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80]. Cho đến nay hệ Teleoperation đã có hơn 60 năm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, nghệ thuật điêu khắc hội họa...[25], [55], [64]. Đặc điểm đáng lưu tâm ở đây, đối tượng điều khiển trong hệ Teleoperation là những đối tượng phức tạp, phi tuyến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định. Mục đích và yêu cầu đặt ra đối với các phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot tớ và đối với tổng thể cả hệ thống Teleoperation cũng khác nhau. Thêm vào đó trong hệ luôn tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, dễ làm mất ổn định hệ thống. Tất cả những điều đó tạo nên những thách thức không nhỏ trong việc tổng hợp các luật điều khiển cho hệ. Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, các nghiên cứu cho hệ Teleoperation cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương pháp điều khiển đã được 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 các nghiên cứu trước đây nhìn chung đều đưa ra giải pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot tớ hoàn toàn giống nhau do chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của từng Robot trong hệ thống, đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển đối với hệ Teleoperation cụ thể chưa xét đến các ảnh hưởng đồng thời từ các yếu tố như: mô hình động học phi tuyến bất định của Robot chủ và Robot tớ; nhiễu tác động lên hệ, trễ trên kênh truyền…nên bài toán ổn định cũng như chất lượng của hệ còn nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Thực tế đặt ra cho thấy rất cần xây dựng các cấu trúc điều khiển đảm bảo cho hệ thống có khả năng kháng nhiễu, tính bền vững và chịu được hiệu ứng trễ của đường truyền. Chính vì vậy luận án tập trung xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation có ` 1 kể đến đồng thời các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định cũng như chất lượng hệ thống đã đề cập ở trên. 2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về hệ thao tác từ xa nói chung và đi sâu vào hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (Truyền thông qua dây dẫn xem như đường truyền hữu tuyến với trễ T=const). Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án đề xuất cấu trúc và 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 và 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 và tổng hợp. Thông qua nghiên cứu lý thuyết để đề xuất vấn đề cần giải quyết và xây dựng thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. 3. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển hệ thao tác từ xa Teleoperation SMSS, đảm bảo cho hệ bền vững có khả năng thích nghi kháng nhiễu, hoạt động ổn định trong điều kiện vừa có nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài, vừa có hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn tại trong động học của Robot chủ và Robot tớ. 4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án Luận án đã có những đóng góp mới sau:  Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu và tác động của môi trường lên Robot chủ và Robot tớ; đưa ra giải pháp bù trừ nhiễu và tác động bên ngoài lên hệ thống.  Đã tổng hợp được các bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu trên cơ sở đánh giá, bù nhiễu và sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot tớ.  Đã tổng hợp được bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot chủ.  Đã chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu bất định từ bên ngoài và tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông. Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng ` 2 dụng trong một số lĩnh vực như: tháo lắp thuốc nổ trong quân sự, Robot điêu khắc hội họa từ xa.. 5. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu và kết luận, được bố cục như sau: CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1.1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation Hệ thống điều khiển này cho phép con người sử dụng khả năng tư duy, sự hiểu biết và hoạt động chân tay của mình tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho con người có những cảm giác thật trong sự tương tác giữa con người với Robot chủ và giữa Robot tớ với môi trường cho dù ở khoảng cách xa [64], [75]. Trong những thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90] như: điều hành Robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phương tiện không người lái dưới nước, xử lý những vật liệu nguy hiểm, độc hại trong các nhà máy hạt nhân, trong tác chiến quân sự, ứng dụng trong các lĩnh vực khai thác và sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ nào đó hệ Teleoperation cũng có thể ứng dụng trong “phẫu thuật từ xa”. Hệ Teleoperation được điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với các cấu trúc song song. Trong hệ kín, những tín hiệu phản hồi có thể là về vị trí, vận tốc, gia tốc của Robot, lực tương tác với môi trường làm việc và thậm chí là hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… tại khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75]. Để trao đổi thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ còn có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây…) [75], [80]. Trên Hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation. Người thao tác Môi trường làm việc Trễ Trễ Slave và Bộ điều Master và Bộ điều khiển Master Kênh truyền thông khiển Slave Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation Hiện nay hệ Teleoperation được chia ra làm ba loại chính đó là: hệ SMSS (một Master + một Slave), hệ MMMS (nhiều Master + nhiều Slave) và hệ SMMS (một Master + nhiều Slave). ` 3 Như vậy hệ Teleoperation đã và đang được ứng dụng trong thực tế. Hệ Teleoperation là hệ phi tuyến có trễ và chịu ảnh hưởng của nhiễu và ngoại lực bên ngoài tác động. Trong luận án này chỉ tập trung nghiên cứu đến hệ TeleoperationSMSS. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation Trong thời gian vài thập niên vừa qua có nhiều thuật toán điều khiển đã được đề xuất nhằm vượt qua những những thách thức và trở ngại về đặc thù riêng của hệ Teleoperation đã được nêu trên. Trong [44], thời gian trễ được xấp xỉ hóa nhờ phương pháp Pade. Tuy nhiên sai số xấp xỉ trong trường hợp này sẽ tăng nhiều ở tần số cao [60]. Trong một số công trình [30], [37], [71] thời gian trễ trên kênh truyền thông được xem xét như là nhiễu. Cách giải quyết và xử lý nhiễu như vậy là không mang lại hiệu quả như mong đợi, bởi nó không phản ánh đúng hiệu ứng trễ thực tế trên kênh truyền thông. Xử lý trễ trong các hệ Teleoperation còn được thực hiện theo phương pháp sử dụng bộ dự báo Smith [8]. Tuy vậy để có thể áp dụng được bộ dự báo Smith, các tác giả đã buộc phải sử dụng mô hình tuyến tính thay cho mô hình động học bất định của Robot chủ và Robot tớ. Để hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt của tính phi tuyến bất định, trong [14], [17] đề xuất bộ điều khiển thích nghi. Tuy vậy các công trình này hầu như không bàn đến trễ kênh truyền thông [17] hoặc có xét đến trễ (T300ms) nhưng chất lượng điều khiển quỹ đạo còn hạn chế [14]. Tương tự như vậy, trong [60] luật điều khiển thích nghi được tổng hợp trên cơ sở tuyến tính hóa mô hình động học của Robot chủ và Robot tớ, vì vậy nó không thể đáp ứng được các yêu cầu đặt ra cho hệ thao tác từ xa với các đối tượng phi tuyến bất định. Một trong số các công trình mới xuất hiện trong thời gian gần đây, liên quan đến điều khiển thích nghi cho các hệ Teleoperation là công trình của Zhijun Li và cộng sự [94]. Luật điều khiển thích nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên của thời gian trễ trên kênh truyền thông, trong đó thời gian trễ theo hai chiều có giá trị khác nhau. Tuy nhiên hạn chế ở đây là luật điều khiển vẫn được xây dựng dựa trên mô hình tuyến tính hóa của Robot chủ và Robot tớ. Trong [45] một bộ điều khiển cho hệ Teleoperation được đề xuất, trong đó sử dụng luật điều khiển PD và bộ quan sát tốc độ cho trường hợp thời gian trễ thay đổi. Nhược điểm của bộ điều khiển đề xuất ở đây là chưa tính đến nhiễu tác động từ bên ngoài, mà các nhiễu này thường là không đo được và có tính bất định. Để tạo ra khả năng kháng nhiễu, đặc biệt là các nhiễu bất định, không đo được vấn đề cốt yếu đặt ra là phải nhận dạng, đánh giá được nhiễu. Một bộ quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa đã được đề xuất trong [94]. Tuy nhiên bộ quan sát này chỉ áp dụng được cho trường hợp Robot chỉ có một bậc tự do (DOF), trong đó mô hình động học đã được tuyến tính hóa. ` 4 Tác giả A. Mohammadi cùng các cộng sự của mình đã đề xuất bộ điều khiển dựa trên quan sát nhiễu cho hệ Teleoperation [59]. Theo đó, kết quả quan sát nhiễu tác động lên hệ được sử dụng để bù trừ tín hiệu điều khiển. Tuy nhiên bộ quan sát nhiễu được đề xuất ở đây chỉ áp dụng được cho trường hợp nhiễu biến đổi chậm. 1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation Cho đến nay, nhìn chung các nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation nói chung và hệ Teleoperation SMSS nói riêng còn rất hạn chế, trong đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho hệ hầu hết đều không xét đến các yếu tố ảnh hưởng của môi trường, ma sát, gia tốc trọng trường…tác động lên hệ [3], [5], [6]. Từ những phân tích trên đây ta có thể thấy rằng việc xây dựng các bộ điều khiển đảm bảo chất lượng cao cho hệ Teleoperation SMSS kể cả trong và ngoài nước cho đến nay vẫn còn nhiều vấn đề chưa thực sự được giải quyết thỏa đáng, đang thực sự là vấn đề cấp thiết thu hút được sự quan tâm của 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 chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) Theo [21] một hệ Teleoperation được gọi là chất lượng cao nếu đảm bảo được tính chính xác và đồng nhất về các yếu tố: đồng biên, đồng dạng cho tất cả các loại tín hiệu như: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực… gửi từ Robot chủ đến Robot tớ và ngược lại. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng của hệ Teleoperation  Trễ trên kênh truyền thông (Time Delay)  Nhiễu và các ngoại lực bên ngoài tác động lên hệ 1.4. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất hướng giải quyết trong luận án Tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation: - Ngoài nhiễu nội do các loại ma sát tại các khớp của các Robot thì tác động của môi trường lên Robot tớ cũng là yếu tố không đo được. Thêm vào đó, tác động của môi trường thay đổi theo quy luật không biết trước trong dải rộng. Rõ ràng muốn đảm bảo chất lượng điều khiển đòi hỏi phải ước lượng được các tác động này và thuật toán điều khiển phải xử lý được các tác động này một cách hiệu quả. Như vậy, nhất thiết phải xây dựng bộ điều khiển thích nghi kháng nhiễu mới có thể giảm thiểu ảnh hưởng của sự tương tác của môi trường và nhiễu nội lên chất lượng hệ thống. Bên cạnh đó cũng cần quan tâm đến giải pháp đảm bảo cho người thao tác có được cảm nhận thực của về tác động của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ, để từ đó người thao tác đưa ra quyết định vận hành chính xác hơn. ` 5 - Robot chủ và Robot tớ đều là các đối tượng phi tuyến bất định, cần điều khiển đồng thời Robot chủ và Robot tớ, trong đó Robot tớ phải bám theo quỹ đạo (véc tơ vị trí) của Robot chủ; ngược lại Robot chủ cũng vừa phải bám theo quỹ đạo của Robot tớ, lại vừa phải tạo ra quỹ đạo theo chủ ý của người thao tác. Điều này làm cho bài toán điều khiển trở lên phức tạp thêm rất nhiều. Để giải quyết vấn đề điều khiển cho đối tượng phi tuyến bất định với những yêu cầu đặc thù như vậy, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bền vững trên cơ sở sử dụng chế độ trượt (hay còn goi là Mode trượt), bởi chế độ trượt cho phép chế ngự được tính phi tuyến bất định một cách hiệu quả [19], [87]. Vấn đề đặt ra là xây dựng thuật toán điều khiển, đảm bảo sự tồn tại chế độ trượt trong hệ thống có những yêu cầu đặc thù nêu trên. - Trong hệ thống tồn tại hiệu ứng trễ với thời gian trễ T, do kênh truyền thông gây nên. Điều này càng làm cho bài toán điều khiển phức tạp thêm bên cạnh những sự phức tạp đã nêu ở các phần trên. Đề xuất hướng nghiên cứu giải quyết: Qua phân tích tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ thao tác từ xa. Để đạt được các mục tiêu như trên luận án cần giải quyết 3 bài toán sau:  Bài toán 1: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot tớ trong hệ thao tác từ xa. Theo [94] động học của Robot tớ được mô tả bằng 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” là các chỉ số của Robot tớ; qs   n là véc tơ góc (vị trí) của Robot tớ; τ s   n là mô men đầu vào của Robot tớ (tín hiệu từ bộ điều khiển của Robot tớ); τ e   n là mô men do các lực tương tác của môi trường tác động lên Robot tớ; M s ( qs )   nxn là mô men quán tính Robot tớ (ma trận đối xứng xác định dương); Cs (qs , q s )   nxn là các véc tơ mô men Coriolis và hướng tâm; τ Ns   n là các thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo được và khó mô hình hóa tác động lên Robot tớ. Nhận thấy rằng, trong thực tế trạng thái của Robot chủ và Robot tớ luôn bị chặn. Vì vậy điều kiện đảm bảo cho Robot tớ hoạt động bám sát quỹ đạo của Robot chủ khi và chỉ khi: lim qm t  T   qs  0; t  lim q m t  T   q s  0 t  Trong đó: qm t  T    n là véc tơ góc (vị trí) của Robot chủ qua kênh truyền thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot tớ. * Do đó vấn đề đặt ra là phải xác định được thuật toán đánh giá thành phần τe  τe τNs (gọi tắt là tác động của môi trường lên Robot tớ) nhằm xây dựng cấu trúc bộ điều khiển bền vững, có khả năng thích nghi kháng nhiễu cho Roobot tớ và truyền thành ` 6 * phần τ e về phía Robot chủ giúp cho người thao tác có thể cảm nhận được tác động này lên Robot tớ thông qua Robot chủ.  Bài toán 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot chủ trong hệ thao tác từ xa. Điều khiển Robot chủ vừa phải bám ngược trở lại theo quỹ đạo Robot tớ, lại vừa phải tạo ra quỹ đạo theo chủ ý của người thao tác trong điều kiện có nhiễu nội tác động và các thành phần không mô hình hóa được của Robot chủ. Bên cạnh đó cấu * trúc điều khiển cần phải đảm bảo chứa mạch vòng phản hồi thành phần τe về phía Robot chủ để giúp người thao tác có được cảm nhận thực về các tác động của môi trường lên Robot tớ. Theo [94] và để cho người thao tác cảm nhận được chính xác tác động của môi * trường τe lên Robot tớ động học của Robot chủ sẽ 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” là các chỉ số của Robot chủ; qm   n là véc tơ góc (vị trí) của Robot chủ; τ m   n là mô men đầu vào của Robot chủ (tín hiệu từ bộ điều khiển của Robot chủ); τ op   n là mô men do người thao tác tạo nên; M m (qm )   nxn là mô men quán tính Robot chủ (ma trận đối xứng xác định dương); Cm (qm , q m )   nxn là các véc tơ mô men Coriolis và hướng tâm; τ Nm   n là các thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo được và khó mô hình hóa tác động lên Robot chủ. Tương tự như Robot tớ, để đảm bảo cho Robot chủ hoạt động bám sát quỹ đạo của Robot tớ khi và chỉ khi: lim qs t  T   qm  0; t  lim q s t  T   q m  0 t  Trong đó: qs t  T    n là véc tơ góc (vị trí) của Robot tớ qua kênh truyền thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot chủ. Như vậy, trước hết cần xác định được thuật toán đánh giá thành phần nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ. Tiếp đó xây dựng cấu trúc điều khiển thích nghi kháng nhiễu và đảm bảo ổn định ISS cho Robot chủ với các tác động kích thích bên ngoài 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 trên kênh truyền thông T là hằng số. Trong luận án đề cập đến hệ thống thao tác từ xa được xây dựng trên cơ sở tích hợp giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông với trễ T là hằng số. Yêu cầu đặt ra là phải tổng hợp hệ thao tác từ xa, trong đó bộ điều khiển của từng Robot đã đề cập trong Bài toán 1; Bài toán 2. Mặt khác phải đảm bảo cho toàn bộ hệ ` 7 thống hoạt động ổn định khi chịu hiệu ứng trễ của kênh truyền. Vấn đề đặt ra là cần phải xác định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế. Nội dung của 3 bài toán trên có thể nhóm gọn lại như sau: - Ước lượng các thành phần nhiễu nội và tác động của môi trường lên Robot chủ/Robot tớ; - Tổng hợp bộ điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ và tổng hợp bộ 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 trên kênh truyền thông là hằng số đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống. 1.5. Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) bao gồm cấu trúc, phân loại, các đặc điểm và yêu cầu về chất lượng điều khiển của một hệ thống Teleoperation. Điểm lại một số kỹ thuật điều khiển hệ thống thao tác từ xa đã được công bố trên tạp chí khoa học trên thế giới và trong nước. Đã chỉ ra những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết thỏa đáng cũng như nêu lên những đặc thù và khó khăn khi tổng hợp điều khiển hệ thống Teleoperation đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển. Từ đó đã nêu rõ tính bức thiết của luận án cần giải quyết, xác định rõ mục tiêu cần đạt được, đề xuất được thuật toán đảm bảo giải quyết được các mục tiêu của luận án. ` 8 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Dưới đây đề xuất phương pháp mới để tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, đảm bảo tính bền vững và tính kháng nhiễu, đồng thời có chú ý đến tính phi tuyến của Robot chủ và Robot tớ; hiệu ứng trễ do truyền thông gây ra và đặc biệt là ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ và bù trừ ảnh hưởng của nó, trong khi vẫn đảm bảo cho người thao tác cảm nhận được tác động này. Đặt vấn đề Theo [94] động học của hệ thao tác từ xa, bao gồm hai Robot là Robot chủ (Master) và Robot tớ (Slave) được mô tả bằng 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 quyết vấn đề đặt ra, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển thích nghi, bền vững trên cơ sở ước lượng nhiễu kết hợp sử dụng chế độ trượt cho phía Robot tớ và tổng hợp bộ điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ. 2.2.1. Tổng hợp bộ 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 của Robot Slave được mô tả bởi phương trình (2.25) trong đó thành phần mô men các lực tác động của môi trường τ e và thành phần nhiễu bất định τ Ns là đại lượng thay đổi trong dải rộng và không đo được. Như đã nêu ở phần trên, đối với tác động bên ngoài như τ e và τ Ns chúng ta cần ước lượng, từ đó sử dụng kết quả ước lượng để điều khiển, làm cho hệ thống có khả năng thích nghi kháng nhiễu. Trên Hình 2.8 là sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ, trong đó có hai khối chính: khối mô hình Robot tớ MHRS và khối xử lý nhiễu của Robot tớ XLNS. Động học của khối mô hình MHRS được mô tả bằng 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 là các biến trạng thái của mô hình Robot tớ MHRS. (2.31) Lấy hai vế của phương trình (2.30) trừ hai vế tương ứng của phương trình (2.25), có chú ý đến (2.31), ta thu được: M s (qs ) εs  C s (qs , q s )εs  τ e* (2.32) ` 9 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) có thể sử dụng để xác định thành phần τ e* . Kết quả ước lượng theo (2.32), (2.33) sẽ là véc tơ đánh giá tác động của môi trường lên Robot tớ τ e* , với sai số đánh giá e phụ thuộc vào độ chính xác của các sensor * * nói trên: τ e  τˆe  e hay τ e*  e  τˆe* (2.34) Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ 2.2.1.2. Tổng hợp luật điều khiển cho cho Robot tớ Ý tưởng chủ đạo của phương pháp đề xuất là: sử dụng đầu ra của bộ ước lượng nhiễu đề xuất ở phần trên nhằm làm cho hệ thống có khả năng thích nghi kháng nhiễu; sử dụng phương pháp “tính mômen” và chế độ trượt nhằm chế ngự các yếu tố bất định, làm cho hệ thống có tính bền vững tốt [19], [87], [91]. Thực hiện ý tưởng nêu trên, trước hết chúng ta áp dụng phương pháp “tính mômen”, theo đó đầu vào của Robot tớ (2.25) được tạo ra theo luật dưới đây [57]: τ s  M s (qs )u s  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τb (2.35) Với u s là biến điều khiển sẽ phải được xác định tiếp theo; Cs (qs , q s )q s  G s (qs ) là thành phần bù phi tuyến và τ b là thành phần bù nhiễu. Sử dụng kết quả ước lượng nhiễu đã thu được ở phần trên, ta chọn τ b  τˆe . Khi đó, thế (2.35) vào (2.25) và biến đổi ta thu được: M s (qs )qs  M s (qs )u s e (2.36) * Tiếp theo, chúng ta phải xác định u s nhằm đảm bảo tính bền vững cho hệ thống. Điều khiển mode trượt là lựa chọn thích hợp nhất 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 ra của Robot tớ bám theo đầu vào mong muốn (2.37), nghĩa là làm cho: lim e (t)  lim qm (t T)  qs (t)  0 qsd (t)  qs (t)  lim t  s t  t  lim e (t)  lim q m (t T)  q s (t)  0 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 và  I là các ma trận đường chéo xác định dương  p  diag  p1  p 2 ...  pn  ,  I  diag  I 1  I 2 ...  In ;  pi  0;  Ii  0, i  1, 2, ..., n . Tiếp theo, ta phải xác định u s trong (2.36) đảm bảo tồn tại chế độ trượt trên mặt trượt S s cho hệ thống Robot tớ. Chọn u s ở dạng: u s  u seq  K s S s  AsgnS s (2.43) Trong đó u seq là điều khiển tương đương và các thành phần K s , A được xác định như 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 1 qs e  1* *2 ... *n  T (2.46) aoi  *i max ; I là ma trận đơn vị Định lý sau đây thiết lập điều kiện đủ cho sự tồn tại chế độ trượt của hệ (2.36), (2.43). Định lý 2.1. Xét hệ động học (2.36). Luật điều khiển (2.43) đảm bảo tồn tại chế độ trượt cho hệ thống trên mặt trượt (2.40) mỗi khi thỏa mãn điều kiện (2.44), (2.45), (2.46) với  là đại lượng dương nhỏ bao nhiêu tùy ý. (Định lý đã được chứng minh.) Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho Robot tớ 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ Để đáp ứng được đồng thời các yêu cầu đó đòi hỏi hệ thống phải có khả năng thích nghi kháng nhiễu và đảm bảo được ổn định ISS. Vì vậy 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 chính xác được tác động của môi trường lên Robot tớ, τˆe được đưa tới Robot chủ, lúc đó kết hợp với phương trình gốc (2.24), phương trình động học của Robot chủ sẽ 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 được nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ, ta sử dụng cấu trúc như Hình 2.10. trong đó phương trình của mô hình Robot chủ MHRM sẽ 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 là các biến trạng thái của mô hình Robot chủ MHRM. Lấy hai vế của phương trình (2.59) trừ hai vế tương ứng của phương trình (2.58), có chú 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 được xác định thông qua các đại lượng qm , qm , q m , q m , qm , qm trên cơ sở (2.61) và (2.62), kết quả đánh giá τˆNm kèm theo sai số  Nm :  Nm  τ Nm  τˆNm (2.63) Kết quả đánh giá nhiễu τˆNm ở đầu ra của bộ ước lượng được sử dụng trong luật điều khiển của 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 ra đối với Robot chủ, bộ điều khiển cho Robot chủ phải có khả năng kháng nhiễu và phải đảm bảo được ổn định ISS. Để đạt được 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 là đầu vào mong muốn của Robot chủ; Kp, KD là các ma trận đối xứng, xác định dương. Thế τ m từ (2.64) vào (2.58) và 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    1  p    M m qm  B 2 qm  em  D        ` (2.66) 12 (2.67) B 2 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 khi hệ không có tác động kích thích τ op , τˆe* ,  Nm mô hình hệ (2.68) sẽ có dạng:   AX X (2.70) mo mo Tính ổn định của (2.70) hoàn toàn phụ thuộc vào ma trận A theo dạng (2.67). Vì K P , K D là các ma trận đối xứng xác định dương nên ma trận A là ma trận bền, tức là ma trận Hurwitz. Do đó hệ (2.70) ổn định và quỹ đạo Xmo t  với mọi giá trị ban đầu của X mo 0 bị chặn và tiệm cận về gốc tọa độ khi t   . Bây giờ ta sẽ chứng minh hệ (2.68) là ổn định thực tế, hay ổn định ISS. Định lý sau đây thiết lập các điều kiện đủ đó. Định lý 2.2. Xét hệ động học (2.68), trong đó các tác động τ op , τˆe* ,  Nm bị chặn bởi (2.69). Hệ sẽ ổn định thực tế (practical Stabilied) với quỹ đạo trong không gian sai lệch luôn bị chặn và hội tụ về miền  chứa gốc tọa độ, được xác định bởi:   (2.71) Xm   2 n : Xm  2 pbv  v  op  e   Nm (2.72) AT Pm  Pm A = -I (2.73)  p là chặn trên của chuẩn . của ma trận Pm   2nx 2n : Định lý đã được 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 được xây dựng trên cơ sở hệ Robot chủ tích hợp với Robot tớ thông qua các 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  là các đầu vào của Robot tớ; qmd t , q md t  là các đầu vào của 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 vậy thời gian trễ T ảnh hưởng trực tiếp đến các 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 ra tiếp theo là phải xác định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế. Định lý sau đây thiết lập điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định với các hệ Robot chủ và Robot tớ được xác định ở (2.21) và (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) và trễ đường truyền T (2.83). Hệ sẽ ổn định thực tế với quỹ đạo trong không gian sai lệch luôn bị chặn và hội tụ về miền  t chứa gốc tọa độ, được xác định bởi:  t  Xt   XTm XTs    4 n  T g  2 Pm . B . τv ; Xm  g  g 2  4 ; 2 Xs  0 ;   m  s  τe ; m  m1  m 2 ; s   s1  s 2 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 2   d i q sT t  T  q s t  T  i T i1 dt i  s 2   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 đã được chứng minh. Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thao tác từ xa trên cơ sở bộ điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu 2.3. Mô phỏng điều khiển hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) trên Matlab-Simulink 2.3.1. Động lực học của hệ Teleoperation SMSS ` 14 Hình 2.13. Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp theo 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 của Robot chủ và Robot tớ 2.3.3. Mô phỏng 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 phỏng 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) trên Matlab Simulink 2.3.6. Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển hệ thao tác từ xa và nhận xét * Kết quả mô phỏng ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ τ e* Hình 2.38. Thành phần tác động của môi trường τˆe*1 Hình 2.39. Thành phần tác động của môi trường τˆe*2 * Kết quả mô phỏng quỹ đạo Robot chủ và Robot tớ khi T=0(s) Trường hợp 2: Khi đã bù trừ ảnh hưởng của thành phần τ e* phía Robot tớ ` 15 Hình 2.42. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành phần τˆe* Hình 2.43. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành phần τˆe* - Kết quả mô phỏng so sánh τ op trong trường hợp có và không 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 2 ` 16 * Kết quả mô phỏng quỹ đạo Robot chủ và Robot tớ với trễ kênh truyền T=0.5 (s) Hình 2.46. Thành phần quỹ đạo q1 của Robot Hình 2.47. Thành phần quỹ đạo q2 của Robot * Nhận xét: Thông qua kết quả mô phỏng Hình 2.38 và Hình 2.39 cho ta thấy thuật toán đánh giá nhiễu và tác động của môi trường lên Robot chủ/Robot tớ đề xuất theo cấu trúc Hình 2.12 hoàn toàn chính xác làm cơ sở cho việc bù trừ tín hiệu điều khiển giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống. Hình 2.40 đến Hình 2.43 cho ta thấy quỹ đạo Robot tớ bám hoàn toàn đồng nhất về dạng quỹ đạo, biên độ, pha với Robot chủ trong trường hợp không có trễ trên kênh truyền; Hình 2.46 và Hình 2.47 khi trễ T=2 (s) thì quỹ đạo Robot tớ chỉ lệch pha nhưng vẫn đồng nhất về dạng quỹ đạo với Robot chủ. Mặt khác kết quả mô phỏng Hình 2.44 và Hình 2.45 cho ta thấy khi có tác động của môi trường gây sức cản lên Robot tớ thì người thao tác có khả năng cảm nhận được sức cản đó. 2.4. Kết luận chương 2 Chương 2 của luận án đã tập trung vào xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thao tác từ xa với những đóng góp mới sau đây:  Đã đưa ra thuật toán ước lượng nhiễu cũng như tác động của môi trường lên Robot chủ và Robot tớ, từ đó làm cơ sở cho việc tổng hợp bộ điều khiển thích nghi kháng nhiễu cho từng Robot trong hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS).  Đã phát biểu và chứng minh được ba định lý về các điều kiện đủ, từ đó đưa ra cấu trúc điều khiển cho Robot chủ và Robot tớ hoạt động ổn định với các đặc thù và yêu cầu về kỹ thuật điều khiển riêng cho từng Robot. ` 17 CHƯƠNG 3 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 và Card DSP1103 Hình 3.1. Sơ đồ ghép nối điều khiển hệ SMSS qua máy tính và Card DSP1103 3.2. Sơ đồ kết nối vật lý cho một khớp (1 động cơ) của Robot chủ/Robot tớ với Card DSP1103 Hình 3.2. Sơ đồ ghép nối vật lý cho một khớp của Robot với Card DSP1103 3.3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ Teleoperation SMSS 3.4. Sơ đồ các khối ghép nối trên Matlab Simulink kết nối với DSP1103 và 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 và mạch điều khiển ` 18 3.6. Kết quả điều khiển thực hệ SMSS qua card DSP1103 và phần mềm Control Desk  Kết quả ước lượng tác động của môi trường τ e* lên Robot tớ Hình 3.12. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu τ e* khi Robot tớ không mang tải Hình 3.13. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu τ e* khi Robot tớ mang tải Nhận xét: Việc ước lượng nhiễu đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển, góp phần bù trừ tín hiệu điều khiển do thành phần nhiễu gây ra lên hệ thống. Hình 3.13 và Hình 3.14 cho ta thấy được các thành phần nhiễu đánh giá trong trường hợp không tải và có tải.  So sánh quỹ đạo Robot chủ và Robot tớ với trễ kênh truyền T=0 (s) + Trường hợp 1: Robot tớ không mang tải và chưa bù trừ nhiễu nội τ NS Hình 3.14. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ NS Hình 3.15. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ NS ` 19 + Trường hợp 2: Robot tớ không mang tải và đã bù trừ nhiễu nội τ NS Hình 3.16. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ NS Hình 3.17. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu τ NS + Trường hợp 3: Robot tớ có mang tải và chưa bù trừ nhiễu τ e* Hình 3.38. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ e* Hình 3.49. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu τ e* ` 20