..
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 bởi Trung tâm Học liệu và 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 bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Giáp Thị Nghi, tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán
điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” là do chính tôi thực
hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Đặng Ngọc Trung và các tài liệu tham khảo
đã trích dẫn. Nội dung trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực
và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020
Tác giả luận văn
Giáp Thị Nghi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin được chân thành cảm
ơn đến Thầy TS. Đặng Ngọc Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng
luận văn đến quá trình viết và hoàn thiện luận văn.
Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy
giáo trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên
đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận
văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các
đồng nghiệp trong Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp
Bắc Giang đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều
kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này.
Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực
bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót.
Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn
này được hoàn thiện hơn.
Tác giả luận văn
Giáp Thị Nghi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 9
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 12
2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 13
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 13
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 13
5. Kết quả .................................................................................................................. 14
6. Bố cục của luận văn ............................................................................................. 14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA .................................. 16
1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation ............................................................. 16
1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation .......................................................................... 16
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation ................................. 17
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation ................................... 20
1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation ....................................................... 21
1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in
Teleoperation Systems) ............................................................................................. 23
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation .......... 23
1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation) ................................................ 25
1.4.1. Thám hiểm không gian.................................................................................... 25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại ................................................................. 26
1.4.3 Phương tiện dưới nước ..................................................................................... 26
1.4.4 Kính thiên văn .................................................................................................. 27
1.4.5 Robot di động .................................................................................................. 27
1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thông ................................................... 28
1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất
hướng giải quyết trong luận văn ............................................................................... 29
1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 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 cơ bản ............................................................................................ 31
2.1.2 Tính ổn định Lyaponov .................................................................................... 32
2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu ................................................................................ 36
2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định .......................................................................... 39
2.4. Lý thuyết về 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 cơ bản của 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 trên kênh truyền thông .......................................................................... 59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và 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 2 ............................................................................................. 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 của hệ Teleoperation SMSS............................................ 69
3.2 Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ........................................................... 74
3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS ............. 75
3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ....................................................... 89
3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 96
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
T
thời gian trễ trên kênh truyền thông
x(t )
trạng thái quỹ đạo tự do
Mi
ma trận quán tính xác định dương
Ci
ma trận criolit và lực hướng tâm
Ji
ma trận Jacobi
qi
góc quay khớp i
mi
khối lượng khâu i
li
chiều dài khâu i
i
mômen quán tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i
ri
khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i
Fi
ngoại lực đặt tại khớp i
Bi
độ giảm chấn tại khớp i
τi
mômen đầu vào các Robot
Fop
lực tác động lên Master do người thao tác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và 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 do 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
các thành phần nhiễu tác động lên các khớp
τˆNi
các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp
i
sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot
e
sai lệch quỹ đạo
Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt
M-M
Mô hình Robot chủ
S-M
Mô 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 bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
MDE
Ước lượng nhiễu Robot chủ
Danh mục các 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 bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation ........................................................... 16
Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương ................................................... 21
Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh. ................................................... 22
Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh. ................................................... 22
Hình 1.5 Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ song phương trong ứng dụng
không gian ............................................................................................................ 25
Hình 1.6. Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ trong môi trường nguy hiểm26
Hình 1.7. Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot ............................................. 27
Hình 2.1: Hệ hồi tiếp âm ...................................................................................... 42
Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm .................................................. 44
Hình 2.3 Mômen quán trính độc cực ................................................................... 46
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS) . 50
Hình 2.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp ...................................................... 52
Hình 2.6 Mô hình môi trường .............................................................................. 57
Hình 2.7. Mô hình thời gian trễ ............................................................................ 60
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot t64
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ ....... 66
Hình 2.10 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động .................... 67
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS ......................................... 70
Hình 3.2 Robot 2 bậc tự do dạng cánh tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang .......... 74
Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ SMSS trên Matlab Simulink . 77
Hình 3.4. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ (S-D-E)......................... 78
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.5. Khối xử lý nhiễu τe* tác động lên Robot tớ (DPOS)............................ 79
Hình 3.6. Khối Slave ............................................................................................ 80
Hình 3.7. Khối điều khiển Slave...........................................................................83
Hình 3.8. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ (M-D-E) .................... 81
Hình 3.9. Khối xử lý nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ (DPOM) ....................... 82
Hình 3.10. Khối điều khiển Master ...................................................................... 82
Hình 3.11. Khối Master ........................................................................................ 83
Hình 3.12. Khối người tác động trong hệ thống SMSS (Operator) ................... 85
Hình 3.13. Khối môi trường trong hệ thống SMSS (Enviroment) ..................... 85
Hình 3.14. Khối thời gian trễ biến thiên .............................................................. 85
Hình 3.15. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng hình Sin ................................................... 86
Hình 3.16. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng hình Sin .................................................. 86
*
Hình 3.17. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi chưa bù nhiễu τe ................................. 87
*
Hình 3.18. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu τe .............................. 87
*
Hình 3.19. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe ..................................... 88
Hình 3.20. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe* ..................................... 88
Hình 3.21. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng trơn ngẫu nhiên ....................................... 90
Hình 3.22. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng trơn ngẫu nhiên ...................................... 90
Hình 3.23. Thành phần nhiễu τ Nm1 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91
Hình 3.24. Thành phần nhiễu τ Nm 2 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91
Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92
Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93
Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93
Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94
Hình 3.30. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94
Hình 3.31. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95
Hình 3.32. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay trong các lĩnh vực y học, quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu
khắc gỗ... có rất nhiều các công việc mà con người không thể trực tiếp làm được
nên cần phải sử dụng đến các robot để thay thế con người làm những công việc đó.
Robot nói chung và hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) nói riêng, giúp giải
phóng sức lao động cho con người và đảm bảo sự an toàn khi thao tác với các công
việc. Đối tượng điều khiển trong hệ thao tác từ xa là những đối tượng phức tạp, phi
tuyến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định. Các yếu tố nhiễu cũng như ảnh
hưởng của thời gian trễ trên kênh truyền thông dễ gây mất ổn định hệ thống. Tất cả
những yếu tố đó gây khó khăn 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 thao tác từ xa
cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương pháp điều khiển đã được ứng dụng
như: điều khiển PID, điều khiển thụ động, điều khiển thụ động kết hợp Scattering,
điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[1], [5], [6], [7], [26]. Nhìn chung các nghiên
cứu trước đây 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 thao tác từ xa. 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 cũng
như các điều kiện ràng buộc thực tế của hệ…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. Do đó việc phân
tích tính đặc thù, những khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa và nghiên
cứu lý thuyết điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ là vấn
đề bức thiết giúp cho hệ thống mở rộng hơn nữa các ứng dụng trong thực tế. Chính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
vì vậy luận văn tập trung xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ Teleoperation có kể
đến đồng thời các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định cũng như chất lượng hệ thống
đã đề cập ở trên.
Vì vậy, dưới sự định hướng của thầy hướng dẫn, em xin lựa chọn 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.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và xây dựng bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ
(Teleoperation-SMSS), đảm bảo: Điều khiển bám chính xác quỹ đạo giữa Robot
chủ và Robot tớ. Người điều khiển có được cảm giác thực về những thao tác của
Robot tớ cả về vị trí cũng như lực tương tác với môi trường thông qua Robot chủ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là: 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 thay đổi.
Về phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính đặc thù và những khó khăn khi
tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển
đảm bảo ổn định cho hệ Teleoperation – SMSS, trong đó Robot chủ và Robot tớ có
cấu hình giống nhau.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu các công trình đã
công bố trong và ngoài nước trên thế giới, kết hợp nghiên cứu lý thuyết về điều
khiển phi tuyến nhằm tìm ra thuật toán mới điều khiển hệ Teleoperation SMSS.
Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
5. Kết quả
- Trình bày được 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.
- Đề xuất được cấu trúc điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ và
chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định đáp ứng các yêu cầu đặt
ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu thay đổi từ bên ngoài và tồn tại
hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham
khảo. Bố cục được trình bày như sau:
Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu
chính.
Chương 1. Tổng quan về hệ thao tác từ xa (Teleoperation)
Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thao tác từ xa
(Teleoperation), thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều
khiển hiện đại; các cấu trúc điều khiển đã được áp dụng cho hệ thao tác từ xa một
chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) trong các nghiên cứu trước đây. Nêu ra tính đặc
thù và khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất giải pháp xây
dựng thuật toán điều khiển phù hợp với các đặc điểm của các phân hệ Robot trong
hệ thao tác từ xa một chủ một tớ.
Chương 2. Xây dựng thuật toán điều khiển cho từng phân hệ Robot
trong hệ thống Teleoperation SMSS
Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho các phân hệ Robot trong hệ
thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) cụ thể như sau: thứ nhất đề xuất thuật
toán ước lượng nhiễu và tác động của môi trường lên Robot, từ đó làm cơ sở tổng
hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu cho từng phân hệ Robot. Thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
qua chứng minh chặt chẽ cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều
khiển của từng phân hệ Robot.
Chương 3. Tổng hợp cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS với
trễ trên kênh truyền thông thay đổi
Trên cơ sở đã thu được cấu trúc điều khiển từng phân hệ Robot độc lập, tổng
hợp hệ thống Teleoperation SMSS với trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đảm bảo
hệ thống ổn định thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật của hệ Teleoperation. Thông qua
kết quả mô phỏng trên Matlab simulink sẽ kiểm chứng được tính đúng đắn của
thuật toán điều khiển cũng như cấu trúc điều khiển đã được đề xuất.
Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng phát triển tiếp
theo của đề tài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA
1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation
1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation [1]
Teleoperation là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa.
Giống như một hệ thống “điều khiển từ xa”. Teleoperation bao gồm một hệ thống
chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống phụ thuộc gọi là “Slave”. Ở đây tín hiệu
điều khiển được gửi đến hệ “Slave” thông qua hệ “Master”.
Hệ Teleoperation có thể được điều khiển theo kiểu hệ hở hoặc hệ kín. Trong
hệ hở, không có tín hiệu phản hồi từ hệ “Slave” về hệ “Master”[1]. Trong hệ kín, tín
hiệu phản hồi được truyền ngược từ hệ “Slave” về hệ “Master”, 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 làm việc trong hệ
[2].
Trên hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation có
phản hồi.
Người thao tác
Môi trường làm
việc
Trễ T
Trễ T
Master và Bộ điều
khiển Master
Kênh truyền thông
1
Slave và Bộ điều
khiển Slave
Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
Trong Teleoperation này, Robot Master (nhận thao tác từ con người và đóng
vai trò điều khiển) và các robot Slave (nhận lệnh điều khiển từ Master và thao tác
công việc với môi trường) ngoài ra để trao đổi thông tin 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 wireless…) thực hiện nhiệm vụ
truyền thông tin giữa hai phía. Quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot
slave có hiện tượng trễ trong kênh truyền thông. Trễ trong hệ thống vòng kín có thể
làm mất tính ổn định và làm sai việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm
tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation. Vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý
tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thông gây ra. Ngoài ra phản lực phản
hồi (FR - Force Reflection) xuất hiện khi Robot tớ tương tác với môi trường làm
việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Robot tớ
thông qua cảm biến lực hoặc các bộ quan sát và từ đó có phương án bù trừ trực tiếp
ảnh hưởng của FR tới sự sai lệch về vị trí và tính ổn định làm việc của Robot tớ
thông qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và
thông qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau đó gửi tín hiệu
điều khiển sang Robot tớ. Nếu không thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy
hiểm khi thực hiện các tác vụ. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó
khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation. Thông qua hệ
Teleoperation có thể cho ta cảm nhận được chính xác về lực tại Robot chủ khi xảy
ra tương tác giữa Robot tớ với môi trường.
Căn cứ theo số lượng rô bốt, hệ thống teleoperation được chia ra làm ba loại
chính đó là: hệ SMSS (một thiết bị master + một thiết bị slave), hệ MMMS (nhiều
thiết bị master + nhiều thiết bị slave) và hệ SMMS (một thiết bị master + nhiều thiết
bị slave).
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation
Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập
niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các
thuật toán điều khiển liên quan. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và Sheridan
bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh
hưởng của trễ trong việc truyền thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ.
Những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm
đến sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề
trễ gây ra [8]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ
Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô
hình nội. Trong một số bài báo, sự có mặt của tính bất định động lực học tay người
vận hành, môi trường và sự tồn tại thời gian trễ có thể làm cho hệ Teleoperation mất
ổn định [8], [9] kết Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ
nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh
hưởng qua lại giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc
đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và
Sheridan bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có
kể đến ảnh hưởng của trễ trong việc quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất
lượng và tính ổn định của hệ thống [10]. Hầu hết các nghiên cứu trên vẫn chưa cho
được kết quả thỏa đáng chính xác về vị trí và lực tương tác giữa Robot chủ và
Robot tớ khi có trễ và đặc biệt cũng chưa kể đến ảnh hưởng của các nhiễu tác động
lên hệ thống, đó là các yếu tố làm mất ổn định hệ thống và làm giảm chất lượng
điều khiển. Sau này các nghiên cứu dần hoàn thiện trên cơ sở các thuật toán trước
đây trong điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào bài toán điều
khiển bền vững, tuy nhiên cũng chỉ quan tâm đến bài toán ổn định trong hệ
Teleoperation mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng của hệ thống như:
Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, kết
hợp điều khiển thụ động và điều khiển thích nghi cho hệ nhưng không xét đến các
yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ khi phía Slave va chạm với môi trường
không thật sự thỏa mãn [8].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
http://lrc.tnu.edu.vn
- Xem thêm -