3-BẢNG MÃ LỖI CỦA CÁC HÃNG ĐIỀU HÒA .pdf - ĐIỆN LẠNH BÁCH KHOA HÀ NỘI
Robot tu hanh 4 banh da huong
1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
HÀ THỊ KIM DUYÊN
ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO
CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG
Hà Nội - 2020
2. i
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
HÀ THỊ KIM DUYÊN
ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐỘNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO
CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9 52 02 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Phan Xuân Minh
2. TS. Phạm Văn Bạch Ngọc
Hà Nội – 2020
3. ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn
thành dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phan Xuân Minh và TS. Phạm văn Bạch
Ngọc. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà nội, tháng 10 năm 2020
Tác giả
Hà Thị Kim Duyên
4. iii
LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành với sự nỗ lực không ngừng của tác giả và sự
giúp đỡ hết mình từ các thầy giáo hướng dẫn, bạn bè và người thân.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời tri ân tới GS.TS Phan Xuân Minh và TS.
Phạm Văn Bạch Ngọc, những cô giáo, thầy giáo đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn
thành luận án này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo và cán bộ của Viện Công
nghệ thông tin, Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt để tác giả
hoàn thành công trình của mình; cảm ơn các thầy, cô và các đồng nghiệp ở các nơi
mà tác giả tham gia viết bài đã có những góp ý chính xác để tác giả có được những
công bố như ngày hôm nay.
Tác giả xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội,
các đồng nghiệp khoa Điện tử nơi tác giả công tác đã ủng hộ để luận án được hoàn
thành đúng thời hạn.
Cuối cùng, tác giả xin gửi tới gia đình, bạn bè, người thân lời cảm ơn chân
thành nhất vì đã đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, tháng 10 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Hà Thị Kim Duyên
5. iv
MỤC LỤC
Trang phụ bìa………..…………………………………………………...………..i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................... vii
BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ .......................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... xi
MỞ ĐẦU.. ..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH...........................................6
BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG ........................................................................................6
1.1. Robot tự hành di chuyển bằng bánh đa hướng. .........................................6
1.2. Bài toán điều khiển bám quỹ đạo.................................................................8
1.2.1. Giai đoạn lập phương án chuyển động.....................................................8
1.2.2. Giai đoạn thiết kế quỹ đạo........................................................................8
1.2.3. Điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động. ............................................9
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước...............................9
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.............................................................9
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước...........................................................11
1.4. Kết luận chương 1........................................................................................16
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM
QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG.....................17
2.1. Xây dựng mô hình động học, động lực học cho robot tự hành bốn bánh
đa hướng...................................................................................................................17
2.1.1. Bánh xe Omni.........................................................................................17
2.1.2. Mô hình động học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42]............19
2.1.3. Mô hình động lực học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42]......22
2.1.4. Mô phỏng kiểm chứng các kết quả mô hình hóa mô hình robot............23
2.2. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh
đa hướng thông dụng..............................................................................................24
2.2.1. Bộ điều khiển PID cho FWOMR ...........................................................25
6. v
2.2.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR..............................................26
2.2.3. Bộ điều khiển đa mặt trượt cho FWOMR..............................................28
2.2.4. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán ....................................................31
2.3. Kết luận chương 2........................................................................................35
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO
CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG.........................................36
3.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động. .....................................................36
3.1.1. Xây dựng thuật toán điều khiển bám quĩ đạo mặt trượt động cho
FWOMR…................................................................................................................36
3.1.2. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thuật toán..............................................40
3.2. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ điều khiển bám
quỹ đạo cho FWOMR.............................................................................................44
3.2.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ.............................44
3.2.2. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán...........................................................47
3.3. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi nơ ron mờ điều khiển
bám quỹ đạo cho FWOMR. ...................................................................................50
3.3.1. Xấp xỉ thành phần bất định mô hình FWOMR sử dụng mạng nơ ron bán
kính xuyên tâm..........................................................................................................50
3.3.2. Xây dựng luật mờ cho AFNNDSC ........................................................55
3.3.3. Kết quả mô phỏng. .................................................................................56
3.4. Kết luận chương 3........................................................................................62
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG VÀ
CHẠY THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN......................................64
4.1. Thiết kế chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng.................................64
4.1.1. Thiết kế cơ cấu, cơ khí và xây dựng Omni thực tế. ...............................64
4.1.2. Thiết kế cấu trúc và mạch điều khiển cho robot. ...................................65
4.1.3. Phần mềm điều khiển cho robot.............................................................66
4.2. Cài đặt thuật toán và chạy thử nghiệm. ....................................................67
4.2.1. Lập trình phần mềm nhúng vi xử lý thuật toán và điều khiển ...............67
4.2.2. Kết quả robot trong môi trường Gazebo và Rviz để mô phỏng kiểm
chứng…….................................................................................................................69
4.2.3. Kết quả chạy thực nghiệm thực tế..........................................................70
7. vi
4.3. Kết luận chương 4........................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................74
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.....................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................78
PHỤ LỤC. ............................................................................................................86
8. vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt
NCS Nghiên cứu sinh
FWOMR Four-wheeled Omnidirectional
Mobile Robot
Robot tự hành bốn bánh đa
hướng
OMR Omnidirectional Mobile Robot Robot tự hành đa hướng
RBFNN Radial Basis Function Neural
Network
Mạng Nơ ron bán kính xuyên
tâm
DSC Dynamic Surface Control Mặt trượt động
AFDSC
Adaptive Fuzzy Dynamic Surface
Control
Điều khiển mặt trượt động
thích nghi mờ
ANNDSC
Adaptive Neural Network
Dynamic Surface Control
Điều khiển mặt trượt động
thích nghi nơ ron
AFNNDSC
Adaptive Fuzzy Neural Network
Dynamic Surface Control.
Điều khiển mặt trượt động
thích nghi mờ, nơ ron
MSSC Multi Surface Sliding Control Điều khiển đa mặt trượt
PID
Proportional–Integral–
Derivative
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích
phân
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt
VSS Variable Structure System Hệ thống có cấu trúc thay đổi
MCU Micro Control Unit Vi điều khiển
FLS Fuzzy Logic System Hệ logic mờ
ROS Robot Operating System Hệ điều hành robot
9. viii
BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC THAM SỐ
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
( , , )
x y Hệ tọa độ toàn cục (q)
Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc Rad/s
vi Vận tốc mỗi bánh m/sec
ωi Vận tốc góc mỗi bánh rad/sec
fi Lực kéo mỗi bánh N
M Khối lượng của robot kg
d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh m
H Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ
x
v Vận tốc dài m/s
y
v Vận tốc pháp tuyến m/s
r Bán kính của bánh xe m
( )
M q Ma trận khối lượng và momen quán tính
( )
G q Vector trọng lực, ( ) 0
G q
d
Vector thành phần nhiễu bất định
1
e Sai lệch bám quỹ đạo của robot
2
e Sai lệch bám của vận tốc robot
J Mô men quán tính của xe N.m
q Biến khớp
F Lực ma sát N
C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt
G Ma trận hệ số lực ma sát culomb
Đầu vào của bộ lọc thông thấp
1d
x Quỹ đạo đặt
T Thời gian trích mẫu s
Hệ số của mặt trượt
Tín hiệu điều khiển của hệ thống
eq
Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ
10. ix
thống trên mặt trượt
w
s
Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về
mặt trượt
1 2 3
, ,
c c c Hệ số của bộ điều khiển DSC
Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot
Ma trận trọng số của mạng Nơ ron
S Mặt trượt
Sai lệch của mạng nơ ron
Chuẩn của ma trận bậc 2
F
Chuẩn của ma trận bậc 2 trong không gian F
11. x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thông số phương trình động học cho FWOMR.......................................20
Bảng 3.1. Các tập mờ của biến ngôn ngữ đầu vào....................................................45
Bảng 3.2. Các giá trị của đầu ra ................................................................................46
Bảng 3.3. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra 1
c ........................................................46
Bảng 3.4. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra 2
c ( 3
c ) .................................................47
Bảng 3.5. Các tham số của hệ thống và tham số của bộ điều khiển .........................48
Bảng 3.6. Hệ luật suy diễn cơ sở cho 1 2
( )
i i
c c ...........................................................56
Bảng 3.7. Giá trị đầu ra 1 2
( )
i i
c c của bộ chỉnh định mờ .............................................56
Bảng 3.8. Giá trị tối đa của các sai lệch bám sau khi robot tiến về quỹ đạo ............62
12. xi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng .......................................................7
Hình 1.2. Một số ứng dụng của OMR dạng holonomic..............................................7
Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho OMR................................8
Hình 2.1. Mô hình OMR dạng n bánh ......................................................................17
Hình 2.2. Mẫu bánh Omni.........................................................................................18
Hình 2.3. Cấu trúc bánh ............................................................................................18
Hình 2.4. Các hướng di chuyển của robot.................................................................19
Hình 2.5. Hệ trục tọa độ của robot tự hành bốn bánh đa hướng...............................19
Hình 2.6. Quỹ đạo của robot.....................................................................................23
Hình 2.7. Quỹ đạo góc của robot ..............................................................................23
Hình 2.8. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot...................................................23
Hình 2.9. Quỹ đạo của robot.....................................................................................24
Hình 2.10. Quỹ đạo góc của robot ............................................................................24
Hình 2.11. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot.................................................24
Hình 2.12. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển PID....................................32
Hình 2.13. Sai lệch bám các thành phần ,y ,
e e e
x với bộ điều khiển PID ...............32
Hình 2.14. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển PID............................32
Hình 2.15. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc ,y ,
e e e
x với bộ điều khiển
PID ............................................................................................................................32
Hình 2.16. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển SMC..................................33
Hình 2.17. Sai lệch bám các thành phần ,y ,
e e e
x của bộ điều khiển SMC.............33
Hình 2.18. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển SMC..........................33
Hình 2.19. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc ,y ,
e e e
x (SMC).............33
Hình 2.20. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển MSSC .......................34
Hình 2.21. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc ,y ,
e e e
x (MSSC)...........34
Hình 2.22. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển MSSC................................34
Hình 2.23. Sai lệch bám các thành phần đường tròn ,y ,
e e e
x (MSSC)...................34
Hình 3.1. Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển DSC......40
Hình 3.2. Cấu trúc mô phỏng bộ điều khiển DSC ....................................................40
13. xii
Hình 3.3. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo tròn ...........41
Hình 3.4. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo gấp khúc...41
Hình 3.5. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi không có nhiễu tác động đến robot của
bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC. ........................................................................42
Hình 3.6. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi có nhiễu tác động đến robot của bộ điều
khiển SMC, MSSC và DSC. .....................................................................................43
Hình 3.7. Cấu trúc hệ thống điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ cho FWOMR
...................................................................................................................................44
Hình 3.8. Các tập mờ cho đầu vào 1
e ......................................................................45
Hình 3.9. Các tập mờ cho đầu vào 1
e ......................................................................45
Hình 3.10. Nhiễu ngoài .............................................................................................47
Hình 3.11. Chuyển động theo trục x .........................................................................48
Hình 3.12. Chuyển động theo trục y .........................................................................48
Hình 3.13. Sự thay đổi góc quay theo thời gian........................................................48
Hình 3.14. Tham số 1
c ..............................................................................................49
Hình 3.15. Tham số 2
c ..............................................................................................49
Hình 3.16. Tham số 3
c ..............................................................................................49
Hình 3.17. Chuyển động của FWOMR với quỹ đạo tròn.........................................49
Hình 3.18. Cấu trúc hệ thống AFNNDSC cho FWOMR..........................................50
Hình 3.19. Mạng nơ ron bán kính xuyên tâm ...........................................................52
Hình 3.20. Hàm đầu vào của bộ mờ..........................................................................55
Hình 3.21. Nhiễu momen (Nm) ................................................................................57
Hình 3.22. Sai số trên trục x......................................................................................57
Hình 3.23. Sai số trên trục y......................................................................................57
Hình 3.24. Sai lệch góc .............................................................................................57
Hình 3.25. Tối ưu hóa tham số điều khiển 1
c ...........................................................58
Hình 3.26. Tối ưu hóa các tham số điều khiển 2
c và 3
c ...........................................59
Hình 3.27. Chuyển động trên quỹ đạo tròn của robot...............................................59
Hình 3.28. Giá trị của ˆ
x
Θ so với x
Θ .......................................................................60
Hình 3.29. Giá trị của ˆ
y
Θ so với y
Θ .......................................................................60
14. xiii
Hình 3.30. Giá trị của ˆ
Θ so với
Θ .......................................................................61
Hình 3.31. Sai số trên trục x......................................................................................61
Hình 3.32. Sai số trên trục y......................................................................................61
Hình 3.33. Sai lệch góc .............................................................................................61
Hình 4.1. Thiết kế cơ khí của FWOMR....................................................................64
Hình 4.2. Mô hình xây dựng thực tế. ........................................................................64
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc phần cứng điều khiển robot...............................................65
Hình 4.4. Cấu trúc chương trình của ROS................................................................66
Hình 4.5. Cấu trúc lập trình phần mềm.....................................................................68
Hình 4.6. Mô hình robot trong môi trường Gazebo..................................................69
Hình 4.7. Mô hình robot được theo dõi bằng Rviz ...................................................70
Hình 4.8. Kết quả mô phỏng bằng ROS với thuật toán DSC và thuật toán
AFNNDSC ................................................................................................................70
Hình 4.9. Phối cảnh mô hình thực nghiệm robot......................................................71
Hình 4.10. Giao diện HMI và kết quả điều khiển bám quỹ đạo chạy thử nghiệm ...72
Hình 4.11. Hình ảnh chạy thực nghiệm FWOMR bám theo quỹ đạo hình tròn.......72
Hình 4.12. Hình ảnh chạy thực nghiệm FWOMR với các quỹ đạo zich zắc............72
15. 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Ngày nay, robot đang được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng ở tất các
lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hội và quốc phòng. Trong các loại robot hiện nay,
robot tự hành chiếm một vị trí quan trọng. Robot tự hành được ứng dụng trong đời
sống ngày càng nhiều như robot vận chuyển hàng hóa, robot phục vụ y tế, xe lăn
cho người khuyết tật… đặc biệt các robot phục vụ thám hiểm, hoạt động trong môi
trường độc hại, robot phục vụ an ninh, quốc phòng. Các nghiên cứu gần đây tập
trung vào hướng cải thiện công nghệ chế tạo và áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện
đại nhằm tăng độ linh hoạt cho robot khi hoạt động trong các môi trường, địa hình
khác nhau. Hướng nghiên cứu về chế tạo cơ khí tập trung vào các cơ cấu truyền
động, cơ cấu di chuyển, cách thức di chuyển, các thiết bị chấp hành truyền động
giúp robot chuyển động linh hoạt, thích ứng với nhiều loại địa hình phức tạp. Còn
hướng nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại chính là các nghiên cứu về
thuật toán điều khiển điều khiển thích nghi phi tuyến mới, lựa chọn các hệ vi điều
khiển có tốc độ tính toán cao và được tích hợp thêm các chức năng xử lý onboard
kết hợp với kỹ thuật lập trình nhúng để chế tạo các bộ điều khiển thông minh đảm
bảo tính thời gian thực, kháng nhiễu và bám chính xác quĩ đạo đặt trước.
Robot tự hành đa hướng (OMR) là dạng robot holonomic, có sử dụng bánh
xe Omni, hoặc Mecanum, có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào mà không
cần phải thay đổi vị trí và góc quay. Với cấu trúc bánh xe, cách bố trí bánh xe khác
biệt tạo ra ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong các điều kiện môi trường
hẹp, khó thay đổi vị trí nên OMR đang được ứng dụng, phát triển một cách rộng rãi
không chỉ trong nghiên cứu mà đã nhanh chóng được sử dụng nhiều trong các lĩnh
vực sản xuất và đời sống.
Trong điều khiển robot, các vấn đề về điều khiển bám quỹ đạo, kiểm soát
quỹ đạo, xử lý khi gặp tác động nhiễu ngoại sinh, hay khi hệ thống tồn tại các thành
phần bất định như khối lượng, momen, ma sát, … đang là các nội dung được quan
tâm nghiên cứu. Di chuyển của OMR bám quỹ đạo luôn là nhiệm vụ chính và thu
hút được sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học. Việc đạt độ chính xác cao
trong chuyển động robot thường rất khó khăn bởi những yếu tố phi tuyến, bất định
16. 2
luôn tồn tại trong mô hình robot. Một trong những thuật toán điều khiển bám quỹ
đạo thường được áp dụng cho OMR như thuật toán điều khiển PID, kỹ thuật cuốn
chiếu (Backstepping), điều khiển trượt (SMC), điều khiển đa mặt trượt (MSSC) và
thuật toán điều khiển mặt trượt động (DSC). Hầu hết các phương pháp này, khi thiết
kế bộ điều khiển đòi hỏi phải xây dựng được mô hình toán học chính xác cho đối
tượng cần điều khiển. Tuy nhiên trong thực tế, khi robot hoạt động thì luôn có sự
thay đổi các tham số như ma sát, mô men, tải trọng, …cho đến điều kiện môi trường
làm việc.
Để nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho OMR khi có các tham
số mô hình thay đổi, nhiễu tác động ngoài (cụ thể là các thay đổi của môi trường
tương tác thực tế), việc sử dụng bộ điều khiển có khả năng thích nghi với tham số
thay số như hệ logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo là một giải phải pháp hiệu quả.
Đặc biệt, hiện nay các hệ thống nhúng trên nền vi xử lý, vi điều khiển ngày càng
được phát triển. Với ưu điểm của hệ thống này về tốc độ tính toán nhanh, dung
lượng nhớ lớn nên khả năng nhúng các thuật toán điều khiển có khối lượng tính
toán lớn như: thuật toán điều khiển thích nghi mờ, thuật toán điều khiển thích nghi
mờ nơ ron cũng như các thuật toán điều khiển thích nghi phi tuyến khác trong bộ
điều khiển cho robot tự hành đa hướng không còn khó khăn nữa.
Với xu hướng đó, NCS chọn đề tài: “Điều khiển mặt động thích nghi bám
quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng”. Nội dung nghiên cứu của luận án
sẽ tập trung vào tổng hợp bộ điều khiển cho robot tự hành bốn bánh đa hướng
(FWOMR) dạng holonomic có khả năng bám quỹ đạo và tự thích nghi khi các
thông số trong mô hình thay đổi. Để thiết kế được bộ điều khiển đạt được chất
lượng đặt ra, NCS đã tiến hành nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám cho OMR
đã được công bố trong thời gian gần đây để từ đó đề xuất thuật toán điều khiển
thích nghi mới nhằm nâng cao chất lượng bám cho FWOMR có mô hình bất định,
và cuối cùng là hiện thực hóa các nghiên cứu bằng thực nghiệm trên FWOMR,
nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất và làm cơ sở
phát triển các nghiên cứu tiếp theo.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án.
- Nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều thích nghi bám quỹ đạo mới cho
FWOMR có mô hình phi tuyến bất định, đặc biệt chú ý đến sự thay đổi của các
17. 3
tham số của robot và tác động của nhiễu khi hoạt động trên mặt phẳng khác nhau.
- Xây dựng mô hình vật lý cho FWOMR, chế tạo bộ điều khiển trên cơ sở vi
điều khiển và kỹ thuật lập trình nhúng cho FWOMR nhằm chạy thử nghiệm các
thuật toán mới đề xuất.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
Về lý thuyết:
Nghiên cứu tổng quan về FWOMR, tình hình nghiên cứu trong và ngoài
nước, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp cho luận án.
Mô hình hóa và mô phỏng động học, động lực học cho FWOMR.
Nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng OMR.
Phân tích và đề xuất các thuật toán điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự
hành bốn bánh đa hướng nhằm nâng cao chất lượng bám và khả năng thích nghi khi
robot có các tham số thay đổi và có nhiễu tác động khi hoạt động trong môi trường
thực tế và tương tác với mục tiêu (có các tham số khối lượng, mô men quán tính
thay đổi, chịu tác động của nhiễuvà sai lệch mô hình).
Nghiên cứu và sử dụng các hệ điều hành ứng dụng cho mô phỏng, lập
trình nhúng cho vi điều khiển để chế tạo bộ điều khiển nhúng cho FWOMR.
Về thực nghiệm:
Với mục tiêu sản phẩm phải có khả năng ứng dụng, do đó công việc khảo
sát, đánh giá các sản phẩm robot tự hành bốn bánh đa hướng đã có trong và ngoài
nước nhằm rút ra các tiêu chuẩn cho sản phẩm của luận án là công việc đầu tiên.
Thiết kế và chế tạo đồng bộ phần cứng và các thiết bị ngoại vi với phần cơ
khí theo đúng tiêu chuẩn công nghiệp, thuận tiện cho người sử dụng, dễ dàng lắp
ghép thao tác và nâng cấp. Thiết kế các mạch điện tử, điều khiển, giao tiếp ngoại vi
với mục tiêu đủ nhanh, mạnh theo hướng có thể mở rộng và nâng cấp.
Thiết kế cấu trúc, lập trình, cài đặt các thuật toán đã nghiên cứu cho robot,
chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả.
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là OMR dạng holonomic, trong đó đi sâu
vào nghiên cứu xây dựng mô hình toán học, thuật toán điều khiển thích nghi bám
quỹ đạo cho FWOMR.
Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho FWOMR có
18. 4
chứa thành phần bất định hoạt động trong môi trường phẳng chịu ảnh hưởng bởi ma
sát bề mặt và tác động của nhiễu bất kỳ bị chặn.
5. Ý nghĩa khoa học và đóng góp mới của luận án
Đóng góp mới của Luận án:
1. Đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo mặt trượt động thích nghi
mờ (AFDSC) cho robot tự hành bốn bánh đa hướng. Thuật toán này được xây
dựng dựa trên cơ sở thuật toán DSC. Để phát huy ưu điểm, hiệu quả của DSC,
AFDSC đã sử dụng một hệ logic mờ để chỉnh định thích nghi các tham số của DSC
nhằm đảm bảo chất lượng bám quĩ đạo khi tham số FWOMR thay đổi và chịu ảnh
hưởng của nhiễu tác động không biết trước. Cho đến thời điểm này, DSC với bộ
chỉnh định mờ chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào ở trong và ngoài nước.
AFDSC có tính linh hoạt cao, cấu trúc đơn giản, dễ dàng cho việc lập trình cài đặt
trên vi điều khiển, có khả năng thích nghi do vậy phát huy tối đa hiệu quả của DSC.
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy: AFDSC đặc biệt thích hợp cho
FWOMR.
2. Đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo mặt trượt động thích nghi
mờ nơ ron (AFNNDSC) cho FWOMR có tham số bất định và chịu tác động bởi
nhiễu. Đây cũng là thuật toán được phát triển dựa trên nền AFDSC, cấu trúc điều
khiển thích nghi dựa trên sự kết hợp giữa mạng nơ ron bán kính xuyên tâm
(RBFNN) và hệ logic mờ. Trong đó, mạng RBFNN được sử dụng để xấp xỉ các
tham số bật định của FWMOR, còn hệ logic mờ để chỉnh định đồng thời các tham
số của bộ điều khiển AFNNDSC. Tính ổn định của hệ kín được được chứng minh
dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov. Các kết quả mô phỏng, chạy thử nghiệm cho thấy
tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết, hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất và khả
năng ứng dụng trong thực tế. AFNNDSC chưa được cài đặt trên bất cứ robot nào
trước đó trong và ngoài nước. AFNNDSC có tính linh hoạt cao, khả năng thích nghi
khi có nhiễu tác động đồng thời hoặc khi tham số mô hình của robot thay đổi mở
rộng được phạm vi hoạt động cho FWMOR.
6. Bố cục của luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: "Tổng quan về robot tự hành bốn bánh đa hướng", nghiên cứu
tổng quan về FWOMR, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích chi tiết
cụ thể ưu và nhược điểm các công trình đã nghiên cứu trước đó theo nội dung đối
19. 5
tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án, từ đó rút ra các hướng nghiên cứu thích hợp
cho luận án.
Chương 2: "Mô hình hóa và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot
tự hành bốn bánh đa hướng" Đi sâu nghiên cứu, mô hình hóa xây dựng mô hình
động học, động lực học, mô phỏng kiểm chứng mô hình xây dựng cho FWOMR.
Đồng thời trình bày một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho OMR đã được
công bố như: thuật toán PID, điều khiển trượt, đa mặt trượt. Mô phỏng đánh giá và
phân tích các kết quả của từng thuật toán này để từ đó đánh giá và rút ra các bài học
kinh nghiệm trong việc nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám quỹ đạo thích
nghi mới.
Chương 3: "Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự
hành bốn bánh đa hướng”. Đây là đóng góp chính của luận án. Trong chương này,
ngoài việc trình bày phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn
bánh đa hướng sử dụng mặt trượt động, thuật toán DSC là nền tảng cho đề xuất cải
tiến bộ điều khiển bám quỹ đạo thích nghi mới cho FWOMR. Từ các phân tích ưu
nhược điểm của thuật toán này, một đề xuất mới nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng
của DSC cho lớp đối tượng có mô hình bất định, chịu ảnh hưởng của nhiễu, đặc biệt
là cho FWMOR. Bộ điều khiển mặt trượt động được kết hợp thêm với mạng nơ ron
bán kính xuyên tâm (RBFNN) và hệ logic mờ (FLS) tạo ra một bộ điều khiển DSC
thích nghi mới được đề xuất trong luận án. AFNNDSC này đảm bảo hệ kín ổn định
và bám quĩ đạo đặt trước trong điều kiện khi các tham số mô hình thay đổi và chịu
ảnh hưởng của nhiễu. Các kết quả mô phỏng phù hợp với những phân tích lý thuyết
và cho thấy khả năng ứng dụng của thuật toán được đề xuất.
Chương 4: “Chế tạo robot tự hành bốn bánh đa hướng và chạy thử
nghiệm thuật toán điều khiển”: Thiết kế và chế tạo mô hình robot tự hành bốn
bánh đa hướng. Lập trình, và chạy thử nghiệm các thuật toán đề xuất kiểm chứng và
đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của các thuật toán.
“Kết luận” Trình bày tóm tắt các đóng góp chính của luận án và hướng phát
triển của luận án trong tương lai.
20. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ HÀNH
BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG
Robot tự hành đa hướng (OMR) có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng
nào mà không cần phải thay đổi vị trí và góc quay. Với cấu trúc bánh khác biệt và
ưu điểm về khả năng di chuyển vượt trội trong điều kiện môi trường di chuyển hẹp,
khó thay đổi vị trí, … Hiện nay, OMR đang được ứng dụng một cách rộng rãi
không chỉ trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống nhờ khả
năng di chuyển linh hoạt, hiệu quả.
1.1. Robot tự hành di chuyển bằng bánh đa hướng.
Robot tự hành có thể di chuyển đa hướng là loại robot có dạng ràng buộc
holonomic. Về mặt cơ học Lagrange, robot có dạng holonomic khi mà tất cả ràng
buộc mà robot phải chịu có thể tích hợp được thành dạng ràng buộc vị trí thoả mãn
phương trình 1, 2
( ,..., , ) 0
n
f q q q t , với i
q là các toạ độ hệ thống. Ngược lại, khi hệ
thống tồn tại những ràng buộc không thể viết được dưới dạng phương trình trên thì
nó được coi là dạng non-holonomic. Đơn giản, hệ holonomic là hệ không bị ràng
buộc về tốc độ giữa các hướng với nhau, còn hệ non-holonomic có thêm điều kiện
ràng buộc về tốc độ. Các hệ non-holonomic thường là các hệ hụt cơ cấu chấp hành.
Đối với robot tự hành, chuyển động được đặt trên hệ toạ độ Đề-các Oxy, số
bậc tự do tối đa là 3 bậc bao gồm di chuyển tịnh tiến theo phương dọc, phương
ngang và theo góc quay của robot. Robot tự hành dạng non-holonomic thông
thường chỉ xét đến 2 bậc tự do điều khiển được là bậc tự do theo phương di chuyển
tịnh tiến theo phương dọc và di chuyển theo góc. Ngược lại robot tự hành dạng
holonomic xét đến đầy đủ cả 3 phương di chuyển, do đó nó tăng tính linh hoạt trong
chuyển động của robot. Đặc biệt là robot có thể di chuyển tức thời theo bất cứ
phương nào mà không phụ thuộc vào góc quay.
Trong phạm vi luận án, robot tự hành có dạng holonomic được xây dựng dựa
trên bốn bánh đa hướng Omni với kết cấu bánh xe Omni có thể đảm bảo cho cả di
chuyển tịnh tuyến theo phương ngang trong hệ robot. Hơn thế nữa robot tự hành sử
dụng 4 bánh xe Omni mà không phải là 3 bánh để điều khiển chuyển động theo 3
bậc tự do của robot do đó hệ thống robot này được xét là hệ robot thừa cơ cấu chấp
hành. Với việc lựa chọn hệ thống như vậy sẽ làm cho việc điều khiển robot phức tạp
21. 7
hơn. Tuy nhiên, cơ cấu chuyển động như vậy có những ưu điểm vượt trội hơn trong
những ứng dụng thực tế như có thể tăng lượng tải trọng đặt lên mà robot vẫn có thể
hoạt động đảm bảo được chất lượng điều khiển, hay khả năng chịu lỗi hệ thống
(fault tolerance) cao hơn robot so với loại dùng 3 bánh xe.
Hình 1.1. Robot tự hành sử dụng bánh đa hướng
Khác với các loại robot sử dụng bánh truyền thống (bánh tiêu chuẩn), robot
tự hành sử dụng bánh đa hướng có thêm các ưu điểm vượt trội như: khả năng thay
đổi vị trí và định hướng linh hoạt bởi chúng có khả năng tịnh tiến và quay đồng thời
hoặc độc lập. Thông thường bánh xe được bố trí dọc theo trục của robot. Nhưng đối
với OMR, các bánh được bố trí theo một đường tròn ngoại tiếp robot để tận dụng
các bậc tự do của bánh đa hướng. Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của
OMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác động nhanh là yêu cầu cần thiết nhất.
Hình 1.2. Một số ứng dụng của OMR dạng holonomic
Ngoài ra, do có khả năng chuyển động linh hoạt nên OMR có khả năng tiết
kiệm năng lượng hơn so với robot sử dụng bánh xe thông thường. Nhờ những tính
năng vượt trội như vậy, OMR được ứng dụng ngày càng nhiều thay thế các loại
robot tự hành kiểu non-holonomic truyền thống, nó được sử dụng nhiều trong các
cẩu nâng hạ ở khu vực nhà xưởng, vận chuyển trong các kho bãi, robot tích hợp tay
máy di chuyển trong các nhà xưởng, robot thám hiểm, robot dò phá bom mìn, robot
phục vụ lễ tân, khách sạn, robot y tế…
22. 8
1.2. Bài toán điều khiển bám quỹ đạo
Hệ thống điều khiển bám quỹ đạo hình 1.3 cho FWOMR bao gồm: d
q là tín
hiệu đặt, e
q sai lệch bám, q : tín hiệu ra của bộ điều khiển, : tín hiệu điều khiển
Hình 1.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho OMR.
Cấu trúc của điều khiển chuyển động cho OMR, có thể chia ra 3 giai đoạn:
- Lập phương án chuyển động.
- Thiết kế quỹ đạo chuyển động mong muốn
- Điều khiển bám quỹ đạo chuyển động mong muốn
1.2.1. Giai đoạn lập phương án chuyển động.
Người thiết kế bằng kinh nghiệm và hiểu biết của mình phải tìm ra đường
chuyển động tối ưu cho robot để đáp ứng các yêu cầu nhiệm vụ đặt ra. Đây là công
việc đầu tiên của người lập trình điều khiển robot tự hành và có ý nghĩa quan trọng
trong quá trình điều khiển cũng như hiệu suất làm việc của robot. Việc chọn đường
đi hợp lý phải tính đến cả hiệu suất làm việc lẫn sự phù hợp cho phương án điều
khiển, nếu chọn đường đi giúp robot tự hành làm việc hiệu quả hơn mà làm phức
tạp công việc điều khiển cho robot tự hành hoặc ngược lại đều không tốt. Việc lập
phương án chuyển động có thể là quá trình offline, nhưng trong robot tự hành đa
phần là quá trình online, có thể áp dụng các thuật toán tối ưu đường đi, tránh vật
cản, hay di chuyển theo hướng đặt trước…, gần đây trong robot thông minh thì quá
trình online được áp dụng trí tuệ nhân tạo và kết hợp với các cảm biến như camera
3D, Lidar quét laser, âm thanh để quá trình lập phương án di chuyển hoàn toàn tự
động. Nhờ các cảm biến hình ảnh (camera), các cảm biến lực phản hồi cộng với hệ
thống xử lý thông minh, robot có thể tự vạch ra cho mình đường đi hợp lý nhất.
1.2.2. Giai đoạn thiết kế quỹ đạo.
Quỹ đạo chuyển động là vấn đề chung trong điều khiển robot tự hành, vì để
hoàn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết robot phải di chuyển theo đúng
Thuật toán
điều khiển
bám quỹ đạo
Đối tượng robot
tự hành đa hướng
bốn bánh
23. 9
quỹ đạo xác định. Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của
robot tự hành. Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho quá trình điều
khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho chất lượng, hiệu quả cho việc điều khiển.
Quỹ đạo chuyển động, gọi tắt là quỹ đạo (Trajectory) bao hàm cả đường dịch
chuyển lẫn yếu tố thời gian, như vận tốc, gia tốc. Vì vậy bài toán thiết kế quỹ đạo
liên kết các vấn đề động học và động lực học. Các yếu tố đầu vào của bài toán thiết
kế quỹ đạo gồm đường dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và
động lực học. Nói chung mô tả chính xác đường dịch chuyển là rất khó khăn, người
ta giảm bớt các tham số mô tả bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt
động, thêm các điểm trung gian mà đường phải đi qua, xấp xỉ (nội suy) bằng các
đường đơn giản. Tương tự như vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác
định cho từng điểm, mà thường quy định cho cả đoạn đường. Chúng cũng được mô
tả bằng các giá trị giới hạn như vận tốc hay gia tốc cho phép, hoặc gán các giá trị
mặc định.
1.2.3. Điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động.
Sau khi nhận được quỹ đạo đầu vào, hệ thống điều khiển phải điều khiển
robot chuyển động theo đúng quỹ đạo đặt ra. Kỹ thuật điều khiển còn phụ thuộc kết
cấu phần cơ khí của robot, ví dụ sử dụng hệ toạ độ Đề các hay hệ toạ độ khác, sử
dụng cơ cấu chấp hành kiểu nào, có dùng truyền động cơ khí phụ hay không.
Truyền động cơ khí phụ cho phép sử dụng vùng có lợi nhất trên đặc tuyến của động
cơ, mở rộng vùng tuyến tính của nó,…nhưng lại chịu các tác động phụ như biến
dạng hay tổn hao năng lượng do ma sát, khe hở, các lực và momen phát sinh như
lực ly tâm, dao động, lực coriolis,…
Trong khuôn khổ luận án, cũng như chương này NCS sẽ tập trung vào
nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám các quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh
đa hướng.
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu, sản phẩm robot tự hành cũng đã được các cơ
quan, cá nhân tập trung nghiên cứu và phát triển từ nhiều năm nay, trong đó phải kể
đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Bách khoa TPHCM, Sư phạm kỹ thuật TPHCM,
Học Viện KTQS, ĐH Công nghệ, ĐH Công nghiệp Hà Nội, và các Viện nghiên cứu
24. 10
như: Viện Công nghệ thông tin, Viện Cơ học, Viện Vật Lý – Viện Hàn lâm KHCN
Việt Nam… Các nghiên cứu đa số tập trung vào phát triển điều khiển robot tự hành
dạng non-holonomic (2 bánh chủ động sau hoặc trước, hoặc có bánh lái, hoặc bốn
bánh chủ động)
Viện CNTT, Viện Cơ học -Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam có khá nhiều công
trình công bố về nghiên cứu robot tự hành, như [1] trình bày về các phương pháp
điều khiển mới để bù trượt cho robot di động khi tồn tại trượt bánh xe, bất định mô
hình, và nhiễu ngoài cho robot di động 03 bánh xe, [2] trình bày về việc thiết kế và
điều khiển robot tự hành dạng non-holonomic ứng dụng trong kho bãi. Viện Vật lý-
Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam cũng là một nhóm nghiên cứu có nhiều công trình
công bố về robot tự hành, [3] trình bày về hướng nghiên cứu cho điều khiển bám quỹ
đạo cho robot tự hành dạng non-holonomic, trong đó có tích hợp công nghệ xử lý ảnh
trong nhận dạng một số thông số và bám mục tiêu. [4] nghiên cứu ứng dụng thuật
toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành dạng non-holonomic sử dụng thích
nghi theo hàm mẫu.
Hiện tại các công trình nghiên cứu trong nước về OMR còn khá ít, trong đó có
[5] là công trình điều khiển OMR tránh vật cản xử dụng công nghệ xử lý ảnh Kinect,
công trình này tập trung vào xử lý ảnh nhiều hơn về các nội dung đi vào điều khiển
bám quỹ đạo cho OMR. Các công bố về thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot
tự hành bốn bánh đa hướng sử dụng bánh Omni hiện tại ở Việt Nam chưa có nhiều.
Các phương pháp xây dựng mô hình robot và các hệ robot cơ bản, đặc biệt là
robot công nghiệp là bước đầu để thiết kế hệ điều khiển robot thống nhất như trong
[6], [7] và [8]. Tiếp đến, hệ thống lý thuyết điều khiển và các phương pháp điều khiển
các hệ thống phi tuyến được áp dụng cho các hệ thống robot [9], [10], [11] và [12].
Với sự phát triển nhanh của công nghệ đặc biệt là các bộ vi xử lý, công nghệ
thông tin, phần mềm điều khiển. Hiện tại đã có một số cơ quan, đơn vị đang tập trung
ứng dụng phần điều khiển sử dụng máy tính nhúng, các GPU hiệu năng cao cho xử lý
ảnh, âm thanh, phần mềm lập trình truyền thống, ứng dụng ROS (Robot Operating
System) và đặc biệt là ứng dụng AI cho phát triển các hệ thống robot tự hành như ĐH
FPT, tập đoàn Viettel, CMC, ĐH Bách Khoa Hà Nội…, tuy nhiên việc mô hình hóa,
phát triển nền tảng công nghệ và bài toán điều khiển robot tự hành một cách bài bản,
đúng khoa học chuyên ngành còn hạn chế…
25. 11
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Robot tự hành đa hướng đã xuất hiện trên thế giới từ những năm cuối 1980 và
đầu những năm 1990. OMR ra đời đáp ứng được nhu cầu phát triển các hệ robot cũ
trong các nhà máy. OMR làm việc linh hoạt, chính xác và khả năng thích ứng nhanh
khi làm việc ở những môi trường khác nhau.
Để tạo điều kiện cho việc thiết kế và áp dụng các thuật toán điều khiển như
trong [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], và [22], hay các thuật toán
lập quỹ đạo [23], [24] và xử lý ảnh, hệ thống tầm nhìn cho robot trong [25], [26], và
[27], robot được mô hình hóa bằng mô hình động học và mô hình động lực học.
Bên cạnh đó, hệ điều hành Robot Operating System (ROS) nổi lên là một công cụ
hỗ trợ cho việc mô phỏng và lập trình các hệ thống điều khiển thống nhất [28], [29],
[30]. Việc mô hình hoá robot được tập trung nghiên cứu dựa trên nguyên lý Euler-
Lagrange nhưng khác nhau ở kết cấu cơ khí, truyền động của OMR như sử dụng 3
bánh, 4 bánh xe hoặc sử dụng các loại động cơ truyền động, bánh răng, truyền xích
động khác nhau, cũng như là sử dụng các phương pháp thực nghiệm hoặc lý thuyết.
Trong đó tiêu biểu là [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]. Để có
được mô hình chính xác của OMR việc áp dụng các mô hình động học với các hệ
trục tọa độ Đề-các Oxy, mô hình động lực học được xây dựng dựa trên phương
trình động lực học Euler-Lagrange và các phương trình cân bằng lực động năng và
thế năng của mỗi loại OMR hoặc dựa trên các phương trình cân bằng lực theo các
định luật Newton. Về cơ bản, phương trình động học của OMR có cấu trúc gần
giống nhau. Sự khác nhau là ở các mô hình động lực học, và mối quan hệ giữa vận
tốc robot và vận tốc mỗi bánh, điều này là do sự khác nhau về cấu trúc cứng của
OMR và một số tham số được ước lượng bằng các phương pháp khác nhau. Phương
pháp dự đoán tham số cho mô hình động lực học bằng thực nghiệm được đề xuất
trong [35], được tiến hành mô phỏng với dữ liệu chứa nhiễu và thu được kết quả với
sai lệch nhỏ, cải tiến hơn so với các phương pháp trước đây. Mô hình động học
được xây dựng riêng biệt để bước đầu thiết kế, phân tích và đánh giá mô hình OMR
3 bánh dựa trên phương pháp biến đổi các ma trận [36], [38]. OMR thường được
giới hạn bài toán trong một vài điều kiện môi trường nhất định như việc xây dựng
mô hình động lực học trong môi trường bị ảnh hưởng bởi ma sát trượt [37]. Cả mô
hình động học và mô hình động lực học đều được xây dựng để tạo điều kiện cho
26. 12
thiết kế điều khiển tuyến tính hoá trong [39], với mô hình động học được tính toán
bằng phương pháp các ma trận chuyển hệ trục toạ độ của robot so với hệ trục tọa độ
cố định và mô hình động lực học được xây dựng bằng hệ các phương trình theo các
định luật Newton. Phương pháp mô hình hoá phương trình động lực học này được
xây dựng và đánh giá cụ thể hơn trong [41]. Với bản chất là các mô hình phi tuyến,
do đó việc ước lượng hoặc bỏ qua các tham số của mô hình ảnh hưởng lớn đến chất
lượng điều khiển của OMR, trong đó [41,42] là hai công trình được nghiên cứu
công phu và chất lượng trong việc xây dựng các mô hình động học và động lực học
cho OMR, với các đánh giá, ước lượng tham số cho mô hình OMR khoa học và đầy
đủ nhất, đây cũng chính là công trình mà NCS tham khảo chính để xây dựng mô
hình hóa cho OMR sản phẩm của luận án.
Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động của OMR, vấn đề bám quỹ đạo và tác
động nhanh là rất cần thiết, là nhiệm vụ chính và thu hút được sự quan tâm của đông
đảo các nhà khoa học. Có nhiều phương pháp điều khiển robot, đối với robot không
ràng buộc holonomic như OMR, quỹ đạo đặt sẽ bao gồm đầy đủ cả tọa độ (x,y) và
góc nhìn θ của nó. Nhiệm vụ của bài toán điều khiển bám quỹ đạo OMR ở đây là
phải xác định được momen đặt vào các bánh xe của robot theo thời gian ngắn nhất để
nó có thể di chuyển theo đúng quỹ đạo đặt ra với sai số nhỏ nhất. Đã có nhiều các kết
quả nghiên cứu về hệ thống điều khiển bám quỹ đạo OMR được công bố trong các
thập kỷ trước, một số công trình nghiên cứu về điều khiển bám sử dụng trực tiếp
hàm Lyapunov, một số khác sử dụng các bộ điều khiển có phản hồi trạng thái, phần
lớn các giải pháp được thiết kế dựa trên nền tảng mô hình động học xác định. Gần
đây các phương pháp điều khiển thích nghi được sử dụng để điều khiển các robot tự
hành vì thực chất đây là một hệ thống bất định và có nhiễu tác động mạnh. Các
nghiên cứu tập trung vào các phương pháp như điều khiển trượt (SMC - Sliding
Mode Control) hay còn gọi là điều khiển có cấu trúc thay đổi (VSS – Variable
Structure System), sử dụng hàm điều khiển thích nghi Lyapunov, hệ Logic mờ hoặc
mạng nơ ron và một số phương pháp phát triển theo hướng điều khiển thích nghi
theo mô hình mẫu.
Các nghiên cứu trước đây tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển cho mô
hình động hoặc mô hình động lực học một các riêng rẽ. Thông thường, mối quan hệ
giữa vị trí trên hệ trục toạ được chọn ban đầu và vận tốc của robot được thể hiện
27. 13
thông qua phương trình động học. Một vài nghiên cứu đã tập trung xem xét vị trí điều
hướng của robot tự hành cũng như điều khiển theo mô hình động học của OMR,
được thể hiện trong [43], [44], [45], và [46]. Dựa trên mô hình động học, một số
phương pháp điều khiển đã được xây dựng để điều khiển robot bám theo quỹ đạo
mong muốn và giới hạn trong một vài điều kiện bị tác động bởi môi trường. Điều
khiển bám quỹ đạo cho OMR bốn bánh cũng đã được xây dựng và áp dụng thuật toán
PID, như bộ điều khiển PI trong [43] và [44] để bám quỹ đạo chuyển động. Kết quả
mô phỏng cho kết quả bám tốt, quỹ đạo thực tế của robot bám theo quỹ đạo đặt, tuy
nhiên trong thực tế, mô hình robot thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bất định cũng
như việc thay đổi mô hình tham số mà phương trình động học không thể mô tả hết
được, do đó kết quả thực nghiệm thường cho thấy quỹ đạo của robot có sai lệch và
dao động quanh giá trị đặt [43]. Thực tế cho thấy, do sự tồn tại của các thành phần
phi tuyến bao gồm ma sát, rung động, trượt bánh xe,…, các nghiên cứu gần đây đều
xét đến cả mô hình động học và mô hình động lực học để tăng độ chính xác của các
ứng dụng cụ thể trong các nhà máy [42] và [43].
Bởi các hạn chế khi sử dụng chỉ mô hình động học cho việc điều khiển chuyển
động của OMR, phương trình động lực học được xét đến để có thể có được một
phương pháp hiệu quả hơn cho việc nâng cao chất lượng điều khiển. Việc thiết kế
thuật toán điều khiểm bám quỹ đạo cho OMR có tính đến đủ các mô hình động học
và động lực học cũng đã được xem xét trong [39] để tạo điều kiện cho việc áp dụng
thuật toán tuyến tính hóa quỹ đạo. Mô hình động lực học được xây dựng trong [47]
và [48], theo sau là một số thuật toán điều khiển bám cho mô hình đầy đủ này ở [49]
và [50]. Mặt khác, thuật toán sử dụng mô hình dự báo cũng đã được đề cập trong [51]
cũng là một cách tiếp cận mới để cải thiện chất lượng điều khiển và thuật toán này
cũng cho kết quả với chất lượng bám tốt, sai lệch tối đa khoảng 0.08 (m).
Ngày càng có nhiều nghiên cứu tập trung vào các phương pháp điều khiển
phản hồi cho mô hình phi tuyến [52], [53], [54], [55], [56] và [57]. Để đảm bảo chất
lượng điều khiển khi xét đến các thành phần phi tuyến, phương pháp phản hồi cuốn
chiếu Backstepping là một giải pháp khả thi để giải quyết các mô hình toán học phi
tuyến truyền ngược [58] và [59]. Kỹ thuật backstepping mở ra khả năng tổng hợp một
hệ thống điều khiển phi tuyến ổn định dựa trên việc xác định hàm điều khiển
Lyapunov cho hệ kín, việc mà trước kia thực hiện vô cùng khó khăn. Tuy vậy, với
28. 14
các hệ phi tuyến bậc cao thì khối lượng tính toán lớn, phức tạp và mất nhiều thời gian
tính toán do việc phải tính toán đạo hàm trong từng bước lặp.
Bộ điều khiển chế độ trượt (SMC) cũng đã được sử dụng [60], [61], [62], và
[63] vì các đặc tính vượt trội hơn với bộ Backstepping trong trường hợp hệ bị tác
động bởi nhiễu. Điều khiển trượt được sử dụng bởi tính bền vững, đáp ứng nhanh,
luật điều khiển đơn giản và dễ dàng thiết kế. Bộ điều khiển trượt có thể sử dụng cho
một lớp rộng hệ thống phi tuyến có tham số bất định và nhiễu tác động. Tuy nhiên,
hạn chế của thuật toán SMC chính là hiện tượng chattering và muốn giảm hiện
tượng này đòi hỏi mô hình đối tượng phải chính xác. Điều này lại đi ngược với các
tính chất của mô hình robot, đó là bất định tham số.
Để cải thiện chất lượng điều khiển cũng như các hạn chế một số nhược điểm
của bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển trượt, bộ điều khiển mặt trượt động
(DSC) được giới thiệu trong [64] và [65] là một phương pháp điều khiển thay thế
hiệu quả, cho lớp hệ thống phi tuyến như OMR. Nghiên cứu [64] đã trình bày cấu
trúc, phương pháp xây dựng bộ điều khiển DSC. Trong đó, khi hệ thống có chứa
thành phần bất định, các nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến bộ điều khiển
Backstepping và phát triển bộ điều khiển đa mặt trượt (MSSC). Phương pháp thiết kế
cũng xác định tín hiệu điều khiển dựa trên hàm điều khiển Lyapunov, do vậy DSC
đảm bảo hệ kín ổn định và có khả năng thích nghi với thành phần bất định của hệ
thống và với sai lệch trong giới hạn nhất định. Các bước thiết kế tương tự với các
bước thiết kế bộ Backstepping, tuy vậy để tránh phải lấy đạo hàm ở các bước lặp cho
tín hiệu điều khiển ảo, DSC đã đưa thêm bộ lọc thông tần thấp, vừa là để có thông tin
về đạo hàm vừa để lọc các nhiễu nội tần số cao xuất hiện trong đối tượng điều khiển
[65]. Nhiều công trình công bố những năm gần đây có xu hướng áp dụng DSC bởi
các ưu điểm và sự vượt trội của nó [64], [66] và [67].
Đối với OMR, khó có thể xây dựng được mô hình toán học chính xác vì các
yếu tố như ma sát, tải trọng thay đổi cho đến sự thay đổi điều kiện môi trường đều
không thể biết trước. Do đó, các phương pháp thiết kế hiện đại hiệu quả trong trường
hợp này là sử dụng các thuật toán thích nghi để chỉnh định tham số của bộ điều khiển
hoặc xấp xỉ tham số bất định của đối tượng. Nhiều công trình nghiên cứu theo hướng
này sử dụng hệ logic mờ làm cơ cấu chỉnh định thích nghi cho bộ điều khiển phi
tuyến. Bộ điều khiển thích nghi theo kiểu này cải thiện đáng kể chất lượng của hệ
29. 15
thống động lực phi tuyến [60], [61], [62], [66], [68], [69], [70], [71] và [72]. Chẳng
hạn như, kết hợp điều khiển PI truyền thống với một hệ logic mờ để chỉnh định tham
số đảm bảo hệ thống làm việc với chất lượng không đổi khi đối tượng thay đổi và có
nhiễu tác động [65]. Để cải thiện chất lượng điều khiển của các bộ điều khiển phi
tuyến, các bộ điều khiển thích nghi mờ được xây dựng dựa trên việc kết hợp giữa
điều khiển phi tuyến với cơ cấu chỉnh định mờ như bộ điều khiển trượt mờ [60], [61]
và [62]. Ưu điểm cơ bản của các bộ điều khiển thích nghi mờ là đã áp dụng cơ cấu
chỉnh đơn giản trong thiết kế và cài đặt. Bộ điều khiển thích nghi dựa trên kỹ thuật
điều khiển mặt trượt động (DSC) kết hợp với hệ logic mờ được nghiên cứu, mô
phỏng đánh giá kết quả, đặc biệt cho hệ thống có mô hình bất định [66]. Tuy nhiên
khi hệ thống có chứa nhiều thành phần phi tuyến bất định cũng như việc mô hình hoá
hệ thống có sự sai lệch đáng kể đặc biệt là đối với mô hình OMR, việc thiết kế bộ
điều khiển thích nghi cho hệ thống cần xét đến một công cụ hay thuật toán có khả
năng dự đoán cũng như xấp xỉ được các thành phần bất định này nhằm nâng cao chất
lượng điều khiển cho hệ. Với khả năng học và xấp xỉ các hàm phi tuyến với độ chính
xác cao, mạng nơ ron đã và đang thu hút được các hướng nghiên cứu ứng dụng mạng
này trong các hệ thống điều khiển thích nghi. Trong nhiều ứng dụng, mạng nơ ron
bán kính xuyên tâm (RBFNN) thường được lựa chọn là giải pháp phù hợp để xấp xỉ
các tham số hay hàm bất định có trong bộ điều khiển [67], [73], [74], [75], [77], và
[78], do RBFNN là hàm trơn khả vi vô hạn lần. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng
mạng RBFNN cho OMR là một hướng nghiên cứu khả quan. Mạng nơ ron thường
được kết hợp với thuật toán điều khiển phi tuyến để xấp xỉ các thành phần bất định,
cụ thể là trong điều khiển chuyển động của hệ thống có chứa các thành phần bất định
như ma sát hay nhiễu [77], bộ điều khiển thích nghi nơ ron cho chất lượng bám tốt
với sai lệch bám lớn nhất xấp xỉ cỡ 3
9.10
(m). Phương pháp điều khiển thích nghi sử
dụng cơ chế chỉnh định bằng mạng nơ ron cho hệ thống các hệ phi tuyến bất định
được trình bày trong [67], [75], và [76]. Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ
ron trong DSC trong [67] cho thấy chất lượng bám và độ ổn định của hệ điều khiển
vòng kín. Do khả năng tự học trực tuyến qua mỗi chu kỳ trích mẫu của mạng nơ ron
nên việc lưu giữ một khối lượng dữ liệu khổng lồ liên quan đến việc phân tích mô
hình toán học là không còn cần thiết nữa trong các hệ điều khiển thích nghi sử dụng
mạng nơ ron. Bộ điều khiển thích nghi nơ ron có khả năng xử lý các thành phần bất
30. 16
định trong phạm vi rộng hơn, đạt được độ chính xác cao hơn cho các đối tượng phi
tuyến có mô hình bất định. Bên cạnh đó, việc kết hợp luật mờ cùng với mạng nơ ron
và các luật thích nghi cũng được trình bày trong [79] và [80]. Những ưu điểm nổi bật
của các bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng RBFNN xấp xỉ đặc tính phi tuyến bất
định và như khả năng tính toán thích nghi các tham số của bộ điều khiển thích nghi
mờ hệ logic mờ trong bộ điều khiển thích nghi mờ trong các công trình trên đã mở ra
một hướng nghiên cứu mới khả thi cho FWOMR. Đó cũng chính là hướng nghiên
cứu được lựa chọn trong luận án này. Bên cạnh đó, hệ điều hành ROS hỗ trợ cho việc
xây dựng các hệ thống robot thực tế và thực thi những thuật toán điều khiển đòi hỏi
khối lượng tính toán lớn khi sử dụng mạng nơ ron được trình bày trong [81], [82],
[83], [84], [85], và [86].
Với các tham khảo, phân tích như trên, một cấu trúc điều khiển thích nghi mới
dựa trên RBFNN và hệ logic mờ cho bộ điều khiển bám quỹ đạo FWOMR được
nghiên cứu phát triển trên nền tảng thuật toán điều khiển mặt trượt động (DSC). Bộ
điều khiển thích nghi mờ nơ ron mới với RBFNN để xấp xỉ các tham số phi tuyến bất
định của FWOMR và logic mờ để chỉnh định thích nghi tham số của bộ điều khiển
được đề xuất trong luận án.
1.4. Kết luận chương 1
Omni Robot nói chung và các loại robot tự hành hoặc xe tự hành nói riêng, tuy
không mới trên thế giới, nhưng tại Việt Nam vẫn còn nhiều vấn đề phải tập trung
nghiên cứu, phát triển đặc biệt là các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao khả
năng chế tạo loại robot này trong nước. Chương 1 đã trình bày nghiên cứu tổng quan
về phân loại robot, robot tự hành, trong đó tập trung vào robot tự hành bốn bánh đa
hướng (FWOMR), đối tượng nghiên cứu chính của luận án. Chương 1 cũng đã tập
trung vào nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô
hình hóa OMR và các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho OMR đã công bố,
phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp này để từ đó rút ra các hướng nghiên
cứu thích hợp cho luận án.
31. 17
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ
ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG
Mô hình hóa đối tượng là công việc đầu tiên rất quan trọng trong việc tổng
hợp hệ thống điều khiển. Việc lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp cho đối
tượng cần điều khiển phụ thuộc vào chất lượng mô hình. Đối với OMR cũng không
ngoại trừ. Xây dựng hệ phương trình động học, động lực học cho FWOMR là bài
toán đầu tiên cần thiết phục vụ cho việc tổng hợp bộ điều khiển bám quĩ đạo. Trong
luận án này, đối tượng nghiên cứu được xét đến là robot tự hành bốn bánh đa hướng
sử dụng bánh xe dạng Omni (FWOMR), chuyển động trên mặt phẳng chịu ảnh
hưởng của lực ma sát.
2.1. Xây dựng mô hình động học, động lực học cho robot tự hành bốn bánh đa
hướng.
2.1.1. Bánh xe Omni
Bánh xe Omni được bố trí vuông góc theo trục của động cơ, các bánh được
đặt cách nhau một góc 3600
/n. Bánh xe được chế tạo bằng cách thêm các con lăn
dọc theo chu vi của bánh chính, vì thế bánh xe Omni có thể trượt dọc theo trục của
động cơ. Bánh xe Omni được ứng dụng nhiều trong robot tự hành vì nó cho phép
robot di chuyển ngay đến một vị trí trên mặt phẳng mà không phải quay trước. Hơn
nữa, chuyển động tịnh tiến dọc theo một quỹ đạo thẳng có thể kết hợp với chuyển
động quay làm cho robot di chuyển tới vị trí mong muốn với góc định hướng chính
xác. Mô hình OMR có cấu trúc bánh xe Omni như hình 2.1.
Hình 2.1. Mô hình OMR dạng n bánh
Ở đây, số lượng bánh xe n phải lớn hơn hoặc bằng 3.
Trục của động cơ lệch với Ox các góc lần lượt là 1 2
, , n
; hướng của
bánh xe thứ i tương ứng là / 2
i
.
32. 18
Khi động cơ hoạt động, giả sử robot nhận được n lực kéo 1 2
, , n
F F F
(như
trên hình 2.1).
Theo phương pháp Newton, xét trường hợp mô hình robot chuyển động với
các bánh xe:
1 1 2 2
1 1 2 2
1 2
sin sin ... sin
cos cos ... cos
...
x n n
y n n
n
ma f f f
ma f f f
J r f f f
Với x
a và y
a là gia tốc của robot theo hướng Ox và Oy, là vận tốc góc của
robot, m là khối lượng của xe, J là momen quán tính và r là bán kính bánh xe. Từ đó
ta có:
1
1 2
2
1 2
sin sin ... sin
1
cos cos ... cos
...
x n
y n
n
f
a
f
a
m
mr mr mr
f
J J J
Đặt ma trận
1 2
1 2
sin sin ... sin
1
cos cos ... cos
...
n
n
N
m
mr mr mr
J J J
có kích thước là
(3 )
N . Với các góc 1 2
, ,..., n
là đôi một phân biệt ta dễ thấy hạng của ma trận N
bằng 3. Từ đây ta suy ra luôn có giá trị của
1 2 ...
T
n
f f f để có giá trị
T
x y
a a
theo ý muốn. Chính vì vậy OMR luôn có khả năng di chuyển tới vị
trí bất kỳ với quỹ đạo đặt bất kỳ và hướng đặt bất kỳ. OMR ngày càng được phát
triển trong các ngành lý thuyết hay thực tế nhờ khả năng di chuyển linh hoạt này.
Hình 2.2. Mẫu bánh Omni Hình 2.3. Cấu trúc bánh
33. 19
Phương thức di chuyển của robot:
Hình 2.4. Các hướng di chuyển của robot
Việc xây dựng mô hình đối tượng bao gồm mô hình động học và mô hình
động lực học nhằm xác định được vị trí robot và momen lực đặt vào các bánh xe để
đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho robot di chuyển đúng theo quỹ đạo mong
muốn đặt trước.Equation Chapter 2 Section 1
2.1.2. Mô hình động học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42]
Mô hình động học và động lực học cho FWOMR được xây dựng dựa trên mô
hình với bánh xe Omni được bố trí lệch so với tọa độ động một góc 450
, các bánh
được đặt cách nhau một góc 900
như hình 2.5.
Gọi T
= x y θ
q là véc tơ tọa độ của robot trong hệ tọa độ đề các Oxy,
T
x y ω
v v
v là véc tơ vận tốc của robot trong hệ trục tọa độ động gắn vào tâm
robot.
Hình 2.5. Hệ trục tọa độ của robot tự hành bốn bánh đa hướng.
34. 20
Xét mối quan hệ hình học trong hình 2.5 ta xác định được biểu thức mối
quan hệ giữa vận tốc của robot trong hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ động. Phương
trình biểu diễn mối quan hệ này cũng là phương trình động học của robot.
cosθ sinθ
sinθ cosθ
- 0
0
0 0 1
q Hv v
(2.1)
Trong đó:
cosθ sinθ
sinθ cosθ
- 0
= 0
0 0 1
H là ma trận chuyển hệ trục toạ độ.
Bảng 2.1. Thông số phương trình động học cho FWOMR
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
x Toạ độ robot theo phương x m
y Toạ độ robot theo phương y m
Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc rad
vi Vận tốc mỗi bánh m/s
ωi Vận tốc góc mỗi bánh rad/s
fi Lực kéo mỗi bánh N
d Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh m
Góc lệch của bánh xe với phương Ox của robot rad
Theo hình 2.5, các bánh xe được đặt sao cho
góc
2
,cos( ) sin( )
4 2
.
Vận tốc dài của các bánh xe (với bán kính là r):
1 1
2 2
3 3
4 4
2 2
.
2 2
2 2
.
2 2
2 2
.
2 2
2 2
.
2 2
x y
x y
x y
x y
v r v v d
v r v v d
v r v v d
v r v v d
Từ đó ta tính được giá trị vận tốc mỗi bánh khi biết vận tốc theo các phương
35. 21
của robot
1 1
2 2
1 1
1
3 3
4 4
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
x
y
d
v
v
d
v
r r v
v
d
v
d
H v (2.2)
với 1
1
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
d
d
r
d
d
H . Ngược lại khi có vận tốc mỗi bánh xe, ta cũng có
thể suy ra giá trị vận tốc của robot và từ đó tính toán được vị trí robot thông qua
phương trình động học
1 1
2 2
2
3 3
4 4
2 2 2 2
2 2 2 2
4
x
y
v
r
v
d d d d
H (2.3)
với 2
2 2 2 2
2 2 2 2
4
r
d d d d
H .
Từ phương trình động học (2.1), ta tính được phương trình thể hiện mối quan
hệ giữa vị trí của robot và vận tốc quay của các bánh xe:
1
2
3
4
( )
x
y g
(2.4)
với 2
( )
g HH .
36. 22
2.1.3. Mô hình động lực học robot tự hành bốn bánh đa hướng [41], [42]
Theo phương pháp Newton, các phương trình động lực học xét đến tác dụng
của lực ma sát nhớt và ma sát Coulomb:
x
x Bx Cx
y
y By Cy
B C
dv
m F F F
dt
dv
m F F F
dt
d
J T T T
dt
(2.5)
Dựa vào cách chọn hệ trục toạ độ như hình 2.5, ta có
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
2
( )
2
2
( )
2
( )
x
y
F f f f f
F f f f f
T d f f f f
(2.6)
x y
sgn( ), sgn( )
Bx x By y
F v F v
B B : Lực ma sát nhớt theo phương x
v và y
v
ω
T sgn( )
B
B : Lực ma sát nhớt theo phương quay của robot
Cy
sgn( ), sgn( )
Cx Cx x Cy y
F v F v
C C : Lực ma sát Coulomb theo phương x
v
và y
v
T sgn( )
C ω
C : Lực ma sát Coulomb theo phương quay của robot
Từ (2.5), ta thu được
1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
2 1
sgn( ) ( )
2
2 1
sgn( ) ( )
2
sgn( ) ( )
x
x x x x
y
y y y y
ω ω
dv
m v v
dt r
dv
m v v
dt r
d d
J
dt r
B C
B C
B C
(2.7)
Từ đó ta có phương trình động lực học của robot có dạng như sau
( ) sgn( ) d
v
M q Cv G v τ Bτ
(2.8)
Với: [ ]T
x y
v v
v là véc tơ vận tốc của robot
37. 23
0 0
0 0
0 0
m
(q) m
J
M Là ma trận với m là khối lượng và J là momen quán tính
của robot.
0 0
0 0
0 0
x
y
B
B
B
C và
0 0
0 0
0 0
x
y
C
C
C
G lần lượt là ma trân hệ số ma sát
nhớt và ma sát Coulomb.
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
r r r r
r r r r
d d d d
r r r r
B là ma trận hệ số điều khiển.
2.1.4. Mô phỏng kiểm chứng các kết quả mô hình hóa mô hình robot.
Tiến hành mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink để kiểm chứng mô hình xây
dựng được với vị trí ban đầu của robot 0 0
4
T
T
o o o o
x y
q . Giá trị
momen đặt vào các bánh
1 2 3 4 60 60 60 60
T T
τ , robot di
chuyển theo quỹ đạo thẳng, góc không đổi.
Hình 2.6. Quỹ đạo của robot Hình 2.7. Quỹ đạo góc của robot
Hình 2.8. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot
38. 24
Giá trị momen đặt vào các bánh
1 2 3 4 100 100 50 50
T T
τ , robot chuyển động theo quỹ đạo
tròn
Hình 2.9. Quỹ đạo của robot Hình 2.10. Quỹ đạo góc của robot
Hình 2.11. Quỹ đạo theo phương Ox, Oy của robot
2.2. Một số thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa
hướng thông dụng.
Có nhiều nghiên cứu về điều khiển bám quỹ đạo cho OMR được công bố
trong những năm gần đây vẫn sử dụng bộ điều khiển truyền thống PID, PID thích
nghi. Một số công trình nghiên cứu mới về điều khiển bám sử dụng trực tiếp hàm
điều khiển Lyapunov, một số khác sử dụng các bộ điều khiển phản hồi trạng thái
tuyến tính hóa chính xác,...hầu hết các giải pháp được thiết kế đều dựa trên giả thiết
mô hình động học được xác định chính xác. Gần đây, các phương pháp điều khiển
thích nghi được sử dụng nhiều hơn để tổng hợp bộ điều khiển cho OMR để giải
quyết vấn đề bất định của mô hình và nhiễu tác động vào hệ thống. Các nghiên cứu
tập trung vào các phương pháp như điều khiển trượt (SMC) hay còn gọi là điều
khiển có cấu trúc thay đổi (VSS), hàm điều khiển Lyapunov, hệ logic mờ hoặc
mạng nơ ron nhân tạo và một số phương pháp phát triển theo hướng điều khiển
thích nghi theo mô hình mẫu.
39. 25
Điều khiển trượt được sử dụng nhiều bởi tính bền vững và khả năng kháng
nhiễu tốt, thích hợp cho một hệ phi tuyến có các tham số bất định và các nhiễu tác
động. Tuy nhiên, hạn chế của thuật toán SMC chính là hiện tượng chattering (dao
động zich zắc xung quanh mặt trượt về gốc). Để khắc phục hiện tượng chattering
thông thường hay dùng phương pháp trượt hàm mũ, đa mặt trượt MSSC.
2.2.1. Bộ điều khiển PID cho FWOMR
Hơn 15 năm trở lại đây robot tự hành đươc ứng dụng nhiều trong các hệ
thống kho bãi, nhà xưởng, an ninh quốc phòng…Thuật toán PID cũng được ứng
dụng để giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa
hướng.
Bộ điều khiển PID cho FWOMR được đề xuất trong [43] và [44]. Các nghiên
cứu này đã thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình động học của OMR. Do đó
các tác động của các ngoại lực tác động lên hệ trong phương trình động lực học của
robot đã không được xét đến.
Xét mô hình động học của robot (2.8)
Quỹ đạo đặt cho hệ:
T
d d d
x y
d
q
Định nghĩa véc tơ sai lệch
d
d
d
x x
y y
1
e (2.9)
Từ phương trình (2.4), ta có:
1
2
3
4
( ).
g
q (2.10)
Với:
sin( ) sin( ) sin( ) sin( )
4 4 4 4
4 4 4 4
cos( ) cos( ) cos( ) cos( )
4 4 4 4
( )
4 4 4 4
1 1 1 1
4 4 4 4
g
d d d d
40. 26
Đạo hàm (2.9), kết hợp với (2.10)
1
2
3
4
( )
( ) ( )
( )
d d
d d
d d
x t x x
y t y g y
t
1
e (2.11)
Ta cần tìm véc tơ vận tốc góc của các bánh xe để bộ điều khiển vòng kín ổn
định.
0
1
2 1
3 0
4
0
( )( ( ) ( ))
t
e
e t
T T
P e I e
e t
e
x d
x
g g g K y K y d
d
(2.12)
Với ,
P I
K K là các ma trận đường chéo và xác định dương.
Thông thường, bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên phương trình động
học hoặc phương trình động lực học. Để đảm bảo chất lượng thì mô hình động lực
học của FWOMR phải được mô tả chính xác, điều đó rất khó khăn. Mặt khác
FWMOR là đối tượng có mô hình phi tuyến bất định và chịu ảnh hưởng của nhiễu
(ma sát, phụ tải…) nên muốn bộ điều khiển PID hoạt động tốt phải có thêm phần
chỉnh định thích nghi cho các tham số của bộ điều khiển này. Một số công trình [43]
và [44] cũng đã đề cập và giải quyết vấn đề này tuy nhiên vẫn gặp nhiều hạn chế.
Xu thế mới hiện nay, các phương pháp điều khiển phi tuyến có khả năng kháng
nhiễu đươc nghiên cứu và phát triển ứng dụng nhiều hơn và đang dần thay thế cho
phương pháp pháp điều khiển kinh điển trên. Một trong những phương pháp đó là
phương pháp điều khiển trượt.
2.2.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản cho FWOMR
Bộ điều khiển trượt có đặc tính vượt trội hơn so với bộ điều khiển khác cho
mô hình đối tượng điều khiển là phi tuyến, có nhiều yếu tố bất định. Điều khiển
trượt [60], [61], [62] và [63] thường được sử dụng cho các hệ robot nói chung và
cho FWOMR nói riêng bởi ưu điểm bền vững với các tác động của nhiễu.
2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết
41. 27
Xét hệ phi tuyến: 1 2
2 ( )
x x
x f x (2.13)
Trong đó: 1
x và 2
x là các trạng thái của hệ thống, R
τ tín hiệu điều khiển
điều khiển.
2
:
f R R
là một hàm phi tuyến. Giả sử mục tiêu điều khiển là
1 1
( ) ( )
d
x t x t xét tới sự tồn tại của các thành phần bất định.
- Ta chọn mặt trượt
S e e (2.14)
Trong đó: 1 1
d
e x x
- Đạo hàm S , kết hợp với hệ phương trình (2.13)
1
( )
d
S f x x e (2.15)
- Chọn hàm V:
2
1
2
V S (2.16)
- Đạo hàm
1
( ( ) )
d
V SS S f x x e (2.17)
- Chọn tín hiệu điều khiển
1 1
( ) sgn( )
d
f x x e K S
(2.18)
Khi đó 1sgn( ) 0
V SK S
với 1
K là hằng số dương thì V chính là hàm
Lyapunov của hệ (2.13)
2.2.2.2. Áp dụng cho đối tượng FWOMR
Từ phương trình động học (2.1) và phương trình động lực học (2.8), đặt
1
2
x q
x v
, ta có hệ phương trình trạng thái:
1 2
2 2 2
sgn( ) d
x Hx
Mx Cx G x τ Bτ
(2.19)
Với d
τ là thành phần nhiễu bất định và không đo được chính xác nên thành
phần này sẽ không xuất hiện trong quá trình tính toán các bộ điều khiển SMC,
MSSC.
Xác định mặt trượt cơ bản với các điều kiện và giả thiết. Định nghĩa sai số
42. 28
1 1 1d
2 2 2d
e x x
e x x
với 1d
x là giá trị quỹ đạo đặt 1
2d 1d
x H x
là giá trị đặt cho
vận tốc của robot.
Chọn mặt trượt
1 1
S e e
(2.20)
Với >0 là hệ số mặt trượt.
Đạo hàm mặt trượt ta có:
1 1
2 2 1 2 2 2 2
(M ( sgn( )) ( ) )
d
S He He e H Bτ Cx G x x H H e
(2.21)
Chọn hàm Lyapunov: 2
1
2
V S (2.22)
Đạo hàm hàm Lyapunov theo thời gian, ta có
1
2 2 2 2
( ( sgn( )) ( ) )
d
V
-1
SS SH M Bτ Cx G x x H H e
(2.23)
Với tín hiệu điều khiển được chọn như sau:
1 1
2 2 2 2 1
( ) ( (( ) ) sgn( ) sgn( ))
T T
d K
τ B BB M H H e x Cx G x S
(2.24)
Khi đó 1sgn( ) 0
V K
S S
thỏa mãn định lý ổn định Lyapunov.
Bộ điều khiển trượt (2.24) được thiết kế tính ổn định bền vững khi hệ thống
tồn tại sai lệch mô hình và có nhiễu tác động. Hàm V trong công thức (2.22) với
luật điều khiển (2.24) cho hệ FWOMR là hàm Lyapunov của hệ kín.
2.2.3. Bộ điều khiển đa mặt trượt cho FWOMR
Bộ điều khiển đa mặt trượt được thiết kế ưu tiên tách riêng từng mặt trượt
cho từng trạng thái của hệ thống với khả năng xử lý được thành phần nhiễu loại
“mismatched” [64]. Điều này khắc phục được nhược điểm của bộ điều khiển trượt
và giảm bớt được hiện tượng chattering do đặc tính của bộ điều khiển trượt.
2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết chung.
- Xét hệ phi tuyến:
1 2 1
2
x x f x
x
(2.25)
Với f và
1
f
x
là hàm liên tục.
- Đầu tiên ta xây dựng mặt trượt thứ nhất: 1 1 1
d
S x x .
43. 29
Đạo hàm 1
S kết hợp với
1 2 1
x x f x từ hệ (2.25), ta có
1 2 1
d
S x f x (2.26)
- Tiếp theo ta xét mặt trượt thứ hai: 2 2 2
d
S x x
Trong đó 2d
x gọi là đầu vào ảo được thiết kế để lái 1 0
S . Đạo hàm 2
S :
2 2
d
S x (2.27)
sẽ được thiết kế để 2 0
S ,tức là 2 2 2
,
d d
x x x sẽ được chọn như sau:
2 1 1 1
d d
x x f K S (2.28)
Hằng số dương 1
K sẽ được xác định sau, u được chọn là:
2 2 2
d
x K S (2.29)
Kết hợp các phương trình (2.26), (2.27), (2.28) và (2.29) ta có hệ sau:
1 2 1 1
2 2 2
S S K S
S K S
(2.30)
- Chọn hàm Lyapunov thứ nhất
2
1 1
1
2
V S (2.31)
Dựa vào (2.26) và (2.28) ta tính đạo hàm của 1
V :
2
1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1
( )
V S S S S K S S S K S (2.32)
- Chọn hàm Lyapunov thứ hai
2 2
2 1 2
1
( )
2
V S S (2.33)
Dựa vào (2.27) và (2.29) ta tính đạo hàm của 2
V :
1 2 2 2 2 1 2
2 2
2 1 1 1
V S S S S K K S
S S
S (2.34)
- Chọn 2
1
1
2
K
K K
ta có: 0
K , và:
2
2
2 2 2 2
2 1 1 1 2
2
1 2
2
1
( ) 2
1
2
1
2
V KS KS S S S S
S S KV
(2.35)
Hệ kín ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
44. 30
2.2.3.2. Áp dụng cho đối tượng FWOMR
- Xét hệ robot tự hành bốn bánh đa hướng
1 2
2 2 2
sgn( ) d
x Hx
Mx Cx G x τ Bτ
(2.36)
Với 1
x
y
x và 2
x
y
v
v
x
- Xét mặt trượt
11
1 12 1 1
13
d
S
S
S
S x x
(2.37)
- Đạo hàm 1
S kết hợp với hệ phương trình (2.36) ta có
1 1 1 2 1
d d
S x x Hx x
(2.38)
Chọn tín hiệu điều khiển ảo
1
2 1 1 1
( )
d d
K
x H S x
(2.39)
- Chọn hàm Lyapunov thứ nhất
1 1 1
1
2
T
V S S
(2.40)
- Đạo hàm 1
V kết hợp với (2.38) và (2.39)
1 1 1 1 1
1 2 2 1 2
1
1 2 1 1 1 1
1 2 1 1 1 1
1 1 2 1 1 1
( . )
= ( . . . )
= ( . ( ))
= ( )
T T
2 d
T
d d d
T
d d
T
d d
T T
V
K
K
V K
S S S H x x
S H x H x x H x
S S x H H S x
S S x S x
S S S S
(2.41)
- Với 2
S là mặt trượt thứ hai
2 2 2 )
( d
S x x
H (2.42)
- Xét đạo hàm 2
S
2 2 2 2 2
1
2 2 2 2 2
( ) ( )
( ( sgn( )) ) ( )
d d
d d
S H x x H x x
H M Bτ Cx G x x H x x
(2.43)
Kết hợp (2.39), (2.40), (2.43) và (2.44), ta có:
45. 31
1 2 1 1
H K
S S S
(2.44)
- Chọn tín hiệu điều khiển:
1 1
2 2 2 2 2 2 2
( ) ( ( ( ) ) ) sgn( ) )
T T
d d K
τ B BB M H H x x x Cx G x S
(2.45)
- Khi đó, ta có:
2 2 2
K
S S
(2.46)
- Chọn hàm Lyapunov thứ hai
2 1 1 2 2
1 1
2 2
T T
V
S S S S
(2.47)
- Đạo hàm 2
V kết hợp với (2.44), (2.45), (2.46) và (2.47)
2 2
2 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2
T T T
V K K
S S S S S S
S S S S
(2.48)
- Ta có
2
2 2 2
2
2 1 1 1
V K K
S
S S S
(2.49)
- Chọn 2
1
1
2
K
K K
ta có: 0
K , và:
2 2
2 1 1 1
2
1 1
2 2
2 2 2
2 2
2 2
1 1
2
1
(
2
2
)
V K K
K K
S S
S S S
S S
S
S S
Vậy 2
V
chính là hàm Lyapunov của hệ kín
Một nhược điểm của phương pháp này là chính ở chỗ phải tính đạo hàm của
đầu vào ảo 2d
x vì đầu vào này phụ thuộc vào mặt trượt và các biến trạng thái của hệ
(2.43). Đó cũng chính là khó khăn khi sử dụng phương pháp MSSC.
2.2.4. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán
2.2.4.1. Kết quả mô phỏng sử dụng bộ điều khiển PID điều khiển bám quỹ đạo cho
FWOMR
+ Với các tham số chọn cho bộ điều khiển PID: 5, 0.5
p I
K K
+ Tham số chọn cho mô hình: m=10kg, J=0.56kgm2
, d=0.3m, r=0.06m
Xét trường hợp khi có nhiễu tác động.
46. 32
a. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình
cos( ); sin( );
15 15 15 2
x t y t t
Hình 2.12. Quỹ đạo bám đường tròn
với bộ điều khiển PID
Hình 2.13. Sai lệch bám các thành phần
,y ,
e e e
x với bộ điều khiển PID
b. Quỹ đạo gấp khúc với hệ phương trình
Hình 2.14. Quỹ đạo bám đường gấp
khúc với bộ điều khiển PID
Hình 2.15. Sai lệch bám các thành phần
đường gấp khúc ,y ,
e e e
x với bộ điều
khiển PID
2.2.4.2. Kết quả mô phỏng sử dụng bộ điều khiển SMC điều khiển bám quỹ đạo cho
FWOMR
+ Với các tham số chọn cho bộ điều khiển SMC: 35, 100
K
+ Tham số chọn cho mô hình: m=10kg, J=0.56kgm2
, d=0.3m, r=0.06m
a. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình:
47. 33
b.
5cos( ); 5sin( );
15 15 15 2
x t y t t
Hình 2.16. Quỹ đạo bám đường tròn
với bộ điều khiển SMC
Hình 2.17. Sai lệch bám các thành phần
,y ,
e e e
x của bộ điều khiển SMC
b. Quỹ đạo gấp khúc với hệ phương trình:
1 1 1 2 2 2
5 5
5 3* , 1, tan( ); 5 3* , , tan( )
3 3
x t y a x t y t a
Bộ tham số điều khiển SMC: 16, 16
K
Hình 2.18. Quỹ đạo bám đường gấp
khúc với bộ điều khiển SMC
Hình 2.19. Sai lệch bám các thành phần
đường gấp khúc ,y ,
e e e
x (SMC)
2.2.4.3. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán điều khiển đa mặt trượt (MSSC) điều
khiển bám quỹ đạo cho FWOMR
Một số kết quả xây dựng quỹ đạo mô phỏng trên bộ điều khiển MSSC
48. 34
a. Quỹ đạo đường zich zắc với hệ phương trình:
1 1 1 2 2 2
5 5
5 3* , 1, tan( ); 5 3* , , tan( )
3 3
x t y a x t y t a
Bộ tham số điều khiển MSSC:
11 12 13 1 1
4, 5 3* , 1,
k k k k x t y
Hình 2.20. Quỹ đạo bám đường gấp
khúc với bộ điều khiển MSSC
Hình 2.21. Sai lệch bám các thành phần
đường gấp khúc ,y ,
e e e
x (MSSC)
b. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình:
5cos( ); 5sin( );
15 15 15 2
x t y t t
Bộ tham số điều khiển MSSC: 11 12 13 3.5
k k k k
Hình 2.22. Quỹ đạo bám đường tròn
với bộ điều khiển MSSC
Hình 2.23. Sai lệch bám các thành phần
đường tròn ,y ,
e e e
x (MSSC)
49. 35
2.3. Kết luận chương 2
Với các kết quả đã đạt được qua việc tính toán và chứng minh bằng lý thuyết,
cùng với các kết quả xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng trên Matlab
Simulink trong chương 2, luận án đã thu được các kết quả như sau:
Mô hình hóa robot tự hành đa hướng với cấu trúc như đã chọn, xây dựng
các phương trình động học và động lực học và phân tích động lực học của FWOMR
dựa trên mô phỏng số.
Nghiên cứu một số thuật toán điều khiển bám tiêu biểu đã được ứng dụng
cho FWOMR và khảo sát đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển
này bằng phần mềm Matlab/Simulink như:
Bộ điều khiển PID
Điều khiển trượt
Điều khiển đa mặt trượt
Điều khiển trượt được sử dụng nhiều bởi tính bền vững và khả năng kháng
nhiễu tốt. Bộ điều khiển trượt có thể đáp ứng cho một hệ phi tuyến với độ bền vững
cho các tham số bất định. Tuy nhiên, hạn chế của thuật toán SMC, MSSC chính là
hiện tượng chattering và bị ảnh hưởng khi có nhiễu tác động. Để khắc phục hiện
tượng chattering phương pháp DSC sẽ được nghiên cứu và phát triển trong chương
3.
