Luận án hệ thao tác từ xa SMSS - Nghiên cứu điều khiển ổn định với trễ truyền thông

Tính cấp thiết của đề tài luận án Teleoperation (hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa, thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Trong hệ thao tác từ xa mỗi Robot thực hiện các chức năng riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám chính xác quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ, đảm bảo đem lại cho người thao tác có được cảm giác thực về nhiễu và các lực tương tác của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80].

Cho đến nay hệ thao tác từ xa đã có hơn 60 năm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu khắc hội họa…[25], [55], [64], [74], [77]. Đặc điểm đáng lưu tâm ở đây, 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. Mục đích và yêu cầu đặt ra đối với các phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot tớ và đối với tổng thể cả hệ thống thao tác từ xa cũng khác nhau. Thêm vào đó trong hệ luôn tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, dễ làm mất ổn định hệ thống.

Tất cả những điều đó tạo nên những thách thức không nhỏ trong việc tổng hợp các luật điều khiển cho hệ. Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, các nghiên cứu cho hệ thao tác từ xa cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương pháp điều khiển đã được ứng dụng như: điều khiển thụ động, điều khiển PID, điều khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[56], [64], [65], [76], [80]. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây nhìn chung đều đưa ra giải pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot tớ hoàn toàn giống nhau do chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của từng Robot trong hệ thống, đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển đối với hệ thao tác từ xa cụ thể chưa xét đến các ảnh hưởng đồng 2 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 vì vậy luận án tập trung xây dựng cấu trúc 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. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về hệ thao tác từ xa nói chung và đi sâu vào hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (Truyền thông qua dây dẫn xem như đường truyền hữu tuyến với trễ T=const). Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án tập trung 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 tiệm cận cho Robot tớ; ổn định thực tế ISS cho Robot chủ với những đặc thù và nhiệm vụ riêng của từng Robot, cũng như hệ thao tác từ xa làm việc ổn định thực tế ISS khi kết hợp giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền hữu tuyến với trễ trên kênh truyền là hằng số và các nhiễu nội cũng như các tác động của môi trường lên từng Robot được xem như là thành phần nhiễu cộng.

Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá và tổng hợp. Thông qua nghiên cứu lý thuyết để đề xuất vấn đề cần giải quyết và xây dựng thuật toán giải quyết vấn đề đó, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo cho hệ bền vững có khả năng thích nghi kháng 3 nhiễu, hoạt động ổn định trong điều kiện vừa có nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài, vừa có hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn tại trong động học của Robot chủ và Robot tớ. Nhằm nâng cao chất lượng của hệ thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của hệ thao tác từ xa: - 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. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án Luận án đã có những đóng góp mới sau: 1. Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu và tác động của môi trường lên Robot chủ và Robot tớ; đưa ra giải pháp bù trừ nhiễu và tác động bên ngoài lên hệ thống. Đã tổng hợp được các bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu trên cơ sở đánh giá, bù nhiễu và sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot tớ.

Đã tổng hợp được bộ điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với Robot chủ. Đã chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu bất định từ bên ngoài và tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông. Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng dụng trong một số lĩnh vực như: tháo lắp thuốc nổ trong quân sự, Robot điêu khắc hội họa từ xa. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu và kết luận, được bố cục như sau: Chương 1.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 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 4 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 và chức năng của từng Robot trong hệ thao tác từ xa một chủ một tớ. Xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho 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 tớ, từ đó làm cơ sở tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ được thể hiện trong Định lý 2. Tiếp đó, cũng tương tự thuật toán ước lượng nhiễu bên phía Robot tớ luận án tiếp tục áp dụng đánh giá nhiễu tác động lên Robot chủ, đồng thời xây dựng bộ điều khiển thích nghi ISS kháng nhiễu cho Robot chủ, thuật toán này được thể hiện ở Định lý 2.

Cuối cùng bằng việc đề xuất Định lý 2. đã đảm bảo điều kiện đủ cho hệ thống thao tác từ xa trên cơ sở ghép giữa Robot chủ và Robot tớ với trễ trên kênh truyền thông là hằng số làm cho hệ ổn định thực tế ISS. Với chứng minh chặt chẽ kết hợp với mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều khiển toàn hệ thống. Mô hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán điều khiển đã đề xuất cho hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Trên cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng về thuật toán ước lượng nhiễu cũng như cấu trúc điều khiển đề xuất cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) đã được chứng minh và đánh giá ở chương 2.

Trong chương 3 này, luận án xây dựng mô hình thực nghiệm với hệ thống bao gồm Robot chủ và Robot tớ hai bậc tự do dạng tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết đã đề xuất. Phần kết luận: đã nêu bật những đóng góp mới của luận án và những kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Equation Chapter (Next) Section 1 1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1.

Khái niệm về hệ Teleoperation Teleoperation (hay còn gọi là hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Các Robot này được điều khiển bởi các bộ điều khiển tương ứng đảm bảo được nhiệm vụ và chức năng riêng của từng Robot, dưới sự vận hành và giám sát của người thao tác đảm bảo cho Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo của Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ.