Luận án ứng dụng điều khiển thích nghi hệ thiếu cơ cấu chấp hành cho xe tự hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ HƯƠNG SEN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO XE TỰ HÀNH BA BÁNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM THỊ HƯƠNG SEN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO XE TỰ HÀNH BA BÁNH Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. VŨ THỊ THÚY NGA 2. PHAN XUÂN MINH Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả nghiên cứu khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố.

Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án TS. Vũ Thị Thúy Nga GS.TS Phan Xuân Minh Phạm Thị Hương Sen i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất đến GS. Phan Xuân Minh, TS.

Vũ Thị Thúy Nga đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn, định hướng, tạo động lực nghiên cứu và hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Phòng Đào tạo, thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ về mặt chuyên môn, hỗ trợ các thủ tục trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhóm nghiên cứu thuộc bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, các bạn bè và đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên tôi trong thời gian vừa qua.

Cuối cùng, tôi xin gửi phần tình cảm yêu quý đến các thành viên trong gia đình đã luôn chia sẻ, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.ii MỤC LỤC.iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU.vi DANH MỤC CÁC BẢNG.viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.viii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Phương pháp nghiên cứu. Bố cục của luận án.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ XE TỰ HÀNH. Giới thiệu chung về hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Mô hình hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Phân loại hệ thiếu cơ cấu chấp hành.

Mô hình xe tự hành ba bánh. Mô hình động học. Mô hình động lực học. Mô hình xe tự hành khi xét đến các yếu tố nhiễu hệ thống.

Tình hình nghiên cứu và tổng quan về các phương pháp điều khiển WMR. Tình hình nghiên cứu trong nước. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Các phương pháp điều khiển xe tự hành.

Kết luận của chương 1. TỔNG HỢP BỘ ĐIỂU KHIỂN TRƯỢT TẦNG BACKSTEPPING CHỈNH ĐỊNH MỜ CẤU TRÚC MỘT MẠCH VÒNG. Cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt tầng và backstepping. Kỹ thuật backstepping.

Kỹ thuật trượt tầng. Mô hình mờ Sugeno. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping cho xe tự hành ba bánh. Xây dựng bộ điều khiển bám trượt tầng cho xe bám vị trí.

Bộ điều khiển bám backstepping cho góc hướng. Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ cho xe tự hành ba bánh. Mô phỏng kiểm chứng.

Kết luận chương 2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỂU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN ƯỚC LƯỢNG NHIỄU CẤU TRÚC HAI MẠCH VÒNG. Điều khiển thích nghi. Điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu vòng trong.

Tổng hợp bộ điều khiển động lực học. Tổng hợp bộ điều khiển động học. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu mạch vòng trong và ngoài .1 Cơ sở phương pháp luận.2 Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch vòng trong động lực học.3 Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch vòng ngoài động học.4 Chứng minh tính ổn định. Mô phỏng kiểm chứng.

Mô phỏng với cấu trúc điều khiển thích nghi ước lượng vòng trong. Kết quả mô phỏng điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu cả hai mạch vòng 63 3. Kết luận chương 3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỂU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ LOẠI 2 CẤU TRÚC HAI MẠCH VÒNG.

Hệ mờ loại 2. Tập mờ loại 2. Suy diễn và giảm loại trong hệ mờ loại 2. Tổng hợp bộ điều khiển bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 cho mạch vòng trong và ngoài.

Thiết kế bộ điều khiển mạch vòng động lực học. Thiết kế bộ điều khiển mạch vòng động học. Chứng minh tính ổn định. Mô phỏng kiểm chứng.

Kết luận chương 4.83 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.84 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.86 TÀI LIỆU THAM KHẢO.87 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt viết tắt UMS Underactuated mechanical systems Hệ điện cơ thiếu cơ cấu chấp hành WMR Wheel mobile robots Xe tự hành SMC Sliding mode control Điều khiển trượt ASMC Adaptive Sliding mode control Điều khiển trượt thích nghi HSMC Hierarchical sliding mode control Điều khiển trượt tầng FLS Fuzzy logic system Hệ logic mờ Non-linear Disturbance Observer- Dựa trên bộ ước lượng nhiễu phi NDOB based tuyến Danh mục các kí hiệu TT Ký hiệu Mô tả 1 M Điểm nằm giữa trục nối hai bánh xe sau 2 G Trọng tâm khối của xe 3 r Bán kính bánh xe sau 4 b Một nửa khoảng cách giữa hai bánh xe sau 5 Khối lượng thân xe 6 mw Khối lượng mỗi bánh sau của xe 7 IG Mô men quán tính của thân xe quanh trục thẳng đứng 8 ID Mô men quán tính của bánh xe quanh trục bán kính 9 Iw Mô men quán tính của bánh xe quanh trục quay 10 a Khoảng cách từ điểm G đến điểm M 11 x Tọa độ của xe theo phương X 12 y Tọa độ của xe theo phương Y 13 θ Góc hướng của xe 14 q Vector biến tọa độ 15 τR Momen của động cơ bánh phải 16 τL Momen của động cơ bánh trái 17 v Vận tốc tịnh tiến 18 ω Vận tốc quay 19 Vận tốc góc động cơ bánh phải vi 20 Vận tốc góc động cơ bánh trái 21 ev Vector sai số vận tốc 22 eq Vector sai số vị trí 23 Độ trượt dọc trục bánh xe bên phải 24 Độ trượt dọc trục bánh xe bên trái 25 Độ trượt ngang trục bánh xe 26 Vận tốc tịnh tiến của xe khi xem xét đến ma sát trượt bánh 27 Vận tốc quay của xe khi xem xét đến ma sát trượt bánh 28 ev Vector sai số vận tốc 29 eq Vector sai số vị trí DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Luật suy diễn cho bộ chỉnh định mờ.2: Thông số của WMR.3: Chọn các tham số.1: Hàm liên thuộc biến đầu ra Y, Z.80 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.2: Mô hình xe tự hành ba bánh.3: Mô hình xe tự hành ba bánh khi xét đến yếu tố trượt bánh.4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tuyến tính hóa phản hồi.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển xe bám vị trí.6: Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều khiển.7: Một sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi.1: Lược đồ kĩ thuật trượt tầng [62].2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt tầng backstepping.3: Tập mờ biến ngôn ngữ đầu vào.4: Giá trị hằng số biến đầu ra.5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ.6: Xe bám quỹ đạo sin.7: Sai số với quỹ đạo sin.8: Xe bám quỹ đạo tròn.9: Sai số với quỹ đạo tròn.10: Quỹ đạo của xe trước và sau khi thay đổi khối lượng, momen.11: So sánh điều khiển bám quỹ đạo tròn, chưa có nhiễu.12: So sánh sai số điều khiển bám quỹ đạo tròn, chưa có nhiễu.13: So sánh điều khiển bám quỹ đạo tròn, có nhiễu sin tác động.14: So sánh sai số quỹ đạo khi điều khiển bám quỹ đạo tròn, có nhiễu sin tác động.15: So sánh điều khiển bám quỹ đạo tròn, có nhiễu xung tác động từ giây thứ 30 đến giây thứ 31.16: So sánh sai số bám quỹ đạo tròn, có nhiễu xung tác động từ giây thứ 30 đến giây thứ 31.1: Sơ đồ một hệ điều khiển thích nghi tham số.2: Minh họa nguyên tắc ước lượng [67].3: Xe tự hành bám mục tiêu Z.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.5: Xe bám quỹ đạo đặt hình tròn.6: Đặc tính vị trí tọa độ x, y và góc hướng bám tín hiệu đặt.7: Kết quả nhận dạng thành phần nhiễu d1.8: Kết quả nhận dạng thành phần nhiễu d2.9: Quỹ đạo bám của xe.10: Sai lệch vị trí vị trí ex, ey.11: Sai lệch vị trí vị trí ex, ey với bộ điều khiển trong [46].12: Sai lệch tốc độ.13: Sai lệch tốc độ với bộ điều khiển trong [46].1: Tập mờ Gauss loại 2.2: Cấu trúc của một hệ logic mờ loại 2.3: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển.4: Hàm liên thuộc của các biến đầu vào.5: Xe bám quỹ đạo tròn.6: Đặc tính sai số vị trí theo phương X khi sử dụng bộ mờ loại 1 và loại 2 82 Hình 4.7: Đặc tính sai số vị trí theo phương Y khi sử dụng bộ mờ loại 1 và loại 2 82 Hình 4.8: Đường đặc tính tốc độ bánh phải với bộ mờ loại 1 và bộ mờ loại 2.9: Đường đặc tính tốc độ bánh trái với bộ mờ loại 1 và bộ mờ loại 2.83 ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Những năm gần đây, hệ thiếu cơ cấu chấp hành được nghiên cứu ngày càng nhiều. Trong các hệ thống như tàu thủy, tàu ngầm, máy bay, tàu vũ trụ, robot, [1, 2], được thiết kế thiếu cơ cấu chấp hành, với mục đích để giảm giá thành, hoặc giảm trọng lượng, giảm tiêu hao năng lượng tiêu thụ. Một số trường hợp hệ trở thành thiếu cơ cấu chấp hành là do hệ thống có thiết bị chấp hành bị lỗi.

Trên thực tế, khi giảm số thiết bị chấp hành thì việc phát triển kỹ thuật điều khiển càng cần thiết và khó khăn hơn so với các hệ đủ cơ cấu chấp hành.