Luận án Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển rô bốt di động có tính đến ảnh hưởng của trượt bánh xe

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Tính NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT DI ĐỘNG CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỢT BÁNH XE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Tính NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT DI ĐỘNG CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỢT BÁNH XE Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Phạm Minh Tuấn Hà Nội – 2018 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của họ trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Tính 4 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, Tôi không biết nói gì hơn ngoài việc bày tỏ lòng ngưỡng mộ, kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn, hai người Thầy đáng kính đã dìu dắt, định hướng, tận tình hướng dẫn, truyền cảm hứng, và thắp sáng đam mê nghiên cứu khoa học để tôi vượt qua rất nhiều gian nan thử thách trên con đường chinh phục khoa học hàn lâm để hôm nay Tôi có thể hoàn thành luận án đúng tiến độ và chất lượng theo quy định của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học hàn lâm của Tôi. Tôi xin cảm ơn các cán bộ đồng nghiệp Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ thông tin. Đặc biệt, Tôi muốn gửi lời tri ân để bày tỏ lòng ngưỡng mộ và kính trọng sâu sắc tới PGS.TS. Thái Quang Vinh, một Cán bộ đồng nghiệp bậc tiền bối rất bao dung và đáng kính đã luôn động viên Tôi trong những lúc gian nan sóng gió để Tôi luôn vững tâm và kiên định trên con đường nghiên cứu khoa học hàn lâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để Tôi có thể tập trung nghiên cứu khoa học và học tập tiếp thu kiến thức hàn lâm trong quá trình làm nghiên cứu sinh tiến sĩ. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân, các bạn đồng nghiệp - những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu tiến sĩ. Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Văn Tính 5 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................... 10 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... 12 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 13 Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 13 Các vấn đề nghiên cứu của luận án........................................................................ 13 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 14 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 14 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 14 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................... 14 Bố cục của luận án ................................................................................................. 15 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC ...................................... 16 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 16 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................ 18 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 19 1.4. Mô hình động học ........................................................................................ 21 1.5. Mô hình động lực học .................................................................................. 23 1.6. Kết luận Chương 1 ....................................................................................... 26 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ RON BA LỚP ....................................................................................... 28 2.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 28 2.2. Cấu trúc mạng nơ ron ba lớp ....................................................................... 29 2.3. Phát biểu bài toán ........................................................................................ 30 2.4. Mô tả biến đầu ra và FTE ............................................................................ 31 2.5. Cấu trúc bộ điều khiển ................................................................................. 33 2.7. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 38 2.8. Kết luận Chương 2 ....................................................................................... 41 6 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING DỰA TRÊN MẠNG SÓNG GAUSSIAN ..................................................................................... 43 3.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 43 3.2. Mô tả cấu trúc của mạng sóng Gaussian ..................................................... 45 3.3. Thiết kế luật điều khiển động học ............................................................... 46 3.4. Thiết kế luật điều khiển động lực học ......................................................... 47 3.5. Phân tích tính ổn định .................................................................................. 50 3.6. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 55 3.7. Kết luận chương 3 ....................................................................................... 59 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BACKSTEPPING HỘI TỤ HỮU HẠN Ở CẤP ĐỘ ĐỘNG LỰC HỌC ............................................... 60 4.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 60 4.2. Mô tả cấu trúc của RBFNN ......................................................................... 62 4.3. Thiết kế luật điều khiển động học ............................................................... 64 4.4. Thiết kế luật điều khiển động lực học ......................................................... 65 4.5. Phân tích tính ổn định .................................................................................. 67 4.6. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 72 4.7. Kết luận Chương 4 ....................................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 79 Những nội dung nghiên cứu chính của luận án ..................................................... 79 Những đóng góp của luận án ................................................................................. 79 Định hướng nghiên cứu phát triển ......................................................................... 80 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ................................................. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82 PHỤ LỤC. SƠ ĐỒ KHỐI MATLAB/SIMULINK CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN .................................................................................................. 87 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các tham số của rô bốt di động [21]. ....................................................... 39 Bảng 2.2. So sánh các điểm khác biệt giữa hai phương pháp điều khiển ................ 42 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mối liên hệ giữa các bài toán nghiên cứu trong lĩnh vực rô bốt di động. 17 Hình 1.2. Mô tả góc trượt trên xe tự hành kiểu 4 bánh bị trượt bánh xe. ................. 20 Hình 1.3. Một rô bốt di động và hiện tượng trượt bánh xe. .................................... 21 Hình 2.1. Cấu trúc của mạng nơ ron 3 lớp. .............................................................. 28 Hình 2.2. Tọa độ của mục tiêu trong hệ tọa độ gắn thân rô bốt M-XY. .................. 30 Hình 2.3. Sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín. ............................ 32 Hình 2.4. Đồ thị của các tốc độ trượt theo thời gian. ............................................... 38 Hình 2.5. So sánh hiệu năng bám giữa hai phương pháp trong Ví dụ 4.1. .............. 40 Hình 2.6. So sánh các sai lệch bám vị trí trong Ví dụ 4.1. ....................................... 40 Hình 2.7. Các mô men quay trong Ví dụ 4.1 giữa hai phương pháp điều khiển. ..... 41 Hình 3.1. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trong chương 3........................ 44 Hình 3.2. Cấu trúc của mạng sóng Gaussian – GWN. ............................................. 44 Hình 3.3. So sánh các quỹ đạo trong ví dụ 3.1. ........................................................ 56 Hình 3.4. So sánh các sai lệch bám vị trí e1,2 trong Ví dụ 3.1 giữa hai phương pháp điều khiển trong Chương 2 và Chương 3. ................................................................. 57 Hình 3.5. So sánh mô men quay giữa hai phương pháp điều khiển. ........................ 58 Hình 3.6. Đánh giá hiệu quả của biện pháp xử lý chattering ở cả hai bánh xe. ....... 58 Hình 4.1. Khả năng đáp ứng của động cơ đối với đầu ra của bộ điều khiển. .......... 60 Hình 4.2. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trong Chương 4. ...................... 63 Hình 4.3. Cấu trúc mạng nơ ron RBFNN. ................................................................ 63 Hình 4.4. So sánh hiệu năng bám quỹ đạo giữa phương pháp điều khiển mới này với phương pháp điều khiển ở Chương 3. ................................................................. 73 Hình 4.5. So sánh sai lệch vị trí giữa 2 phương pháp điều khiển. ............................ 75 Hình 4.6. so sánh sai lệch bám vận tốc góc ở bánh PHẢI và bánh TRÁI giữa hai phương pháp điều khiển. ........................................................................................... 76 Hình 4.7. So sánh các mô men quay của hai phương pháp điều khiển. ................... 77 Hình P.1. Sơ đồ khối Matlab/Simulink mô tả mô hình của rô bốt di động.............. 87 Hình P.2. Sơ đồ khối mô tả mô hình động lực học của rô bốt di động. ................... 87 Hình P.3. Sơ đồ khối mô tả mô hình động học của rô bốt di động. ......................... 88 Hình P.4. Sơ đồ khối Matlab/Simulink của luật điều khiển ở Chương 2, 3, 4. ....... 88 Hình P.5. Sơ đồ khối của bộ điều khiển trong Chương 2. ....................................... 89 9 Hình P.6. Sơ đồ khối của mạng nơ ron 3 lớp (với tên nhãn neural network) trong Chương 2. .................................................................................................................. 89 Hình P.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu backstepping ở các Chương 3 và 4. ........ 90 Hình P.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển ở vòng động lực học phía trong ở Chương 3. . 90 Hình P.9. Sơ đồ khối mô tả thành phần bền vững cấp động lực học ở Chương 3. .. 91 Hình P.10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển động học phía ngoài trong Chương 3. .... 91 Hình P.11. Sơ đồ khối của thành phần bền vững động học trong Chương 3. .......... 91 Hình P.12. Sơ đồ khối của bộ điều khiển ở vòng động lực học trong Chương 4. ... 92 Hình P.13. sơ đồ khối của thành phần bền vững động lực học trong Chương 4. .... 92 Hình P.14. Sơ đồ khối của bộ điều khiển động học phía ngoài ở Chương 4. .......... 93 Hình P.15. Sơ đồ khối của thành phần bền vững động học ở Chương 4. ................ 93 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị r Bán kính mỗi bánh xe chủ động m R Vận tốc góc của bánh phải rad/s L Vận tốc góc của bánh trái rad/s b Một nửa khoảng cách giữa hai bánh xe chủ động m  Vận tốc tịnh tiến của rô bốt di động khi không tồn tại trượt bánh xe m/s  Vận tốc tịnh tiến của rô bốt di động khi có tồn tại trượt bánh xe m/s  Vận tốc góc của rô bốt di động khi không tồn tại trượt bánh xe rad/s  Vận tốc góc của rô bốt di động khi có tồn tại trượt bánh xe rad/s M trung điểm của trục nối hai bánh xe chủ động G Trọng tâm của phần cứng rô bốt di động a Khoảng cách giữa M và G m  Tọa độ hướng của rô bốt di động rad 11 L Tọa độ trượt dọc của bánh trái m R Tọa độ trượt dọc của bánh phải m  Tọa độ của trượt ngang dọc theo trục bánh xe m   T 1 2, ζ Véc tơ tọa độ của mục tiêu trong hệ tọa độ body M-XY m   T d ,0Cζ Véc tơ mong muốn của   T 1 2, ζ m R Mô men quay ở bánh phải N.m L Mô men quay ở bánh trái N.m Gm Khối lượng phần cứng rô bố di động kg Wm Khối lượng mỗi bánh xe chủ động kg GI Mô men quán tính của phần cứng quanh trục thẳng đứng đi xuyên qua trọng tâm G kg.m2 WI Mô men quán tính của bánh xe quanh trục quay kg.m 2 DI Mô men quán tính của bánh xe quanh trục bán kính kg.m 2 12 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GWN Gaussian Wavelet Network- mạng sóng Gaussian RBFNN Radial Basis Function Neural Network UUB Uniformly Ultimately Bounded (Bị chặn đều bền vững) WMR Wheeled Mobile Robot – rô bốt di động kiểu bánh xe FTE Filtered Tracking Errors – Các sai số bám được lọc 13 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Có một sự thật không thể phủ nhận rằng các rô bốt di động có khả năng làm việc trong một phạm vi rộng và có thể thao tác tự động một cách thông minh mà không cần bất cứ sự tác động nào từ con người. Đặc biệt, chúng có khả năng thay thế con người trong các nhiệm vụ khó khăn và nguy hiểm như tìm kiếm cứu nạn, cứu hỏa, tìm kiếm và tháo gỡ bom mìn, vận chuyển vật liệu trong môi trường độc hại, thám hiểm, trinh sát, giám sát an ninh, vân vân với chi phí rẻ hơn nhiều so với người. Bởi vậy, chúng được ứng dụng ngày càng phổ biến trong các lĩnh vực như công nghiệp, giải trí, chăm sóc sức khỏe, logistics, Có rất nhiều loại rô bốt di động khác nhau như rô bốt di động kiểu chân sinh học, rô bốt di động kiểu bánh xích, rô bốt di động kiểu bánh xe, Mỗi loại đều có những đặc điểm phi tuyến cố hữu riêng và trong từng ứng dụng cụ thể đều có những ưu, nhược điểm nhất định. Cụ thể, ưu điểm của rô bốt di động kiểu chân là có khả năng di chuyển trên địa hình gồ ghề như cầu thang, đồi núi, nhưng lại phức tạp về mặt cấu trúc cũng như phương pháp điều khiển, chẳng hạn như mỗi chân rô bốt phải có số bậc tự do đủ lớn để tạo ra khả năng di động, phải có khả năng nâng hạ trọng lượng của chính rô bốt, vân vân. Rô bốt di động kiểu bánh xích và kiểu bánh xe không có khả năng leo trèo vượt địa hình gồ ghề như kiểu chân nhưng lại có cấu trúc đơn giản cũng như có khả năng vận chuyển hàng hóa khối lượng lớn với chi phí năng lượng rẻ hơn. So với rô bốt kiểu bánh xích, rô bốt kiểu bánh xe được ứng dụng phổ biến hơn rất nhiều trong thực tiễn. Do vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu các bài toán thiết kế các luật điều khiển cho rô bốt di động kiểu bánh xe. Các vấn đề nghiên cứu của luận án Tác giả tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới để bù trượt cho rô bốt di động khi tồn tại trượt bánh xe, bất định mô hình, và nhiễu ngoài. 14 Đối tượng nghiên cứu Để dễ dàng kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu năng của các luật điều khiển được đề xuất, rô bốt di động 03 bánh xe được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. Cụ thể, rô bốt di động kiểu 03 bánh xe này bao gồm 02 bánh chủ động điều khiển vi phân, 01 bánh thụ động được sử dụng để làm điểm tựa tạo thế cân bằng trọng lực. Mục đích nghiên cứu Đề xuất một số phương pháp điều khiển mới để bù ảnh hưởng tiêu cực của bất định mô hình, nhiễu ngoài, và trượt bánh xe. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được thể hiện qua trình tự công việc như sau:  Phân tích và xây dựng mô hình động học và động lực học của rô bốt di động khi tồn tại các bất định mô hình, nhiễu ngoài, và trượt bánh xe.  Nghiên cứu, phân tích các phương pháp điều khiển tiên tiến trong và ngoài nước cho rô bốt di động trong sự hiện diện của bất định mô hình, nhiễu ngoài, và trượt bánh xe. Sau đó, đề xuất các phương pháp điều khiển mới.  Chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả của các phương pháp điều khiển mới bằng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov và bổ đề Barbalat.  Tiến hành kiểm chứng các phương pháp điều khiển nói trên băng công cụ Matlab/Simulink. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Xây dựng các phương pháp điều khiển mới cho rô bốt di động để bù ảnh hưởng tiêu cực của bất định mô hình, nhiễu ngoài, và trượt bánh xe. Ý nghĩa thực tiễn: Các phương pháp điều khiển được đề xuất trong luận án này có thể được triển khai ứng dụng cho các rô bốt di động trong nhà kho với mặt sàn trơn hoặc có thể được triển khai ứng dụng cho các xe tự hành trong các nông trường với nền đất ẩm ướt dễ trơn trượt. 15 Bố cục của luận án Chương 1: Trình bày tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án trong những năm gần đây. Sau đó, mô hình toán học của rô bốt di động được xây dựng trong điều kiện tồn tại trượt bánh xe. Chương 2: Thiết kế luật điều khiển bám thích nghi dựa trên một mạng nơ ron ba lớp. Chương 3: Thiết kế luật điều khiển backstepping bền vững thích nghi dựa trên mạng sóng Gaussian. Chương 4: Thiết kế luật điều khiển backstepping hội tụ hữu hạn ở cấp động lực học. 16 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC 1.1. Đặt vấn đề Trước khi thiết kế các luật điều khiển thì các nhà nghiên cứu cần phải có kiến thức tổng quan về các kết quả nghiên cứu trên khắp thế giới về chủ đề này và cũng phải có hiểu biết về mô hình động học cũng như động lực học của đối tượng cần điều khiển. Do vậy, nội dung của chương này mô tả khái quát về tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan đến chủ đề của luận án. Sau đó, các mô hình động học và động lực học của rô bốt di động chịu ảnh hưởng tiêu cực của trượt bánh xe được xây dựng. Các rô bốt di động kiểu bánh xe được trang bị các phần tử chấp hành, các cảm biến, một máy tính on-board, để nó có khả năng di chuyển tự động thông minh mà không cần sự tác động từ con người. Nghiên cứu về rô bốt di động được chia ra làm 4 bài toán chính: thiết kế quỹ đạo, điều khiển chuyển động, định vị, và truyền thông. Chúng có thể được mô tả như Hình 1.1. Bài toán định vị là bài toán phối kết hợp các cảm biến để ước lượng vị trí, hướng, vận tốc, và gia tốc của rô bốt di động trong thời gian thực. Bài toán truyền thông là bài toán thiết lập kênh giao tiếp giữa rô bốt di động này với rô bốt di động khác hoặc giữa rô bốt di động với các thiết bị khác trong môi trường hoạt động. Thiết kế quỹ đ