Luận án Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển robot công nghiệp có nhiều tham số bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN TIẾN KIỆM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 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 2. TS.NGUYỄN TRẦN HIỆP HÀ NỘI - 2018 i 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 có 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 Tiến Kiệm ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn đã quá cố PGS.TSKH: Phạm Thƣợng Cát, các cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Minh Tuấn- hướng dẫn khoa học 1, TS.Nguyễn Trần Hiệp-Hướng dẫn khoa học 2 đã hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cảm ơn các bạn đồng môn, phòng đào tạo, các phòng ban liên quan thuộc Viện công nghệ thông tin-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến để tác giả hoàn thành luận án của mình. Tác giả cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường, bạn lãnh đạo khoa, các đồng nghiệp nơi đang công tác là trường đại học công nghiệp Hà Nội đã hỗ trợ, động viên, giúp đỡ trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiệm iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 3 Góc quay của robot bánh xe rad 4 Góc quay trục Pan rad 5 Góc quay trục Tilt rad Jc Ma trận Jacobi camera Jim Ma trận Jacobi đặc trưng ảnh δ Véc tơ tọa độ đặc trưng ảnh m u,v Tọa độ điểm ảnh m  Mô men của khớp quay N.m o Mô men điều khiển đại lượng biết trước N.m 1 Mô men điều khiển bù đại lượng bất định N.m f Tiêu cự của thấu kính camera m dq Vận tốc góc khớp mong muốn m/s q Vận tốc khớp thực của bệ Pan-Tilt m/s w or Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ bệ Pan-Tilt m c or Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ camera m i Dòng điện phần ứng động cơ một chiều A UE Điện áp điều khiển phần ứng động cơ một chiều V R Điện trở phần ứng động cơ một chiều Ω tE Thành phần tín hiệu bất định của động cơ một chiều V L Điện cảm phần ứng của động cơ một chiều H iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải nội dung PBVS Position- based visual servoing -servo thị giác dựa trên vị trí IBVS Image-based visual servoing - servo thị giác dựa trên ảnh WMR Wheeled mobile robot di động bánh xe TSMC Terminal sliding mode control- phương pháp điều khiển trượt đầu cuối RBFNN Radial basic funtion neural network-mạng nơ ron RBF SMC Sliding mode control-điều khiển trượt ANN Artificial neural network-mạng nơ ron nhân tạo MIMO Multi input multi output- hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra BP Back propagation-lan truyền ngược GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền RBF Radial basic function - Hàm bán kính cơ sở v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................ viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài. .......................................................................... 3 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài. ......................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ............................................................ 3 6. Kết quả và tính mới của luận án. ......................................................................... 4 7. Bố cục của luận án. .............................................................................................. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................... 7 1.1. Giới thiệu chung. .............................................................................................. 7 1.2. Một số ứng dụng của robot. .............................................................................. 8 1.2.1. Trong công nghiệp...................................................................................... 8 1.2.2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm. ....................................................... 9 1.2.3 Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân........................................................... 9 1.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp. ..................................................................... 9 1.2.5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian....................................................... 9 1.2.6 Ứng dụng trong các thiết bị lặn. ............................................................... 10 1.2.7 Ứng dụng trong giáo dục. ......................................................................... 10 1.2.8. Ứng dụng trong hỗ trợ người khuyết tật. ................................................. 10 1.3 Mô hình robot với nhiều tham số bất định. ..................................................... 15 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước. .......................................... 10 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước. ............................................................ 11 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. ........................................................... 11 1.5. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án. .................................................. 19 vi CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỘNG VI PHÂN CỦA TAY MÁY DI ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ LUẬT VISUAL SERVOING MỚI ĐỂ BÁM THEO MỤC TIÊU DI ĐỘNG ........................................................................................................ 29 2.1. Thị giác máy và điều khiển hệ robot - camera. .............................................. 29 2.1.1 Các khái niệm cơ bản của thị giác máy. ................................................... 29 2.1.2 Các hệ thị giác máy .................................................................................. 30 2.2. Mô hình hóa chuyển động vi phân của camera trên tay máy chuyển động và thiết kế hệ servo thị giác bám mục tiêu di động. ................................................... 35 2.2.1 Mô tả các hệ tọa độ. .................................................................................. 35 2.2.2. Chuyển động vi phân ............................................................................... 36 2.2.3. Tính toán đạo hàm của đặc trưng ảnh. ................................................... 41 2.3 . Đề xuất luật điều khiển .................................................................................. 43 2.3.1 Phát biểu bài toán ..................................................................................... 43 2.3.2. Luật điều khiển động học ......................................................................... 44 2.3.3. Luật điều khiển động lực học ................................................................... 46 2.3.4. Xét tính ổn định. ....................................................................................... 47 2.4 . Mô phỏng phương pháp điều khiển. .............................................................. 48 2.5 . Kết luận chương 2.......................................................................................... 51 CHƢƠNG 3.............................................................................................................. 52 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT GẮN CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH........................................................ 52 3.1. Mạng nơ ron nhân tạo. .................................................................................... 52 3.1.1. Mô hình nút nơ ron ................................................................................... 54 3.1.2. Cấu trúc mạng nơ rơn .............................................................................. 56 3.1.3. Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ........................................................... 57 3.1.4. Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function Networks) ............................. 58 3.2. Mạng nơron trong điều khiển robot. ............................................................... 60 3.3. Điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định. ....................................................................................................................... 68 3.3.1. Đặt vấn đề. ............................................................................................... 68 3.3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động. ........................... 69 3.3.3. Thuật điều khiển tốc độ hệ robot-camera bám mục tiêu di động............. 71 3.3.4. Thuật điều khiển visual servoing cho hệ robot khi có nhiều tham số bất định. ............................................................................................................................ 73 vii 3.3.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển visual sevoing trên Matlab. .................... 77 3.3. Kết luận chương 3. .......................................................................................... 81 CHƢƠNG 4. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP DÙNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CÓ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP HÀNH ....................................................................................................................... 82 4.1. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu. ........................................................ 82 4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có chú ý tác động của cơ cấu chấp hành. ....................................................................................................... 85 4.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................ 85 4.2.2. Xây dựng mô hình toán học học của hệ Robot-camera có tác động của cơ cấu chấp hành .................................................................................................... 86 4.2.3. Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron. ............................. 89 4.2.4. Mô phỏng hệ servo thị giác có mô hình động cơ trên Matlab. ............... 92 4.2.5. Kết luận chương 4. ................................................................................... 95 CHƢƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI NGĂN CHẶN SỰ SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI ..................................................................................................................... 96 5.1 Tóm tắt nội dung chính. ............................................................................... 96 5.2. Các kiến thức cơ bản ................................................................................... 97 5.3. Thiết kế luật điều khiển ............................................................................... 99 5.4. Phân tích ổn định ....................................................................................... 103 5.5. Mô phỏng phương pháp điều khiển........................................................... 105 5.6. Kết luận chương 5. .................................................................................... 113 KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN ............................................................................ 114 1. Các kết quả đạt được của luận án. ................................................................... 114 2. Hướng phát triển của luận án. .......................................................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.................... 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 118 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Quá trình xử lý ảnh của thị giác rô bốt....................................................... 29 Hình 2.2. Mô hình hệ sever thị giác eye-in-hand ...................................................... 31 Hình 2.3. Cấu trúc hệ servo vị trí ảnh ....................................................................... 32 Hình 2.4. Cấu trúc servo đặc trưng ảnh .................................................................... 33 Hình 2.5. Một tay máy hai bậc tự do gắn camera đặt trên robot di động có bánh. ... 35 Hình 2.6. Chân đế di động và hai trục tọa độ, O2X2Y2Z2 và O3X3Y3Z3, trong khung cơ sở. ......................................................................................................................... 36 Hình 2.7. Mặt trước của hệ trục, vị trí và hướng của O4X4Y4Z4 trong O3X3Y3Z3 ... 38 Hình 2.8. Vị trí và hướng của OCXCYCZC trong O4X4Y4Z4, và mô hình điểm ảnh của camera ................................................................................................................. 39 Hình 2.9. Đồ thị mô tả chuyển động vi phân của camera qua OCXCYCZC. .............. 42 Hình 2.10. Mô hình rô bốt di động bám mục tiêu di động........................................ 42 Hình 2.11. Sơ đồ của bộ điều khiển đề xuất visual servoing bám mục tiêu di động 44 Hình 2.12. Mô tả quỹ đạo của WMR (màu xanh) và mục tiêu bay (đỏ) trong không gian 3D. ..................................................................................................................... 46 Hình 2.13. Quỹ đạo chuyển động của đặc trưng ảnh trong mặt phẳng ảnh. ............ 46 Hình 2.14. Đặc tính của  = v – vd theo thời gian. .................................................. 50 Hình 2.15. Đặc tính của mô men theo thời gian. ...................................................... 50 Hình 3.1. Cấu trúc mạng RBF ................................................................................... 59 Hình 3.5. Hệ robot gắn camera. ................................................................................ 69 Hình 3.6. Mô hình tạo ảnh camera ............................................................................ 70 Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ hệ robot-camera ..................................... 73 Hình 3.8. Mạng RBF xấp xỉ hàm f ......................................................................... 75 Hình 3.9. Cấu trúc của hệ visual servoing điều khiển camera bám mục tiêu di động có nhiều tham số bất định.......................................................................................... 77 Hình 3.10. Quỹ đạo đặc trưng ảnh. ........................................................................... 79 Hình 3.11. Đăc tính vận tốc các khớp ....................................................................... 79 Hình 3.12. Đặc tính momen các khớp ....................................................................... 79 Hình 3.13. Sự thay đổi các trọng số mạng nơ ron.................................................... 80 Hình 3.14. Sự thay đổi các góc khớp ........................................................................ 80 Hình 3.15. Sự thay đổi các góc khớp ....................................................................... 80 Hình 4.1. Đặc tính mômen và công suất ................................................................... 84 ix Hình 4.2. Cấu tạo động cơ đĩa. .................................................................................. 85 Hình 4.3. Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều ........................................... 85 Hình 4.4. Sơ đồ điều khiển ........................................................................................ 86 Hình 4.5. Mạng RBF xấp xỉ hàm f‟ ......................................................................... 90 Hình 4.6. Quỹ đạo của đặc trưng ảnh........................................................................ 94 Hình 4.7: Sự thay đổi toạ độ các khớp. ..................................................................... 94 Hình 4.8: Sự thay đổi vận tốc các khớp. ................................................................... 94 Hình 4.9: Đặc tính điện áp của động cơ trên các khớp. ............................................ 95 Hình 5.1. Cấu trúc mạng RBFNN. ............................................................................ 99 Hình 5.2. Sơ đồ của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín. .................................. 103 Hình 5.3. Hiệu suất bám của phương pháp TSMC đề xuất. ................................... 106 Hình 5.4. Hiệu suất bám của phương pháp SMC tuyến tính. ................................ 107 Hình 5.5. So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 1của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC. .............................................. 107 Hình 5.6. So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 2 của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính.............................. 108 Hình 5.7. So sánh giữa đầu vào điều khiển tại cả hai khớp nối giữa phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính......................................................... 108 Hình 5.8. So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch e1 tại khớp nối 1 giữa phương pháp đề xuất và phương pháp trong [58]. ............................................................... 109 Hình 5.9. So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch bám e2 tại khớp nối 2 giữa phương pháp đề xuất và [58]................................................................................... 109 Hình 5.10. So sánh mô men của phương pháp đề xuất và [58]. ............................ 110 Hình 5.11. So sánh mô men trong trường hợp sử dụng (5.25, 5.26) và hàm trơn (5.41, 5.42). ............................................................................................................. 110 Hình 5.12. So sánh sai lệch bám tại khớp 1, 1e , trong trường hợp sử dụng hàm (5.25, 5.26) và sử dụng hàm trơn (5.41, 4.42). ....................................................... 111 x DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1. Quỹ đạo dùng để mô phỏng của cả đối tượng và WMR. ........................ 48 Bảng 2.2. Các tham số của chân đế pan-tilt và camera. ............................................ 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay, robot là một trong những công cụ không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực. Hiện nay robot được ứng dụng trong mọi mặt đời sống xã hội loài người như: Trong các nhà máy, robot tham gia vào các dây chuyền sản xuất thay thế sức lao động của con người. Lĩnh vực an ninh có các robot giám sát an ninh tại các địa điểm quan trọng hoặc trong các môi trường phức tạp. Trong lĩnh vực quốc phòng robot được sử dụng ngày càng rộng rãi như các máy ba