Xây dựng thuật toán điều khiển hệ teleoperation (single master single slave)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ

TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên – Năm 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ

TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 8.52.02.16

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Đặng Ngọc Trung

Thái nguyên - Năm 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Giáp Thị Nghi, tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán

điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” là do chính tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Đặng Ngọc Trung và các tài liệu tham khảo

đã trích dẫn. Nội dung trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực

và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Giáp Thị Nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin được chân thành cảm

ơn đến Thầy TS. Đặng Ngọc Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng

luận văn đến quá trình viết và hoàn thiện luận văn.

Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy

giáo trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận

văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các

đồng nghiệp trong Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp

Bắc Giang đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều

kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này.

Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực

bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót.

Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn

này được hoàn thiện hơn.

Tác giả luận văn

Giáp Thị Nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................9

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12

1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................12

2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................13

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.........................................................................13

4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................13

5. Kết quả ..................................................................................................................14

6. Bố cục của luận văn .............................................................................................14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA..................................16

1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation.............................................................16

1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation ..........................................................................16

1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation.................................17

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation...................................20

1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation.......................................................21

1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in

Teleoperation Systems).............................................................................................23

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation ..........23

1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation)................................................25

1.4.1. Thám hiểm không gian....................................................................................25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại.................................................................26

1.4.3 Phương tiện dưới nước.....................................................................................26

1.4.4 Kính thiên văn ..................................................................................................27

1.4.5 Robot di động..................................................................................................27

1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thông ...................................................28

1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất

hướng giải quyết trong luận văn ...............................................................................29

1.6. Kết luận Chương 1 .............................................................................................30

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN

HỆ ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS........................31

2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov...............................................................................31

2.1.1 Định nghĩa cơ bản ............................................................................................31

2.1.2 Tính ổn định Lyaponov....................................................................................32

2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu ................................................................................36

2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định ..........................................................................39

2.4. Lý thuyết về thuật toán điều khiển phản hồi thụ động.......................................40

2.4.1. Khái niệm hệ phi tuyến thụ động ....................................................................40

2.4.2. Những tính chất cơ bản của hệ thụ động.........................................................42

2.5. Động lực học Robot ...........................................................................................43

2.5.1 Phương trình động lực học robot .....................................................................43

2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS...........................................................................50

2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave ...............................................52

2.5.4 Động lực học môi trường .................................................................................56

2.5.5 Độ trễ trên kênh truyền thông ..........................................................................59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS ...................................................61

2.6.1 Mục tiêu điều khiển..........................................................................................61

2.6.2 Thiết kế điều khiển...........................................................................................62

2.7. Kết luận Chương 2 .............................................................................................68

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

TELEOPERATION SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG

THAY ĐỔI...............................................................................................................69

3.1 Phân tích tính ổn định của hệ Teleoperation SMSS............................................69

3.2 Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ...........................................................74

3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS .............75

3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS .......................................................89

3.3. Kết luận Chương 3 .............................................................................................96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................97

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................98

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

T thời gian trễ trên kênh truyền thông

xt()

trạng thái quỹ đạo tự do

Mi

ma trận quán tính xác định dương

Ci

ma trận criolit và lực hướng tâm

i

J

ma trận Jacobi

i

q

góc quay khớp i

mi

khối lượng khâu i

i

l

chiều dài khâu i

i

mômen quán tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i

i

r

khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i

Fi

ngoại lực đặt tại khớp i

Bi

độ giảm chấn tại khớp i

i

τ

mômen đầu vào các Robot

Fop

lực tác động lên Master do người thao tác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Fe

phản lực từ môi trường lên Slave

Gi

véc tơ lực trọng trường

op τ

mômen lực tác động lên Master do người thao tác

e

τ

mômen phản lực từ môi trường lên Slave

i

q&

véc tơ vận tốc góc khớp i

i

q&&

véc tơ gia tốc góc khớp i

Ni τ

các thành phần nhiễu tác động lên các khớp

ˆ

Ni τ

các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp

i

sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot

e

sai lệch quỹ đạo

Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt

M-M Mô hình Robot chủ

S-M Mô hình Robot tớ

BĐK Bộ điều khiển

DPOS Xử lý nhiễu Robot tớ

DPOM Xử lý nhiễu Robot chủ

SDE Ước lượng nhiễu Robot tớ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

MDE Ước lượng nhiễu Robot chủ

Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh

SMSS Single Master Single Slave

SMMS Single Master Multiple Slaves

MSMM Multiple Masters Multiple Slaves

ISS Input-to-state stability