Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS)

1 MỞ ĐẦU 1. 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 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.

MỞ ĐẦU

1 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

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

2 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

3 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

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

4 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

2 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

3 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

4 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

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

Chương 2 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 2.1 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 2.2 Cuối cùng bằng việc đề xuất Định lý 2.3 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

Chương 3 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

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Equation Chapter (Next) Section 1

1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation

1.1.1 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 Hệ Teleoperation thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật Hệ thống điều khiển này cho phép con người sử dụng khả năng tư duy, sự hiểu biết và hoạt động chân tay của mình tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho con người có những cảm giác thật trong sự tương tác giữa con người với Robot chủ và giữa Robot tớ với môi trường cho dù ở khoảng cách xa [64], [75]

Trong những thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90], điều hành Robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phương tiện không người lái dưới nước, xử lý những vật liệu nguy hiểm, độc hại trong các nhà máy hạt nhân, trong tác chiến quân sự, thao diễn những Robot di động tránh chướng ngại vật, cứu

hộ con người, ứng dụng trong các lĩnh vực khai thác và sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ nào đó hệ Teleoperation cũng có thể ứng dụng trong “phẫu thuật từ xa”, khi đó Robot chủ chính là dao điện hoặc thiết bị hỗ trợ phẫu thuật dạng cánh tay máy có độ chính xác hoàn chỉnh và yêu cầu cao về mặt kỹ thuật như: trễ, đường truyền, tín hiệu

Hệ Teleoperation được điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với các cấu trúc song song Trong hệ kín, những tín hiệu phản hồi có thể là về vị trí, vận tốc, gia tốc của Robot, lực tương tác với môi trường làm việc và thậm chí là hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… tại khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75] Để trao đổi thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ còn có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây…) [75], [80]

Trên Hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation

Hình1.1 Mô hình hệ thống Teleoperation

Trong hệ Teleoperation này, quá trình truyền dữ liệu giữa Robot chủ và Robot tớ có hiện tượng trễ trên kênh truyền thông Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai khác việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation [22], [79], [85] Vì thế khi thiết

kế hệ thống phải chú ý tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thông gây ra Ngoài ra phản lực phản hồi (FR - Force Reflection ) xuất hiện khi Robot tớ tương tác với môi trường làm việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Robot tớ thông qua cảm biến lực hoặc các bộ quan sát và từ đó có phương án bù trừ trực tiếp ảnh hưởng của FR tới sự sai lệch về vị trí và tính ổn định làm việc của Robot tớ thông qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và thông qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai

số sau đó gửi tín hiệu điều khiển sang Robot tớ Nếu không thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy hiểm khi thực hiện các tác vụ Do đó thông tin phản hồi của lực

là rất quan trọng và hữu ích Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation và thông qua hệ

Trễ T

Trễ T

Slave và Bộ điều khiển Slave

Môi trường làm việc

Teleoperation có thể cho ta cảm nhận được chính xác về lực tại Robot chủ khi xảy

ra tương tác giữa Robot tớ với môi trường

Căn cứ theo số lượng Robot trong mỗi phía của hệ thống Teleoperation thì hiện nay hệ Teleoperation được chia ra làm ba loại chính đó là: hệ SMSS (một thiết

bị Master + một thiết bị Slave), hệ MMMS (nhiều thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave) và hệ SMMS (một thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave)

Như vậy hệ Teleoperation đã và đang được ứng dụng trong thực tế Hệ Teleoperation là hệ phi tuyến có trễ và chịu ảnh hưởng của nhiễu và ngoại lực bên ngoài tác động Trong luận án này chỉ tập trung nghiên cứu đến hệ Teleoperation SMSS

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation

Từ nửa đầu thập niên 40, khi lần dầu tiên hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz, những hiểu biết về hệ Teleoperation đã có những bước tiến dài từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại giữa người vận hành, môi trường làm việc

và các Robot cho tới việc đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan Đến năm

1954 với sự cải tiến trong điều khiển thì Goertz đã bắt đầu có quan tâm đến vị trí và lực phản hồi tương tác giữa Robot tớ với môi trường làm việc nhờ hệ servo Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và Sheridan bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh hưởng của trễ trong việc truyền thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ, với những định hướng đó trong những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 đã tạo ra một xu thế được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm nhằm làm giảm sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề trễ gây ra [74] Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, tiêu biểu như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô hình nội Đến cuối thập niên 1980

và nửa đầu thập niên 1990, một số thuật toán như: điều khiển trở kháng bởi Raju, Verghese và Sheridan năm 1989; điều khiển lai bởi Hanna Ford và Fiorini năm 1988; điều khiển Cattering và điều khiển thụ động bởi Anderson và Spong năm

1989, thuật toán thụ động được phát triển tiếp và đảm bảo tính chính xác về thông tin trên kênh truyền thông hơn với trễ thời gian là hằng số thực hiện bởi Jokokohji

và Yoshikawa năm 1994 [31], [74], [75] Và sau này đã được mở rộng thành các cấu trúc điều khiển bền vững khác nhau cho hệ Teleoperation [23], [43] đảm bảo được tính ổn định của hệ thống bất chấp sự thay đổi về động lực học của hệ Trong một số bài báo, sự có mặt của tính bất định động lực học tay người vận hành, môi trường và sự tồn tại thời gian trễ có thể làm cho hệ Teleoperation mất ổn định [30], [47], [73], [74], [80] kết quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất lượng và tính ổn định của hệ thống [21] Một số kết quả điều khiển H∞ cũng bắt đầu đề xuất bởi Leung và Francis năm 1994; Sano, Fujimoto và Tanaka năm 1998 [74] Với sự phát triển về internet trên cùng một kênh truyền thông có thể truyền đạt nhiều nội dung thông tin cùng một lúc vì thế thời gian trễ đã có sự thay đổi và không còn là hằng

số, thời gian trích mẫu rời rạc thông tin trên kênh truyền thông khác nhau sẽ dẫn tới

sự mất mát thông tin trong quá trình truyền đạt Các kết quả trên được hoàn thiện và dần đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ những năm 2000 [74] Hầu hết các nghiên cứu trên vẫn chưa cho được kết quả thỏa đáng chính xác về vị trí và lực tương tác giữa Robot chủ và Robot tớ khi có trễ và đặc biệt cũng chưa kể đến ảnh hưởng của các nhiễu tác động lên hệ thống, đó là các yếu tố làm mất ổn định hệ thống và làm giảm chất lượng điều khiển Một số tác giả đã tiếp cận các hướng giải quyết cho sự thay đổi về động lực học của Robot tớ với môi trường khi thực hiện tác vụ bằng các giải pháp tối ưu hay thích nghi trên cơ sở yêu cầu về sự ước lượng động lực học của môi trường từ xa, tuy nhiên trong nhiều ứng dụng của hệ Teleoperation thường tương tác với một hay nhiều điểm và lặp lại với các mức độ khác nhau, bởi vậy động lực học của Robot tớ và môi trường thay đổi nhanh, các công cụ ước lượng không đảm bảo được về mặt thời gian [15], vì vậy các kỹ thuật

về xây dựng bộ ước lượng đáp ứng nhanh được phát triển để đáp ứng được các yêu cầu trên Sau này các nghiên cứu dần hoàn thiện trên cơ sở các thuật toán trước đây trong điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào bài toán điều khiển bền vững, tuy nhiên cũng chỉ quan tâm đến bài toán ổn định trong hệ Teleoperation

mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng của hệ thống như:

Điều khiển dự báo cho hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 250ms), sử dụng nhiều mô hình quan sát tham số động lực học đối tượng và môi trường khác nhau, tuy nhiên sự đồng nhất về vị trí và lực giữa hai phía

trong hệ chưa thực sự đảm bảo khi thời gian trễ truyền thông tăng [80], bên cạnh đó

có sử dụng cảm biến để đo lực tương tác với môi trường, không có giải pháp xư lý triệt để ảnh hưởng của nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát

Thuật toán IQC (Integral Quadratic Constrains) đảm bảo tính bền vững cho

hệ thống với trễ thời gian là hằng số, chủ yếu xét đến bài toán ổn định hệ thống, không quan tâm đến bài toán chất lượng, không xét đến nhiễu và lực ma sát [35]

Thiết kế bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông thay đổi, ở đây bỏ qua nhiễu và ma sát, chỉ quan tâm đến điều khiển vị trí mà chưa quan tâm đến điều khiển lực [81]

Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững với trễ truyền thông là hằng số, chỉ xét đến sự ổn định về lực của hệ thống, không xét đến quỹ đạo chuyển động và đánh giá chất lượng điều khiển, không kể đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường

và lực ma sát [36]

Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, ở đây kết hợp điều khiển thụ động và điều khiển thích nghi cho hệ nhưng không xét đến các yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ khi phía Slave va chạm với môi trường không thật sự thỏa mãn [68]

Thuật toán điều khiển thụ động kết hợp với PD điều khiển hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 300ms), không xét đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát, chất lượng điều khiển chưa tốt kể cả về vị trí và lực [23]

Điều khiển bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ phản hồi trên kênh điều khiển là hằng số, không xét đến ảnh hưởng yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường

và lực ma sát, chỉ quan tâm đến bài toán điều khiển vị trí chưa quan tâm đến điều khiển lực [27]

Một phương pháp điều khiển bền vững cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông là hằng số, không kể đến nhiễu và ma sát tác động lên hệ, sử dụng cấu trúc điều khiển 4 kênh với thuật toán Scattering đã quan tâm đến chất lượng điều khiển

vị trí và lực Nếu thời gian trễ trên kênh truyền thông nhỏ hơn 1s thì chất lượng nhìn chung tốt [16]

Thuật toán dùng nhiều mô hình ước lượng cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông là hằng số (trễ = 500ms), mục đích dùng nhiều mô hình để ước lượng tính thụ động của hệ, sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQG để điều khiển vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [13]

Điều khiển thụ động theo miền thời gian cho hệ Teleoperation với kiến trúc điều khiển vị trí – vị trí với trễ truyền thông là hằng số , ở đây không quan tâm đến bài toán điều khiển lực, với trễ nhỏ hơn 500ms đảm bảo được sự đồng nhất vị trí giữa Robot chủ và Robot tớ, không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [38]

Điều khiển thụ động với kiến trúc 4 kênh cho hệ Teleoperation với trễ hằng

số (trễ = 1s) đã quan tâm đến bài toán chất lượng và bài toán ổn định, điều khiển cả

vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [39]

Đồng bộ hóa vị trí trong hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông thay đổi trong khoảng 0,1s, kết hợp giữa bộ điều khiển thụ động và bộ điều khiển

PD, trong đó tín hiệu truyền qua kênh truyền thông được mã hóa làm giảm sự mất mát thông tin, không kể đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát, áp dụng cho

hệ Robot một bậc tự do, mới chỉ quan tâm điều khiển vị trí, chưa tập trung điều khiển lực [88]

Tác giả Nuno cùng các cộng sự [26] đã giới thiệu hàm tựa Lyapunov và khảo sát tính ổn định của hệ thao tác từ xa, có chú ý đến tính phi tuyến và trễ, trong

đó không sử dụng phương pháp đo lực Phương pháp khảo sát hệ thao tác từ xa trên

cơ sở sử dụng các hệ điều khiển thích nghi cục bộ cho Robot chủ và Robot tớ, nhằm hạn chế ảnh hưởng tính phi tuyến của hệ thống được đề xuất trong [60] Tuy nhiên các hệ thao tác từ xa theo phương pháp đó vẫn chưa có tính kháng nhiễu tốt

Ứng dụng bộ điều khiển trượt - PID điều khiển lực/ vị trí cho hệ Teleoperation trong thời gian giới hạn, trường hợp này xem như không kể đến trễ truyền thông và không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường

và lực ma sát tại các khớp của Robot, đồng thời có sử dụng cảm biến đo lực tại điểm cuối của Robot [53]

Điều khiển hệ Teleoperation sử dụng bộ quan sát trạng thái và lực từ đó ước lượng thông số bộ điều khiển, ở đây cũng không xét đến trễ, chất lượng điều khiển

vị trí còn sai lệch đáng kể, không quan tâm các yếu tố ảnh hưởng lên hệ [40]

Điều khiển bám về vị trí và lực đảm bảo tính bền vững sử dụng phương pháp điều khiển thụ động với việc sử dụng bộ tham số Scattering với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 200s), không kể đến ảnh hưởng của nhiễu và ma sát [69]

Điều khiển lực bằng thuật toán thích nghi với động lực học môi trường bất định, ở đây sử dụng thuật toán ước lượng tính cứng của bề mặt môi trường độc lập với ước lượng động lực học của Robot, không xét đến nhiễu và trễ, phần nào đáp ứng được vấn đề điều khiển lực và quỹ đạo tiệm cận mong muốn [58]

Trong thời gian vài thập niên vừa qua có nhiều thuật toán điều khiển đã được đề xuất nhằm vượt qua những những thách thức và trở ngại về đặc thù riêng của hệ Teleoperation đã được nêu trên Trong [44], thời gian trễ được xấp xỉ hóa nhờ phương pháp Pade Tuy nhiên sai số xấp xỉ trong trường hợp này sẽ tăng nhiều

ở tần số cao [60] Trong một số công trình [30], [37], [71] thời gian trễ trên kênh truyền thông được xem xét như là nhiễu Cách giải quyết và xử lý nhiễu như vậy là không mang lại hiệu quả như mong đợi, bởi nó không phản ánh đúng hiệu ứng trễ thực tế trên kênh truyền thông Xử lý trễ trong các hệ Teleoperation còn được thực hiện theo phương pháp sử dụng bộ dự báo Smith [8] Tuy vậy để có thể áp dụng được bộ dự báo Smith, các tác giả đã buộc phải sử dụng mô hình tuyến tính thay cho mô hình động học bất định của Robot chủ và Robot tớ Điều đó không đáp ứng được yêu cầu đối với bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa Tác giả A Jafari và các cộng sự [9] đã đề xuất bộ điều khiển cho hệ Teleoperation, trong đó các thông số được xác định sao cho hệ được ổn định với điều kiện trễ truyền thông có giá trị không đổi và xác định Tuy nhiên luật điều khiển ở đây được xây dựng theo biến đầu vào “mới” đối với Robot chủ và Robot tớ, trong đó biến này là tổng vị trí góc

và tốc độ góc theo các trọng số khác nhau Tuy nhiên đối với các hệ Teleoperation đòi hỏi bám sát được theo cả góc và vận tốc góc

Để hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt của tính phi tuyến bất định, trong [14], [17] đề xuất bộ điều khiển thích nghi Tuy vậy các công trình này hầu như không bàn đến trễ kênh truyền thông [17] hoặc có xét đến trễ (T300ms) nhưng chất lượng điều khiển quỹ đạo còn hạn chế [14] Trong [63] đã giới thiệu bộ điều khiển được tổng hợp dựa trên LMI áp dụng cho hệ thao tác từ xa Mặc dầu bộ điều khiển này có thể làm cho hệ ổn định khi tồn tại thời gian trễ và bất định, song mô hình động học của hệ được sử dụng trong quá trình thiết kế bộ điều khiển là mô hình tuyến tính Vì vậy khi áp dụng vào thực tế cho các Teleoperation, bộ điều khiển nói trên sẽ không phát huy được hiệu quả tốt, bởi các hệ Teleoperation là các hệ phi tuyến mạnh Tương tự như vậy, trong [60] luật điều khiển thích nghi được tổng hợp trên cơ sở tuyến tính hóa mô hình động học của Robot chủ và Robot tớ, vì vậy nó không thể đáp ứng được các yêu cầu đặt ra cho hệ thao tác từ xa với các đối tượng phi tuyến bất định

Một trong số các công trình mới xuất hiện trong thời gian gần đây, liên quan đến sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và mạng nơ ron cho các hệ Teleoperation là công trình của Zhijun Li và cộng sự [94] Luật điều khiển thích nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên của thời gian trễ trên kênh truyền thông, trong đó thời gian trễ theo hai chiều có giá trị khác nhau Tuy nhiên hạn chế

ở đây là luật điều khiển vẫn được xây dựng dựa trên mô hình tuyến tính hóa của Robot chủ và Robot tớ Trong [45] một bộ điều khiển cho hệ Teleoperation được đề xuất, trong đó sử dụng luật điều khiển PD và bộ quan sát tốc độ cho trường hợp thời gian trễ thay đổi Nhược điểm của bộ điều khiển đề xuất ở đây là chưa tính đến nhiễu tác động từ bên ngoài, mà các nhiễu này thường là không đo được và có tính bất định Để tạo ra khả năng kháng nhiễu, đặc biệt là các nhiễu bất định, không đo được vấn đề cốt yếu đặt ra là phải nhận dạng, đánh giá được nhiễu Một bộ quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa đã được đề xuất trong [94] Tuy nhiên bộ quan sát này chỉ áp dụng được cho trường hợp Robot chỉ có một bậc tự do (DOF), trong đó mô hình động học đã được tuyến tính hóa

Tác giả A Mohammadi cùng các cộng sự của mình đã đề xuất bộ điều khiển dựa trên quan sát nhiễu cho hệ Teleoperation [59] Theo đó, kết quả quan sát nhiễu tác động lên hệ được sử dụng để bù trừ tín hiệu điều khiển Tuy nhiên bộ quan sát nhiễu được đề xuất ở đây chỉ áp dụng được cho trường hợp nhiễu biến đổi chậm

Nhóm tác giả T Nozaki, T Mizoguchi và K Ohnishi mới đây (2014) đã đề xuất chiến lược điều khiển tách hai kênh vị trí và lực dựa trên bộ nhận dạng nhiễu [84] Bộ điều khiển theo chiến lược đề xuất ở đây chỉ cho phép giảm thiểu ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kênh Tuy nhiên nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài tác động lên hệ thống chưa được nhận dạng và không được bù trừ

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation

Cho đến nay, nhìn chung các nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation nói chung và hệ Teleoperation SMSS nói riêng còn rất hạn chế, trong đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho hệ hầu hết đều không xét đến các yếu tố ảnh hưởng của môi trường, ma sát, gia tốc trọng trường…tác động lên hệ [3], [5], [6]

Từ những phân tích trên đây ta có thể thấy rằng việc xây dựng các bộ điều khiển đảm bảo chất lượng cao cho hệ Teleoperation SMSS kể cả trong và ngoài nước cho đến nay vẫn còn nhiều vấn đề chưa thực sự được giải quyết thỏa đáng, đang thực sự là vấn đề cấp thiết thu hút được sự quan tâm của giới khoa học

1.1.4 Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation

Trong [20], [21] đã đề xuất cấu trúc điều khiển nhiều kênh cho hệ Teleoperation, nhằm tổ hợp được nhiều tín hiệu truyền dẫn qua kênh truyền thông cùng một lúc trong thuật toán điều khiển như tín hiệu về vị trí, vận tốc, lực tương tác… Cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, số lượng kênh truyền thông cũng ngày một được cải tiến nâng lên có thể là hai kênh, ba kênh, hoặc bốn kênh [46], [47], [77] Số lượng kênh truyền thông phụ thuộc vào số lượng và loại tín hiệu cần truyền đạt qua lại từ hai phía Robot chủ và Robot tớ mà mỗi bài toán điều khiển hệ Teleoperation yêu cầu đặt ra tương ứng, nhưng nhìn chung tối thiểu là hai kênh

 Cấu trúc điều khiển hai kênh (Two-Channel Architecture): Trong cấu trúc

này loại tín hiệu được gửi từ Robot chủ tới Robot tớ và ngược lại thường là lực hoặc vị trí Có một số giải pháp cho cấu trúc hai kênh điều khiển như sau:

- Cấu trúc điều khiển vị trí – vị trí (Position-Position Control Architecture): Trong cấu trúc này tín hiệu từ hai phía Robot chủ và Robot tớ gửi đến nhau

là tín hiệu vị trí, cấu trúc này lần đầu tiên được Goertz sử dụng vào những năm của thập niên 1950 [48], sau đó dần dần được cải tiến và phát triển bởi Niemeyer và Slotine [31], Hashtrudi Zaad và Salcudean [49], Salcudean [78], Anderson và Spong [75], Lawrence [21], Dongjun Lee [22], Jordi Artigas [38], Toru Namerikawa [85]

- Cấu trúc điều khiển lực – vị trí (Force-Position Control Architecture): Trương hợp này thì chỉ duy nhất lực tương tác giữa Robot tớ với môi trường được truyền về Robot chủ và phía Robot tớ nhận tín hiệu vị trí từ Robot chủ gửi đến [20], [30], [49] Mặc dù cấu trúc này có thể cho chất lượng tốt hơn so với cấu trúc điều khiển vị trí – vị trí, tuy nhiên chỉ đảm bảo được tính ổn định của hệ thống với thời gian trễ nhỏ khoảng 50ms trên kênh truyền thông [20]

- Cấu trúc điều khiển lực – lực (Force-Force Control Architecture):

Cấu trúc này lần đầu tiên được đề xuất bởi Kazerooni, Tsay và Hollerbach [33] Ở đây, chỉ duy nhất tín hiệu về lực được gửi qua lại giữa hai phía Robot chủ và Robot tớ Sự hạn chế của phương pháp này là thiếu sự phối hợp về tín hiệu vị trí giữa hai phía, do vậy chất lượng về quỹ đạo điều khiển không cao

Hình1.2 Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [38]

Hình1.3 Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [85]

- Lawrence [21] cho rằng điều khiển vị trí trên Robot chủ sẽ gây ra tính ì trên

hệ thống, kéo theo phản ứng chậm phía Robot tớ trong cả không gian chuyển động tự do và môi trường cứng Bởi vậy cấu trúc điều khiển vị trí – vị trí không thể đảm bảo được chất lượng điều khiển quỹ đạo chính xác và kịp thời trong hệ thống Teleoperation

- Yokokohji và Yoshikava [93] nhận thấy rằng để đạt được tính chính xác và kịp thời đó thì trong các mạch vòng phản hồi cần phải tồn tại sự phản hồi cả

về gia tốc và lực cho cả phía Robot chủ và phía Robot tớ Vì thế sự kết hợp các kênh điều khiển với nhiều loại tín hiệu phản hồi về ở cả hai phía của hệ Teleoperation sẽ đảm bảo được chất lượng hệ thống tốt hơn [21], [39], [65]

Hình1.4 Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh trong tài liệu [65]

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

Theo [21] một hệ Teleoperation được gọi là chất lượng cao nếu đảm bảo được tính chính xác và đồng nhất về các yếu tố: đồng biên, đồng dạng cho tất cả các loại tín hiệu như: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực… gửi từ Robot chủ đến Robot tớ và ngược lại Khi mà hệ Teleoperation thỏa mãn được tất cả các yếu tố trên thì sẽ đảm

bảo được bài toán điều khiển vị trí chính xác cũng như giúp người thao tác phía Robot chủ có được những cảm nhận thật về giác quan giống như đang thao tác trực tiếp trên Robot tớ với môi trường kể cả về quỹ đạo, vận tốc cũng như lực tương tác [93] Do vậy ngoài việc nghiên cứu đến bài toán ổn định cho hệ Teleoperation thì cần tập trung nâng cao chất lượng cho hệ để đảm bảo được các yếu tố về kỹ thuật đã nêu trên

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

Bên cạnh các yếu tố về trễ trong thuật toán điều khiển, trễ trong mạch phần cứng thì trễ trên kênh truyền thông là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của hệ và chất lượng của hệ thống [42], [51], [71], [89] Trong một số nghiên cứu trễ truyền thông được xem như là nhiễu tác động lên hệ thống [71], [73], tuy nhiên điều đó không đúng với thực tế, không phản ánh đúng bản chất vật lý của thời gian trễ đến tính ổn định và chất lượng hệ thống Trễ trên kênh truyền thông nếu là hằng số và mỗi kênh đảm nhiệm việc truyền một tín hiệu điều khiển thì không làm thay đổi về dạng của tín hiệu, nhưng lại làm cho đáp ứng

từ phía Robot chủ tới Robot tớ không còn kịp thời và ảnh hưởng đến bài toán điều khiển quỹ đạo, khiến cho quỹ đạo giữa Robot chủ và Robot tớ không còn đồng nhất Nếu trường hợp thời gian trễ trên kênh truyền thông thay đổi hoặc chỉ có một kênh truyền thông duy nhất dùng chung cho nhiều tín hiệu điều khiển cùng lúc thì khi đó bài toán giải quyết về trễ trên kênh truyền thông không đơn giản chút nào Chỉ với khoảng thời gian 50ms có thể làm cho hệ thống mất ổn định và mất khả năng cảm giác thực với môi trường [15] Gần đây, với công nghệ internet được ứng dụng làm tăng tốc độ trên kênh truyền thông, tuy nhiên lại có hạn chế là gây ra các vấn đề làm cho thời gian trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đồng thời thời gian rời rạc tín hiệu trên kênh truyền thông sẽ khiến cho sự mất mát về thông tin truyền đạt từ hai phía trong hệ Teleoperation [61], [62], [66] Một trong những tác giả đầu tiên quan tâm đến trễ trên kênh truyền thông là Ferrel in 1964 [89] đã đề xuất chiến lược điều khiển “move and wait”, sau đó một số nghiên cứu lớn hơn đã được đưa ra cho vấn

đề trễ trong hệ này như [10], [21], [31], [75], [92], [93] Tuy nhiên tất cả các thuật toán đề xuất trên mới chỉ phù hợp với thời gian trễ truyền thông rất ngắn [48] Vì

vậy sẽ không phù hợp cho các hệ Teleoperation có khoảng cách xa Để giải quyết vấn đề về trễ có rất nhiều nghiên cứu quan tâm đến với các thuật toán bao gồm: sử dụng biến Scattering, biến sóng sin, sử dụng bộ quan sát, điều khiển trượt, điều khiển thụ động phối hợp tham số Scattering, điều khiển bền vững và tối ưu… [42], [30], [31], [32], [50], [51], [54], [61], [67], [75], [76] Lý thuyết biến Scattering được sử dụng trong [61], [67], [76]là phương pháp điều khiển thụ động và đây là phương pháp đầu tiên được đề xuất cho trễ truyền thông là hằng số, sau này mở rộng với trễ thay đổi Thuyết biến sóng sin trong [32] được phát triển như một cải tiến của thuyết Scattering, trong khi biến Scattering mang tính chất điện ngẫu nhiên thì biến hình sin được định nghĩa từ các biến vật lý Trong thuyết sóng sin thì cơ cấu giảm chấn được kể đến như một sự bù trừ cho tính thụ động trong hệ Theo các quan điểm khác thì xem trễ trên kênh truyền thông như một loại nhiễu, và tập trung

đi thiết kế các bộ quan sát nhiễu và tìm cách bù trừ tín hiệu điều khiển để triệt tiêu

sự ảnh hưởng của thành phần nhiễu đó [50], [51] Mặc dù các phương pháp đó đảm bảo được tính ổn đinh của hệ thống, nhưng vấn đề chất lượng vẫn chưa được quan tâm nhiều Trong các nghiên cứu [42], [54] sử dụng thuật toán sliding mode, tuy nhiên xây dựng thuật toán điều khiển với giả thiết động lực học của Robot trong hệ

là tuyến tính, không bàn đến ảnh hưởng của hiệu ứng “chattering” và xem trễ trên kênh truyền thông như một yếu tố bất định tồn tại trong hệ thống Với việc sử dụng

bộ điều khiển trượt thì tính bền vững của hệ thống có khả năng kháng lại tính bất định của hệ thống, tuy nhiên trễ xử lý theo cách này không thỏa đáng Ngoài ra một

số nghiên cứu [29], [30] đi tìm những thuật toán tối ưu để đảm bảo cho cả hai chỉ tiêu ổn định hệ thống và chất lượng hệ thống mà nguyên nhân chính làm cho tính ổn định và chất lượng giảm là do trễ truyền thông gây ra

Từ thập niên 90 đến nay thì các yếu tố nhiễu nội cũng như các ngoại lực tác động lên hệ Teleoperation cũng bắt đầu được quan tâm như trong [7], [15], [17], [29] Trong điều khiển Robot nói chung và trong hệ Teleoperation nói riêng tất cả các ảnh hưởng của nhiễu nội và ngoại lực bên ngoài tác động lên Robot cuối cùng đều gây lên những ảnh hưởng về mô men tại các khớp của Robot [15], [58] Các thành phần nhiễu nội và ngoại lực tác động lên hệ được sinh ra bởi sự tương tác giữa con người với Robot chủ, giữa Robot tớ với môi trường và các thành phần gia

tốc trọng trường và lực ma sát nội tại trong các khớp của Robot Vì vậy việc xây dựng các bộ quan sát để ước lượng được các thành phần nhiễu và ngoại lực đó là vấn đề đã và đang được quan tâm như trong [9], [11], [40], [43], [45], [54], từ đó bù trừ sự ảnh hưởng của chúng lên Robot là vấn đề quan trọng cần xem xét trong việc thiết kế hệ điều khiển cho Robot nói riêng và hệ Teleoperation nói chung Các nhiễu tồn tại trong Robot bao gồm:

- Mô men sinh ra do tính ỳ của Roto động cơ tại các khớp của Robot

- Mô men sinh ra bởi lực ma sát tồn tại trong các bộ phận truyền động

- Mô men sinh ra do ngoại lực tác động từ bên ngoài khi va chạm với môi trường tại điểm cuối của khâu chấp hành trên Robot

- Mô men sinh ra bởi gia tốc trọng trường tác động lên các khớp của Robot khi mang tải theo các phương khác nhau…

- Tính cứng/đàn hồi của vật liệu cấu thành cánh tay Robot

- Ảnh hưởng sai số của các cảm biến đo dòng, áp, gia tốc, vận tốc…

Hầu hết các thành phần nhiễu này đều không đo được vì thế cần phải xây dựng phương pháp để đánh giá thành các phần nhiễu trên

1.4 Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất hướng giải quyết trong luận án

Trước khi đề xuất hướng giải quyết mới điều khiển cho hệ Teleoperation, chúng ta cần phải thấy rõ tính đặc thù cũng như những khó khăn không nhỏ ở đây,

từ đó phân tích đề xuất giải pháp xây dựng cấu trúc hệ thống

- Ngoài nhiễu nội do các loại ma sát tại các khớp của các Robot thì tác động của môi trường lên Robot tớ cũng là yếu tố không đo được Thêm vào đó, tác động của môi trường thay đổi theo quy luật không biết trước trong dải rộng Rõ ràng muốn đảm bảo chất lượng điều khiển đòi hỏi phải ước lượng được các tác động này và thuật toán điều khiển phải xử lý được các tác động này một cách hiệu quả Như vậy, nhất thiết phải xây dựng bộ điều khiển thích nghi kháng nhiễu mới có thể giảm thiểu ảnh hưởng của sự tương tác của môi trường và nhiễu nội lên chất

lượng hệ thống Bên cạnh đó cũng cần quan tâm đến giải pháp đảm bảo cho người thao tác có được cảm nhận thực của về tác động của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ, để từ đó người thao tác đưa ra quyết định vận hành chính xác hơn

- Robot chủ và Robot tớ đều là các đối tượng phi tuyến bất định, cần điều khiển đồng thời Robot chủ và Robot tớ, trong đó Robot tớ phải bám theo quỹ đạo (véc tơ vị trí) của Robot chủ; ngược lại Robot chủ cũng vừa phải bám theo quỹ đạo của Robot tớ, lại vừa phải tạo ra quỹ đạo theo chủ ý của người thao tác Điều này làm cho bài toán điều khiển trở lên phức tạp thêm rất nhiều Để giải quyết vấn đề điều khiển cho đối tượng phi tuyến bất định với những yêu cầu đặc thù như vậy, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bền vững trên cơ sở sử dụng chế độ trượt (hay còn goi là Mode trượt), bởi chế độ trượt cho phép chế ngự được tính phi tuyến bất định một cách hiệu quả [19], [87] Vấn đề đặt ra là xây dựng thuật toán điều khiển, đảm bảo sự tồn tại chế độ trượt trong hệ thống có những yêu cầu đặc thù nêu trên

- Trong hệ thống tồn tại hiệu ứng trễ với thời gian trễ T, do kênh truyền thông gây nên Điều này càng làm cho bài toán điều khiển phức tạp thêm bên cạnh những

sự phức tạp đã nêu ở các phần trên

Qua phân tích tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ thao tác từ xa

Để đạt được các mục tiêu như trên luận án cần giải quyết 3 bài toán sau:

 Bài toán 1: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot tớ trong hệ thao tác từ xa

Điều khiển Robot tớ bám theo quỹ đạo Robot chủ trong điều kiện có nhiễu tác động từ môi trường bên ngoài; các thành phần nhiễu nội bên trong như: ma sát… và các thành phần không mô hình hóa được của Robot tớ Ngoài ra yêu cầu đánh giá được các các thành phần nhiễu tác động lên Robot tớ để truyền về cho Robot chủ và thông qua Robot chủ người thao tác có được cảm nhận thực về các tác động đó lên Robot tớ

Theo [94] động học của Robot tớ được mô tả bằng phương trình:

Trong đó: “s” là các chỉ số của Robot tớ; qs  là véc tơ góc (vị trí) của nRobot tớ; τs  là mô men đầu vào của Robot tớ (tín hiệu từ bộ điều khiển của nRobot tớ); τe  là mô men do các lực tương tác của môi trường tác động lên nRobot tớ; Ms( )qs   là mô men quán tính Robot tớ (ma trận đối xứng xác định n nxdương); Cs( , )q qs s  là các véc tơ mô men Coriolis và hướng tâm; n nx n

Ns

τ   là các thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo được và khó mô hình hóa tác động lên Robot tớ

Nhận thấy rằng, trong thực tế trạng thái của Robot chủ và Robot tớ luôn bị chặn Vì vậy điều kiện đảm bảo cho Robot tớ hoạt động bám sát quỹ đạo của Robot chủ khi và chỉ khi:

 Bài toán 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển Robot chủ trong hệ thao tác từ xa

Điều khiển Robot chủ vừa phải bám ngược trở lại theo quỹ đạo Robot tớ, lại vừa phải tạo ra quỹ đạo theo chủ ý của người thao tác trong điều kiện có nhiễu nội tác động và các thành phần không mô hình hóa được của Robot chủ Bên cạnh

đó cấu trúc điều khiển cần phải đảm bảo chứa mạch vòng phản hồi thành phần τ *e

về phía Robot chủ để giúp người thao tác có được cảm nhận thực về các tác động của môi trường lên Robot tớ

Theo [94] và để cho người thao tác cảm nhận được chính xác tác động của môi trường τ lên Robot tớ động học của Robot chủ sẽ có dạng: *e

khiển độc lập phù hợp với chức năng riêng tương ứng của từng Robot đã đề cập trong Bài toán 1; Bài toán 2 Mặt khác phải đảm bảo cho toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định khi chịu hiệu ứng trễ của kênh truyền Vấn đề đặt ra là cần phải xác định điều kiện đủ để hệ thao tác từ xa ổn định thực tế

Nội dung của 3 bài toán trên có thể nhóm gọn lại như sau:

- Ước lượng các thành phần nhiễu nội và tác động của môi trường lên Robot chủ/Robot tớ;

- Tổng hợp bộ điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu sử dụng chế

độ trượt cho Robot tớ và tổng hợp bộ điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ;

- Tổng hợp hệ thống thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu với trễ trên kênh truyền thông là hằng số đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của hệ thao tác từ xa như: điều khiển quỹ đạo Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo Robot chủ và đem lại cho người thao tác có cảm nhận thật về sự tương tác giữa phía Robot tớ với môi trường cũng như giám sát được các tác vụ mà Robot tớ đã thực hiện được

1.5 Kết luận Chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) bao gồm cấu trúc, phân loại, các đặc điểm và yêu cầu về chất lượng điều khiển của một hệ thống Teleoperation Điểm lại một số kỹ thuật điều khiển hệ thống thao tác

từ xa đã được công bố trên tạp chí khoa học trên thế giới và trong nước Đã chỉ ra những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết thỏa đáng cũng như nêu lên những đặc thù và khó khăn khi tổng hợp điều khiển hệ thống Teleoperation đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển Từ đó đã nêu rõ tính bức thiết của luận án cần giải quyết, xác định rõ mục tiêu cần đạt được, đề xuất được thuật toán đảm bảo giải quyết được các mục tiêu của luận án

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC

TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) Equation Chapter 2 Section 1 Equation Section (Next)

Để thuận tiện cho việc theo dõi các nội dung tiếp theo trong quá trình xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thao tác từ xa sử dụng các công cụ của lý thuyết ổn định hiện đại Do vậy trong chương 2, trình bày tóm tắt một số nội dung lý thuyết

cơ bản có liên quan làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng thuật toán đã đề xuất ở chương 1

2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại

2.1.1 Khái niệm về ổn định tiệm cận đều và ổn định theo hàm mũ

 Tiêu chuẩn xét tính ổn định cho hệ phi tuyến dừng [4]

Đối với hệ phi tuyến tự trị, cân bằng tại gốc có mô hình không bị kích thích

- Ổn định tiệm cận, nếu nó ổn định và có lim   0

- Xác định dương, tức là V x  0, x 0 và V 0  0 (2.2)

- Đơn điệu tăng theo x và có lim  

n

Là véc tơ luôn vuông góc với đường đồng mức và chỉ chiều tăng giá trị của hàm Hình 2.2. sẽ có hướng chỉ từ bên trong ra bên ngoài

Hình 2.2 Véc tơ gradien của V(x)

Sau khi đã xây dựng được họ các đường cong bao gốc bằng đường đồng mức của hàm xác định dương V x thì để kiểm tra hệ có ổn định tại 0hay không ta chỉ cần kiểm tra xem nghiệm x t  của (2.1) đi từ điểm trạng thái đầu tùy ý x0   

có cắt các đường cong này theo hướng từ ngoài vào trong hay không (Hình 2.2.) Nếu x t  cắt mọi đường cong theo chiều từ ngoài vào trong thì hiển nhiên x t  sẽ tiến về 0và do đó hệ sẽ ổn định tiệm cận về 0 Trong trường hợp x t  không cắt bất cứ đường cong nào theo hướng từ trong ra ngoài (chỉ cắt từ ngoài vào trong hoặc tiếp xúc hoặc ở lại trên đó) thì x t  sẽ ở lại trong một lân cận bị chặn nào đó của gốc và hệ là ổn định Từ đây ta đi đến một điều kiện đủ cho việc kiểm tra tính

ổn định của hệ (2.1) mà không cần tìm nghiệm x t  của nó như sau :

Định lý 1 (Lyapunov) (Trích: Định lý 1.4 [4]): Xét hệ (2.1) Gọi V x là hàm thỏa mãn (2.2) và (2.3) Ký hiệu:

V xdV

- Nếu W x xác định dương trong một lân cận của gốc thì hệ là ổn định tiệm cận tại gốc tọa độ với miền ổn định  Nếu có thêm  =  nthì hệ là

ổn định tiệm cận toàn cục (GAS – global asymtotically stable)

- Khi W x  0 với   x (bán xác định dương) thì hệ là ổn định tại gốc tọa độ

 Tiêu chuẩn xét tính ổn định cho hệ không dừng

Quay lại bài toán xét tính ổn định hệ không dừng, cân bằng tại gốc và có

- Nếu W x t ,  với 0   x và  t t0 thì hệ sẽ ổn định tại t0

- Nếu W x t ,  x với x  ,   t t0 và  thì hệ sẽ ổn định tiệm cận tại t0 với miền ổn định và khi đó hàm V x t , sẽ được gọi là hàm Lyapunov

- Nếu hệ ổn định hoặc ổn định tiệm cận thì sẽ luôn có lim  , 0

t W x t

Tiêu chuẩn Lyapunov và định lý LaSalle chỉ là điều kiện đủ Điều này nói rằng nếu ta không tìm được một hàm Lyapunov cho hệ thì vẫn không thể khẳng định được rằng hệ không ổn định (không tìm được không có nghĩa là nó không tồn

tại) Chỉ tới khi ta chứng minh thực sự không tồn tại hàm Lyapunov thì mới có thể khẳng định được hệ không ổn định

Với tiêu chuẩn Lyapunov cho hệ tự trị, dừng (2.1) hay định lý LaSalle cho

hệ không tự trị, không dừng (2.4) ta có thể kiểm tra được tính ổn định tiệm cận tại

0của một hệ phi tuyến nói chung, tuy nhiên lại không biết được dạng tiến về 0 của trạng thái tự do x t  của nó, do đó cũng không thể kết luận được về chất lượng ổn định của nó, chẳng hạn vẫn không thể biết được nó ổn định nhanh hay chậm, có ổn định đều hay không hoặc trước khi tiến về 0 có khi nào rời xa quá gốc tọa độ hay không… Để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra một vài tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng ổn định của hệ như;

- Hệ (2.1) ổn định càng nhanh nếu có giá trị W x 0, x càng lớn, vì 0khi đó góc cắt giữa quỹ đạo trạng thái tự do x t  với đường đồng mức càng cao (nếu x t  càng cắt vuông góc với đường đồng mức, nó sẽ tiến

Mong muốn có những chuẩn đánh giá chất lượng ổn định của hệ phi tuyến một cách thống nhất và chính xác, người ta đã so sánh với tính ổn định của hệ tuyến tính, xác định xem quỹ đạo trạng thái tự do của hệ tuyến tính ổn định có những đặc điểm gì để từ đó đặt ra các khái niệm về chất lượng ổn định cho hệ phi tuyến nói chung

Xét hệ tuyến tính ổn định tiệm cận với mô hình không bị kích thích dx

- Ổn định theo hàm mũ (exponentialy stable) tại t0 nếu nó ổn định tiệm cận

2.1.2 Khái niệm về ổn định ISS

Tính ổn định tiệm cận Lyapunov cho thấy khi hệ cân bằng tại gốc:

hệ ổn định Lyapunov cũng sẽ có ổn định ISS hay không [4]

Định nghĩa 1 [4]: Xét hệ phi tuyến (2.7), trong đó u t  là véc tơ các tín hiệu đầu vào và x t  là véc tơ các biến trạng thái Hệ sẽ được gọi là ổn định ISS nếu khi bị kích thích bởi u t  bị chặn, quỹ đạo trạng thái cưỡng bức của x t u ,

của hệ, tức là nghiệm của:

t cũng sẽ bị chặn và tiến tiệm cận về một lân cận  của gốc tọa độ

Lân cận  là vùng giới nội của gốc tọa độ 0 mà ở đó các quỹ đạo trạng thái tự do của hệ x t u , luôn có hướng tiến về đó và sau khi đi vào  thì sẽ ở lại trong đó, không ra khỏi  nữa do vậy  còn được họi là miền hấp dẫn (attractor) như Hình 2.3

Hình 2.3 Minh họa miền hấp dẫn và khái niệm ổn định ISS

2.1.3 Lý thuyết chung về điều khiển trượt (Sliding mode control)

 Mặt trượt và điều kiện trượt cho hệ truyền ngược chặt dạng chuẩn:

Để đơn giản trước tiên xét hệ phi tuyến SISO bất định bị chặn, với u t là tín hiệu vào và y t  là tín hiệu ra theo phương trình sau:

1 1, , ,

(2.9) là thuộc nhóm hệ có động học phi tuyến biến đổi chậm (có sự thay đổi giá trị đạo hàm bậc cao nhỏ)

Có thể thấy ngay rằng nếu hệ (2.9) không phải là bất định, tức là nếu đã biết hàm f x , thì nó sẽ có bậc tương đối r   và do đó cũng sẽ được điều khiển ntuyến tính hóa chính xác và ổn định tiệm cận toàn cục bằng bộ điều khiển phản hồi trạng thái Tuy nhiên nhiệm vụ điều khiển được đặt ra ở đây là khi hàm f x bất  định, ngoại trừ điều kiện bị chặn (2.10), ta vẫn phải thiết kế được bộ điều khiển hoặc phản hồi trạng thái, hoặc phản hồi tín hiệu ra, sao cho hệ kín Hình 2.4. là ổn định tiệm cận toàn cục tại gốc Nói cách khác bộ điều khiển phải làm cho hệ kín luôn có quỹ đạo trạng thái tự do x bị chặn khi t và 0 x , tức là làm cho hệ 0

có tín hiệu sai lệch e t  y t t ,  bị chặn, khả vi n lần và (do 0    vì chỉ xét tính ổn định):

Khi đã có mặt trượt s e , nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển làm hệ ổn định  tiệm cận chỉ còn lại là phải tạo ra được s e  Chẳng hạn: 0

- Thiết kế mặt trượt s e , tức là thiết kế hàm trơn (2.12) có các nghiệm  

 

e t của phương trình vi phân s e  thỏa mãn điều kiện (2.11), hoặc 0thiết kế hàm tuyến tính (2.13) có đa thức đặc tính (2.14) là đa thức Hurwitz

- Thiết kế bộ điều khiển trượt u e từ điều kiện trượt (2.15)  

Hình 2.4 Nhiệm vụ của bài toán điều khiển trượt

 Thiết kế bộ điều khiển trượt làm hệ ổn định bền vững:

Sử dụng mặt trượt (2.13), khi đó từ điều kiện trượt thứ nhất trong (2.15) cũng như mô hình (2.9) của đối tượng và sự hiển nhiên e t  y t  (vì   ), ta có:

Suy ra (điều kiện trượt)

Mặt trượt s(e) khiển trượt Bộ điều u Đối tượng (2.9)

= 0

(-)

thỏa mãn điều kiện trượt (2.16) khi t Hằng số k càng lớn, khoảng thời gian T

T sẽ càng nhỏ (bài toán điều khiển bền vững)

Hình 2.5 Điều khiển trượt bằng phản hồi đầu ra

 Bàn về chất lượng ổn định của hệ trượt :

Chất lượng được bàn đầu tiên ở đây là tốc độ tiến về gốc tọa độ0của quỹ đạo trạng thái tự do x t ( )của hệ Theo sự diễn giải ở trên thì hệ trượt Hình 2.4. gồm đối tượng điều khiển (2.9) có thành phần bất định f (x)thỏa mãn (2.10) và bộ điều khiển phản hồi tín hiệu ra (2.17), được xây dựng từ điều kiện trượt (2.15) là ổn định tiệm cận toàn cục, trong đó bộ điều khiển có tác dụng đưa quỹ đạo trạng thái tự

dox t ( )về được mặt trượt tuyến tính s e ( )cho bởi (2.13), tức là tạo ra được s e ( )  0, sau đó với tính chất (2.11) của nghiệm e t ( )của phương trình vi phân tuyến tính tham số hằng s e ( ) 0  thì nó sẽ tự trượt trên mặt trượt về gốc tọa độ Như vậy tốc độ

s(e) s u Đối tượng (2.9)

tiến về gốc tọa độ0của quỹ đạo trạng thái tự do x t ( )của hệ sẽ được quyết định bởi

2 yếu tố:

- Yếu tố thứ nhất là tốc độ tiến về mặt trượt: tốc độ tiến về mặt trượt của quỹ đạo trạng thái tự dox t ( )của hệ được quyết định bởi hằng số k(k càng lớn thời gian về mặt trượt càng nhanh)

- Yếu tố thứ hai là tốc độ x t ( )trượt trên mặt trượt (2.13) về gốc tọa độ: tốc

độ trượt này phụ thuộc vào vị trí các nghiệm k, k  1, 2 , n  1của đa thức đặc tính (2.14) trong mặt phẳng phức Các nghiệm k, k  1, 2 , n  1 càng nằm xa trục ảo về phía trái thì tốc độ trượt sẽ càng nhanh Dạng trượt về gốc là tiệm cận theo hàm mũ

Chất lượng ổn định thứ hai cần bàn là hiện tượng chattering khi quỹ đạo trạng thái tự do x t ( )của hệ trượt trên mặt trượt về gốc tọa độ Để giữ lại đượcx t ( )trên mặt trượt, tức là để tạo ra được s e ( ) 0  , khâu Relay hai vị trí trong

Hình 2.5. phải liên tục chuyển đổi giá trị từ -1 sang 1 và ngược lại với tần số rất lớn Điều này gây ra chuỗi tiếng động Bang-Bang khó chịu một cách liên tục trong hệ, nên người ta gọi hiện tượng chattering này là hiện tượng Bang – Bang

Hình 2.6 Hiện tượng rung và nguyên nhân của hiện tượng rung (chattering)

Nhằm hạn chế hiện tượng Bang – Bang khó chịu này, trong thực tế người ta thường sử dụng khâu khuếch đại bão hòa thay cho khâu Relay hai vị trí có  là khoảng khuếch đại được chọn một cách thích hợp:

Hình 2.7 Thay khâu Relay hai vị trí bằng khâu khuếch đại bão hòa để giảm

hiện tượng rung (chattering)

2.1.4 Điều khiển thích nghi ISS

Trước hết ta cần hiểu thế nào là điều khiển thích nghi: “Điều khiển thích nghi là sự tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của

hệ khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian” Như vậy hiểu theo nghĩa rộng có thể xem như các cấu trúc điều khiển có khả năng linh hoạt với các yếu tố bất định của hệ thì đều được coi là điều khiển thích nghi

Để bổ sung vào các thuật toán điều khiển ổn định hệ có tham số bất định phụ thuộc thời gian, một xu hướng thiết kế mới được xây dựng đó là điều khiển thích nghi ISS [4]

Xét hệ bất định: dx f x u d , , 

Bài toán điều khiển thích nghi ISS (hay còn gọi là điều khiển ổn định thực

tế - Practical stabilization) được hiểu là bài toán thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái u  r x , sao cho với nó hệ kín bất định thu được:

 

 , ,  ˆ , 

dx

f x d r x f x d

Khi hệ kín đã ổn định ISS thì mọi quỹ đạo trạng thái tự do x t d , sẽ tiến tiệm cận về miền hấp dẫn  Tất nhiên rằng chất lượng của bộ điều khiển sẽ được

đánh giá là càng tốt nếu như nó tạo ra được miền hấp dẫn  càng nhỏ Trong trường hợp đặc biệt, khi miền  tạo ra chỉ có một phần tử duy nhất là gốc tọa độ

0, thì hiển nhiên bộ điều khiển đó sẽ chính là bộ điều khiển làm hệ ổn định tiệm cận tại 0

+ Điều khiển ổn định thích nghi ISS (điều khiển bền vững):

Xét hệ Euler Lagrange (EL) với nhiễu tác động  t :

định theo tín hiệu đặt  t cùng các đạo hàm bậc nhất của chúng Vấn đề đặt ra tiếp theo ở đây là khi p  0thì ta phải chọn hai ma trận xác định dương K K1, 2cũng như tín hiệu bù nhiễu v t như thế nào cho bộ điều khiển (2.21) để vẫn có tính bám ổn định đó của hệ kín, hoặc ít nhất thì cũng có sai lệch e t bị chặn và tiến về một lân cận mong muốn đủ nhỏ của gốc 0

Trong đó: chỉ số “m” và “s” là các chỉ số chủ và tớ; q q , m, s qi n,im s, là các véc tơ góc (vị trí) tương ứng của chủ và tớ; τi n,im s, là các mô men đầu vào tương ứng của Robot chủ và Robot tớ; τop  là mô men do người thao tác tạo nnên; τe  là mô men do các lực tương tác của môi trường tác động lên Robot tớ; n

x

i qi i m s

men quán tính của Robot chủ và Robot tớ; Ci( , )q qi i n nx ,im s, là các véc tơ

Ni

τ  im s là các thành phần nhiễu cộng không đo được và khó mô hình hóa tác động lên Robot chủ và Robot tớ

Các phương trình (2.24) và (2.25) mô tả động học của Robot chủ và Robot tớ Các tay máy (2.24) và (2.25) có các tính chất sau [26]:

Tính chất 1

m1i Mi qi m i2i, m s, (2.26) Với m và 1i m là các hằng số dương tương ứng với giá trị min và max của 2i Mi qi Tính chất 2

Ciq qi,i β qe i , q qi,  (2.27) i nVới β là hằng số dương, e   là chuẩn Ơclid

Tính chất 3 Thành phần mô men trọng trường bị chặn:

Gi qi gb, qi n,im s, (2.28) Với g là hàm số dương của b q , biết trước i

Tính chất 4 Ma trận M i qi 2Ciq qi, là ma trận đối xứng lệch và thỏa mãn iđẳng thức:

xT M i qi 2Ciq q xi,i   0, x  (2.29) nVấn đề đặt ra là tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa, đảm bảo cho

hệ bám vị trí ổn định, đồng thời người thao tác cảm nhận được mức độ tác động của môi trường lên Robot tớ Trong đó yêu cầu đảm bảo tính ổn định và chất lượng cho

hệ hệ bám vị trí được đặt lên hàng đầu

Để giải quyết vấn đề đặt ra, luận án đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở ước lượng nhiễu (bao gồm lực tương tác của môi trường lên Robot tớ và các thành phần nhiễu không đo được; không mô hình hóa được ảnh hưởng lên Robot tớ, tất cả các yêu tố đó gọi chung là tác động môi trường lên Robot tớ) kết hợp sử dụng chế độ trượt cho phía Robot tớ và tổng hợp bộ điều khiển ISS thích nghi kháng nhiễu cho Robot chủ

2.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững sử dụng chế độ trượt cho

Robot tớ

2.2.1.1 Ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ

Động học của Robot Slave được mô tả bởi phương trình (2.25) trong đó thành phần mô men các lực tác động của môi trường τ và thành phần nhiễu bất eđịnh τ là đại lượng thay đổi trong dải rộng và không đo được Như đã nêu ở phần Nstrên, đối với tác động bên ngoài như τ và e τ chúng ta cần xây dựng phương pháp Nsước lượng, từ đó sử dụng kết quả ước lượng để điều khiển, làm cho hệ thống có khả năng thích nghi kháng nhiễu Trong phần này đề xuất cấu trúc và thuật toán của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ

Trên Hình 2.8 là sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ, trong đó có hai khối chính: khối mô hình Robot tớ MHRS và khối xử

lý nhiễu của Robot tớ XLNS Động học của khối mô hình MHRS (khi không tính đến nhiễu và được sử dụng trong bộ ước lượng nhiễu) được mô tả bằng phương trình:

Trong đó: q q qs,  s, s là các biến trạng thái tương ứng của mô hình MHRS

Lấy hai vế của phương trình (2.30) trừ hai vế tương ứng của phương trình (2.25), có chú ý đến (2.31), ta thu được:

τ Phương trình (2.32) cho ta thấy, để ước lượng được τ cần phải có tín hiệu ( )e ε t và ( )

ε t Các tín hiệu này hoàn toàn có thể xác định được trên cơ sở các tín hiệu

s s s s

q q q q    và dựa vào (2.33) Trong số các tín hiệu đó q q  là các biến trạng s, sthái của mô hình nên hoàn toàn có được một cách dễ dàng, còn các tín hiệu q q  là s, scác biến của Robot tớ có thể thu được nhờ các sensor đo tốc độ và gia tốc Với sự phát triển vượt bậc của công nghiệp vi cơ điện tử (MEM) và nano cơ điện tử (NEM), các chủng loại sensor đó ngày càng được nâng cao và được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển Robot và đặc biệt là trong lĩnh vực dẫn đường và điều khiển các thiết bị bay

Kết quả ước lượng theo (2.32), (2.33) sẽ là véc tơ đánh giá tác động của môi trường lên Robot tớ τˆ*e, với sai số đánh giá e phụ thuộc vào độ chính xác của các sensor nói trên: τe*   τ ˆe* e hay τe*  e τˆe* (2.34) Véc tơ đánh giá τ ˆe*sẽ được sử dụng để tạo luật điều khiển bền vững cho Robot