Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, điện tử viễn thông: Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển Robot công nghiệp có nhiều tham số bất định

Luận án nhằm đề xuất một số thuật điều khiển cho Robot-camera di động mục tiêu di động. Sau đó đi sâu nghiên cứu một số thuật điều khiển mô men của các khớp cho hệ Robot-camera bám mục tiêu di động và hệ Robot-camera có chú ý đến động cơ hấp hành bám mục tiêu di động. Sau cùng tác giả cũng đề xuất một số thuật toán điều khiển cho hệ cánh tay Robot-camera có mô hình bất định, nhiễu ngoài và ngăn chăn sự suy biến của hệ, dùng bộ điều khiển trượt phi tuyến (TSMC) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tam 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

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: TS.Phạm Minh Tuấn

Người hướng dẫn khoa học 2: TS.Nguyễn Trần Hiệp

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Một số ứng dụng của rô bốt 2

CHƯƠNG 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 BAY 3

2.2 Mô hình hóa chuyển động vi phân của camera trên tay máy di động và thiết kế hệ servo thị giác bám mục tiêu bay 3

2.2.1 Mô tả các hệ tọa độ 3

2.2.2 Chuyển động vi phân 4

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT-CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 8

3.2.1 Đặt vấn đề 8

3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động 8

3.2.3 Thuật điều khiển visual servoing cho bệ pan/tilt khi có nhiều tham số bất định 9

3.2.5 Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất 13

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP DÙNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CÓ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP HÀNH 14

4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có chú ý tác động của cơ cấu chấp hành 14

4.2.3 Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron 15

4.2.4 Kết quả mô phỏng hệ servo thị giác có mô hình động cơ trên Matlab 16

4.2.5 Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất 18

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI PHI TUYẾN NGĂN CHẶN SỰ SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI 18

5.3 Mô hình động lực học của cánh tay rô bốt n-DOF cố định 18

5.4 Thiết kế luật điều khiển 19

5.7 Kết luận về phương pháp điều khiển đề xuất 24 KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN 24

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Điều khiển rô bốt đang còn nhiều vấn đề cần giải quyết do độ phúc tạp, tính phi tuyến và độ bất định của các hệ phương trình động lực và động lực học của rô bốt gây nên Gần đây vấn đề điều khiển cho rô bốt có nhiều tham số bất định nhận được rất nhiều sự chú ý của giơi nghiên cứa Vì vậy

nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu phát triển một số thuật toán

điều khển rô bốt công nghiệp có nhiều tham số bất định”

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Đề xuất một số thuật điều khiển cho robot-camera di động mục tiêu

di động Sau đó đi sâu nghiên cứu một số thuật điều khiển mô men của các khớp cho hệ robot-camera bám mục tiêu di động và hệ robot-camera có chú

ý đến động cơ hấp hành bám mục tiêu di động Sau cùng tác giả cũng đề xuất một số thuật toán điều khiển cho hệ cánh tay robot-camera có mô hình bất định, nhiễu ngoài và ngăn chăn sự suy biến của hệ, dùng bộ điều khiển trượt phi tuyến (TSMC) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tam số bất định

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Phát triển thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gắn trên bệ

di động bám theo mục tiêu

- Phát triển thuật toán điều khiển hệ robot-camera khi tính đến các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo với tín hiệu điều khiển cho các khớp là tín hiệu momen

- Phát triển thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gồm nhiều tham số bất định của mô hình động học và mục tiêu di động có chú ý đến

cơ cấu chấp hành dùng mạng nơ ron nhân tạo

- Phát triển thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera khi có sự bất định của mô hình và nhiễu ngoài dùng phương pháp điều khiển trượt thích nghi và mạng nơ ron nhân tạo, đồng thời ngăn chặn sự suy biến của

bộ điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Rô bốt được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như robot rùa đơn giản dùng để giảng dạy trong các trường học phổ thông, robot hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô, cánh tay robor điều khiển từ xa trên tàu vũ trụ con thoi Mỗi một ứng dụng lại có những vấn đề riêng của nó, bởi vậy nên thực tế đã xuất hiện lĩnh vực nghiên cứu về robot Có rất nhiều ngành công nghiệp mới đã xuất hiện và có nhiều kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này và còn nhiều lĩnh vực cần nghiên cứu trong tương lai, cùng với nhiều quan điểm mới được phát triển và nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm Trong khi có nhiều người nghĩ rằng robot chỉ có mang tính khác lạ hơn là ứng dụng thực tiễn, nhưng thực tế robot đã được ứng dụng vào rất nhiều các nhà máy sản xuất và nó đã nhận được sự quan tâm cũng như đã tham gia vào các quá trình sản xuất

1.2 Một số ứng dụng của robot

1.2.1 Trong công nghiệp

1.2.2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm

1.2.3 Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân

1.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp

1.2.5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian

1.2.6 Ứng dụng trong các thiết bị lặn

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỘNG VI PHÂN CỦA TAY MÁY DI ĐỘNG

VÀ THIẾT KẾ LUẬT VISUAL SERVOING MỚI ĐỂ BÁM THEO MỤC

2.2 4 Thiết kế luật điều khiển

Hình 2.11 Sơ đồ của bộ điều khiển đề xuất visual servoing bám mục tiêu

bay

Bộ điều khiển động học (2.39)

Bô điều khiển động lực học (2.43)

2-DOF tay robot với camera

Chuyển động không xác định của WMR

Chuyển động không xác định của mục tiêu

bay

visual servoing bám mục tiêu bay

2.2.4.2 Luật điều khiển động học

4

5 4 5

v

s u

ψ mô tả sự biến đổi của sai lệch đặc trƣng ảnh do chuyển động không xác

định của mục tiêu bay

ψ có thể ƣớc lƣợng nhƣ sau [16]:

r 4

5 4 r

Chúng ta có thể chọn vận tốc góc mong muốn cho các khớp pan-tilt

2.2.4.3 Luật điều khiển động lực học

Mô hình động lực học của chân đế pan-tilt đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

   ,   

τ H q v h q v v g q , (2.41)

g q đƣợc thể hiện cụ thể trong thông số mô phỏng

Để thiết kế luật điều khiển động lực học, véc tơ mô men đƣợc chọn nhƣ sau:

Hình 2.13 a) Quỹ đạo chuyển động của đặc trưng ảnh trong mặt

phẳng ảnh b) Đặc tính của các tọa độ theo thời gian

quy dao dac trung anh

huong cua chuyen dong

Hình 2.15 Đặc tính của mô men theo thời gian

2.2.6 Kết luận về phương pháp điều khiển đề xuất

Nội dung chương này tác giả đã chỉ ra quá trình mô hình hóa chuyển động

vi phân của tay máy di động sử dụng thuật toán của Paul Sau đó, một luật visual servoing mới để theo dõi mục tiêu bay được thiết kế với mục đích làm cho đặc trưng ảnh của mục tiêu tiệm cận đến tâm của mặt phẳng ảnh mặc dù quỹ đạo của cả đối tượng bay và robot di động đều không xác định Trái ngược với các phương pháp điều khiển khác, visual servoing cho thấy hai điểm mạnh Đầu tiên là phương pháp này đã không sử dụng ma trận giả nghịch đảo của ma trận tương tác Thứ hai là nó cũng không cần ước lượng

độ sâu của mục tiêu Vì vậy phương pháp visual servoing mang lại hiệu quả mạnh mẽ hơn những phương pháp khác Sự ổn định thống nhất của toàn hệ thống được đảm bảo bởi các tiêu chuẩn Lyapunov Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink cũng xác nhận tính chính xác và hiệu quả của phương pháp điều khiển đề xuất

*)Nội dung chính của chương này được công bố ở công trình khoa học

số [2] Nguyen Tien Kiem, Hoang Thi Thuong, Nguyen Van Tinh,

“Modeling the differential motion of a mobile manipulator and designing a

new visual servoing for tracking a flying target”, Tạp chí tin học và điều

khiển học,V.33, N.4 (2017), tr 339-355

CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT-CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI

ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH

3.2.1 Đặt vấn đề

Hệ robot-camera có hai bậc tự do quay theo theo hai hướng phương

vị (Pan) và góc tà (Tilt) Cấu trúc này được ứng dụng nhiều làm bệ quay radar (cố định hay di động đặt trên xe, tàu) hay bệ quay các thiết bị quang học theo dõi, kiểm tra không gian Trong phần này tác giả khảo sát và nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc khớp robot gắn camera bám mục tiêu cơ động khi ta không biết rõ mô hình động lực của bệ

được luật điều khiển dựa trên đặc trưng ảnh thu được Từ (3.4), luật điều

khiển theo vận tốc của camera có thể chọn là:

là ma trận nghịch đảo hoặc giả nghịch đảo

(pseudo-inverse) của ma trận Jacobi Jc Lúc này phương trình (3.4) ổn định tiệm cận

và có dạng e e

Để hệ thống điều khiển ổn định theo hàm mũ, ee ( > 0), ta

có thể chọn luật điều khiển vận tốc của camera như sau:

trong đó  gọi là hệ số suy giảm, thành phần e /t là thành phần đặc

trưng cho chuyển động của mục tiêu Do chuyển động của mục tiêu là

không biết trước nên ta phải ước lượng dự đoán trong quá trình điều khiển

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ bệ robot-camera

3.2.3 Thuật điều khiển visual servoing cho bệ pan/tilt khi có nhiều tham

số bất định

Khi không biết chính xác mô hình rô bốt ta không thể chọn mô

men các khớp như (3.14) Ta có thể mô tả các đại lượng bất định trong hệ

Ta chọn mô men τ điều khiển các khớp rô bốt như sau:

trong đó ε q q  d ; K là một ma trận đối xứng xác định dương, τ1

là tín hiệu điều khiển bù các thành phần bất định sẽ được xác định sau

Thay thế (3.21), (3.22) vào (3.19) ta có hệ động lực sai số tốc độ bám

1 1

1

-ε + K-ε = H (τ -f ) (3.36) (3.23) Đặt τ' = H τ -1 1 (3.37) (3.24)

1

1

-f' = H f (3.38) (3.25) Thay vào (3.23) ta có

ε + Kε = τ -f (3.39) (3.26)

Ta sẽ xây dựng mạng nơ ron với thuật học phù hợp để mạng xấp xỉ f'và

xác định tín hiệu điều khiển τ1sao cho hệ (3.26) ổn định tiệm cận

Định lý 3.1: Hệ robot Pan Tilt-camera 2 bậc tự do có nhiều tham số bất

định (3.19) với mạng nơron (3.28), (3.29) sẽ bám theo mục tiêu di động với

sai số ε(q - qd)0 nếu ta chọn thuật điều khiển τ và thuật học W

của mạng nơron như sau:

Hình 3.7 Đồ thị đặc trưng ảnh

-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5

x 10-3-0.005

0 0.005

Mo men khop Pan

Mo men khop Tilt

Hình 3.11 Đồ thị các góc khớp

Hình 3.12 Đồ thị các sai lệch vận tốc khớp 3.2.5 Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất

Trong chương này tác giả đã trình bày về phương pháp xây dựng hệ visual servoing bám được mục tiêu Kết quả mô phỏng trên Matlab chứng tỏ thuật toán đưa ra là hội tụ và đạt độ chính xác cao Các nghiên cứu thử nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng robot của hãng DPerception cung cấp sẽ được triển khai trong thời gian tới Các hướng nghiên cứu khi hệ robot-camera đặt trên các phương tiện di động hoặc tầu thuỷ đang được nghiên cứu với

sự trợ giúp của khối quán tính trong bài toán ổn định bệ

2 =q

2 -q d2

*)Nội dung chính của chương này được công bố ở công trình số khoa học

số [4].Nguyễn Tiến Kiệm, Phạm Thượng Cát , „Điều khiển tốc độ bệ

pan-tilt-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định‟ , Kỷ yếu hội

nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 VCM2012, Hà Nội ngày

14-15/12/2012, tr.787-794

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP DÙNG

MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CÓ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP

HÀNH

4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có chú ý tác

động của cơ cấu chấp hành

Nhiệm vụ điều khiển được thực hiện thông qua hàm sai lệch giữa

đặc trưng ảnh mong muốn const

d 

ξ và đặc trưng ảnh thu được Hàm sai lệch này có thể được định nghĩa như sau:

d

c

x và xo lần lượt là tọa độ camera và tọa độ mục tiêu trong hệ tọa

độ Đề Các gắn với bệ rô bốt Phương trình động học của robot được mô tả

bởi phương trình sau:

Luật

điều

khiển

Động cơ

chấp

Ro bot

Came

ra

Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển

Định lý 4.1: Hệ robot Pan Tilt-camera 2 bậc tự do có nhiều tham số

bất định (4.29) với mạng nơron (4.38), (4.39) sẽ bám theo mục tiêu di động

với sai số e  0 nếu ta chọn thuật điều khiển u và thuật học W của mạng

Hình 4.7 Đồ thị đặc trưng ảnh

Hình 4.8: đồ thị toạ độ khớp.

Hình 4.10: đồ thị điện áp của động cơ trên các khớp robot

Hệ thống điều khiển điện áp động cơ rô bôt- camera đƣợc điều

khiển để bám theo đối tƣợng, đáp ứng đƣợc yêu cầu bám mục tiêu khi có

nhiều bất định trong hệ động lực của bệ Pan/Tilt Ta thấy trên Hình 4.8 và

4.9 sau thời gian khoảng 1,5giây về cơ bản bệ đã bám được mục tiêu Sai

số của hệ có điều khiển khi bám theo mục tiêu cho đặc trưng ảnh nằm ở chính giữa ảnh đã đạt được độ chính xác cao

4.2.5 Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất

Nội dung chính của chương này tác giả đã trình bày về phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển động cơ một chiều cho hệ visual servoing bám được mục tiêu Kết quả mô phỏng trên Matlab chứng tỏ thuật toán đưa ra là hội tụ và đạt độ chính xác cao Các nghiên cứu thử nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng bệ pan/tilt của hãng DPerception cung cấp sẽ được triển khai trong thời gian tới Các hướng nghiên cứu khi bệ pan/tilt đặt trên các phương tiện di động hoặc tầu thuỷ đang được nghiên cứu với

sự trợ giúp của khối quán tính trong bài toán ổn định bệ

*)Nội dung chính của đề xuất này được công bố ở công trình số khoa học

số [1] Nguyen Tien Kiem, Pham Thuong Cat, “conrol of robot-camera

system with actuator’s dynamic to tract moving object”, Tạp chí tin học và

Mô hình động lực học của cánh tay này như sau [58]

 q q  q q q,   q τ d τ,

với q q q R , ,  n lần lượt là các véc tơ vị trí, tốc độ, và gia tốc của khớp nối H q biểu diễn ma trận quán tính h   q q , là ma trận hướng tâm Coriolis g   q là véc tơ của các thành phần trọng lực τ là véc tơ

giới hạn của tổng các thành phần bất định, bao gồm cả sự bất định của mô

hình cũng nhƣ các nhiễu ngoài τ là véc tơ mô men, đƣợc xem là đầu vào

5.4 Thiết kế luật điều khiển

Luật điều khiển đề xuất nhƣ sau:

τ f x W Γsig s d, (5.20)

trong đó ˆd là thành phần bền vững đã nói ở trên và sẽ đƣợc xác định cụ

thể sau f x W là đầu ra của RBFNN và đƣợc áp dụng để ƣớc lƣợng ˆ , ˆ

 

f x , còn Wˆ là giá trị ƣớc lƣợng của W và có thể đƣợc cập nhật trực

tuyến bằng thuật toán điều chỉnh trọng số trực tuyến Đặc biệt, biểu thức

của f x W đƣợc thể hiện nhƣ sau: ˆ , ˆ

Định lý 1: Xét cánh tay robot n-DOF mô tả bởi (5.1) (Giả sử 5.1) được

thỏa mãn Nếu áp dụng cho các mặt trượt phi tuyến, luật điều khiển, thuật toán điều chỉnh trọng số trực tuyến, thành phần bền vững, và luật cập nhật trực tuyến hệ số bền vững được đề xuất trong (5.8), (5.20), (5.23), (5.25),

và (5.26), tương ứng, thì tất cả tín hiệu trong hệ thống điều khiển vòng kín

bị chặn, hơn nữa lỗi bám sẽ hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn

Hình 5.2.Sơ đồ của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín

5.6 Mô phỏng phương pháp điều khiển

Hình 5.3 Hiệu suất bám của phương pháp TSMC đề xuất

Mặt trượt Bộ điều khiển

Cánh tay

+

_

Hình 5.4 Hiệu suất bám của phương pháp SMC tuyến tính

Hình 5.5 So sánh trong trạng thái ổn định giữa sai lệch bám tại khớp

Hình 5.6 So sánh trong trạng thái ổn định giữa sai lệch bám tại khớp nối 2 của

phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính

Tien trinh cua e

-15 -10 -5 0

SMC tuyen tinh