Hệ thống điều khiển Robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
---***---

NGUYỄN TRỌNG TRUNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA
MẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP Hồ Chí Minh - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
---***---

NGUYỄN TRỌNG TRUNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA
MẠNG TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 9520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
2. TS. TRẦN VIẾT THẮNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của
riêng tác giả. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu
nguồn gốc một cách rõ ràng. Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận
án chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.
Tác giả luận án
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Trọng Trung

i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn: PGS. TS.
Nguyễn Thanh Phương và TS. Trần Viết Thắng đã tận tình hướng dẫn tơi thực
hiện các cơng trình nghiên cứu và hồn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của Viện
Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và Phân Viện Nghiên cứu Điện tử,
Tin học, Tự động hóa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.

Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Gia đình của tơi, những
người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, ln động viên tơi vượt qua khó khăn để
hồn thành tốt luận án này.
Tác giả luận án
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Trọng Trung


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................vi
DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG........................................................viii
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................xii
DANH MỤC KÍ HIỆU......................................................................................xiii
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ

HÀNH QUA MẠNG.............................................................................................6
1.1. Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi
trường công nghiệp................................................................................................6
1.2. Giới thiệu về hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành.................13
1.2.1. Giới thiệu chung........................................................................................13
1.2.2. Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng............................................20

1.3. Các vấn đề cần giải quyết............................................................................25
1.4. Tình hình nghiên cứu..................................................................................30
1.4.1. Về hệ thống có thời gian trễ.......................................................................30
1.4.2. Về điều khiển robot tự hành có thời gian trễ.............................................36
1.5. Kết luận.......................................................................................................41
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HĨA ROBOT TỰ HÀNH TRONG SỰ
ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TRỄ...............................................................43
2.1. Mô tả hệ thống.............................................................................................43
2.2. Mơ hình động học của robot tự hành..........................................................46
2.3. Mơ hình động lực học của robot tự hành....................................................47
2.4. Mơ hình hóa thời gian trễ............................................................................53


2.5. Kết luận chương 2.......................................................................................57
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO MONG
MUỐN CHO ROBOT TỰ HÀNH VỚI TÍN HIỆU TRỄ ĐẦU VÀO...............59
3.1. Thuật tốn bám theo quỹ đạo mong muốn..................................................60
3.2. Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định..................................................65
3.3. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho hệ thống một ngõ vào
– một ngõ ra.........................................................................................................71
3.4. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành.......83
3.5. Kết luận chương 3.......................................................................................92
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ..................................................................................94
4.1. Cấu trúc hệ thống........................................................................................94
4.1.1. Cấu hình điều khiển qua mạng..................................................................94
4.1.2. Cấu trúc robot tự hành...............................................................................95
4.1.3. Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng...........................................................97
4.2. Thiết lập mô phỏng...................................................................................100
4.3. Kết quả mô phỏng trên Matlab..................................................................102
4.3.1. Trường hợp 1 – Khơng có thời gian trễ...................................................103

4.3.2. Trường hợp 2 – Thời gian trễ 0.01 giây..................................................108
4.3.3. Trường hợp 3 – Thời gian trễ 0.05 giây..................................................112
4.3.4. Trường hợp 4 – Thời gian trễ 0.1 giây....................................................115
4.4. Thực nghiệm xác định thời gian trễ..........................................................120
4.5. Kết quả thực nghiệm điều khiển robot tự hành ảo qua mạng....................124
4.6. Kết luận chương 4.....................................................................................130
Kết luận.............................................................................................................133
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ TẠP CHÍ...............................................................137
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ HỘI NGHỊ............................................................138
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................139
PHỤ LỤC..........................................................................................................152
A.1 Chương trình mơ phỏng hệ thống tham chiếu...........................................152


A.2 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu
cho hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra....................................................154
A.3 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu
cho robot tự hành – Trường hợp khơng có thời gian trễ...........................160
A.4 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 10ms.................................170
A.5 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 50ms.................................180
A.6 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 100ms...............................189
A.7 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng mạng.............................199
A.8 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần
nguồn.........................................................................................................201
A.9 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần đích
................................................................................................................... 205
A.10Chương trình phần mềm mơ phỏng động học/động lực học của robot tự

hành
................................................................................................................... 208
A.11Chương trình phần mềm điều khiển và giao diện của bộ điều khiển trung
tâm
................................................................................................................... 211


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC
ACK
AGV
CAN
CSMA/CD
DC
DCS
FTP
HMI
HTTP
HTTPS
ID
IMU
IP
LAN
LQR
MIMO
MRAC
MQTT
NCS
NTP
PC

PI
PID
PLC
PWM
SISO
SYN
RTS
RTT
TCP

Alternative current
Acknowledgement
Automated guided vehicle
Controlled Area Network
Carrier Sense Multiple Access
/ Collision Detection
Direct current
Distributed control system
File Transfer Protocol
Human machine interface
Hypertext Transfer Protocol
Hypertext Transfer Protocol
Secure
Identifier
Inertia measurement unit
Internet protocol
Local Area Network
Linear Quadratic Regulator
Multi input multi output
Model reference adaptive

control
Message Queuing Telemetry
Transport
Networked control system
Network Time Protocol
Personal computer
Proportional – Integral
Proportional – Integral –
Derivative
Programmable logic control
Pulse Width modulation
Single input single output
Synchronous
Request to send
Round trip time
Transmission Control

Dòng điện xoay chiều
Hồi đáp
Phương tiện tự hành
Mạng điều khiển nội bộ

Dòng điện một chiều
Hệ thống điều khiển phân tán
Giao thức truyền tải tập tin
Giao diện người - máy
Giao thức truyền tải siêu văn bản
Giao thức truyền tải siêu văn bản
bảo mật
Mã định danh

Thiết bị đo lường quán tính
Giao thức mạng
Mạng giao tiếp nội bộ
Hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ
ra
Bộ điều khiển thích nghi theo mơ
hình tham chiếu chuẩn
Giao thức truyền thơng điệp theo mơ
hình cung cấp/th bao
Hệ thống điều khiển qua mạng
truyền thơng
Máy tính
Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân
Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi
phân
Bộ điều khiển khả trình
Phương pháp điều chế độ rộng xung
Hệ thống một ngõ vào một ngõ ra
Đồng bộ
Yêu cầu để gửi
Thời gian lặp vòng


UDP
UWB

Protocol
Universal asynchronous
receiver transmitter
User Datagram Protocol

Ultra-wideband

WIFI

Wireless fidelity

UART

Giao thức dữ liệu người dùng
Cơng nghệ radio băng thơng siêu
rộng
Tín hiệu truyền khơng dây


DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG
Khối lượng
Chiều dài
Thời gian
Vận tốc
Tốc độ truyền
Công suất
Độ phân giải

kilogram
meter, millimeter
second, millisecond
meter per second, round per minute
bit per second
Watt
pulse per round

kg
m, mm
s, ms
m/s, rpm
bps
W
ppr


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Robot tự hành với a) cấu trúc hai bánh vi sai và b) cấu trúc cơ cấu lái43
Hình 2.2 Sơ đồ ngun lí của robot tự hành với cấu trúc hai bánh xe vi sai.............44
Hình 2.3 Các thao tác chuyển động của robot tự hành........................................45
Hình 2.4 Robot tự hành trong hệ tọa độ gốc.......................................................46
Hình 2.5 Sơ đồ vật thể tự do của bánh xe robot tự hành.....................................48
Hình 2.6 Sơ đồ vật thể tự do của động cơ - hộp số - bánh xe.............................49
Hình 2.7 Mạch điện phần ứng của động cơ một chiều........................................50
Hình 2.8 Sơ đồ vật thể tự do của robot tự hành...................................................51
Hình 2.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển qua mạng của robot tự hành..................54
Hình 2.10 Cấu trúc trao đổi thơng tin tại một robot tự hành và một bộ điều khiển
trung tâm...................................................................................................55
Hình 2.11 Thời gian của một chu trình điều khiển..............................................56
Hình 3.1 Sai số giữa vị trí robot và quỹ đạo mong muốn...................................61
Hình 3.2 Xác định sai số bám theo quỹ đạo mong muốn....................................62
Hình 3.3 Đáp ứng của hệ thống tham chiếu với tín hiệu đầu vào hàm nấc.........69
Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống tham chiếu với tín hiệu đầu vào hàm sin..........70
Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển đề xuất và bộ điều khiển MRAC
................................................................................................................... 81

Hình 3.6 Thông số độ lợi của bộ điều khiển đề xuất...........................................81
Hình 3.7 Tín hiệu điều khiển của hệ thống với bộ điều khiển đề xuất................82
Hình 4.1 Sơ đồ cấu hình điều khiển giữa bộ điều khiển trung tâm và robot tự
hành qua mạng internet.............................................................................95
Hình 4.2 Robot tự hành Pioneer 3DX.................................................................96
Hình 4.3 Kích thước robot tự hành Pioneer 3DX................................................96
Hình 4.4 Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng giữa bộ điều khiển trung tâm và
robot tự hành.............................................................................................97
Hình 4.5 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường
hợp 1........................................................................................................103


Hình 4.6 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 1....................................104
Hình 4.7 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp 1
................................................................................................................. 105
Hình 4.8 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 1 .
106 Hình 4.9 Thơng số độ lợi 𝚯 - Trường hợp 1.................................................106
Hình 4.10 Thơng số độ lợi 𝝃 - Trường hợp 1...................................................107
Hình 4.11 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 1.................................................107
Hình 4.12 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường
hợp 2........................................................................................................108
Hình 4.13 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 2..................................109
Hình 4.14 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp
2...............................................................................................................109
Hình 4.15 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 2110
Hình 4.16 Thơng số độ lợi Θ - Trường hợp 2......................................................110
Hình 4.17 Thơng số độ lợi ξ - Trường hợp 2...................................................111
Hình 4.18 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 2.................................................111
Hình 4.19 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường
hợp 3........................................................................................................112

Hình 4.20 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 3..................................112
Hình 4.21 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp
3...............................................................................................................113
Hình 4.22 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 3113
Hình 4.23 Thơng số độ lợi Θ - Trường hợp 3......................................................114
Hình 4.24 Thơng số độ lợi ξ - Trường hợp 3...................................................114
Hình 4.25 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 3.................................................115
Hình 4.26 Đáp ứng vị trí của robot tự hành theo quỹ đạo mong muốn – Trường
hợp 4........................................................................................................115
Hình 4.27 Đáp ứng vị trí theo thời gian – Trường hợp 4..................................116


Hình 4.28 Thành phần vận tốc tịnh tiến của đáp ứng động lực học - Trường hợp
4...............................................................................................................116
Hình 4.29 Thành phần vận tốc góc của đáp ứng động lực học - Trường hợp 4117
Hình 4.30 Thơng số độ lợi Θ - Trường hợp 4......................................................117
Hình 4.31 Thơng số độ lợi ξ - Trường hợp 4...................................................118
Hình 4.32 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp 4.................................................118
Hình 4.33 Thơng số độ lợi Θ - Trường hợp cải tiến.........................................119
Hình 4.34 Thơng số độ lợi ξ - Trường hợp cải tiến..........................................119
Hình 4.35 Tín hiệu điều khiển - Trường hợp cải tiến........................................120
Hình 4.36 Thời gian trễ ở tầng mạng - Phép đo 1.............................................120
Hình 4.37 Thời gian trễ ở tầng mạng - Phép đo 2.............................................121
Hình 4.38 Thời gian trễ ở tầng ứng dụng - Phép đo 1.......................................122
Hình 4.39 Thời gian trễ ở tầng ứng dụng - Phép đo 2.......................................123
Hình 4.40 Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng giữa bộ điều khiển trung tâm và
phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự hành............125
Hình 4.41 Giao diện phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự
hành.........................................................................................................126
Hình 4.42 Phần mềm điều khiển và giao diện của bộ điều khiển trung tâm.....127

Hình 4.43 Đáp ứng động lực học của robot tự hành ảo....................................128
Hình 4.44 Đáp ứng động học của robot tự hành ảo...........................................129
Hình 4.45 Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển đề xuất.................................130


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Qui trình xây dựng thuật tốn điều khiển cho robot tự hành........................59
Bảng 3.2 Qui trình thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đề xuất cho hệ thống một ngõ
vào – một ngõ ra...............................................................................................80
Bảng 4.1 Thông số vật lí trong mơ phỏng.................................................................100
Bảng 4.2 Qui trình thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đề xuất cho robot tự hành
................................................................................................................. 101
Bảng 4.3 Bảng so sánh thời gian trễ giữa các phép đo..............................................124


DANH MỤC KÍ HIỆU
𝐴

Ma trận thơng số liên quan với biến trạng thái của robot tự hành

𝑎

Hằng số hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra

𝑎11

Thông số thành phần tại hàng 1 cột 1 của ma trận 𝐴

𝑎22

Thông số thành phần tại hàng 2 cột 2 của ma trận 𝐴

𝐵

Ma trận thông số liên quan với biến điều khiển của robot tự hành

𝑏

Hằng số hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra

𝑏1

Thông số thành phần thứ 1 của ma trận 𝐵

𝑏2

Thông số thành phần thứ 2 của ma trận 𝐵

𝑏𝑚

Hệ số ma sát nhớt của trục động cơ

𝑏𝑤
𝐸𝑏𝑙

Hệ số ma sát nhớt của trục bánh xe
Suất điện động phản ngược của động cơ một chiều truyền động cho
bánh xe trái của robot tự hành

𝐸𝑏𝑟

Suất điện động phản ngược của động cơ một chiều truyền động cho
bánh xe phải của robot tự hành

𝑒

Vectơ sai số trạng thái

𝑒̅

Vectơ sai số đáp ứng sau khi đổi biến

𝑒𝑎

Sai số đáp ứng sau khi đổi biến

𝑒𝑚

Sai số đáp ứng giữa 𝑥𝑚 và 𝑟

𝑒𝑠

Sai số đáp ứng giữa 𝑥𝑠 và 𝑥𝑚

𝑒𝑥

Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn theo phương 𝑥

𝑒𝑦

Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn theo phương 𝑦

𝑒𝜃

Sai số bám theo tọa độ điểm mong muốn với góc lệch của robot tự
hành

𝑓𝑙

Lực ma sát được tạo ra bởi bánh xe bên trái của robot tự hành và
ma sát

𝑓𝑟

Lực ma sát được tạo ra bởi bánh xe bên phải của robot tự hành và

ℎ

ma sát
Thời gian lấy mẫu


𝐼
𝑖𝑎𝑙

Mơ-men qn tính của robot tự hành
Dịng điện trong mạch điện phần ứng động cơ DC truyền động cho
bánh xe bên trái của robot tự hành

𝑖𝑎𝑟

Dòng điện trong mạch điện phần ứng động cơ DC truyền động cho
bánh xe bên phải của robot tự hành

𝐽𝑚

Mơ-men qn tính của động cơ DC

𝐽𝑤

Mơ-men qn tính của bánh xe

𝑘𝑒

Hằng số suất điện động phản ngược của động cơ DC

𝑘𝑚

Hằng số mô-men của động cơ DC

𝑘𝑞

Giá trị xấp xỉ của phương pháp đường cong bậc hai

𝑘𝑟

Thông số độ lợi

𝑘𝑥

Thông số độ lợi

𝑘𝛼

Thông số độ lợi

𝐿𝑎𝑙

Cảm kháng của động cơ bên trái

𝐿𝑎
𝑟
𝑀

Cảm kháng của động cơ bên phải

𝑚

Kích thước tập hợp điểm mong muốn của robot tự hành

𝑛

Hệ số giảm tốc của hộp số động cơ robot tự hành

𝑞𝑟

Quỹ đạo mong muốn của robot tự hành

𝑞 𝑖𝑟

Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 thuộc quỹ đạo

𝑅𝑎

Trở kháng phần ứng của động cơ DC

𝑟
𝑟𝑤
𝑇

Khối lượng của robot tự hành

Tín hiệu đầu vào mong muốn của hệ thống SISO
Bán kính của bánh xe robot tự hành
Thời gian mô phỏng

𝑇𝑔𝑝

Mô-men phát động từ bánh răng sơ cấp của hộp số

𝑇𝑔𝑠

Mô-men phát động từ bánh răng thứ cấp của hộp số

𝑇𝑚
𝑢

Mơ-men của trục động cơ
Vectơ tín hiệu điều khiển của robot tự hành

𝑢𝑠

Biến điều khiển của hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra

𝑉𝑚
𝑉𝑎𝑙
𝑉𝑎𝑟

Hàm Lyapunov phân tích tính ổn định của hệ thống tham chiếu
Điện áp ngõ vào mạch điện phần ứng của động cơ bánh xe trái
Điện áp ngõ vào mạch điện phần ứng của động cơ bánh xe phải

𝑣

Vận tốc dài của robot tự hành

𝑊

Khoảng cách giữa hai bánh xe

𝑋

Trục hoành thuộc trục tọa độ gốc

𝑥

Trục hoành thuộc hệ trục tọa độ robot

𝑥𝑎

Tín hiệu đáp ứng của mơ hình phụ trợ

𝑥𝑐

Vị trí tức thời tại điểm C của robot tự hành theo phương 𝑋 trong
hệ tọa độ gốc

𝑥𝑚

Biến trạng thái của hệ thống tham chiếu

𝑥𝑝

Vị trí tức thời tại điểm P của robot tự hành theo phương 𝑋 trong hệ
tọa độ gốc

𝑥𝑟𝑖

Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 theo phương 𝑋

𝑥𝑠

Biến trạng thái của hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra

𝑌

Trục tung thuộc trục tọa độ gốc

𝑦

Trục tung thuộc hệ trục tọa độ robot

𝑦𝑐

Vị trí tức thời tại điểm C của robot tự hành theo phương 𝑌 trong hệ
tọa độ gốc

𝑦𝑝

Vị trí tức thời tại điểm P của robot tự hành theo phương 𝑌 trong hệ
tọa độ gốc

𝑦𝑟𝑖

Tọa độ điểm mong muốn thứ 𝑖 theo phương 𝑌

𝑧

Vectơ trạng thái của mơ hình hóa robot tự hành

𝑧𝑑

Tín hiệu đầu vào mong muốn của bộ điều khiển động lực học robot

𝑧𝑚

Vectơ trạng thái của hệ thống tham chiếu

𝛼

Γ

Thông số độ lợi
Ma trận hằng số của thông số độ lợi

Γ1

Ma trận hằng số của thông số độ lợi


Γ2

Ma trận hằng số của thông số độ lợi

𝛾

Hằng số của thơng số độ lợi

𝜂

Biến vi phân

𝜃

Góc quay tức thời của robot tự hành được xác định bởi trục 𝑥 của
hệ tọa độ robot và trục 𝑋 của hệ tọa gốc

𝜉

Thơng số độ lợi

𝜏

Thời gian trễ của tín hiệu đầu vào robot tự hành

𝜏𝑝𝑐

Thời gian trễ sinh ra do việc tính tốn của bộ điều khiển trung tâm

𝜏𝑠𝑐

Thời gian trễ sinh ra trên đường truyền từ bộ điều khiển hiện trường
đến bộ điều khiển trung tâm

𝜏𝑟𝑒𝑠

Thời gian trễ do đáp ứng của cơ cấu chấp hành

Φ

Ma trận thông số độ lợi

𝜑

Thơng số độ lợi

𝜔

Vận tốc góc của robot tự hành

𝜔𝑙

Vận tốc góc của bánh xe bên trái

𝜔𝑚

Vận tốc góc của trục động cơ

𝜔𝑟

Vận tốc góc của bánh xe bên phải


MỞ ĐẦU
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất được đánh dấu bằng sự ra đời
của máy hơi nước vào năm 1784 và việc sử dụng năng lượng nước, hơi nước
vào trong cơ giới hóa sản xuất. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai bắt
đầu từ năm 1870 với việc sử dụng năng lượng điện, và sự ra đời của dây
chuyền sản xuất hàng loạt qui mô lớn. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ
ba bắt đầu từ năm 1969 với sự lan tỏa của việc sử dụng công nghệ điện tử,
công nghệ thông tin để đưa vào tự động hóa sản xuất. Và từ năm 2015, cuộc
cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư (Industry 4.0) đã chính thức bắt đầu. Đặc
trưng của Industry 4.0 là sự kết hợp xóa bỏ ranh giới giữa hệ thống sản xuất,
quản lí và quản trị với các yếu tố kỹ thuật cốt lõi là: Trí tuệ nhân tạo (Artificial
Intelligence – AI), kết nối vạn vật (Internet of Thing – IoT), phân tích dữ liệu lớn
(Big Data), bảo mật hệ thống chuỗi (Block Chain). Industry 4.0 tác động vào
tất cả các lĩnh vực như: robot, công nghệ sinh học, y sinh, nông nghiệp, công
nghệ nano, in 3D, và robot tự hành (xe ô tô và robot tự hành).v.v.
Việc tác động của Industry 4.0 đến lĩnh vực robot tự hành sẽ tạo nên một
hệ thống vận chuyển hàng trong nhà xưởng, nhà kho mang tính linh hoạt cao,

tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động quản lí, quản trị như: Hoạch định quỹ
đạo di chuyển, tối ưu hóa quỹ đạo theo tiêu chí tối thiểu năng lượng tiêu thụ
hoặc thời gian di chuyển nhanh nhất, tránh vật cản, kiểm sốt lưu lượng hàng
hóa, đánh giá năng lực sản xuất và luân chuyển hàng hóa. Để hiện thực hóa
hệ thống với các chức năng trên, các robot tự hành có khả năng kết nối với bộ
điều khiển trung tâm từ xa nhằm chia sẻ các thơng tin như: vị trí hiện tại, tác
vụ hiện hành, tình trạng hoạt động. Đồng thời chúng cũng có thể kết nối và
chia sẻ thông tin với nhau tạo thành mạng chia sẻ ngang hàng giữa chúng với
bộ điều khiển trung tâm. Với việc triển khai cấu trúc điều khiển qua mạng của
hệ thống robot tự hành, cho phép các nhà quản lí thay đổi thơng số động học
như vận tốc, quỹ đạo và tác vụ của robot một cách linh hoạt, nhanh chóng.
Tuy nhiên, do hệ thống này tập trung nhiều thiếtbị với số lượng thông tin chia
sẻ lớn, nên sẽ gây tổn hao băng thông trên đường truyền, điều này phát sinh
hai vấn đề: Mất gói dữ liệu trên đường truyền và thời gian trễ sinh ra trên
đường truyền. Việc mất gói dữ liệu trên đường truyền có thể giải quyết bằng
các giao thức truyền với cơ chế quản lí chất lượng dịch vụ (Quality of Servive –
QoS) kiểm sốt tổng số gói tin, u cầu gửi bù những gói tin bị thiếu, gửi lại

17


những gói tin bị thiếu. Tuy nhiên, thời gian trễ sinh ra trên đường truyền ngồi
yếu tố băng thơng, cịn do nguyên nhân tốc độ đường truyền, cơ chế QoS, và
thời gian xử lí của thiết bị đầu cuối. Mặt khác, thời gian trễ trên đường truyền
còn làm giảm chất lượng điều khiển của hệ thống robot tự hành hoặc thậm chí
làm mất tính ổn định của hệ thống. Do vậy, việc xây dựng hệ thống điều khiển
robot tự hành qua mạng trong đó nghiên cứu giải quyết, khắc phục vấn đề
thời gian trễ trên đường truyền nhằm giảm ảnh hưởng đến chất lượng điều
khiển của hệ thống là điều cần thiết mang tính khoa học và thực tiễn.
Luận án này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau:

Mục tiêu nghiên cứu: Tìm ra giải pháp dựa trên cơ sở điều khiển, ước
lượng với các thông tin được chia sẻ trong hệ thống điều khiển robot tự hành
qua mạng nhằm giảm ảnh hưởng của yếu tố thời gian trễ đến chất lượng điều
khiển của hệ thống, đảm bảo tính ổn định cho hệ thống hoạt động trong môi
trường công nghiệp với độ tin cậy trong phạm vi cho phép.
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển robot tự hành với phương
thức giao tiếp qua mạng không dây (Internet).
Phạm vi nghiên cứu: Luận án đề xuất các bộ điều khiển phát triển dựa
trên mơ hình hóa động học và động lực học của robot tự hành đồng thời kết
hợp các thuật tốn bám theo quỹ đạo, thích nghi theo hệ thống tham chiếu, kỹ
thuật thiết kế hệ thống đệ quy, nhằm làm giảm ảnh hưởng của thời gian trễ
được đánh giá bằng hiệu suất hoạt động của robot tự hành trên mô phỏng và
tạo tiền đề cho thực nghiệm.
Giới hạn của luận án: Robot tự hành là một hệ thống phức hợp nhiều bài
toán gồm điều khiển bám theo quỹ đạo, điều khiển bám theo quỹ đạo đảm bảo
yếu tốđộng lực học, quản lí năng lượng, định vị trong mơi trường trong nhà.
Luận án này giới hạn ở việc chỉ xây dựng bộ điều khiển bám theo quỹ đạo
trong sự hiện diện của thời gian trễ và các thông số hệ thống khơng thể xác
định chính xác.
- Luận án khơng tập trung phát triển thuật tốn xác định vị trí cho robot
tự hành mà sử dụng thuật toán truyền thống dead-reckoning, cịn được
gọi là phương pháp odometry.
- Luận án khơng tập trung phát triển giải thuật hoạch định và tối ưu hóa
quỹ đạo cho robot tự hành.

18