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


2

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


3

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...
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu và kết luận, được bố cục như sau:
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thao tác từ xa
(Teleoperation), thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều
khiển hiện đại; các cấu trúc điều khiển đã được áp dụng cho hệ thao tác từ xa một


4

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.


5

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...


6

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.
Người thao tác

Môi trường
làm việc
Trễ T

Trễ T
Master và Bộ điều
khiển Master

Kênh truyền thông

Slave và Bộ điều
khiển Slave

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


7

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


8

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


9

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


10

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

11

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


12

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.


13

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.


14



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].


15

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



Cấu trúc điều khiển bốn kênh (Four-Channel Architecture):
-

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


16

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


Trễ trên kênh truyền thông (Time Delay):
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


17

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.


Nhiễu và các ngoại lực bên ngoài tác động lên hệ:
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


18

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.


Tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation:
- 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

19

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.


Đề xuất hướng nghiên cứu giải quyết:
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:

M s (qs )qs  Cs (qs , q s )q s  G s (qs )  τ Ns  τ s  τ e


20

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

lim
qm t  T   qs  0;
t 
lim
q m t  T   q s  0
t 

Trong đó: qm t  T    n là véc tơ góc (vị trí) của Robot chủ qua kênh
truyền thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot tớ.

Do đó vấn đề đặt ra là phải xác định được thuật toán đánh giá thành phần

τ e*  τ e  τ Ns (gọi tắt là tác động của môi trường lên Robot tớ) nhằm xây dựng cấu
trúc bộ điều khiển bền vững, có khả năng thích nghi kháng nhiễu cho Robot tớ và
truyền thành phần τ e* về phía Robot chủ giúp cho người thao tác có thể cảm nhận
được tác động này lên Robot tớ thông qua Robot chủ.
 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 τe*
về phía Robot chủ để giúp người thao tác có được cảm nhận thực về các tác động
của môi trường lên Robot tớ.


21

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

M m (qm )qm  Cm (qm , q m )q m  G m (qm )  τ Nm  τ m + τ op  τ e*
Trong đó: “m” là các chỉ số của Robot chủ; qm   n là véc tơ góc (vị trí)
của Robot chủ; τ m   n là mô men đầu vào của Robot chủ (tín hiệu từ bộ điều
khiển của Robot chủ); τ op   n là mô men do người thao tác tạo nên;

M m (qm )   nxn là mô men quán tính Robot chủ (ma trận đối xứng xác định
dương); Cm ( qm , q m )   nxn là các véc tơ mô men Coriolis và hướng tâm; τ Nm   n
là các thành phần nhiễu nội (nhiễu cộng) không đo được và khó mô hình hóa tác
động lên Robot chủ.
Tương tự như Robot tớ, để đảm bảo cho Robot chủ hoạt động bám sát quỹ

đạo của Robot tớ khi và chỉ khi:

lim
qs t  T   qm  0;
t 
lim
q s t  T   q m  0
t 

Trong đó: qs t  T    n là véc tơ góc (vị trí) của Robot tớ qua kênh truyền
thông với trễ T, làm quỹ đạo đặt cho Robot chủ.
Như vậy, cũng như Robot tớ trước hết cần xác định được thuật toán đánh
giá thành phần nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ. Tiếp đó xây dựng cấu trúc điều
khiển thích nghi kháng nhiễu và đảm bảo ổn định ISS cho Robot chủ với các tác
động kích thích bên ngoài τ op ;τ e* …lên Robot chủ.
 Bài toán 3: Tổng hợp hệ thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu với trễ
trên kênh truyền thông T là hằng số.
Trong luận án đề cập đến hệ thống thao tác từ xa được xây dựng trên cơ sở
tích hợp giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông với trễ T là hằng
số. Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải tổng hợp hệ thao tác từ xa, trong đó bộ điều khiển
Robot chủ; bộ điều khiển Robot tớ phải đáp ứng các yêu cầu đề ra như bộ điều


22

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.


23

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

dx
 f  x , x   n và f  0   0
dt

(2.1)

Hệ sẽ được gọi là:
-

Ổn định, nếu với mọi ε > 0 bất kỳ bao giờ cũng tồn tại  ε  sao cho
quỹ đạo trạng thái tự do x t  của nó, tức là nghiệm của (2.1), với điều
kiện đầu x  0  = x 0 
, thỏa mãn: x0    ε   x t   ε, t  0


-

x t   0
Ổn định tiệm cận, nếu nó ổn định và có lim
t 
Để trả lời cho câu hỏi làm thế nào xét được tính ổn định của hệ (2.1) mà

không cần phải tìm nghiệm x t  của nó thỏa mãn mọi điều kiện đầu x  0  = x 0
thuộc một lân cận  nào đó của gốc tọa độ, Lyapunov đã đưa ra ý tưởng xây dựng
xung quanh gốc tọa độ một họ các đường cong kín bao gốc được lấy từ đường
đồng mức của một hàm nhiều biến, trơn V  x  nào đó thỏa mãn:
-

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

(2.2)


24

-

V  x  
Đơn điệu tăng theo x và có lim
x 

(2.3)

Hình 2.1 minh họa việc xây dựng họ các đường cong bao gốc này cho hệ

bậc hai được lấy từ đường đồng mức của hàm:
V  x   ax12  bx 22 có a  0; b  0

Hình 2.1. Tạo họ các đường cong kín bao quanh gốc bằng đường đông mức của hàm xác
định dương

Nếu ta cắt mặt cong V  x  bằng một mặt phẳng k1 và chiếu nó xuống dưới
đáy  x1 , x 2  , ta sẽ được đường đồng mức vk1 (quỹ tích của tất cả các điểm x mà tại
đó hàm V  x  có cùng một giá trị k1 ). Tương tự nếu cắt nó bằng một mặt phẳng
khác có V  x   k 2  k1 và chiếu xuống đáy ta sẽ được đường đồng mức vk2 và do có
các tính chất (2.2), (2.3) của hàm V  x  nên trong toàn bộ không gian trạng thái,
đường đồng mức vk2 sẽ bao đường đồng mức vk1 bên trong nó. Điều này chỉ rằng
véc tơ gradien V  x  , ký hiệu:
T

T

 V V
 V 
V 
gradV  x   

,
,...,


x n 
 x 
 x1 x 2


25

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 0 hay không ta
chỉ cần kiểm tra xem nghiệm x t  của (2.1) đi từ điểm trạng thái đầu tùy ý x 0 


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 0 và 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:

W t  
Khi đó:

dV V  x 

f  x   L f V  x  , ký hiệu của đạo hàm Lie
dt
x