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

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
ĐỊNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9.52.02.16
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VIỄN
THÔNG

Hà Nội - 2018


Công trình đƣợc hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: TS.Phạm Minh Tuấn
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: TS.Nguyễn Trần Hiệp
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học
viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..‟, ngày … tháng … năm
201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thƣ viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung................................................................................ 2
1.2 Một số ứng dụng của rô bốt................................................................. 2
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 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 phƣơng pháp điều khiển đề xuất. ..................................... 13
CHƢƠNG 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 phƣơng pháp điều khiển đề xuất ...................................... 18
CHƢƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT 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


5.6. Mô phỏng phƣơng pháp điều khiển. ................................................. 20
5.7. Kết luận về phƣơng pháp điều khiển đề xuất. ................................... 24
KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN .............................................................. 24


1
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 phƣơng 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 đƣợc 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

trƣợt phi tuyến (TSMC) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ƣớc lƣợng
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.


2
- Phát triển thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera khi có sự
bất định của mô hình và nhiễu ngoài dùng phƣơng pháp điều khiển trƣợt
thích nghi và mạng nơ ron nhân tạo, đồng thời ngăn chặn sự suy biến của
bộ điều khiển.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Rô bốt đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, nhƣ robot rùa
đơn giản dùng để giảng dạy trong các trƣờng 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 tƣơng lai, cùng với
nhiều quan điểm mới đƣợc phát triển và nghiên cứu trong các phòng thí
nghiệm. Trong khi có nhiều ngƣời nghĩ rằng robot chỉ có mang tính khác lạ
hơn là ứng dụng thực tiễn, nhƣng thực tế robot đã đƣợc ứng dụng vào rất

nhiều các nhà máy sản xuất và nó đã nhận đƣợc sự quan tâm cũng nhƣ 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


3
CHƢƠNG 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.
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.
2.2.1 Mô tả các hệ tọa độ.

5

Y4

Camera

XC

YC
ZC

X4

Z0

Trục tilt
Y3

Z3

Trục
Pan

Y0
O0

Z4
X3

4

X0

Hình 2.5 Một tay máy hai bậc tự do gắn camera đặt trên robot di động có
bánh.
Ma trận đồng nhất thể hiện vị trí và hƣớng của OCXCYCZC trong O0X0Y0Z 0
đƣợc cho bởi công thứ dƣới đây:

 s34
0 c
TC   34

 0
 0

c34 s5 c34c5 xM  xc  x x y x z x p x 
 s34 s5 s34c5 y M  yc  x y y y z y p y 


c5
s5
hT  zc
  x z yz zz pz 
0
0
1
  0 0 0 1 

(2.1)


4
2.2.2. Chuyển động vi phân.
ma trận Jacobian của robot có dạng nhƣ sau:
  s34
 c s
 34 5
c c
J   34 5
 0
 0


 0

c34
 s34 s5
s34 c5
0
0
0

0
0
0
0
c5
s5

0
0 
0
.
1
0

0 

0
0
0
0
c5

s5

(2.26)

2.2.3. Tính toán đạo hàm của đặc trưng ảnh.
Ma trận Jacobi của đặc trƣng ảnh


z
J im   c

0


0


zc

u
zc

uv

u2   2

v2   2

uv



v

zc










v 


u 


Ta có công thức tính đạo hàm của đặc trƣng ảnh nhƣ sau:
ξ  Jim .J.θ  ζ

(2.36)

2.2 .4 Thiết kế luật điều khiển
Chuyển
động
không xác

định của
WMR

visual servoing bám
mục tiêu bay

-

+

Bộ điều
khiển
động
học
(2.39)

Bô điều

e khiển

vd

-

+

động lực
học
(2.43)



Chuyển
động
không xác
định của
mục tiêu

bay
2-DOF
tay robot
với
camera
v

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


5
2.2.4.2 Luật điều khiển động học
   v 
ξ  A  4     s5 4  ψ
5   u 

(2.37)

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]:
 pre   v 
ˆ   pre - A  4pre  -   s5 4pre
5  -u 

(2.38)

Với ψˆ là véc tơ ƣớc lƣợng của ψ . Hơn nữa,  pre ,4pre , và 5pre là dữ liệu
rời rạc mới nhất của ξ ,  4 , và  5 tƣơng ứng.
Chúng ta có thể chọn vận tốc góc mong muốn cho các khớp pan-tilt


 4d 

1
ˆ
nhƣ sau:    A   N  n    ,
 5d 



Thay  4 5 

T

(2.39)
T

trong (2.37) bởi  4d  5d  trong (2.39), ta

nhận đƣợc phƣơng trình sau:
   N  n

 v 

,

 s5 4d  

 u 

(2.40)

ˆ.
với ψ = ψ - ψ

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)


6
với q  4 5  , v   4 5  , τ   4 , 5  ,  4 là mô men tại khớp pan,
 5 là mô men tại khớp tilt (xem Hình 2.9). Tất cả H  q  , h  q, v  và
T

T

T

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:
τ  Γe  H  q  v d  h  q, v  v d  g q  ,

(2.43)

T

với v d   4d  5d  , e  v  v d . Γ là ma trận hằng số, đƣờng chéo xác
định dƣơng, và có thể chọn tùy ý.
2.2.5. Kết quả mô phỏng.
-3

-4

1 x 10

truc V (m)

0

huong cua
chuyen dong

-2

-4

quy dao dac trung anh
0

toa do (m)

x 10

0
-0.5

2
4
6
-4
truc U (m)
x 10

Hình 2.13.

u
v

0.5

-1
0

2

4
thoi gian (s)

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

Sai lech van toc goc (rad/s)

phẳng ảnh. b) Đặc tính của các tọa độ theo thời gian.
1
0
-1





-2
-3
0

6


0.5

1
thoi gian (s)

1.5

Hình 2.14. Đặc tính của e = v – vd theo thời gian.

2


Mo men quay (N.m)

7
10
0


-10
-20
0




0.5

1

1.5
2
2.5
thoi gian (s)

3

3.5

4

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 chƣơng 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 đƣợc thiết kế với mục đích
làm cho đặc trƣng ảnh của mục tiêu tiệm cận đến tâm của mặt phẳng ảnh
mặc dù quỹ đạo của cả đối tƣợng bay và robot di động đều không xác định.
Trái ngƣợc với các phƣơng pháp điều khiển khác, visual servoing cho thấy
hai điểm mạnh. Đầu tiên là phƣơng pháp này đã không sử dụng ma trận giả
nghịch đảo của ma trận tƣơng tác. Thứ hai là nó cũng không cần ƣớc lƣợng
độ sâu của mục tiêu. Vì vậy phƣơng pháp visual servoing mang lại hiệu
quả mạnh mẽ hơn những phƣơng pháp khác. Sự ổn định thống nhất của
toàn hệ thống đƣợc 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 phƣơng 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

8
new visual servoing for tracking a flying target”, Tạp chí tin học và điều
khiển học,V.33, N.4 (2017), tr 339-355.
CHƢƠNG 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 hƣớng phƣơng
vị (Pan) và góc tà (Tilt). Cấu trúc này đƣợc 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 phƣơng pháp điều khiển tốc khớp robot gắn camera bám mục
tiêu cơ động khi ta không biết rõ mô hình động lực của bệ.

Hình 3.2: Hệ robot-camera.
3.2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động.
e = M(ξ - ξ*)

(3.17)

ξ  [u, v]T là tọa độ đặc trƣng ảnh. Mục đích điều khiển là đảm
bảo nếu ξ(cro (t))  ξ* , thì e  0. Để đạt đƣợc điều này thì ta phải tìm


9
đƣợc luật điều khiển dựa trên đặc trƣng ảnh thu đƣợc. Từ (3.4), luật điều
khiển theo vận tốc của camera có thể chọn là:

e
Ωc  Jc1e  J c1

t

(3.20)

ở đây Jc-1 là ma trận nghịch đảo hoặc giả nghịch đảo (pseudoinverse) của ma trận Jacobi Jc. Lúc này phƣơng 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 nhƣ sau:

e
Ωc   Jc1e  J c1
t
trong đó  gọi là hệ số suy giảm, thành phần e / t là thành phần đặc
trƣng cho chuyển động của mục tiêu. Do chuyển động của mục tiêu là
không biết trƣớc nên ta phải ƣớc lƣợng 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


10
men các khớp nhƣ (3.14). Ta có thể mô tả các đại lƣợng bất định trong hệ
động lực bệ Pan-Tilt dƣới dạng:
H (q)  H (q)  H (q)
h(q)  h(q)  h(q)

(3.31)

trong đó H(q), h(q) là các phần biết, H(q), h(q) là các phần
không biết. Thay thế (3.18) vào (3.14) ta có :

  H (q)q  h(q, q)  f

(3.32)

với f  H (q)q  h(q, q)
Ta chọn mô men τ điều khiển các khớp rô bốt nhƣ sau:

   0 1

(3.34)

 0  H (q)(qd - K (q - qd )  h(q, q))

(3.35)

trong đó ε  q  qd ; K là một ma trận đối xứng xác định dƣơng, τ 1
là tín hiệu điều khiển bù các thành phần bất định sẽ đƣợc xác định sau.
Thay thế (3.21), (3.22) vào (3.19) ta có hệ động lực sai số tốc độ bám
ε + Kε = H-1(τ1 - f1 )

(3.36)

Đặt τ' = H-1τ1

(3.37)

f' = H-1f1

(3.38)

Thay vào (3.23) ta có

ε + Kε = τ '- f '

(3.39)

Ta sẽ xây dựng mạng nơ ron với thuật học phù hợp để mạng xấp xỉ f ' và
xác định tín hiệu điều khiển τ 1 sao 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


11
sai số ε  (q - q d )  0 nếu ta chọn thuật điều khiển τ và thuật học W
của mạng nơron như sau:

τ = H(q)(qd - K(q -qd ) + h(q,q) + τ1

ε 
τ1 = H (1   )Wσ - 

ε 


(3.44)

W  εσT

(3.45)

(3.43)

trong đó các tham số tự chọn K là ma trận đối xứng xác định
dương K = KT > 0 , các hệ số  ,   0 .

Hình 3.6: Cấu trúc của hệ visual servoing điều khiển camera
bám mục tiêu di
3.2.4. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển visual sevoing trên Matlab.
0.03

dac trung anh

0.025

V axis

0.02
0.015
0.01
0.005
0
-0.005
-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

U axis

Hình 3.7 Đồ thị đặc trưng ảnh.

0

0.5
-3
x 10


12
Do Thi van toc goc khop mong muon cua Pan-Tilt

Angular Velocity (rad/s)

4

qd dot1
qd dot2

3
2

1
0
-1
0

1

2

3

4

5
Time (s)

6

7

8

9

10

Hình 3.8 Đồ thị các vận tốc khớp mong muốn

Mo men khop (N.m)

100

Mo men khop Pan
Mo men khop Tilt

50
0
-50
-100
-150
0

1

2

3

4

5
Time (s)

6

7

8

9

10

Hình 3.9 Đồ thị mô men khớp
do thi cac trong so mang no ron RBFNN
0.3
w1

cac trong so

0.2

w2

w3

w4

0.1
0
-0.1
-0.2
0

1

2

3

4

5
6
thoi gian (s)

7

8

9

Hình 3.10 Đồ thị các trọng số mạng nơ ron

10


13
do thi toa do cac khop

toa do khop (rad)

1.5
1
0.5
khop 1

0

khop 2

-0.5
-1
-1.5
0

1

2

3

4

5
6
thoi gian (s)

7

8

9

10

Hình 3.11 Đồ thị các góc khớp
Sai lech van toc khop Pan-Tilt

1
0

-1
-2
e1=q1-qd1

-3

e2=q2-qd2
-4
0

1

2

3

4

5
Time (s)

6

7

8

9

10

Hình 3.12 Đồ thị các sai lệch vận tốc khớp
3.2.5. Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất.
Trong chƣơng này tác giả đã trình bày về phƣơng pháp xây dựng hệ visual
servoing bám đƣợc mục tiêu. Kết quả mô phỏng trên Matlab chứng tỏ thuật
toán đƣa 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 đƣợc
triển khai trong thời gian tới. Các hƣớng nghiên cứu khi hệ robot-camera
đặt trên các phƣơng tiện di động hoặc tầu thuỷ đang đƣợc nghiên cứu với
sự trợ giúp của khối quán tính trong bài toán ổn định bệ.


14
*)Nội dung chính của chương này được công bố ở công trình số khoa học
số [4].Nguyễn Tiến Kiệm, Phạm Thƣợng Cát , „Điều khiển tốc độ bệ pantilt-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 1415/12/2012, tr.787-794.
CHƢƠNG 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 đƣợc thực hiện thông qua hàm sai lệch giữa
đặc trƣng ảnh mong muốn ξ d  const và đặc trƣng ảnh thu đƣợc. Hàm sai
lệch này có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
e = (ξ - ξ )
d
Luật
điều
khiển

Động
cơ

Ro
bot

Came
ra

chấp

Hình 4.5. Sơ đồ điều khiển

xc

và xo lần lƣợt là tọa độ camera và tọa độ mục tiêu trong hệ tọa

độ Đề Các gắn với bệ rô bốt. Phƣơng trình động học của robot đƣợc mô tả
bởi phƣơng trình sau:


15
xc  p  q 

(4.8)

Đạo hàm theo thời gian của (4.8), ta đƣợc:
xc 

p q

 Jrq

q t

Phƣơng trình động lực học của robot và của cơ cấu chấp hành đƣợc
mô tả nhƣ sau:
τ  H  q  q  h  q,q 

Li  Ri  Kq  t E  u E

(4.9)

τ = KT i



ˆ GJˆ
K T R 1u E  H

(4.10)



1



ˆ GJˆ

zH



1



ˆ  hˆ  K R 1Kq 
GJq
T

ˆ GJˆ
K T R Li  (H  GJ )q  H
1



1 ˆ
ˆ
ψ = RK T
H GJ



 








1

(4.25)

1

GJq  h  R t E

1

ˆ GJˆ
f1  RKT1 (H  GJ )q  H

ˆ GJ
ˆ
γ = RK T1 -H



1

(4.26)
1

GJq  h   K T1t E  Li


(4.27)

ˆ h
ˆ   Kq
GJq




Kết hợp các phƣơng trình (4.25), (4.26), (4.27), (4.28) ta đƣợc phƣơng trình
mới sau: ψz  γ  f1  u E
4.2.3. Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron

uE  u0  u1

(4.29)


16

u0  ψ  K D z  K P z   γ

(4.30)

u1 là tín hiệu điều khiển để bù thành phần bất định, sẽ đƣợc định nghĩa sau.
Thay thế (4.30), (4.31) vào (4.29) ta đƣợc:

z  K D z  K P z  ψ 1 u1  f1  (4.31)
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
nơron nhƣ sau:

u  ψ  K D z  K P z   γ  u1

(4.41)


s 
u1   1   Wσ  

s 



(4.42)

W  sσT

(4.43)

Trong đó, K D = D + C, K P = DC; D là một ma trận xác định dƣơng
đối xứng D = DT > 0, và  ,   0 .
4.2.4. Kết quả mô phỏng hệ servo thị giác có mô hình động cơ trên
Matlab.
u[m]

DO THI DAC TRUNG ANH CUA CAMERA
0.2

0.15

0.1

0.05

0

-0.05
-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

v[m]


17
Hình 4.7. Đồ thị đặc trưng ảnh.
q[rad]

DO THI TOA DO KHOP CUA PAN TILT
1.5
1
0.5
q1
q2

0
-0.5
-1
-1.5
0

2

4

6

8

10

12

14

16

t[sec
]

Hình 4.8: đồ thị toạ độ khớp.
DO THI VAN TOC KHOP PAN TILT
4

[rad/s]

q1 dot
q2 dot

2

0

-2

-4

-6
0

2

4

6

8

10

12

14

16

t[sec]

Hình 4.9: đồ thị vận tốc khớp robot

uE [V]
DO THI DIEN AP CUA DONG CO TREN KHOP PAN TILT
4
DIEN AP KHOP 1
DIEN AP KHOP 2

3
2
1
0
-1

-2
-3
-4
0

2

4

6

8

10

12

14

16

t [sec]
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


18
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 đƣợc mục tiêu. Sai

số của hệ có điều khiển khi bám theo mục tiêu cho đặc trƣng ảnh nằm ở
chính giữa ảnh đã đạt đƣợc độ chính xác cao.
4.2.5. Kết luận phương pháp điều khiển đề xuất
Nội dung chính của chƣơng này tác giả đã trình bày về phƣơng
pháp xây dựng thuật toán điều khiển động cơ một chiều cho hệ visual
servoing bám đƣợc mục tiêu. Kết quả mô phỏng trên Matlab chứng tỏ thuật
toán đƣa 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
đƣợc triển khai trong thời gian tới. Các hƣớng nghiên cứu khi bệ pan/tilt
đặt trên các phƣơng tiện di động hoặc tầu thuỷ đang đƣợc 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
điều khiển học,V.31, N.3(2015), tr 255-265.
CHƢƠNG 5.
ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT THÍCH NGHI PHI TUYẾN NGĂN CHẶN SỰ
SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MÔ HÌNH BẤT
ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI
5.3 Mô hình động lực học của cánh tay rô bốt n-DOF cố định
Mô hình động lực học của cánh tay này nhƣ sau [58]

H  q  q  h  q, q  q  g  q   τd  τ, (5.1)
với q, q, q  R n lần lƣợt 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 hƣớng
tâm Coriolis. g  q  là véc tơ của các thành phần trọng lực. τ d là véc tơ


19
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
điều khiển.
Tính chất 1: H  q  là ma trận khả nghịch, xác định dƣơng, và bị
chặn:
(5.2)
H1 θ  θT H  q  θ  H 2 θ , với θ  R n
trong đó H1 , H 2 là các hằng số thực, dƣơng đã biết.
2

2

Tính chất 2: H  q   2h  q, q  là ma trận đối xứng lệch. Mặt khác,
chúng ta có thể viết lại

θT  H  q   2h  q, q  θ  0, với mọi θ  R n
5.4. Thiết kế luật điều khiển
Luật điều khiển đề xuất nhƣ sau:







ˆ  Γsig  s   d
ˆ,
τ  fˆ x, W

(5.20)

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





ˆ là đầu ra của RBFNN và đƣợc áp dụng để ƣớc lƣợng
thể sau. fˆ x, W
ˆ là giá trị ƣớc lƣợng của W và có thể đƣợc cập nhật trực
f  x  , còn W

tuyến bằng thuật toán điều chỉnh trọng số trực tuyến. Đặc biệt, biểu thức
ˆ đƣợc thể hiện nhƣ sau:
của fˆ x, W









ˆ W
ˆ Tσ  x  .
fˆ x, W

(5.21)

Thế (5.7), (5.20), và (5.21) vào (5.17) ta đƣợc


H  q  s  h  q, q  s  WTσ  d  Γsig  s   dˆ , (5.22)
ˆ .
trong đó d  ε  τd , W  W  W
Tiếp theo, thuật toán điều chỉnh trọng số online đƣợc đề xuất nhƣ

sau
ˆ  HσsT ,
W

với H là ma trận xác định dƣơng và có thể đƣợc chọn tùy ý.


20
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.

u
RBFNN
_

-

e
Mặt trƣợt

s

Bộ điều
khiển

Cánh
tay

robot
+

Thành phần
bền vững

Hình 5.2.Sơ đồ của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín
5.6. Mô phỏng phƣơng pháp điều khiển.

Hình 5.3. Hiệu suất bám của phương pháp TSMC đề xuất.


21

Hình 5.4. Hiệu suất bám của phương pháp SMC tuyến tính.
tien trinh bien thien e1 trong ca hai phuong phap
6

TSMC duoc de xuat
SMC tuyen tinh

sai lech bam e1 (rad)

Sai lech bam vi tri e1 (rad)

2
1
0
-1
-2
0

2

4
thoi gian (s)

6

x 10

e1 trong trang thai xac lap

TSMC duoc de xuat
SMC tuyen tinh

4
2
0
-2
-4
-6

-8

8

-3

4

6
8
thoi gian (s)

10

12

Hình 5.5. So sánh trong trạng thái ổn định giữa sai lệch bám tại khớp
nối 1của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC .
Tien trinh cua e2 trong ca 2 phuong phap
0

sai lech bam e2 (rad)

sai lech bam e2 (rad)

5

-0.5
-1

TSMC duoc de xuat
SMC tuyen tinh

x 10

-4

0
-5
-10
TSMC duoc de xuat
SMC tuyen tinh

-1.5
0

2

4
thoi gian (s)

6

8

e2 trong gian doan xac lap

-15

4

6

8
thoi gian (s)

10

12

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.