Xây dựng thuật toán điều khiển hệ teleoperation (single master single slave)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ
TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

Thái Ngun – Năm 2020
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ
TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 8.52.02.16

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Ngọc Trung

Thái nguyên - Năm 2020
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Giáp Thị Nghi, tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán
điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” là do chính tơi thực
hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Đặng Ngọc Trung và các tài liệu tham khảo
đã trích dẫn. Nội dung trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực
và chưa được công bố trên bất cứ một cơng trình nào khác.

Thái Ngun, ngày 01 tháng 10 năm 2020
Tác giả luận văn

Giáp Thị Nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin được chân thành cảm
ơn đến Thầy TS. Đặng Ngọc Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng
luận văn đến quá trình viết và hồn thiện luận văn.
Cũng qua đây, tơi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy
giáo trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hồn thành luận
văn. Tơi cũng xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến các thầy cơ giáo, các
đồng nghiệp trong Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghiệp
Bắc Giang đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều
kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này.
Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực
bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn khơng tránh khỏi những sai sót.
Tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cơ để luận văn
này được hồn thiện hơn.
Tác giả luận văn

Giáp Thị Nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 9
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 12
2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 13
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 13
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 13
5. Kết quả .................................................................................................................. 14
6. Bố cục của luận văn ............................................................................................. 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA .................................. 16
1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation ............................................................. 16
1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation .......................................................................... 16
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation ................................. 17
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation ................................... 20
1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation ....................................................... 21
1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in
Teleoperation Systems) ............................................................................................. 23
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation .......... 23
1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation) ................................................ 25
1.4.1. Thám hiểm không gian.................................................................................... 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại ................................................................. 26
1.4.3 Phương tiện dưới nước ..................................................................................... 26
1.4.4 Kính thiên văn .................................................................................................. 27
1.4.5 Robot di động .................................................................................................. 27
1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thơng ................................................... 28
1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất
hướng giải quyết trong luận văn ............................................................................... 29
1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 30
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN
HỆ ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS ........................ 31
2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov ............................................................................... 31
2.1.1 Định nghĩa cơ bản ............................................................................................ 31
2.1.2 Tính ổn định Lyaponov .................................................................................... 32

2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu ................................................................................ 36
2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định .......................................................................... 39
2.4. Lý thuyết về thuật toán điều khiển phản hồi thụ động ....................................... 40
2.4.1. Khái niệm hệ phi tuyến thụ động .................................................................... 40
2.4.2. Những tính chất cơ bản của hệ thụ động ......................................................... 42
2.5. Động lực học Robot ........................................................................................... 43
2.5.1 Phương trình động lực học robot ..................................................................... 43
2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS........................................................................... 50
2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave ............................................... 52
2.5.4 Động lực học môi trường ................................................................................. 56
2.5.5 Độ trễ trên kênh truyền thơng .......................................................................... 59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS ................................................... 61
2.6.1 Mục tiêu điều khiển .......................................................................................... 61
2.6.2 Thiết kế điều khiển ........................................................................................... 62
2.7. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 68
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
TELEOPERATION SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG
THAY ĐỔI ............................................................................................................... 69
3.1 Phân tích tính ổn định của hệ Teleoperation SMSS............................................ 69
3.2 Mơ phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ........................................................... 74
3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS ............. 75
3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ....................................................... 89
3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 96
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
T

thời gian trễ trên kênh truyền thông

x(t )

trạng thái quỹ đạo tự do

Mi

ma trận quán tính xác định dương

Ci

ma trận criolit và lực hướng tâm

Ji

ma trận Jacobi

qi

góc quay khớp i

mi

khối lượng khâu i

li

chiều dài khâu i

i

mơmen qn tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i

ri

khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i

Fi

ngoại lực đặt tại khớp i

Bi

độ giảm chấn tại khớp i

τi

mômen đầu vào các Robot

Fop

lực tác động lên Master do người thao tác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Fe

phản lực từ môi trường lên Slave

Gi

véc tơ lực trọng trường

τ op

mômen lực tác động lên Master do người thao tác

τe

mômen phản lực từ môi trường lên Slave

q&i

véc tơ vận tốc góc khớp i

&

q&
i

véc tơ gia tốc góc khớp i

τ Ni

các thành phần nhiễu tác động lên các khớp

τˆNi

các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp

i

sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot

e

sai lệch quỹ đạo

Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt
M-M

Mơ hình Robot chủ

S-M

Mơ hình Robot tớ

BĐK

Bộ điều khiển

DPOS

Xử lý nhiễu Robot tớ

DPOM

Xử lý nhiễu Robot chủ

SDE

Ước lượng nhiễu Robot tớ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MDE

Ước lượng nhiễu Robot chủ

Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh
SMSS

Single Master Single Slave

SMMS

Single Master Multiple Slaves

MSMM

Multiple Masters Multiple Slaves

ISS

Input-to-state stability

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình1.1. Mơ hình hệ thống Teleoperation ........................................................... 16
Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương ................................................... 21
Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh. ................................................... 22
Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh. ................................................... 22
Hình 1.5 Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ song phương trong ứng dụng
khơng gian ............................................................................................................ 25
Hình 1.6. Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ trong môi trường nguy hiểm26
Hình 1.7. Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot ............................................. 27
Hình 2.1: Hệ hồi tiếp âm ...................................................................................... 42
Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm .................................................. 44
Hình 2.3 Mơmen qn trính độc cực ................................................................... 46
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS) . 50

Hình 2.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp ...................................................... 52
Hình 2.6 Mơ hình mơi trường .............................................................................. 57
Hình 2.7. Mơ hình thời gian trễ ............................................................................ 60
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của mơi trường lên Robot t64
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ ....... 66
Hình 2.10 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động .................... 67
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS ......................................... 70
Hình 3.2 Robot 2 bậc tự do dạng cánh tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang .......... 74
Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ SMSS trên Matlab Simulink . 77
Hình 3.4. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ (S-D-E)......................... 78

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.5. Khối xử lý nhiễu τe* tác động lên Robot tớ (DPOS)............................ 79
Hình 3.6. Khối Slave ............................................................................................ 80
Hình 3.7. Khối điều khiển Slave...........................................................................83
Hình 3.8. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ (M-D-E) .................... 81
Hình 3.9. Khối xử lý nhiễu τ Nm tác động lên Robot chủ (DPOM) ....................... 82
Hình 3.10. Khối điều khiển Master ...................................................................... 82
Hình 3.11. Khối Master ........................................................................................ 83
Hình 3.12. Khối người tác động trong hệ thống SMSS (Operator) ................... 85
Hình 3.13. Khối mơi trường trong hệ thống SMSS (Enviroment) ..................... 85
Hình 3.14. Khối thời gian trễ biến thiên .............................................................. 85
Hình 3.15. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng hình Sin ................................................... 86
Hình 3.16. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng hình Sin .................................................. 86
*
Hình 3.17. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi chưa bù nhiễu τe ................................. 87

*
Hình 3.18. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi khơng bù nhiễu τe .............................. 87
*
Hình 3.19. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe ..................................... 88

Hình 3.20. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu τe* ..................................... 88
Hình 3.21. Thành phần nhiễu τ e*1 dạng trơn ngẫu nhiên ....................................... 90
Hình 3.22. Thành phần nhiễu τ e* 2 dạng trơn ngẫu nhiên ...................................... 90
Hình 3.23. Thành phần nhiễu τ Nm1 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91
Hình 3.24. Thành phần nhiễu τ Nm 2 dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91
Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92
Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93
Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93
Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94
Hình 3.30. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94
Hình 3.31. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95
Hình 3.32. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay trong các lĩnh vực y học, quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu
khắc gỗ... có rất nhiều các cơng việc mà con người không thể trực tiếp làm được
nên cần phải sử dụng đến các robot để thay thế con người làm những cơng việc đó.
Robot nói chung và hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) nói riêng, giúp giải
phóng sức lao động cho con người và đảm bảo sự an tồn khi thao tác với các cơng
việc. 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. Các yếu tố nhiễu cũng như ảnh
hưởng của thời gian trễ trên kênh truyền thông dễ gây mất ổn định hệ thống. Tất cả
những yếu tố đó gây khó khăn 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 PID, điều khiển thụ động, điều khiển thụ động kết hợp Scattering,
điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[1], [5], [6], [7], [26]. Nhìn chung các nghiên
cứu trước đây đều đưa ra giải pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot
tớ hoàn toàn giống nhau do chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của
từng Robot trong hệ thống, đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp
ứng được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển đối với hệ thao tác từ xa. Cụ thể chưa
xét đến các ảnh hưởng đồng thời từ các yếu tố như: mơ 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vì vậy luận văn tập trung xây dựng thuật tốn 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.
Vì vậy, dưới sự định hướng của thầy hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Xây
dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperartion (Single Master Single Slave)” làm
đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và xây dựng bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ
(Teleoperation-SMSS), đảm bảo: 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.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là: 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 thay đổi.
Về phạm vi nghiên cứu: 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 cho hệ Teleoperation – SMSS, trong đó Robot chủ và Robot tớ có
cấu hình giống nhau.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu các cơng trình đã
cơng bố trong và ngoài nước trên thế giới, kết hợp nghiên cứu lý thuyết về điều
khiển phi tuyến nhằm tìm ra thuật toán mới điều khiển hệ Teleoperation SMSS.
Kiểm chứng kết quả bằng mơ phỏng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

5. Kết quả
- Trình bày được 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.
- Đề xuất được cấu trúc điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ và
chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định đáp ứng các yêu cầu đặt
ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu thay đổi từ bên ngoài và tồn tại
hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham
khảo. Bố cục được trình bày như sau:
Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu
chính.
Chương 1. Tổng quan về hệ thao tác từ xa (Teleoperation)
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
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 của các phân hệ Robot trong
hệ thao tác từ xa một chủ một tớ.
Chương 2. Xây dựng thuật toán điều khiển cho từng phân hệ Robot
trong hệ thống Teleoperation SMSS
Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho các phân hệ Robot trong 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 mơi trường lên Robot, từ đó làm cơ sở tổng

hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu cho từng phân hệ Robot. Thơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




qua chứng minh chặt chẽ cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều
khiển của từng phân hệ Robot.
Chương 3. Tổng hợp cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS với
trễ trên kênh truyền thông thay đổi
Trên cơ sở đã thu được cấu trúc điều khiển từng phân hệ Robot độc lập, tổng
hợp hệ thống Teleoperation SMSS với trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đảm bảo
hệ thống ổn định thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật của hệ Teleoperation. Thông qua
kết quả mô phỏng trên Matlab simulink sẽ kiểm chứng được tính đúng đắn của
thuật toán điều khiển cũng như cấu trúc điều khiển đã được đề xuất.
Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng phát triển tiếp
theo của đề tài.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA
1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation
1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation [1]
Teleoperation là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa.
Giống như một hệ thống “điều khiển từ xa”. Teleoperation bao gồm một hệ thống
chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống phụ thuộc gọi là “Slave”. Ở đây tín hiệu

điều khiển được gửi đến hệ “Slave” thơng qua hệ “Master”.
Hệ Teleoperation có thể được điều khiển theo kiểu hệ hở hoặc hệ kín. Trong
hệ hở, khơng có tín hiệu phản hồi từ hệ “Slave” về hệ “Master”[1]. Trong hệ kín, tín
hiệu phản hồi được truyền ngược từ hệ “Slave” về hệ “Master”, 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 làm việc trong hệ
[2].
Trên hình 1.1 biểu diễn mơ hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation có
phản hồi.
Người thao tác

Mơi trường làm
việc
Trễ T

Trễ T
Master và Bộ điều
khiển Master

Kênh truyền thơng

1

Slave và Bộ điều
khiển Slave

Hình1.1. Mơ hình hệ thống Teleoperation

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Trong Teleoperation này, Robot Master (nhận thao tác từ con người và đóng
vai trị điều khiển) và các robot Slave (nhận lệnh điều khiển từ Master và thao tác
công việc với mơi trường) ngồi ra để trao đổi thơng tin cịn có hệ thống truyền
thơng (Communication chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua
hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây wireless…) thực hiện nhiệm vụ
truyền thông tin giữa hai phía. Q trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot
slave có hiện tượng trễ trong kênh truyền thơng. Trễ trong hệ thống vịng kín có thể
làm mất tính ổn định và làm sai việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm
tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation. Vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý
tính tốn ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thơng gây ra. Ngồi 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
thơng 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
thơng qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và
thơng qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau đó gửi tín hiệu
điều khiển sang Robot tớ. Nếu khơng thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy
hiểm khi thực hiện các tác vụ. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó
khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation. Thơng qua hệ
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 rô bốt, hệ thống 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).
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation
Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập

niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các
thuật toán điều khiển liên quan. 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.
Những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm
đến sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề
trễ gây ra [8]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ
Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mơ
hình nội. 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 [8], [9] kết Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ
nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến 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 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 quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất
lượng và tính ổn định của hệ thống [10]. 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. 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:
Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, 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 mơi trường
khơng thật sự thỏa mãn [8].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 chưa quan tâm đến điều khiển lực [11].
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 [12].
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 tốn ổn định, điều khiển cả
vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [13].
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 [14]. Tác giả Nuno cùng các cộng sự [17] 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 khơng sử dụng phương pháp đo lực. Tuy nhiên
các hệ thao tác từ xa theo phương pháp đó vẫn chưa có tính kháng nhiễu tốt.
Trong [16] đề xuất bộ điều khiển thích nghi để hạn chế bớt ảnh hưởng khơng
tốt của tính phi tuyến bất định,. Tuy vậy các cơng trình này hầu như khơng bàn đến
trễ kênh truyền thơng [18] hoặc có xét đến trễ (T300ms) nhưng chất lượng điều

khiển quỹ đạo còn hạn chế [16]. Trong [19] đã giới thiệu bộ điều khiển được tổng
hợp dựa trên LMI áp dụng cho hệ thao tác từ xa. Tuy bộ điều khiển này có thể làm
cho hệ ổn định khi tồn tại thời gian trễ và bất định, song mơ hình động học của hệ
được sử dụng trong q trình thiết kế bộ điều khiển là mơ hình tuyến tính. Vì vậy
khi áp dụng vào thực tế cho các Teleoperation, bộ điều khiển nói trên sẽ khơng phát
huy được hiệu quả tốt, bởi các hệ Teleoperation là các hệ phi tuyến mạnh.
Liên quan đến sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và mạng nơ ron cho các
hệ Teleoperation là cơng trình của Zhijun Li và cộng sự [20]. Luật điều khiển thích
nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên của thời gian trễ trên kênh truyền
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




thơng, 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. Để tạo ra khả năng kháng nhiễu, đặc biệt là các nhiễu bất
định, không đo được vấn đề 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 [20]. Tuy nhiên bộ quan
sát này chỉ áp dụng được cho trường hợp Robot chỉ có một bậc tự do (DOF), trong
đó mơ hình động học đã được tuyến tính hóa.
Chiến lược điều khiển tách hai kênh vị trí và lực dựa trên bộ nhận dạng nhiễu
đã được nhóm tác giả T. Nozaki, T. Mizoguchi và K. Ohnishi đề xuất (2014) [21].
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 mơi trường bên ngồi tác động lên
hệ thống chưa được nhận dạng và không được bù trừ.
Trong nghiên cứu gần đây nhất năm 2019 [22] các tác giả đã tìm đến giải
pháp điều khiển trượt, tuy nhiên với cách thức sử dụng mặt trượt như một biến phụ
để hạ bậc phương trình động lực của robot, đồng thời sử dụng thuật toán ước lượng
nhiễu bất định ảnh hưởng đến hệ thống. Với phương pháp điều khiển này thì thuật

tốn sử dụng khá phức tạp gây hiệu ứng trễ không mong muốn đến hệ thống.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation
Nhìn chung các nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation nói chung và hệ
Teleoperation SMSS nói riêng cho đến nay vẫn cịn 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 [1], [3].
Teleoperation đến nay vẫn là một lĩnh vực vẫn còn nhiều điều mới mẻ cho
nhiều học thuyết khám phá và ứng dụng ở Việt Nam. Mà ở đó tập trung chủ yếu vào
điều khiển vị trí gắn với các vấn đề như nhiễu môi trường, trễ truyền thông và mất
mát thông tin trong q trình điều khiển.
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 ngồi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




nước 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.
1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation
Cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, số lượng kênh truyền thơng
cũng ngày một được cải tiến nâng lên có thể là hai kênh, ba kênh, hoặc bốn kênh
[23]. Số lượng kênh truyền thông phụ thuộc vào số lượng và loại tín hiệu cần truyền
đạt qua lại từ hai phía Robot chủ và Robot tớ mà mỗi bài toán điều khiển hệ
Teleoperation yêu cầu đặt ra tương ứng, nhưng nhìn chung tối thiểu là hai kênh.


Cấu trúc điều khiển hai kênh (Two-Channel Architecture): Trong cấu trúc
này loại tín hiệu được gửi từ Robot chủ tới Robot tớ và ngược lại thường là
lực hoặc vị trí. Có một số giải pháp cho cấu trúc hai kênh điều khiển như sau:

-

Cấu trúc điều khiển vị trí – vị trí (Position-Position Control Architecture):
Trong cấu trúc này tín hiệu từ hai phía Robot chủ và Robot tớ gửi đến nhau
là tín hiệu vị trí, cấu trúc này lần đầu tiên được Goertz sử dụng vào những
năm của thập niên 1950 [23].

-

Cấu trúc điều khiển lực – vị trí (Force-Position Control Architecture):
Trường hợp này thì chỉ duy nhất lực tương tác giữa Robot tớ với mơi trường
được truyền về Robot chủ và phía Robot tớ nhận tín hiệu vị trí từ Robot chủ
gửi đến [24].

Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương.

-

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Cấu trúc này lần đầu tiên được đề xuất bởi Kazerooni, Tsay và Hollerbach
[25]. 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 khơng cao.

Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh.


Cấu trúc điều khiển bốn kênh (Four-Channel Architecture):
Yokokohji và Yoshikava [27] nhận thấy rằng để đạt được tính chính xác và

kịp thời đó thì trong các mạch vịng 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.

Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in
Teleoperation Systems)
Một hệ Teleoperation được gọi là chất lượng cao nếu đảm bảo được tính
chính xác và đồng nhất về các yếu tố: đồng biên, đồng dạng cho tất cả các loại tín
hiệu như: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực…gửi từ Robot chủ đến Robot tớ và ngược lại.
Khi mà hệ Teleoperation thỏa mãn được tất cả các yếu tố trên thì sẽ đảm bảo được
bài tốn 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 [26]. 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):
Trễ trên kênh truyền thông là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng

trực tiếp đến tính ổn định và chất lượng của hệ thống [28]. Trong một số nghiên cứu
trễ truyền thông được xem như là nhiễu tác động lên hệ thống [13], tuy nhiên điều
đó khơng 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 là hằng số và mỗi kênh đảm nhiệm việc truyền
một tín hiệu điều khiển thì khơng làm thay đổi về dạng của tín hiệu, nhưng lại làm
cho đáp ứng từ phía Robot chủ tới Robot tớ khơng cịn kịp thời và ảnh hưởng đến
bài toán điều khiển quỹ đạo, khiến cho quỹ đạo giữa Robot chủ và Robot tớ khơng
cịn đồng nhất.
Trường hợp thời gian trễ trên kênh truyền thông thay đổi hoặc chỉ có một
kênh truyền thơng duy nhất dùng chung cho nhiều tín hiệu điều khiển cùng lúc thì
khi đó bài tốn giải quyết về trễ trên kênh truyền thơng khơng đơn giản. Chỉ với
khoảng thời gian 50ms có thể làm cho hệ thống mất ổn định và mất khả năng cảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN