Điều khiển bám quỹ đạo đối tượng robot tự hành bằng thuật toán điều khiển trượt theo hàm mũ

Bài viết này đề xuất thuật toán điều khiển trượt theo hàm mũ, ứng dụng vào bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng mobile robot. Đây là một cách giải quyết mới cho vấn đề giảm rung (chattering) của điều khiển trượt. Bộ điều khiển trượt theo hàm mũ được xây dựng để giảm hiện tượng rung và đảm bảo chất lượng động học tốt ở chế độ xác lập cho mobile robot.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển bám quỹ đạo đối tượng robot tự hành bằng thuật toán điều khiển trượt theo hàm mũ Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO ĐỐI TƯỢNG ROBOT TỰ HÀNH BẰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THEO HÀM MŨ Hà Thị Kim Duyên 1*, Phạm Thị Thanh Huyền1, Trương Bích Liên1, Ngô Mạnh Tiến2*, Lê Việt Anh3, Nguyễn Mạnh Cường3 Tóm tắt: Bài báo này đề xuất thuật toán điều khiển trượt theo hàm mũ, ứng dụng vào bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho đối tượng mobile robot. Đây là một cách giải quyết mới cho vấn đề giảm rung (chattering) của điều khiển trượt. Bộ điều khiển trượt theo hàm mũ được xây dựng để giảm hiện tượng rung và đảm bảo chất lượng động học tốt ở chế độ xác lập cho mobile robot. Thuật toán này điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn trong khi giảm thiểu các giá trị sai lệch bám. Kết quả mô phỏng đạt được với sự so sánh giữa bộ điều khiển trượt theo hàm mũ và chế độ trượt thông thường. Từ khóa: Mobile Robot, Exponential Sliding Mode, Nonlinear Control, Tracking Control. Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa I 2 g.cm Mô men quán tính xe Robot m G Khối lượng xe Robot 1  2 Nm Mô men động cơ trái, phải  Hệ số lực ràng buộc Lagrange 2L Cm Chiều ngang của xe Robot r Cm Bán kính của bánh xe Robot Chữ viết tắt: ESM Exponential Sliding Mode SMC Sliding Mode Controller MR Mobile Robot 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Robot tự hành là một hệ Robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng dịch chuyển bằng bánh xe, xích hay bằng chân phụ thuộc vào địa hình. Khả năng di động làm Robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới và được tập trung nghiên cứu, phát triển nhằm tăng cường sự thích nghi và thông minh cho Robot. Những vấn đề nghiên cứu đang được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm cho lĩnh vực Robot tự hành là điều khiển thích nghi Robot bám theo quỹ đạo đặt trước mong muốn, đặc biệt là khi Robot có các tham số thay đổi và chịu tác động bởi các nhiễu tác động, các thuật toán điều khiển thông minh [2, 3, 4], backstepping [7], phương pháp tuyến tính hóa và thuật toán điều khiển trượt [6, 8]. Điều khiển trượt được sử dụng bởi tính bền vững, đáp ứng nhanh, luật điều khiển đơn giản, đặc tính quá độ tốt. Bộ điều khiển trượt có thể được ứng dụng cho một lớp rộng hệ thống phi tuyến với độ bền vững với các tham số bất định và các nhiễu tác động. Tuy nhiên, hạn chế của thuật toán SMC chính là hiện tượng chattering, là vấn đề đang rất được quan tâm. Ba thuật toán chính được đề xuất để loại bỏ và giảm thiểu hiện tượng đó trong SMC là: Sử dụng điều khiển bão hòa thay vì không liên tục, sử dụng bộ quan sát và sử dụng chế độ trượt bậc cao. Mục đích của bài báo này là đề xuất một thuật toán điều khiển trượt mới để giảm hiện tượng chattering với chế độ trượt theo hàm mũ. 2. MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG MOBILE ROBOT Một lớp rộng các hệ thống cơ non-holonomic được mô tả bởi dạng công thức động lực học sau dựa trên công thức Euler-Lagrange [2,7]: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 19  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông M (q)q  C (q, q )q  G (q)  B(q)  J T (q) (1) Với điều kiện ràng buộc non-holonomic là: J (q )q  0 Trong đó: + q là vector n chiều ứng với n các biến khớp, M(q) là ma trận đối xứng xác định dương cỡ n x n, C (q, q )q là thành phần mô-men Coriolis và hướng tâm, G(q) là n vectơ mô-men trọng lực, B(q) là ma trận chuyển đổi đầu vào cỡ n x r (r0 ở chế độ trượt cũng tương đương thì khi đó do >0 nên đa thức đặc tính là Hurwith nên dùng hàm Lyapunov sau để tìm cách khiến s->0 1 T V S S  V  S T S (15) 2 Để V có đạo hàm 0  V