Điều khiển bám quỹ đạo cho xe tự hành sử dụng bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2

Bài viết đề xuất thuật toán điều khiển mờ loại 2 kết hợp với thích nghi cho xe tự hành để xử lý ma sát trượt và nhiễu ngoài. Cấu trúc điều khiển bao gồm hai mạch vòng động học và động lực học, tính ổn định cho từng mạch vòng điều khiển được chứng minh dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển bám quỹ đạo cho xe tự hành sử dụng bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO XE TỰ HÀNH SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ LOẠI 2 Phạm Thị Hương Sen1, 2, Hà Quốc Việt1, Vũ Thị Thúy Nga1*, Phan Xuân Minh1 Tóm tắt: Bài báo đề xuất thuật toán điều khiển mờ loại 2 kết hợp với thích nghi cho xe tự hành để xử lý ma sát trượt và nhiễu ngoài. Cấu trúc điều khiển bao gồm hai mạch vòng động học và động lực học, tính ổn định cho từng mạch vòng điều khiển được chứng minh dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov. Bộ điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng số trên nền Matlab- Simulink. Các kết quả mô phỏng cho thấy, hệ ổn định và có chất lượng bám tốt ngay cả khi tồn tại ma sát trượt và nhiễu không biết trước. Từ khóa: Mờ loại 2; Điều khiển thích nghi; Xe tự hành; Trượt bánh. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Xe tự hành (Wheeled Mobile Robot -WMR) là loại robot tự hành với kết cấu ba bánh đơn giản, có khả năng duy trì cân bằng tốt. WMR được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, các thiết bị vận chuyển dưới nước, sử dụng thay cho con người trong môi trường độc hại hoặc vận chuyển hàng hóa, tìm kiếm vật liệu cháy nổ. Điều khiển xe tự hành bám quỹ đạo vẫn luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khoa học, từ việc xây dựng mô hình động học xe đến việc thiết kế điều khiển. Nhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất như điều khiển trượt [1, 2]; điều khiển Backstepping [3, 4]; điều khiển thích nghi [5, 6], điều khiển thích nghi mờ [7]. Tuy nhiên, những phương pháp đã được công bố thường chỉ quan tâm đến bù sai lệch mô hình, nhiễu hằng hoặc một số hàm bất định trong mô hình mà chưa xem xét đến ma sát trượt bánh, loại ma sát thường xuất hiện ở các loại WMR. Trên thực tế, khi vận hành xe di chuyển vào những khúc cua hoặc khi di chuyển với tốc độ cao, trên mặt sàn trơn, có vật cản, sẽ xảy ra hiện tượng trượt bánh xe, ảnh hưởng đến tốc độ và vị trí của xe. Để khắc phục ảnh hưởng ma sát trượt có thể thực hiện bằng cách bù trực tiếp thông qua các thiết bị đo vận tốc và gia tốc trượt, hoặc bù gián tiếp. Gần đây, giải pháp bù gián tiếp qua bộ điều khiển đã có một số kết quả nghiên cứu công bố: như sử dụng bộ ước lượng nhiễu để ước lượng và bù ma sát trượt bánh [9]. Trong [10, 11], thành phần bất định, nhiễu và ma sát trượt bánh được ước lượng và bù dựa trên mạng nơ ron nhân tạo. Cho lớp mô hình hệ phi tuyến đa biến bất định thì theo nhóm tác giả Lin, Liu, Kuo hệ logic mờ luôn là công cụ thiết kế bộ điều khiển đơn giản và hiệu quả [12]. Sau đó, những nghiên cứu trong [13] đã kế thừa và phát triển bộ điều khiển thích nghi mờ nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển cho một lớp hệ bất định, chịu nhiễu tác động không biết trước. Với ảnh hưởng của hiện tượng ma sát trượt bánh xe và các thành phần nhiễu ngoài tác động không biết trước, nhóm tác giả đề xuất sử dụng hệ logic mờ loại 2 để thiết kế bộ điều khiển cho WMR, kết hợp với điều khiển thích nghi để chỉnh định tham số đầu ra của bộ mờ. Hơn nữa, để giảm ảnh hưởng sai số xấp xỉ của bộ mờ và nhiễu ngoài thì thành phần điều khiển bền vững H được thêm vào trong bộ điều khiển mạch vòng động lực học xe tự hành. Nội dung bài báo được trình bày trong 4 phần: giới thiệu chung, mô hình của WMR ba bánh, tổng hợp bộ điều khiển và phần cuối là mô phỏng kiểm chứng. 2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ĐỘNG LỰC HỌC 2.1. Mô hình động học Xét cơ cấu xe tự hành ba bánh, hai bánh đẩy phía sau và một bánh lái phía trước, được biểu diễn trong hình 1a. Với G là trọng tâm xe, M là điểm nằm giữa trục nối hai bánh sau có tọa độ ( xM , yM ) ,  là góc hướng của xe. Gọi F1 và F2 là lực dọc trục ở bánh xe bên phải và bên trái, F3 là tổng lực ma sát dọc trục bánh xe. Khoảng cách giữa hai bánh sau là 2b, r là bán kính của 24 P. T. H. Sen, …, P. X. Minh, “Điều khiển bám quỹ đạo … bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ mỗi bánh xe. a. b. Hình 1. a. Mô hình xe tự hành; b. Mô hình xe gắn trên tọa độ M bám mục tiêu Z. Vận tốc góc của động cơ bánh xe phải, trái lần lượt là R , L . Gọi  R ,  L là độ trượt dọc trục của bánh xe bên phải và bên trái, η là độ trượt ngang trục bánh xe. Vận tốc tuyến tính theo hướng vuông góc với trục nối hai bánh sau và vận tốc quay của xe là [11]:   r R  L  R L (1) 2 2   r R  L    R L     R   L  (2) 2b 2b 2b Phương trình chuyển động của xe khi có xét đến hiện tượng trượt bánh:  xG   cos   sin    yG   sin    cos (3)     Và điều kiện ràng buộc nonholonomic khi có xét đến hiện tượng trượt bánh xe:  R  rR  x cos  y sin   b   L  rL  x cos  y sin   b (4)    x sin   y cos ...