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 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.
