Luận án Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng trong môi trường công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG 
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA 
---***--- 
NGUYỄN TRỌNG TRUNG 
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH QUA MẠNG 
TRONG MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP 
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 
MÃ SỐ: 9520203 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
TP Hồ Chí Minh - 2021
i 
 LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của 
riêng tác giả. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu 
nguồn gốc một cách rõ ràng. Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận 
án chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. 
Tác giả luận án 
Nghiên cứu sinh 
Nguyễn Trọng Trung 
ii 
LỜI CẢM ƠN 
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn: PGS. TS. 
Nguyễn Thanh Phương và TS. Trần Viết Thắng đã tận tình hướng dẫn tôi thực 
hiện các công trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. 
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của Viện 
Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và Phân Viện Nghiên cứu Điện tử, 
Tin học, Tự động hóa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho 
tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. 
Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Gia đình của tôi, những 
người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để 
hoàn thành tốt luận án này. 
iii 
MỤC LỤCS 
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii 
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vi 
DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG ........................................................ viii 
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... ix 
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... xii 
DANH MỤC KÍ HIỆU ...................................................................................... xiii 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỰ 
HÀNH QUA MẠNG ............................................................................................ 6 
1.1. Giới thiệu về hệ thống vật lí ảo cho hệ thống kho vận nội bộ trong môi 
trường công nghiệp ....................................................................................... 6 
1.2. Giới thiệu về hệ thống điều khiển qua mạng cho robot tự hành ................. 13 
1.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................. 13 
1.2.2. Hệ thống điều khiển robot tự hành qua mạng ................................. 20 
1.3. Các vấn đề cần giải quyết ........................................................................... 25 
1.4. Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 30 
1.4.1. Về hệ thống có thời gian trễ ............................................................ 30 
1.4.2. Về điều khiển robot tự hành có thời gian trễ .................................. 36 
1.5. Kết luận ....................................................................................................... 41 
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA ROBOT TỰ HÀNH TRONG SỰ 
ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TRỄ ............................................................. 43 
2.1. Mô tả hệ thống ............................................................................................ 43 
2.2. Mô hình động học của robot tự hành .......................................................... 46 
2.3. Mô hình động lực học của robot tự hành .................................................... 47 
2.4. Mô hình hóa thời gian trễ ............................................................................ 53 
iv 
2.5. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 57 
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO MONG 
MUỐN CHO ROBOT TỰ HÀNH VỚI TÍN HIỆU TRỄ ĐẦU VÀO .............. 59 
3.1. Thuật toán bám theo quỹ đạo mong muốn .................................................. 60 
3.2. Hệ thống tham chiếu của mô hình ổn định ................................................. 65 
3.3. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho hệ thống một ngõ 
vào – một ngõ ra. ......................................................................................... 71 
3.4. Bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu cho robot tự hành ...... 83 
3.5. Kết luận chương 3 ....................................................................................... 92 
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .................................................................................. 94 
4.1. Cấu trúc hệ thống ........................................................................................ 94 
4.1.1. Cấu hình điều khiển qua mạng ....................................................... 94 
4.1.2. Cấu trúc robot tự hành .................................................................... 95 
4.1.3. Cấu trúc trao đổi dữ liệu qua mạng................................................. 97 
4.2. Thiết lập mô phỏng ................................................................................... 100 
4.3. Kết quả mô phỏng trên Matlab ................................................................. 103 
4.3.1. Trường hợp 1 – Không có thời gian trễ ........................................ 103 
4.3.2. Trường hợp 2 – Thời gian trễ 0.01 giây ....................................... 108 
4.3.3. Trường hợp 3 – Thời gian trễ 0.05 giây ....................................... 112 
4.3.4. Trường hợp 4 – Thời gian trễ 0.1 giây.......................................... 115 
4.4. Thực nghiệm xác định thời gian trễ .......................................................... 120 
4.5. Kết quả thực nghiệm điều khiển robot tự hành ảo qua mạng ................... 124 
4.6. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 130 
Kết luận ............................................................................................................. 133 
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ TẠP CHÍ ............................................................... 137 
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ HỘI NGHỊ ............................................................ 138 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 139 
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 152 
A.1 Chương trình mô phỏng hệ thống tham chiếu .......................................... 152 
v 
A.2 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu 
cho hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra. ................................................... 154 
A.3 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu 
cho robot tự hành – Trường hợp không có thời gian trễ ........................... 160 
A.4 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu 
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 10ms ................................. 170 
A.5 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu 
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 50ms ................................. 180 
A.6 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển thích nghi theo hệ thống tham chiếu 
cho robot tự hành – Trường hợp thời gian trễ 100ms ............................... 189 
A.7 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng mạng ............................. 199 
A.8 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần 
nguồn ......................................................................................................... 201 
A.9 Chương trình phần mềm đo thời gian trễ ở tầng ứng dụng – Thành phần 
đích ............................................................................................................ 205 
A.10 Chương trình phần mềm mô phỏng động học/động lực học của robot tự 
hành ........................................................................................................... 208 
A.11 Chương trình phần mềm điều khiển và giao diện của bộ điều khiển trung 
tâm ............................................................................................................. 211 
vi 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 
AC Alternative current Dòng điện xoay chiều 
ACK Acknowledgement Hồi đáp 
AGV Automated guided vehicle Phương tiện tự hành 
CAN Controlled Area Network Mạng điều khiển nội bộ 
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access 
/ Collision Detection 
DC Direct current Dòng điện một chiều 
DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán 
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tải tập tin 
HMI Human machine interface Giao diện người - máy 
HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản 
HTTPS Hypertext Transfer Protocol 
Secure 
Giao thức truyền tải siêu văn bản 
bảo mật 
ID Identifier Mã định danh 
IMU Inertia measurement unit Thiết bị đo lường quán tính 
IP Internet protocol Giao thức mạng 
LAN Local Area Network Mạng giao tiếp nội bộ 
LQR Linear Quadratic Regulator 
MIMO Multi input multi output Hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ 
ra 
MRAC Model reference adaptive 
control 
Bộ điều khiển thích nghi theo mô 
hình tham chiếu chuẩn 
MQTT Message Queuing Telemetry 
Transport 
Giao thức truyền thông điệp theo mô 
hình cung cấp/thuê bao 
NCS Networked control system Hệ thống điều khiển qua mạng 
truyền thông 
NTP Network Time Protocol 
PC Personal computer Máy tính 
PI Proportional – Integral Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân 
PID Proportional – Integral – 
Derivative 
Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi 
phân 
PLC Programmable logic control Bộ điều khiển khả trình 
PWM Pulse Width modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung 
SISO Single input single output Hệ thống một ngõ vào một ngõ ra 
SYN Synchronous Đồng bộ 
RTS Request to send Yêu cầu để gửi 
RTT Round trip time Thời gian lặp vòng 
TCP Transmission Control 
vii 
Protocol 
UART Universal asynchronous 
receiver transmitter 
UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng 
UWB Ultra-wideband Công nghệ radio băng thông siêu 
rộng 
WIFI Wireless fidelity Tín hiệu truyền không dây 
viii 
DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG 
Khối lượng kilogram kg 
Chiều dài meter, millimeter m, mm 
Thời gian second, millisecond s, ms 
Vận tốc meter per second, round per minute m/s, rpm 
Tốc độ truyền bit per second bps 
Công suất Watt W 
Độ phân giải pulse per  ... ]])*sampling_time 
 else: 
 xi = xi_vector[:,[-2,-1]] - (varsigma + varsigma_dot) * 
sampling_time 
 xi_vector = np.append(xi_vector, xi, axis=1) 
 #Control input 
 u = np.dot(Theta_vector[:,[-2,-1]].T,Zc) 
 u_vector = np.append(u_vector,u,axis=1) 
 #Calculate Delta_u 
 if (len(u_vector)-2-p) >= 0: 
 delta_u = u_vector[:,[-1]] - u_vector[:,[-2-p]] 
 else: 
 delta_u = u_vector[:,[-1]] 
 delta_u_vector = np.append(delta_u_vector,delta_u, axis=1) 
 #----------------------------------------------------------- 
 txt_time_total.set(t_time_vector[-1]) 
 xs.append(xc) 
 ys.append(yc) 
 #Send to Broker 
 client.publish("ncsntt/command_v_a_l", u.item(0)) 
 client.publish("ncsntt/command_v_a_r", u.item(1)) 
 if start_flag == 1: 
 threading.Timer(sampling_time, controller).start() 
def Start_button(): 
 global start_flag 
 start_flag = 1 
 controller() 
216 
def Stop_button(): 
 global start_flag, t_time_vector, z_m_vector, z_d_vector 
 start_flag = 0 
 client.disconnect() 
 plt.figure(2) 
 plt.plot(t_time_vector, z_m_vector[0,:], '-b',label='z_m(1)') 
 plt.plot(t_time_vector, z_d_vector[0,:], '--r', label='z_d(1)') 
 plt.plot(t_time_vector, z_vector[0, :], '-.k', label='z_d(1)') 
 plt.xlabel('Thời gian (s)') 
 plt.ylabel('Đáp ứng động lực học') 
 plt.grid(color='k', linestyle='--', linewidth=1) 
 plt.legend(framealpha=1, frameon=True) 
 plt.figure(3) 
 plt.plot(t_time_vector, z_m_vector[1,:], '-b',label='z_m(2)') 
 plt.plot(t_time_vector, z_d_vector[1,:], '--r', label='z_d(2)') 
 plt.plot(t_time_vector, z_vector[1, :], '-.k', label='z_d(2)') 
 plt.xlabel('Thời gian (giây)') 
 plt.ylabel('Đáp ứng động lực học') 
 plt.grid(color='k', linestyle='--', linewidth=1) 
 plt.legend(framealpha=1, frameon=True) 
 plt.figure(4) 
 plt.plot(t_time_vector, xc_vector, '-b',label='x_c') 
 plt.plot(t_time_vector, xr_vector, '--r', label='x_r') 
 plt.xlabel('Thời gian (giây)') 
 plt.ylabel('Vị trí theo phương X') 
 plt.grid(color='k', linestyle='--', linewidth=1) 
 plt.legend(framealpha=1, frameon=True) 
 plt.figure(5) 
 plt.plot(t_time_vector, yc_vector, '-b',label='y_c') 
 plt.plot(t_time_vector, yr_vector, '--r', label='y_r') 
 plt.xlabel('Thời gian (giây)') 
 plt.ylabel('Vị trí theo phương Y') 
 plt.grid(color='k', linestyle='--', linewidth=1) 
 plt.legend(framealpha=1, frameon=True) 
 plt.figure(6) 
 plt.plot(t_time_vector, u_vector[0,:], '-b',label='u(1)') 
 plt.plot(t_time_vector, u_vector[1,:], '--r', label='u(2)') 
 plt.xlabel('Thời gian (giây)') 
 plt.ylabel('Tín hiệu điều khiển') 
 plt.grid(color='k', linestyle='--', linewidth=1) 
 plt.legend(framealpha=1, frameon=True) 
 plt.show() 
def update(i): 
 line.set_data(xs,ys) 
 return line, 
def MQTT_connect(): 
 global controller_start, xc, yc, theta 
 if controller_start == 0: 
 broker_address = txt_brokeraddress.get() 
 broker_port = int(txt_port.get()) 
 Output.insert(END, "connecting to broker\n") 
 client.connect(broker_address, port=broker_port, keepalive=60) 
 Output.insert(END, "Subscribing to ncsntt/xc\n") 
 client.subscribe("ncsntt/xc") 
 Output.insert(END, "Subscribing to ncsntt/yc\n") 
217 
 client.subscribe("ncsntt/yc") 
 Output.insert(END, "Subscribing to ncsntt/theta\n") 
 client.subscribe("ncsntt/theta") 
 Output.insert(END, "Subscribing to ncsntt/v\n") 
 client.subscribe("ncsntt/v") 
 Output.insert(END, "Subscribing to ncsntt/omega\n") 
 client.subscribe("ncsntt/omega") 
 pb_connect.config(text="Connecting...") 
 controller_start = 1 
 else: 
 controller_start = 0 
 pb_connect.config(text="Connect") 
 Output.delete(1.0, END) 
 client.disconnect() 
 client.loop_start() 
# ===================================================# 
def on_message(client, userdata, message): 
 global count, controller_start, xc, yc, theta, xs, ys, v, omega 
 msg = str(message.payload) 
 Input_txt.insert(END, message.topic + " = " + msg + "\n") 
 value = float(message.payload) 
 if message.topic == "ncsntt/xc": 
 xc = round(value, 3) 
 txt_xc.set(xc) 
 if message.topic == "ncsntt/yc": 
 yc = round(value, 3) 
 txt_yc.set(yc) 
 if message.topic == "ncsntt/theta": 
 theta = round(value, 3) 
 txt_theta.set(theta) 
 if message.topic == "ncsntt/v": 
 v = round(value, 3) 
 txt_v.set(v) 
 if message.topic == "ncsntt/omega": 
 omega = round(value, 3) 
 txt_omega.set(omega) 
 xs.append(xc) 
 ys.append(yc) 
#==========================================================================
============================================= 
window = Tk() 
window.geometry('1000x700') 
window.configure(bg='white') 
window.title('Central Controller @N. T. Trung - Source') 
window.resizable(0, 0) 
topFrame = Frame(window, width=200, height=800, background="white") 
topFrame.grid(row=0, column=0, sticky="NSEW") 
bottomFrame = Frame(window, width=1000, height=800, background="white") 
bottomFrame.grid(row=0, column=1, sticky="NSEW") 
# ROW 0 
===========================================================================
===================================== 
218 
Label(topFrame, text="Broker Address",font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=0, column=0, sticky="W") 
# 
txt_brokeraddress = StringVar() 
et_brokeraddress = Entry(topFrame, textvariable=txt_brokeraddress, font = 
('Times', 12), width=20) 
et_brokeraddress.grid(row=0, column=1, sticky="NSEW", columnspan=2) 
et_brokeraddress.insert(0, "broker.mqttdashboard.com") 
# ROW 1 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="Port",font = ('Times', 12), bg='white').grid(row=1, 
column=0, sticky="W") 
# 
txt_port = StringVar() 
et_port = Entry(topFrame, textvariable=txt_port, font = ('Times', 12), 
width=10) 
et_port.insert(0, "1883") 
et_port.grid(row=1, column=1, sticky="NSEW") 
# 
pb_connect = Button(topFrame, text='Connect',font = ('Times', 12), 
command=MQTT_connect, width=10) 
pb_connect.grid(row=1, column=2, sticky="NSEW") 
# ROW 2 
===========================================================================
===================================== 
Output = Text(topFrame, font = ('Times', 12), bg="white", width=30, 
height=5) 
Output.grid(row=2, column=0, columnspan=3, sticky="NSEW") 
# ROW 3 
===========================================================================
===================================== 
Input_txt = Text(topFrame, font = ('Times', 12), bg="white", width=30, 
height=5) 
Input_txt.grid(row=3, column=0, columnspan=3, sticky="NSEW") 
# ROW 4 
===========================================================================
===================================== 
pb_start = Button(topFrame, text='Start',font = ('Times', 12), 
command=Start_button, width=10) 
pb_start.grid(row=4, column=0, sticky="NSEW") 
# 
pb_stop = Button(topFrame, text='Stop',font = ('Times', 12), 
command=Stop_button, width=10) 
pb_stop.grid(row=4, column=1, sticky="NSEW") 
# ROW 5 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="xc (m)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=5, column=0, sticky=W) 
txt_xc = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_xc, font = ('Times', 12), bg='white', 
width=15).grid(row=5, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 6 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="yc (m)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=6, column=0, sticky=W) 
txt_yc = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_yc, font = ('Times', 12), bg='white', 
219 
width=15).grid(row=6, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 7 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="Theta (rad)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=7, column=0, sticky=W) 
txt_theta = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_theta, font = ('Times', 12), bg='white', 
width=15).grid(row=7, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 8 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="v (m/s)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=8, column=0, sticky=W) 
txt_v = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_v, font = ('Times', 12), bg='white', 
width=15).grid(row=8, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 9 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="omega (rad/s)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=9, column=0, sticky=W) 
txt_omega = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_omega, font = ('Times', 12), bg='white', 
width=15).grid(row=9, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 10 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="Time delay (s)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=10, column=0, sticky=W) 
txt_time_delay = StringVar() 
time_delay = Entry(topFrame, textvariable=txt_time_delay, font = ('Times', 
12), bg='white', width=15) 
time_delay.insert(0,"1") 
time_delay.grid(row=10, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 11 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="Sampling (s)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=11, column=0, sticky=W) 
txt_sampling = StringVar() 
sampling = Entry(topFrame, textvariable=txt_sampling, font = ('Times', 12), 
bg='white', width=15) 
sampling.insert(0,"0.1") 
sampling.grid(row=11, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
# ROW 12 
===========================================================================
===================================== 
Label(topFrame, text="Time total (s)", font = ('Times', 12), 
bg='white').grid(row=12, column=0, sticky=W) 
txt_time_total = StringVar() 
Entry(topFrame, textvariable=txt_time_total, font = ('Times', 12), 
bg='white', width=15).grid(row=12, column=1, columnspan=1, sticky=W) 
#==========================================================================
============================================ 
Output.insert(END, "creating new instance\n") 
client = mqtt.Client() # create new instance 
client.on_message = on_message # attach function to callback 
fig = plt.figure(figsize=[7, 7]) 
220 
ax = plt.axes(xlim=(-2, 2), ylim=(-2, 2)) 
plt.xlabel('X (m)') 
plt.ylabel('Y (m)') 
plt.grid(color ='k', linestyle='--', linewidth = 1) 
line, = ax.plot(xs, ys, 'b,-') 
# Set up plot to call animate() function periodically 
graph = FigureCanvasTkAgg(fig, master=bottomFrame) 
graph.get_tk_widget().grid() 
graph.draw() 
ani = animation.FuncAnimation(fig, update, interval=1, blit=True) 
window.mainloop()