Tổng quan luận án

Đề tài luận án tiến sĩ "Ứng dụng điều khiển thích nghi hệ thiếu cơ cấu chấp hành cho xe tự hành ba bánh" do nghiên cứu sinh Phạm Thị Hương Sen thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (mã số: 9520216), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Vũ Thị Thúy Nga và GS.TS. Phan Xuân Minh. Luận án được hoàn thành và bảo vệ vào năm 2021.

Hệ thống điện cơ thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated Mechanical Systems - UMS) là lớp hệ thống có số lượng tín hiệu điều khiển đầu vào ít hơn số bậc tự do cần điều khiển ở đầu ra. Trong thực tế công nghiệp và đời sống, cấu trúc thiếu cơ cấu chấp hành được áp dụng nhằm giảm thiểu trọng lượng, hạ giá thành chế tạo, giảm mức tiêu hao năng lượng, hoặc xuất hiện khi có cơ cấu chấp hành bị lỗi. Đối tượng xe tự hành ba bánh (Wheeled Mobile Robot - WMR) với hai bánh chủ động phía sau và một bánh tự lựa dẫn hướng phía trước là một đối tượng tiêu biểu thuộc lớp hệ thống UMS phi tuyến có ràng buộc không tích phân được (non-holonomic). Góc hướng của xe không có cơ cấu chấp hành tác động trực tiếp mà phải điều khiển thông qua sự chênh lệch vận tốc của hai bánh xe chủ động.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: khi xe tự hành di chuyển ở tốc độ cao hoặc trên các bề mặt sàn trơn ướt, hiện tượng ma sát trượt bánh xe (gồm trượt dọc và trượt ngang) và các yếu tố bất định tham số (khối lượng, mômen quán tính), cùng với nhiễu tác động từ môi trường bên ngoài làm suy giảm chất lượng bám quỹ đạo. Việc thiết kế các thuật toán điều khiển thích nghi bù trừ trực tiếp và gián tiếp các thành phần bất định, ma sát trượt và nhiễu ngoài trên mô hình động lực học và động học vẫn là một bài toán điều khiển phi tuyến phức tạp.

Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng các bộ điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh nhằm bám quỹ đạo đặt trước và khắc phục các thành phần nhiễu cũng như ma sát trượt tác động vào hệ thống. Để đạt được mục đích này, luận án xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết lập mô hình toán học xe tự hành ba bánh, nghiên cứu tổng hợp các phương pháp điều khiển xe tự hành đã công bố trong và ngoài nước.
  2. Biến đổi mô hình toán học của WMR đưa về dạng biểu diễn phù hợp với phương pháp tổng hợp bộ điều khiển được lựa chọn.
  3. Đề xuất cấu trúc điều khiển mới cho xe tự hành trong điều kiện làm việc có thông số mô hình thay đổi.
  4. Đưa ra thuật toán điều khiển thích nghi bám quỹ đạo cho xe tự hành trong điều kiện làm việc có thông số mô hình thay đổi, chịu sự tác động của nhiễu và ma sát trượt bánh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Xe tự hành ba bánh gồm hai bánh chủ động phía sau điều khiển độc lập bởi hai động cơ và một bánh tự lựa phía trước, mô tả bằng hệ phương trình động học và động lực học phi tuyến, có ràng buộc non-holonomic và chịu tác động của nhiễu, ma sát trượt.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung xây dựng mô hình toán học của xe; đề xuất bộ điều khiển bám trong trường hợp nhiễu biên độ nhỏ; đề xuất các bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo có bù trừ ma sát trượt bánh; đánh giá kiểm chứng thuật toán thông qua phương pháp mô phỏng số.
Thông tin tổng quan Nội dung chi tiết
Tên luận án Ứng dụng điều khiển thích nghi hệ thiếu cơ cấu chấp hành cho xe tự hành ba bánh
Tác giả Phạm Thị Hương Sen
Người hướng dẫn 1. TS. Vũ Thị Thúy Nga; 2. GS.TS. Phan Xuân Minh
Cơ sở đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số chuyên ngành 9520216
Năm bảo vệ 2021
Cấu trúc luận án Mở đầu, 4 Chương nội dung, Kết luận, 8 Công trình đã công bố, 87 Tài liệu tham khảo

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển xe tự hành bánh xe trong nước và quốc tế:

Các nghiên cứu trong nước

  • Tác giả Ngô Mạnh Tiến (2014) nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, tích hợp camera và phần mềm xử lý ảnh để nhận dạng và bám mục tiêu, tuy nhiên chưa xét đến ảnh hưởng của nhiễu và thành phần trượt bánh xe.
  • Tác giả Nguyễn Tấn Lũy (2017) áp dụng giải thuật học củng cố trong điều khiển thích nghi bền vững cho xe tự hành.
  • Tác giả Nguyễn Văn Tính (2018) đề xuất bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ-ron để ước lượng các thành phần nhiễu bất định và hiện tượng trượt bánh xe, song phương pháp này đòi hỏi khối lượng tính toán lớn.

Các nghiên cứu quốc tế

  • Phương pháp điều khiển truyền thống: Tuyến tính hóa phản hồi và phương pháp thiết kế dựa trên hàm điều khiển Lyapunov cho mạch vòng động học được nghiên cứu bởi Kanayama et al. và D. Huang et al.
  • Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Jung-Min Yang và Jong-Hwan Kim (1999), cùng các công trình tiếp theo ứng dụng SMC trên mô hình động lực học nhằm tăng tính bền vững nhưng thường gặp hiện tượng chattering (dao động tần số cao quanh mặt trượt).
  • Phương pháp điều khiển thích nghi: Nhóm tác giả Farzad Pourboghrat và Mattias P. Carlson (2000) xây dựng luật điều khiển thích nghi tham số khối lượng và mômen quán tính; Fukao T. et al. (2000) thiết kế bộ điều khiển thích nghi khi bán kính bánh xe và khoảng cách giữa hai bánh xe không xác định chính xác.
  • Mô hình hóa và xử lý ma sát trượt bánh (skidding and slipping): Danwei Wang và Chang Boon Low (2008) là những người đầu tiên đưa thành phần ma sát trượt dọc và trượt ngang vào mô hình động học và động lực học của xe tự hành ba bánh. Để xử lý hiện tượng trượt bánh, hai hướng tiếp cận chính được phát triển: (1) Bù trực tiếp qua cảm biến đo vận tốc/gia tốc trượt; (2) Bù gián tiếp thông qua bộ điều khiển như chuỗi nghiên cứu của S. Yoo (2010–2017), M. Chen (2014), và các bộ ước lượng nhiễu.
  • Phương pháp điều khiển thông minh kết hợp: S. Yoo (2010) và nhóm tác giả năm 2017 dùng mạng nơ-ron xấp xỉ ma sát trượt và dải chết mômen; T. Kar et al. (2006) và Peng et al. (2016) sử dụng logic mờ thích nghi (Adaptive Fuzzy Logic System) để xấp xỉ các thành phần phi tuyến khi không sử dụng thiết bị đo tốc độ.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án định vị để giải quyết là: xây dựng cấu trúc điều khiển một mạch vòng dựa trên kỹ thuật trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Control - HSMC) kết hợp backstepping và chỉnh định mờ Sugeno; xây dựng cấu trúc hai mạch vòng tích hợp cơ cấu ước lượng nhiễu phi tuyến (NDOB) cho cả vòng trong và vòng ngoài; ứng dụng hệ mờ loại 2 (Interval Type-2 Fuzzy Logic System) kết hợp luật thích nghi để triệt tiêu ảnh hưởng của ma sát trượt bánh xe và nhiễu hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Mô hình động lực học Euler-Lagrange: Thiết lập phương trình chuyển động tổng quát cho hệ cơ điện thiếu cơ cấu chấp hành có ràng buộc non-holonomic dưới dạng: $$M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + g(q) = E(q)u + \tau_d(t) + A^T(q)\lambda$$ với $A(q)\dot{q} = 0$.
  • Kỹ thuật Backstepping (Điều khiển truyền ngược): Áp dụng cho các hệ thống phi tuyến biểu diễn dưới dạng truyền ngược bậc $n$, thông qua việc đặt các biến trạng thái sai lệch ảo và lựa chọn các hàm Lyapunov trung gian từng bước để xác định luật điều khiển ổn định toàn hệ thống.
  • Kỹ thuật điều khiển trượt tầng (HSMC): Phân chia đối tượng một đầu vào nhiều đầu ra (SIMO) thành các hệ con, xây dựng các mặt trượt thành phần $S_1, s_2$, sau đó tổng hợp thành mặt trượt cấp cao $S_2 = \alpha_1 S_1 + \alpha_2 s_2$ để suy ra tín hiệu điều khiển chung.
  • Lý thuyết hệ logic mờ (Fuzzy Logic System - FLS): Sử dụng hệ mờ Sugeno để chỉnh định trực tuyến tham số của bộ điều khiển trượt tầng; sử dụng hệ logic mờ khoảng loại 2 (Interval Type-2 FLS) với hàm liên thuộc Gauss để xấp xỉ các hàm phi tuyến bất định và ma sát trượt bánh xe.
  • Lý thuyết ổn định Lyapunov: Sử dụng các hàm Lyapunov toàn phương để phân tích và chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống kín trong tất cả các cấu trúc điều khiển đề xuất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nghiên cứu lý thuyết giải tích: Xây dựng mô hình toán học động học và động lực học của xe tự hành ba bánh (cả trường hợp lý tưởng và trường hợp có xét đến độ trượt dọc $\mu_R, \mu_L$ cùng độ trượt ngang $\eta$); thiết kế các thuật toán điều khiển phi tuyến, thích nghi, mờ và chứng minh toán học tính ổn định hệ kín theo Lyapunov.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá chất lượng bám quỹ đạo (quỹ đạo đường tròn, quỹ đạo hình sin) dưới tác động của các kịch bản nhiễu (nhiễu điều hòa, nhiễu xung) và sự thay đổi tham số mô hình (khối lượng, mômen quán tính).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thiếu cơ cấu chấp hành và xe tự hành

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về hệ thống điện cơ thiếu cơ cấu chấp hành (UMS), phân loại hệ thống có ràng buộc non-holonomic và không có ràng buộc (như cơ cấu Pendubot hai bậc tự do). Tác giả tiến hành thiết lập hai mô hình toán học cho xe tự hành ba bánh:

  1. Mô hình toán học lý tưởng: Xe gồm 2 bánh chủ động phía sau bán kính $r$, khoảng cách hai bánh là $2b$, tâm khối $G$ cách điểm giữa trục sau $M$ một khoảng $a$. Vận tốc dài $v = r(\omega_R + \omega_L)/2$ và vận tốc góc $\omega = r(\omega_R - \omega_L)/(2b)$. Ràng buộc non-holonomic không trượt: $\dot{x}\sin\theta - \dot{y}\cos\theta - a\dot{\theta} = 0$. Mô hình động lực học rút gọn khi $a = 0$ có dạng: $$\ddot{x} = \dot{y}\dot{\theta} + b_1 u_1 \cos\theta, \quad \ddot{y} = -\dot{x}\dot{\theta} + b_1 u_1 \sin\theta, \quad \ddot{\theta} = b_2 u_2$$ với $b_1 = 1/(rm)$, $b_2 = b/(rI)$, $u_1 = \tau_R + \tau_L$, $u_2 = \tau_R - \tau_L$.
  2. Mô hình toán học khi xét đến ma sát trượt bánh: Đưa độ trượt dọc của hai bánh xe $\mu_R, \mu_L$ và độ trượt ngang $\eta$ vào phương trình động học và phương trình động lực học Lagrange loại 2 dạng ma trận: $$M_2(q)\ddot{q} + C_2(q,\dot{q})\dot{q} = E_2\tau + A_2^T(q)\lambda$$ Chương này cũng tổng thuật chi tiết các phương pháp điều khiển xe tự hành: tuyến tính hóa phản hồi, thiết kế dựa trên hàm Lyapunov, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, thích nghi nơ-ron và thích nghi mờ.

Chương 2: Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ cấu trúc một mạch vòng

Chương 2 đề xuất một cấu trúc điều khiển một mạch vòng mới cho xe tự hành ba bánh (khi $a=0$) trong điều kiện tham số bất định, chưa xét đến nhiễu ngoài:

  • Phân tách mô hình thành hai hệ con:
    • Hệ con 1 (SIMO): Tín hiệu vào $u_1$, hai đầu ra $x, y$. Thiết kế bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) với các mặt trượt thành phần $S_1 = c_1 e_1 + \dot{e}_x$ (với $e_1 = x - x_r$), $s_2 = c_2 e_3 + \dot{e}_y$ (với $e_3 = y - y_r$) và mặt trượt tổng hợp $S_2 = \alpha_1 S_1 + \alpha_2 s_2$. Thay thế hàm dấu $\text{sgn}(S_2)$ bằng hàm bão hòa $\text{sat}(S_2)$ để triệt tiêu hiện tượng chattering. Tích hợp bộ chỉnh định mờ Sugeno để điều chỉnh trực tuyến các hệ số của luật điều khiển.
    • Hệ con 2 (SISO): Tín hiệu vào $u_2$, điều khiển góc hướng $\theta$ bám góc hướng đặt $\theta_r$ thông qua kỹ thuật backstepping với các biến trạng thái sai lệch $z_1 = \theta - \theta_r$ và $z_2 = \dot{\theta} - \alpha_1$.
  • Phát biểu và chứng minh định lý ổn định: Toàn bộ hệ kín ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov với hàm Lyapunov tổng: $$V = V_1 + V_2 = \frac{1}{2}z_1^2 + \frac{1}{2}z_2^2 + \frac{1}{2}S_2^2$$ đảm bảo đạo hàm $\dot{V} \le 0$.
  • Kết quả mô phỏng: Xe bám tốt quỹ đạo hình sin và quỹ đạo tròn. Khi thông số khối lượng $m$ và mômen quán tính $I$ thay đổi, hoặc khi có nhiễu sin và nhiễu xung tác động (từ giây thứ 30 đến 31), bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ duy trì sai số bám nhỏ hơn và thời gian xác lập nhanh hơn so với bộ điều khiển trượt thông thường.

Chương 3: Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi dựa trên ước lượng nhiễu cấu trúc hai mạch vòng

Chương 3 giải quyết bài toán điều khiển WMR khi có nhiễu đầu vào tác động lên cả mô hình động học và động lực học bằng cấu trúc hai mạch vòng:

  • Cấu trúc hai mạch vòng:
    • Mạch vòng ngoài (động học): Thiết kế bộ điều khiển tạo tín hiệu vận tốc đặt $v_c, \omega_c$ cho mạch vòng trong.
    • Mạch vòng trong (động lực học): Thiết kế bộ điều khiển mômen $\tau$ đảm bảo vận tốc thực tế $v, \omega$ bám theo $v_c, \omega_c$.
  • Cơ cấu ước lượng nhiễu phi tuyến (NDOB) và luật thích nghi: Xây dựng cơ cấu ước lượng trực tuyến các thành phần bất định và nhiễu tác động $d_1, d_2$ ở mạch vòng trong và mạch vòng ngoài.
  • Chứng minh tính ổn định: Chứng minh hệ kín ổn định theo Lyapunov, các sai lệch vị trí và sai lệch vận tốc hội tụ về lân cận điểm cân bằng.
  • Kết quả mô phỏng: Nhận dạng chính xác thành phần nhiễu $d_1, d_2$; đặc tính tọa độ $x, y$ và góc hướng $\theta$ bám sát tín hiệu đặt; sai lệch vị trí $e_x, e_y$ và sai lệch tốc độ nhỏ hơn khi so sánh với bộ điều khiển của tài liệu tham khảo số [46].

Chương 4: Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 cấu trúc hai mạch vòng

Chương 4 hoàn thiện thuật toán điều khiển cho xe tự hành khi mô hình động học và động lực học có xét đến đầy đủ các yếu tố ma sát trượt bánh xe ($\mu_R, \mu_L, \eta$) và nhiễu môi trường:

  • Lý thuyết hệ mờ loại 2: Sử dụng tập mờ loại 2 với hàm liên thuộc Gauss có độ rộng không chắc chắn, áp dụng giải thuật suy diễn và giảm loại (type-reduction) để nâng cao khả năng chống chịu nhiễu bất định so với hệ mờ loại 1.
  • Thiết kế bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2: Sử dụng hệ logic mờ loại 2 để xấp xỉ các thành phần phi tuyến chưa biết phát sinh do ma sát trượt bánh; kết hợp luật thích nghi cập nhật trực tuyến các tham số đầu ra của bộ mờ nhằm bù ma sát trượt và nhiễu tác động.
  • Chứng minh tính ổn định: Xác lập hàm Lyapunov cho hệ thống hai mạch vòng và chứng minh hệ thống kín ổn định tiệm cận.
  • Kết quả mô phỏng: So sánh hiệu năng giữa bộ điều khiển mờ loại 1 và mờ loại 2 khi bám quỹ đạo tròn. Kết quả cho thấy bộ điều khiển mờ loại 2 giúp giảm biên độ sai số vị trí theo phương $X$ và phương $Y$, đồng thời đường đặc tính tốc độ bánh xe phải và bánh xe trái êm hơn, hạn chế dao động.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Đề xuất cấu trúc điều khiển trượt tầng backstepping một mạch vòng cho hệ xe tự hành ba bánh thiếu cơ cấu chấp hành; kết hợp luật chỉnh định mờ Sugeno và hàm bão hòa để khắc phục hiện tượng chattering của phương pháp trượt truyền thống; thiết lập và chứng minh định lý ổn định tiệm cận hệ kín theo hàm Lyapunov.
  2. Xây dựng cấu trúc điều khiển thích nghi hai mạch vòng tích hợp bộ ước lượng nhiễu phi tuyến (NDOB) cho cả mạch vòng động học và động lực học, cho phép ước lượng và bù trực tiếp các thành phần nhiễu tác động lên xe.
  3. Ứng dụng hệ logic mờ loại 2 kết hợp luật thích nghi tham số đầu ra trên mô hình động học và động lực học có tính đến ma sát trượt dọc và trượt ngang bánh xe, nâng cao khả năng thích ứng của hệ thống trong điều kiện mặt sàn trơn trượt và tốc độ thay đổi.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Cung cấp các thuật toán điều khiển có khả năng cài đặt trên các bộ xử lý kỹ thuật số (DSP, vi điều khiển, máy tính nhúng) dùng cho xe tự hành công nghiệp (AGV/WMR).
  • Nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo của xe tự hành khi hoạt động trong môi trường nhà máy, kho vận có bề mặt sàn phức tạp, chịu tải trọng thay đổi hoặc khi vào các khúc cua tốc độ cao.

Bảng tổng hợp so sánh các cấu trúc điều khiển trong luận án

Cấu trúc điều khiển Phương pháp áp dụng Đối tượng/Mô hình Yếu tố xử lý Ưu điểm chính
Cấu trúc một mạch vòng (Chương 2) Trượt tầng (HSMC) + Backstepping + Mờ Sugeno Mô hình WMR lý tưởng ($a=0$) Bất định tham số ($m, I$), nhiễu nhỏ Cấu trúc tính toán gọn; giảm chattering nhờ hàm bão hòa và mờ Sugeno.
Cấu trúc hai mạch vòng ước lượng nhiễu (Chương 3) Thích nghi + Bộ ước lượng nhiễu phi tuyến (NDOB) Mô hình WMR có xét nhiễu đầu vào Nhiễu ngoại vi tác động $d_1, d_2$ Ước lượng chính xác biên độ nhiễu; ổn định Lyapunov cho cả 2 mạch vòng.
Cấu trúc hai mạch vòng mờ loại 2 (Chương 4) Thích nghi + Hệ logic mờ loại 2 (Type-2 FLS) Mô hình WMR có xét trượt bánh ($\mu_R, \mu_L, \eta$) Ma sát trượt dọc, trượt ngang, bất định Khả năng xấp xỉ phi tuyến cao; chất lượng bám quỹ đạo tốt hơn mờ loại 1.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các thuật toán điều khiển đề xuất mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết giải tích và kiểm chứng thông qua mô phỏng số trên môi trường Matlab/Simulink, chưa được triển khai thực nghiệm trên phần cứng xe tự hành thực tế.
  • Các mô hình trượt bánh xe và nhiễu được khảo sát dựa trên các phương trình toán học giả thiết, chưa xét đến độ trễ truyền thông và sai số lượng tử hóa của cảm biến vật lý.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai cài đặt các thuật toán điều khiển thích nghi mờ loại 2 và trượt tầng backstepping lên hệ thống phần cứng xe tự hành ba bánh thực tế để kiểm nghiệm trong môi trường công nghiệp.
  • Mở rộng thuật toán điều khiển thích nghi cho bài toán tránh vật cản động và điều khiển phối hợp đa robot (Multi-WMR) trong nhà xưởng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn trong lĩnh vực Kỹ thuật điều khiển, Robot học và Tự động hóa:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp mô hình hóa hệ cơ điện thiếu cơ cấu chấp hành (UMS) có ràng buộc non-holonomic; phương pháp kết hợp kỹ thuật trượt tầng (HSMC) và backstepping; quy trình thiết kế và chứng minh ổn định hệ mờ loại 2 theo Lyapunov.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các học phần Điều khiển phi tuyến, Điều khiển thích nghi, Điều khiển thông minh và Robot di động.
  • Kỹ sư R&D trong công nghiệp: Tham khảo các thuật toán bù ma sát trượt và ước lượng nhiễu để nâng cao độ chính xác chuyển động của xe tự hành AGV trong các nhà máy sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao xe tự hành ba bánh lại được xếp vào nhóm hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành (UMS)?

Xe tự hành ba bánh (2 bánh chủ động phía sau, 1 bánh tự lựa phía trước) có 3 bậc tự do mô tả vị trí và hướng trên mặt phẳng tọa độ $(x, y, \theta)$, nhưng chỉ có 2 tín hiệu điều khiển đầu vào là mômen của hai động cơ bánh sau ($\tau_R, \tau_L$). Góc hướng $\theta$ không có động cơ tác động trực tiếp mà phải điều khiển gián tiếp thông qua vi sai vận tốc giữa hai bánh xe, đồng thời chịu ràng buộc non-holonomic không trượt, do đó là hệ UMS.

2. Kỹ thuật trượt tầng (HSMC) được áp dụng như thế nào trong Chương 2?

Mô hình động lực học vị trí $(x, y)$ của xe là một hệ SIMO (1 đầu vào $u_1 = \tau_R + \tau_L$, 2 đầu ra $x, y$). Kỹ thuật HSMC chia hệ thành hai hệ con, định nghĩa mặt trượt $S_1 = c_1 e_1 + \dot{e}_x$ cho tọa độ $x$ và mặt trượt $s_2 = c_2 e_3 + \dot{e}_y$ cho tọa độ $y$, sau đó tạo mặt trượt tổng hợp $S_2 = \alpha_1 S_1 + \alpha_2 s_2$ để tính toán luật điều khiển $u_1$, đồng thời dùng hàm bão hòa $\text{sat}(S_2)$ và bộ mờ Sugeno để giảm chattering.

3. Sự khác biệt cơ bản giữa cấu trúc điều khiển ở Chương 2 và Chương 3 là gì?

Cấu trúc ở Chương 2 là cấu trúc một mạch vòng, gộp điều khiển vị trí bằng trượt tầng và điều khiển hướng bằng backstepping cho mô hình xe không có ma sát trượt. Cấu trúc ở Chương 3 là cấu trúc hai mạch vòng (mạch vòng ngoài điều khiển động học sinh tín hiệu vận tốc đặt, mạch vòng trong điều khiển động lực học sinh mômen), tích hợp cơ cấu ước lượng nhiễu phi tuyến (NDOB) để triệt tiêu trực tiếp nhiễu tác động.

4. Tại sao luận án sử dụng hệ logic mờ loại 2 ở Chương 4 thay vì hệ mờ loại 1?

Hệ logic mờ loại 2 (Interval Type-2 FLS) có hàm liên thuộc chứa vùng không chắc chắn (Footprint of Uncertainty - FOU), cho phép mô hình hóa và bù trừ các thành phần phi tuyến bất định có độ biến động cao như ma sát trượt dọc $\mu_R, \mu_L$ và trượt ngang $\eta$ hiệu quả hơn so với hệ mờ loại 1, giúp giảm sai số bám quỹ đạo và hạn chế dao động tốc độ bánh xe.

5. Phương pháp nào được luận án sử dụng xuyên suốt để chứng minh tính ổn định của các bộ điều khiển?

Luận án sử dụng xuyên suốt phương pháp hàm điều khiển Lyapunov (Lyapunov Direct Method). Trong từng chương, các hàm Lyapunov toàn phương xác định dương $V$ được thiết lập cho toàn bộ hệ kín, và các luật điều khiển cùng luật thích nghi được suy dẫn để đảm bảo đạo hàm theo thời gian $\dot{V} \le 0$, chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Thị Hương Sen đã nghiên cứu và giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho xe tự hành ba bánh thuộc lớp hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành chịu ảnh hưởng của bất định tham số, nhiễu ngoài và ma sát trượt bánh xe. Tác giả đã đề xuất ba cấu trúc điều khiển chính: bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ một mạch vòng, bộ điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu hai mạch vòng, và bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 hai mạch vòng. Tất cả các thuật toán đều được chứng minh tính ổn định tiệm cận chặt chẽ theo tiêu chuẩn Lyapunov và được kiểm chứng hiệu quả thông qua mô phỏng số. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thuật toán hữu ích cho lĩnh vực điều khiển tự động và robot di động.