Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Phát triển hệ thống khử dao động tích hợp hệ thống vision cho cầu trục container

TÊN ĐỀ TÀI: PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG KHỬ DAO ĐỘNG TÍCH HỢP HỆ THỐNG VISION CHO CẦU TRỤC CONTAINER DEVELOPMENT OF A VISION ANTI-SWAY CONTROL SYSTEM FOR A CONTAINER CRANE NHIỆM V

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Tác giả Ngô Quang Hiếu [1] thuộc Khoa Công Nghệ Đại học Cần Thơ đã có nghiên cứu về điều khiển chống lắc hệ cần cẩu container có bù ma sát Lực ma sát luôn tồn tại trong hệ thống cần cẩu và các hệ số ma sát thường là không xác định Điều này gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển chính xác vị trí của xe đẩy và chống lắc cho tải Tác giả đã giới thiệu một phương pháp ước lượng các hệ số ma sát bằng cách sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu hồi qui, đồng thời thiết lập luật điều khiển phi tuyến có bù ma sát để điều khiển xe đẩy đến vị trí mong muốn với góc lắc được triệt tiêu ở cuối hành trình Kết quả thực nghiệm cho thấy tính hiệu quả cũng như khả năng ổn định của luật điều khiển

Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo

Trang 10 Hình 1.2: Kết quả từ công trình nghiên cứu của tác giả Ngô Quang Hiếu và các đồng nghiệp [1]

Ngoài ra trong nước ta cũng đã có một số nghiên cứu về đề tài các loại cầu trục [2-9] Có thể kể đến đề tài [3-4] nghiên cứu về chế tạo cầu trục Đề tài [5-6] nghiên cứu về kết cấu cấu của cầu trục và các yếu tố ảnh hưởng Trong khi đó chỉ có đề tài [9] nghiên cứu về điều khiển cần trục Đáng chú ý là chưa có nghiên cứu nào sử dụng hệ thống vision trong hệ thống điều khiển khử dao động của cầu trục

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Kawai, Kim, và Choi [10] thuộc trường đại học Soka đã đề nghị một giải pháp là sử dụng hai chấm tròn ở phía trên spreader của cầu trục và một CCD camera gắn trên xe lăn để tính toán chuyển vị của thùng container

Trang 11 Hình 1.3: Nguyên lý của giải pháp từ Kawai, Kim, Choi

Bộ khử dao động cho container được lắp đặt trên spreader, là một hệ m, c, k

(khối lượng, lò xo, giảm chấn) Bằng cách điều khiển vị trí của khối có khối lượng m trong bộ khử dao động, ta sẽ tạo ra lực quán tính tác động lên container và triệt tiêu dao động của container

Hình 1.4: Cấu tạo của bộ khử dao động trong giải pháp của Hideki Kawai,

Young Bok Kim, Yong Woon Choi

Ngoài ra, trên thế giới các nhà nghiên cứu cũng có đưa ra những giả pháp để khử chuyển động lắc (sway motion) của hệ spreader và container và chủ yếu được chỉ làm 2 loại chính: loại bán tự động [11-14] và loại tự động hoàn toàn [15-19]

Giải pháp bán tự động là giải pháp trang trị một hệ thống điều khiển nâng cao có

Trang 12 tiếp hợp các cảm biến, trong đó nhiệm vụ của hệ thống này là giúp cho người vận hành ra quyết định để đạt được khả năng thực thi tốt hơn cho cầu trục Giải pháp tự động là trang bị cho cầu trục một hệ thống có thể thay thế hoàn toàn người vận hành

Trong thực tế, đã có mốt số sản phẩm công nghiệp có tác dụng khử lắc được phát triển dựa trên nền tảng là hệ thống vision được sử dụng để đo các dịch chuyển của container có thể kể ra như sau: Smart Crane [20], TMEIC [21], và Mircoview &

Linzhi [22] Có thể thấy rằng giải pháp tích hợp hệ thống điều khiển sử dụng hệ thống vision như là một bộ cảm biến là một giải pháp có tính khả thi cao được các nhà nghiên cứu nước ngoài [14, 17, 23-24] cũng các hãng sản xuất công nghiệp quan tâm và phát triển Hầu hết các nghiên cứu trước đây về khử dao động cho hệ thống cầu trục chủ yếu dựa vào góc lệch của cáp treo Cách tiếp cận này tồn tại những khuyết điểm sau:

- Trong môi trường làm việc, dao động của tải ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn lao động Chính vì vậy, việc xác định chính xác vị trí của tải là rất cần thiết

Tuy nhiên, trong những hướng tiếp cận trước đây, các nhà nghiên cứu xác định vị trí của xác gián tiếp quá góc lệch của tải Điều này tiềm ẩn rủi ro vì khi đo vị trí của tải còn phục thuộc vào chiều dài cáp treo, và chiều dài cáp treo thường thay đổi trong quá trình di chuyển

- Trong quá trình di chuyển, do vấn đề quán tính, có khả năng cáp treo sẽ không căng hoàn toàn Khi đó, phương pháp tiếp cận thông qua việc xác định góc lệch của cáp treo là không chính xác và co tiềm ẩn an toàn lao động

Xuất phát từ mục đích khắc phục những hạn chế đã phân tích, luận văn này đề xuất một giái pháp khử dao động của hệ thống cầu trục thông qua việc xác đinh vị trí chính xác của tải bằng một hệ thống vision stereo camera, và camera kinnect được sử dụng trong mô hình thực nghiệm do tính đơn giản, tiện dụng để kiểm chứng kết quả

1.3.1 Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống crane trong không gian

Mô hình toán học trong của hệ thống crane với các chuyển động như sau:

- Chuyển động theo phương X và phương Y trong mặt phẳng xe đẩy - Chuyển động cuốn dây của hệ thống nâng hạ tải theo phương Z - Chuyển vị của tải theo phương X và phương Y

Dao động của tải xuất hiện trong quá trình di chuyển xe đẩy trên mặt phẳng X-Y được khử thông qua việc điều khiển lực tác động lên xe đẩy theo các phương X và phương Y Trong thực tế khi tải di chuyển sẽ có thêm chuyển động xoay quanh trục thẳng đứng Tuy nhiên chuyển động này đã được khắc phục bằng các kết cấu cơ khí palang đồng bộ trên bộ phận nâng vì vậy ở đây ta không xét chuyển động này trong việc xây dựng mô hình

Hình 1.5: Mô hình hệ thống cầu trục

1.3.2 Thiết kế bộ điều khiển phải đáp ứng các yêu cầu điều khiển như sau:

- Điều khiển xe đẩy di chuyển tải từ vị trí đầu đến vị trí mong muốn

- Khử dao động của tải xuất hiện trong quá trình di chuyển Để thực hiện được yêu cầu điều khiển, trước hết cần phải kết nối được hệ thống vision để nhận biết được chuyển vị của tải theo trục X và trục Y Hệ thống vision được sử dụng trong đề tài này là một camera Kinnect có nhiệm vụ thu nhận hình như và hình ảnh được xử lý để trích lọc thông tin vị trí của tải so với xe đẩy

Sau đó, vị trí này sẽ được sử dụng trong bộ điều khiển LQR dể tính toán các lực tác động lên phương X và phương Y của xe đẩy để khử dao động của tải

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ tọa độ suy rộng, vận tốc, lực

Hệ tọa độ suy rộng là hệ tọa độ được sử dụng để mô tả cấu trúc của một hệ thống Nếu hệ thống có N chất điểm, mỗi chất điểm cần 3 tọa độ để mô tả vị trí của nó trong không gian, vì vậy sẽ cần 3N tọa độ để mô tả N chất điểm và người ta nói hệ thống có 3N bậc tự do Nếu các tọa độ có mối quan hệ với nhau bằng j công thức thì bậc tự do của hệ sẽ là 3N-j

Xem xét một vài ví dụ về tọa độ suy rộng như sau: nếu chất điểm di chuyển dọc theo một đường thẳng, chỉ cần một tọa độ suy rộng để xác định khoảng dịch chuyển của nó; với một bánh xe xoay quanh một trục cố định, tọa độ suy rộng mô tả bánh xe sẽ là góc quay; khi một bánh xe lắp trên một trục và di chuyển trên đường thẳng, ta cần hai tọa độ suy rộng mô tả hệ thống này là độ dịch chuyển của trục và góc quay của bánh xe Để diễn tả tọa độ suy rộng người ta sử dụng kí hiệu ( , , , )q q 1 2 q n hoặc sử dụng vector vị trí r được viết như sau:

Vận tốc suy rộng được định nghĩa:

 r r q q (2.2) với q và q là các hàm độc lập nhau

Khi có lực F tác dụng vào điểm có tọa độ (x,y,z) Công ảo được tính như sau:

𝛿𝑊 = 𝐹 𝛿𝑟 (2.3) trong đó  r là dịch chuyển được viết dưới dạng của hệ tọa độ suy rộng như sau :

Từ biểu thức (2.3) và (2.4) ta có:

𝑖 lực suy rộng Đối với trong hệ thống kín có thế năng là V, lực thế F được tính: i i i

Lực suy rộng trong hệ kín trái dấu với đạo hàm riêng của thế năng hệ thống theo các tọa độ suy rộng.

Xét hệ có N chất điểm với n bậc tự do Một cách tổng quát, đối với chất điểm thứ i sẽ có vector vị trí r i là hàm theo tọa độ suy rộng và thời gian

( , , , , ) ( , ) i  i q q q t n  i t r r r q (2.8) với q và t là các biến độc lập nhau Vận tốc chất điểm thứ i là:

( , , ) i  i t v v q q (2.9) trong đó q( , , ,q q 1 2 q n )là vận tốc suy rộng, hay ta có:

Trang 17 Mặc khác, xét di chuyển khả vĩ:

Chú ý kí hiệu  được dùng cho di chuyển khả dĩ Lấy đạo hàm riêng của v i của chất điểm theo với vận tốc suy rộng q k từ biểu thức (2.10) ta được

Lấy đạo hàm biểu thức (2.12) theo thời gian:

Thay r i từ biểu thức (2.10) ta có:

So sánh (2.13) và (2.14) ta thấy: d d i i k k r r t q q

  (2.15) Áp dụng nguyên lý D'Alembert cho chất điểm thứ i trong hệ thống có N chất điểm i i 0

Với P i là độ biến thiên động lượng của chất điểm thứ i Tổng công ảo của di chuyển khả dĩ r i của chất điểm thứ i sẽ là công cho toàn hệ thống:

Khi áp dụng nguyên lý D'Alembert ta xem lực quán tính là lực tác dụng Tại vị trí cân bằng công ảo của các lực tác dụng bằng 0, chúng ta sẽ kiểm tra điều này ở phần dưới đây:

    (2.18) với Q i là lực suy rộng

Kết hợp biểu thức (2.12) và (2.15) ta được:

Trong đó động năng của hệ thống 2

 Kết hợp biểu thức (2.18) và (2.20) ta được d 0 j d j j j j

Trang 19 Bởi vì các q j không phục thuộc nhau nên biểu thức trong ngoặc của (2.20) là zero, ta được: d d j j j

  (2.22) đây là dạng thứ nhất của biểu thức Lagrange Đối với hệ thế năng thì:

  với V là thế năng của toàn hệ thống Biểu thức (2.22) trở thành d d j j j

  do thế năng không phụ thuộc vận tốc cho nên:

 ta có thể viết lại: d 0 1, 2, , d j j

(2.23) với L T V  gọi là hàm Lagrange Đối với hệ phi thế, lực tác dụng Q j bao gồm lực thế và lực phi thế: j j 0 j

Trang 20 Biểu thức Lagrange được viết lại thành: d 1, 2, , d j j j

Trong một hệ thống tuyến tính hoặc phi tuyến cơ (hoặc điện) nếu tổng năng lượng của hệ thống suy giảm liên tục thì hệ thống sẽ tiến đến trạng thái cân bằng Đây chính là nguyên lý chính trong lý thuyết ổn định Lyapunov

2.3.1.1 Định nghĩa hàm xác định dương, xác định âm:

Một hàm số liên tục V(x) có V(0) = 0, trong một không gian BR0 hình cầu bán kính R0 quanh gốc:

- Nếu V(0) > 0 : hàm xác định dương cục bộ - Nếu V(0) < 0 : hàm xác định âm cục bộ - Nếu V(0)≥0 : hàm xác bánh định dương cục bộ - Nếu V(0)≤0 : hàm xác bán định âm cục bộ Khi R0 tiến đến vô cùng thì các tính chất này được gọi là toàn cục

Nếu trong một không gian hình cầu bán kính R0 quanh gốc, hàm số xác V( x ) định dương có đạo hàm riêng phần liên tục (x là các trạng thái), đạo hàm theo thời gian của V( x ): d dx

 (2.25) là bán xác định âm, tức là V x( )0 thì hàm được gọi là hàm Lyapunov

2.3.1.3 Định nghĩa ổn định theo Lyapunov

Cho hệ thống với điểm cân bằng ở gốc Hệ thống là ổn định ở gốc tọa độ theo Lyapunov nếu cho trước R > 0 thì tìm được r > 0 sao cho nếu

Nói cách khác hệ thống ổn định ở gốc nếu x(t) không ra khỏi hình cầu bán kính R

- Nếu hệ thống ổn định ở gốc và x t( )0 thì gọi là ổn định tiệm cận - Nếu hệ thống ổn định tiệm cận và x t( )a x(0) e  bt , ,a b0ta nói là hệ thống ổn định theo hàm mũ với vận tốc b - Nếu hệ thống ổn định với bất kỳ giá trị ban đầu x(0) ta nói là hệ thống ổn định toàn cục

Curve 1 – asymptotically stable Curve 2 – marginally stable

Hình 2.1 Mình họa tính ổn định

2.3.2 Định lý Lyapunov ổn đinh cục bộ

Nếu trong một không gian BR0 hình cầu bán kính R0 quanh gốc, tồn tại hàm số

V(x) có đạo hàm riêng liên tục , thỏa mãn V x( )0 (trong không gian BR0) , nếu:

- V x( )0 (trong không gian BR0) - V x( )0 (trong không gian BR0) thì điểm gốc tọa độ là điểm cân bằng ổn định

2.3.3 Định lý Lyapunov ổn định toàn cục

Nếu tồn tại một hàm số V là hàm của các biến trạng thái, có đạo hàm bậc nhất liên tục và thỏa mãn :

- V x( )0 - V x( )0 - V x( )  khi x   thì điểm gốc tọa độ là điểm cân bằng ổn định toàn cục

Hệ thống cầu trục bao gồm một xe đẩy khối lượng 𝑚 2 di chuyển trên thanh ray ngang (phương Y) và thanh ray ngang có khối lượng 𝑚 1 sẽ di chuyển trên thanh ray dọc (phương X) Trên xe đẩy có hệ thống cuộn cáp để nâng hạ tải Khi hệ thống di chuyển, tải có khối lượng 𝑚 3 sẽ dao động và có chuyển vị theo phương X và phương Y lần lượt là 𝑥 𝑒 và 𝑦 𝑒

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cầu trục 𝑙

𝑚 1 Khối lượng của thanh ray ngang 𝑚 2 Khối lượng của xe đẩy

𝑚 3 Khối lượng của tải x(t) Vị trí của thanh ray ngang y(t) Vị trí của xe đẩy trên thanh ray ngang l Chiều dài cáp treo

𝑥 𝑒 Chuyển vị của tải theo phương X 𝑦 𝑒 Chuyển vị của tải theo phương Y

Trong hệ thống cầu trục, bốn bậc tự do của hệ thống được biểu diễn bằng một hệ trục tọa độ suy rộng q(t) như sau

Lực tác động vào hệ thống được biểu diễn bởi vector F như sau:

Thế năng của hệ được tính như sau:

2𝑙 ) (3.3) Động năng của hệ được tính như sau:

𝑇 = 1 2 𝑚 1 𝑥̇ 2 + 1 2 𝑚 2 (𝑥̇ 2 + 𝑦̇ 2 ) + 1 2 𝑚 3 (𝑥̇ 𝐺 2 + 𝑦̇ 𝐺 2 + 𝑧̇ 𝐺 2 ) (3.4) Trong đó 𝑥̇ 𝐺 , 𝑦̇ 𝐺 , 𝑧̇ 𝐺 được tính như sau:

 Tính 𝑧̇ 𝐺 , ta sử dụng công thức: (1 + 𝑎) 𝛾 ≈ 1 + 𝑎𝛾 𝑎 ≪ 1 𝑧 𝐺 2 = 𝑙 2 − (𝑥 𝑒 2 + 𝑦 𝑒 2 )

Thế công thức (3.2.5), (3.2.6), (3.2.7) vào công thức (3.2.4)

Phương trình mô tả chuyển động của hệ thống được miêu tả thông qua phương trình Euler-Lagrange có dạng như sau:

Trang 26 Triển khai phương trình Euler-Lagrange với 𝑞(𝑡) = [𝑥 𝑦 𝑥𝑒 𝑦 𝑒 ] 𝑇 và 𝐹 [𝐹 𝑥 𝐹 𝑦 0 0] 𝑇 ta được hệ 4 phương trình:

Ta tuyến tính hóa hệ phương trình bằng cách giả sử 𝑥̇ 𝑒 2 = 0; 𝑦̇ 𝑒 2 = 0

Hệ thống có dạng: {𝑋̇ (𝑡) = 𝐴𝑋(𝑡) + 𝐵𝐹(𝑡)

Bộ điều khiển LQR được sử dụng để xác định các lực 𝐹 𝑥 và 𝐹 𝑦 tác dụng lên xe đầy Chiều dài của cáp treo thay đổi trong khoảng [𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝑙 𝑚𝑎𝑥 ] theo quy luật cho trước:

- Nâng tải đi lên với vận tốc đều - Giữ tải ở vị trí trên với chiều dài cáp 𝑙 𝑚𝑖𝑛 - Hạ tải xuống vớ vận tốc đều khi tải đã đi được một nữa quãng đường - Giữ tải ở vị trí dưới với chiều dài cáp 𝑙 𝑚𝑎𝑥

Sử dụng bộ điều khiển LQR với hàm chỉ tiêu

Ta sử dụng các ma trận 𝐴 𝑓 , 𝐵 𝑓 , 𝑄, 𝑅 sau trong bộ điều khiển LQR và chứng minh rằng hệ thống sẽ ổn định trong suốt quá trình hoạt động với việc thay đổi chiều dài dây cáp trong khoảng [𝑙 𝑚𝑖𝑛 𝑙 𝑚𝑎𝑥 ]

Trang 30 Chứng minh hệ thống ổn định trong suốt quá trình hoạt động khi sử dụng ma trận 𝐴 𝑓 , 𝐵 𝑓 , 𝑄, 𝑅 trong bộ điều khiển LQR:

Trong bộ điều khiển LQR, ta tìm được 𝐾 𝑓 = 𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 với 𝑃 𝑓 là nghiệm của phương trình sau:

𝑃 𝑓 𝐴 𝑓 + 𝐴 𝑓 𝑇 𝑃 𝑓 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 + 𝑄 = 0 (4.1) Thế 𝐾 𝑓 vào phương trình trạng thái của hệ thống, ta được

Hệ thống đã tuyến tính hóa có dạng: {𝑋̇ = 𝐴𝑋 + 𝐵𝐹

⇒ 𝑋̇ = 𝐴𝑋 + 𝐵𝐹 = (𝐴 − 𝐵𝐾 𝑓 )𝑋 Chọn hàm Lyapunov cho hệ thống như sau:

Trang 31 Vì nâng hạ tải với vận tốc đều nên ta có 𝑙̈ = 0

Trang 32 Ta xét thành phần (𝑃 𝑓 𝐴 + 𝐴 𝑇 𝑃 𝑓 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 + 𝑄) của 𝑉̇ trong công thức (4.2)

Từ công thức (4.1) ta có: 𝑃 𝑓 𝐴 𝑓 + 𝐴 𝑓 𝑇 𝑃 𝑓 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 + 𝑄 = 0

Ta có: 𝑄 > 0, 𝑃 𝑓 > 0, 𝑅 > 0 − 𝑄 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 < 0 Đồng thời 𝐴 ∆ , 𝑃 𝑓 là ma trận hằng số dương nên

Tóm lại, với hàm Lyapunov 𝑉 = 𝑋 𝑇 𝑃 𝑓 𝑋 (𝑉 > 0), ta chứng minh được 𝑉̇ = 𝑋 𝑇 [(𝑃 𝑓 𝐴 + 𝐴 𝑇 𝑃 𝑓 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 + 𝑄) − 𝑄 − 𝑃 𝑓 𝐵𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃 𝑓 ]𝑋 < 0 Nên theo định lý Lyapunov ổn định cục bộ thì hệ thống sẽ ổn định tại trạng thái 𝑋 = [𝑥 𝑥̇ 𝑥 𝑒 𝑥 𝑒 ̇ 𝑦 𝑦̇ 𝑦 𝑒 𝑦 𝑒 ̇ ] 𝑇 = [0 0 0 0 0 0 0 0] 𝑇

Với bộ điều khiển LQR được đề xuất ở mục 4.1, ta sẽ tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab để khảo sát đáp ứng của hệ thống nhằm đánh giá hiệu quả của giải thuật điều khiển:

Các thông số của hệ thống crane được cho như sau:

𝑚 1 = 5kg Khối lượng của thanh ray ngang 𝑚 2 = 2kg Khối lượng của xe đẩy

𝑚 3 = 0.2kg Khối lượng của tải 𝑙 𝑚𝑖𝑛 = 1.0m Chiều dài tối thiểu của cáp treo 𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 1.5m Chiều dài tối đa của cáp treo

𝑣 𝑙 = 0.2m/s Vận tốc nâng hạ tải g = 9.8 m/s 2 Gia tốc trọng trường Xe đẩy sẽ di chuyển đến vị trí mong muốn như sau:

Trạng thái ban đầu của hệ thống như sau:

Trang 34 Hình 5.1: Chuyển vị của tải theo phương X và phương Y

Hình 5.2: Vị trí của xe đẩy theo phương X và phương Y

Trang 35 Hình 5.3: Vận tốc của xe đẩy theo phương X và phương Y

Hình 5.4: Chiều dài cáp treo

Với kết quả mô phỏng ở trên, ta thấy xe đẩy di chuyển đến 𝑥 𝑑 = 2𝑚 trong khoảng thời gian t = 8s, đến vị trí 𝑦 𝑑 = 2𝑚 cũng trong khoảng t 8s Biên độ chuyển vị lớn nhất theo phương x cũng như của phương y vào khoảng 0.125m và sẽ triệt tiêu sau khoảng thời gian t = 8.5s

Trong mô hình thực nghiệm ở phòng thí nghiệm, xe đầy được di chuyển theo 2 trục vuông góc trên các thanh ray ngang và dọc, cơ cấu nâng hạ đặt trên xe đầy để nâng hạ tải Chuyển động của xe đầy theo trục X, Y và chuyển động của tải theo trục Z được điều khiển bởi 3 AC servo driver MITSIBISHI MR-J2-40A công suất 400W kết hợp với card điều khiển CONTEC SMC-4DF-PCI được gắn trong máy tính điều khiển Chuyển vị của tải được đo bằng camera Kinnect gắn ở phía dưới xe đầy Camera Kinnect có nhiệm vụ nhận biết xác định vị trí của một miếng dán màu đỏ dán trên mặt trên của tải

Hình 5.5: Hình ảnh mô hình thí nghiệm

Trang 38 Hình 5.6: Hình ảnh thu nhập từ Kinnect Camera

Hình 5.7: Hình ảnh đã được xư lý và xác định được miếng dán màu đỏ trên tải

Máy tính sẽ thu nhận chuyển vị đọc về từ camera Kinnect sau đó tính toán vận tốc cần áp cho xe đầy Kết quả tính toán này được truyền xuống card điều khiển và card điều khiển sẽ xuất xung điều khiển đến cái AC servo driver tương ứng Giao diện hệ thống điều khiển được viết trên nền Visual Studio 2010 với các thư viện hỗ trợ như opencv, openNI, thư viện lệnh điều khiển từ nhà cung cấp card

Trang 39 Hình 5.8: Giao diện hệ thống điều khiển cầu trục

Kết quả chạy thực nghiệm trong phòng thức nghiệm chỉ bao gồm chuyển động của xe đầy trên trục X và trục Y Chuyển động nâng hạ tải theo trục Z không được thực hiện do những hỏng hóc bất ngờ trên điều bị điều khiển

Quá trình thực nghiệm trên mô hình được tính hành với các tham số sau:

Xe đầy cần di chuyển một khoảng 𝑥 𝑑 = 0.6𝑚; 𝑦 𝑑 = 0.5𝑚;

Kết quả vị trí xe đẩy và độ chuyển vị của tải được thể hiện ở các hinh sau

Trang 40 Hình 5.9: Chuyển vị của tải theo phương X

Hình 5.10: Chuyển vị của tải theo phương Y

Trang 41 Hình 5.11.: Góc lệch của cáp treo dọc theo phương X

Hình 5.12: Góc lệch của cáp treo dọc theo phương Y

Trang 42 Hình 5.13: Vị trí của xe đầy theo phương X

Hình 5.14: Vị trí của xe đầy theo phương Y

Trang 43 Từ đồ thị ta thấy xe di chuyển một khoảng 𝑥 𝑑 = 0.6𝑚; trong khoảng thời gian t = 8.5s và di chuyển một khoảng 𝑦 𝑑 = 0.5𝑚; trong khoảng thời gian t = 10s Biên độ chuyển vị lớn nhất theo phương x là 𝑥 𝑒 = 60𝑚𝑚 và theo phương là 𝑦 𝑒 = 48𝑚𝑚 Chuyển vị của tải theo phương x và phương y được ổn định sau khoảng 5s Chuyển vị của tải có nhiều dao động là do tải dao động xoay quanh trục thẳng đứng trong quá trình di chuyển Dao động của tải này không được kháo sát trong đề tài này vì tải được xem như một chất điểm có khối lượng tập trung Đồng thời ta nhận thấy rằng chuyển vị phương X của tải dao động quanh vị trí

0 mm nhưng chuyển vị phương Y của tải không dao động ở vị trí 0 mm mà là

10mm Điều này là do hạn chế về độ phẳng của trục y cũng như sự hao mòn của ổ trượt và thanh dẫn trên mô hình thí nghiệm

Hai đồ thị sau biểu diễn chuyển vị X, Y của tải đọc từ Kinect Camera tại các vị trí X, Y khác nhau

Hình 5.15: Chuyển vị X của tải đọc từ Kinect Camera tại các vị trí X khác nhau của xe đẩy

Chuyển vị X của tải đọc từ Kinect Camera ổn định quanh giá trị 6mm đến 7mm tại các vị trí X khác nhau của xe đẩy (từ 0mm đến 600m)

Ch uyển vị X của tải (mm)

Vị trí X của xe đẩy (mm)

Trang 44 Hình 5.16: Chuyển vị Y của tải đọc từ Kinect Camera tại các vị trí Y khác nhau của xe đẩy

Chuyển vị Y của tải đọc từ Kinect Camera không ổn định mà thay đổi từ giá trị

10mm xuống giá trị 3mm tại các vị trí Y khác nhau của xe đẩy (từ 0mm đến 500mm)

C hu yể n vị Y củ a tả i (mm )

Vị trí Y của xe đẩy (mm)

Luận văn này đã xây hình được mô hình toán học cho hệ thống cầu trục hoạt động trong không gian với việc sử dụng chuyển vị của tải trong hệ tọa độ suy rộng của phương trình Euler-Lagrange Trên cơ sở mô hình toán học đó, bộ điều khiển LQR được sử dụng để khử dao động của cầu trục và tính ổn định của hệ thống được chứng minh bằng phương pháp Lyapunov Bộ điều khiển đã đảm bảo được các mục tiêu sau cho hệ thống cầu trục: (i) Di chuyển xe đầy đến vị trí mong muốn, (ii) khử dao động của tải trong suốt quá trình di chuyển của xe đẩy Tính hiệu quả của hệ thống khử dao động có tích hợp vision đã được kiểm nghiệm trong mô phỏng số cũng như chạy thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm

Tuy nhiên mô hình toán học được xây dựng trong luận văn này đã xem tải như là một chất điểm có khối lượng tập trung nên không xem xét đến vấn đề xoay quanh trục thẳng đứng của tải Đồng thời việc sử dụng Kinnect camera để nhận biết chuyển vị của tải là không thực tế trong môi trường công nghiệp Hướng phát triễn tiếp theo của đề tài này sẽ là việc tập trung khắc phục dao động xoay quanh trục thẳng đứng của tải cũng như việc sử dụng stereo camera để nhận biết vị trí của tải với tầm hoạt động xa hơn, độ phân giải cao hơn và tốc độ thu nhận hình ảnh nhanh hơn

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

[1] Ngô Quang Hiếu, Điều khiển chống lắc hệ cần cẩu container có bù ma sát, Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Khoa họ Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 29 (2013): 8-14

[2] Hoàn thiện công nghệ chế tạo và đưa vào sử dụng cần trục chân đế sức nâng 120 tấn Chủ nhiệm đề tài: Chu Thế Hưng Cơ quan chủ trì: Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, 2004

[3] Nghiên cứu thiết kế, lựa chọn công nghệ chế tạo và lắp ráp cần trục container cầu cảng Cơ quan chủ trì: Công ty vận tải dầu khí Việt Nam, 2001

[4] V V Nguyen, Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số cơ bản của bộ công tác khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích, Tạp chí Giao thông vận tải, 2013

[5] H P Thai, Nghiên cứu tích hợp cần trục cơ sở với búa rung thuỷ lực 70 tấn chế tạo tại Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2013

[6] T M Nguyen, T V Nguyen, Nghiên cứu tính toán sự phụ thuộc độ ổn định của thân cần trục tháp vào một số thông số kết cấu, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 2012

[7] G K Bui, H H Tran, Khảo sát động lực học cần trục tự hành dẫn động điện khi nâng vật từ nền, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2010

[8] L H Nguyen, Sự thay đổi của tải trọng động trong hệ thống dây cáp của cơ cấu nâng cần trục nổi, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 2002

[9] H A Nguyen, Nghiên cứu nâng cao độ chính xác hệ điều khiển chuyển động cần trục trong bốc xếp hàng hóa và lắp ráp thiết bị sử dụng bộ điều khiển mờ, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 200

[10] Hideki Kawai & Young Bok Kim & Yong Woon Choi, Anti-sway system with image sensor for container cranes, Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 2757~2765

[11] B Balachandran, Y.-Y Lee, A mechanical filter concept for control of nonlinear crane-load oscillation, Journal of Sound and Vibration Vol 228 No.3 1999 pp 651-682

Trang 48 [12] D Kim, W Singhose, Performance studies of human operators driving double- pendulum bridge cranes, Control Engineering Practice Vol 18 No 3 2010 pp 567- 576

[13] K C C Peng, W Singhose, P Bhaumik, Using machine vision and hand- motion control to improve crane operator performance, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics—Part A: Systems and

[14] Y Fang, W E Dixon, D M Dawson, E Zergeroglu, Nonlinear coupling control laws for an underactuated overhead crane system, IEEE/ASME

Transactions on Mechatronics Vol 8 No 3 2003 pp 418-423

[15] Y.-S Kim, H Shim, H Yoshihara, N Fujioka, H Kasahara, A new vision- sensorless anti-sway control system for container cranes, the Proceedings of Industry Applications Conference, Salt Lake City, USA, 2003, pp 262-269

[16] C.-S Kim, K.-S Hong, K.-S, Boundary control of container cranes the perspective of controlling anaxially moving string system, International Journal of Control, Automation, and Systems Vol 7 No 3 2009 pp 437-445

[17] D Chwa, Nonlinear tracking control of 3-D overhead cranes against the initial swing angle and the variation of payload weight, IEEE Transactions on Control Systems Technology Vol 17 No 4 2009 pp 876-883

[18] N Sun, Y Fang, Nonlinear tracking control of underactuated cranes with load transferring and lowering: Theory and experimentation, Automatica Vol 50 No 9 2014 pp 2350–2357

[19] Smart Crane Anti-Sway Crane, http://www.smartcrane.com/SmartCrane/Welcome.html

[20] TMEIC, https://www.tmeic.com/

03-03-2015 17:47 Trang 7/11 [21] Microview & LinZhi Image, http://www.mvlz.com/

[22] H Kawai, Y B Kim, Y W Choi, Anti-sway system with image sensor for

Trang 49 container cranes, Journal of Mechanical Science and Technology Vol 23 No 10 2009 pp 2757-2765

[23] P Hyla, J Szpytko, Vision method for rope angle swing measurement for overhead travelling cranes –validation approach, Activities of Transport Telematics Vol 395 2013 pp 370-377

[24] Hoàn thiện công nghệ chế tạo và đưa vào sử dụng cần trục chân đế sức nâng

120 tấn Chủ nhiệm đề tài: Chu Thế Hưng Cơ quan chủ trì: Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, 2004

[25] Jacques Piriou, Anti-Sway: controlling the swaying of the load, January 2010 [26] Yong-Seok Kim & Keum-Shik Hong & Seung-Ki Sul, Anti-Sway Control of Container Cranes: Inclinometer, Observer, and State Feedback, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol 2, no 4, pp 435-449, Dec 2004 [27] Opencv library document, http://docs.opencv.org/

[28] Trương Quốc Toàn, Thiết kế bộ điều khiển thích nghi phi tuyến cho cầu trục có

3 bậc tự do, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, Viet Nam, 30/11/2012

Tiêu đề	Phát triển hệ thống khử dao động tích hợp hệ thống vision cho cầu trục container
Tác giả	Trương Vân Hạo
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Quốc Chí, PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến, TS. Nguyễn Thanh Phương, TS. Trần Việt Hồng, TS. Đồn Thế Thảo, TS. Lê Đức Hạnh
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ Điện tử
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	0,99 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Ngô Quang Hiếu, Điều khiển chống lắc hệ cần cẩu container có bù ma sát, Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Khoa họ Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 29 (2013): 8-14	Khác
[2] Hoàn thiện công nghệ chế tạo và đưa vào sử dụng cần trục chân đế sức nâng 120 tấn. Chủ nhiệm đề tài: Chu Thế Hưng. Cơ quan chủ trì: Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, 2004	Khác
[3] Nghiên cứu thiết kế, lựa chọn công nghệ chế tạo và lắp ráp cần trục container cầu cảng. Cơ quan chủ trì: Công ty vận tải dầu khí Việt Nam, 2001	Khác
[4] V. V. Nguyen, Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số cơ bản của bộ công tác khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích, Tạp chí Giao thông vận tải, 2013	Khác
[5] H. P. Thai, Nghiên cứu tích hợp cần trục cơ sở với búa rung thuỷ lực 70 tấn chế tạo tại Việt Nam, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2013	Khác
[6] T. M. Nguyen, T. V. Nguyen, Nghiên cứu tính toán sự phụ thuộc độ ổn định của thân cần trục tháp vào một số thông số kết cấu, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 2012	Khác
[7] G. K. Bui, H. H. Tran, Khảo sát động lực học cần trục tự hành dẫn động điện khi nâng vật từ nền, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2010	Khác
[8] L. H. Nguyen, Sự thay đổi của tải trọng động trong hệ thống dây cáp của cơ cấu nâng cần trục nổi, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 2002	Khác
[9] H. A. Nguyen, Nghiên cứu nâng cao độ chính xác hệ điều khiển chuyển động cần trục trong bốc xếp hàng hóa và lắp ráp thiết bị sử dụng bộ điều khiển mờ, Tạp chí Giao thông Vận Tải, 200	Khác
[10] Hideki Kawai & Young Bok Kim & Yong Woon Choi, Anti-sway system with image sensor for container cranes, Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 2757~2765	Khác
[11] B. Balachandran, Y.-Y. Lee, A mechanical filter concept for control of nonlinear crane-load oscillation, Journal of Sound and Vibration Vol. 228 No.3 1999 pp. 651-682	Khác
[12] D. Kim, W. Singhose, Performance studies of human operators driving double- pendulum bridge cranes, Control Engineering Practice Vol. 18 No. 3 2010 pp. 567- 576	Khác
[13] K. C. C. Peng, W. Singhose, P. Bhaumik, Using machine vision and hand- motion control to improve crane operator performance, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics—Part A: Systems andHumans Vol. 42 No. 6 2012 pp. 1496-1503	Khác
[14] Y. Fang, W. E. Dixon, D. M. Dawson, E. Zergeroglu, Nonlinear coupling control laws for an underactuated overhead crane system, IEEE/ASMETransactions on Mechatronics Vol. 8 No. 3 2003 pp. 418-423	Khác
[15] Y.-S. Kim, H. Shim, H. Yoshihara, N. Fujioka, H. Kasahara, A new vision- sensorless anti-sway control system for container cranes, the Proceedings of Industry Applications Conference, Salt Lake City, USA, 2003,pp. 262-269	Khác
[16] C.-S. Kim, K.-S. Hong, K.-S, Boundary control of container cranes the perspective of controlling anaxially moving string system, International Journal of Control, Automation, and Systems Vol. 7 No. 3 2009	Khác
[17] D. Chwa, Nonlinear tracking control of 3-D overhead cranes against the initial swing angle and the variation of payload weight, IEEE Transactions on Control Systems Technology Vol. 17 No. 4 2009 pp. 876-883	Khác
[18] N. Sun, Y. Fang, Nonlinear tracking control of underactuated cranes with load transferring and lowering: Theory and experimentation, Automatica Vol. 50 No. 9 2014 pp. 2350–2357	Khác
[23] P. Hyla, J. Szpytko, Vision method for rope angle swing measurement for overhead travelling cranes –validation approach, Activities of Transport Telematics Vol. 395 2013 pp. 370-377	Khác
[24] Hoàn thiện công nghệ chế tạo và đưa vào sử dụng cần trục chân đế sức nâng 120 tấn. Chủ nhiệm đề tài: Chu Thế Hưng. Cơ quan chủ trì: Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, 2004	Khác