Luận văn thạc sĩ Tự động hóa: Điều khiển ổn định hệ thống Camera hai trục

Từ đó, đề tài biến ý tưởngxuất phát từ thực tế trên thành các công việc cụ thể như: phân tích, mô hình hóa hệthống ôn định camera hai trục, mô phỏng, chế tao mô hình 6n định camera hai t

TRAN THANH HAI

DIEU KHIEN ON DINH HE THONG

CAMERA HAI TRUC

Chuyén nganh: Tw Dong Hoa

Mã số: 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Ts Nguyễn Vĩnh Hảo

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : Ts Huỳnh Thái Hoang

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : Ts Nguyễn Trọng Tài

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày 04 tháng O1 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 Ts Nguyễn Đức Thành ¿5552 S2 S252 E+E+ESEvEvErErErsrerererees

2 PGS.Ts Nguyễn Thi Phương Hà 5-2 2 2 +E+<+s+z£zEzezscez

3 Ts Trương Dinh Châu -.- - GB S9 nen4 Ts Huynh Thái Hoàng - - 5 <5 1S Y1 ng rec5 Ts Nguyễn Trọng Tài - 25252 SeS* S2 2 Evtrkerrkrkcr

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyền ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRUONG KHOA ĐIỆN —- ĐIỆN TỬ

-M6 hinh hoa hé thong 6n dinh camera hai truc.-Thiết kế luật điều khiến phù hop dé cho chat lượng tốt nhất.-Mô phỏng và khảo sát các luật điều khiến.

-Thiết kế và thi công mô hình phan cứng hệ thông ồn định camera hai trục.-Áp dụng và nhúng giải thuật phù hợp vào mô hình dùng vi xử lý DSPF28335.3-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :06/02/2012

4-NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU : 30/11/2012.5-HO VA TEN CAN BO HUONG DAN: Ts NGUYEN VINH HAONoi dung va dé cương Luận van thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành

Thứ ba, em chân thành cảm ơn qui thầy (cô) Khoa Điện — Điện TửTrường Dai học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiếnthức cho em trong suốt khóa học tại trường.

Cảm on bạn bè đã cùng chia sẻ, giúp đỡ và trao đồi kiến thức trong học

tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Học viên thực hiện

Luận văn nay được bắt dau từ ý tưởng làm sao có thé ôn định hệ thống camerakhi có nhiễu tác động như là: rung, lắc, sốc, quay Từ đó, đề tài biến ý tưởngxuất phát từ thực tế trên thành các công việc cụ thể như: phân tích, mô hình hóa hệthống ôn định camera hai trục, mô phỏng, chế tao mô hình 6n định camera hai trụctừ đó đánh giá và khảo sát hệ thống của chúng ta đã thực hiện.

Trong luận văn, một số phương pháp điều khiến dùng để áp dụng vào mô hìnhnhư là: phương pháp điều khiển PID, Động học ngược và Trượt Thực hiện các môphỏng các giải thuật điều khiến trên cho mô hình ồn định camera hai trục thông quaphần mềm Matlab/Simulink Đồng thời so sánh các kết quả mô phỏng từ các giải

thuật điêu khiên trên với nhau từ đó đưa ra các ưu khuyêt diém của từng giải thuật.

Trong luận van, tác giả đã thiết kế và thi công mô hình 6n định camera hai trụcthực nghiệm Mô hình bao gdm bốn động co servo dùng để điều khiến vị trí cácgóc, và một cảm biến IMU 9odf dùng để đo hai góc cân thiết Các tín hiệu thu đượctừ cảm biến cho qua bộ lọc Kalman để giảm nhiễu tối thiểu rồi đưa qua vi điềukhiển DSP F28355 Vi điều khiển được lập trình và tính toán va xuất tín hiệu quacầu H dé điều khiển các motor 6n định hệ thống 2D

Kết quả đạt được đã đáp ứng yêu câu của đề tài bao gồm: thiết kế được một sốbộ điều khiển PID, Động học ngược và Trượt, thiết kế được mô hình thực nghiệmvà điều khiến cho chạy thực tế băng phương pháp PID tương đối tốt Qua đó, việcthực hiện hoàn chỉnh phần cứng hệ thống 6n định camera hai trục đã có thé phan

nào tiên gân hơn đên mục đích ứng dụng trong cuộc sông.

two-axis Camera stabilization system.The methods used in this paper are PID control, Inverse dynamics control andsliding mode control in Matlab-Simulink presentation This paper also shows thecomparison between these two methods and the classical PID control, and pointsout the advantages and disadvantages of them.

A completed model of controller to satisfy two-axis Camera stabilizationsystem is given with four DC-Servo motors including gearbox, an IMU 9dofincluding Kalman filter design, a DSP F28355 of FreeScale and a RF module tomanipulate.

The main achievements of this thesis are to remain balancing state and to beable to move over a 3-degree slope with these two non-linear methods Simulationand experimental results show that the methods have good performances in terms ofquick response, good balance and stability.

1809509 92 «A ốỐốỐ |

CHƯƠNG I: TONG QUAN DE TÀI NGHIÊN CỨU -.- 5 +5 s5: 51.1 Đặt vẫn đỀ - ác c1 TT HH TH nu HT TH HH TH nu HH vớ 5

1.2 Các công trình nghiên cứu có liÊn quan: - S4 7

1.2.1 Các mô hình 6n định camera hai trục trong thực 1 71.2.1.1 Hệ thống mô hình APS-50 Pan and Tilt System . - 71.2.1.2 Hệ thông GM-6E của hãng NewMark .-. ¿ 5-5522 c2 xe: 81.2.1.3 Hệ thông Pan and Tilt của hãng Thomasnet: 5-55 2 2 555: 91.2.1.4 Hệ thong GM-12E của hãng NewMark . 5555555 2 s55: 91.2.2 Cac hinh anh hé thong ôn định camera hai trục trong thực tẾ: 101.3 Các bai báo nghiên cứu liên quan đến đề tài . 5-5 2< cs55c: 111.4 Giới thiệu cau hình của hệ thống ôn định camera hai trục -«- II1.5 Mục tiêu của dé tài chì HH2 re 151.6 Pham vi của để ti sc ceceseeseeseseeeeeseeeessessesnesnessesnesnesnesneseseeseeseeseeeeeneen 16

CHUONG II: CO SO LY THUYET LIEN QUAN - 5-5 5 << c2 172.1 Phuong pháp điều khiển PID? 0 ccccccsccscsessescecsesssseecseseessseeeeees 172.2 Phương pháp điều khiển mô hình ngược: ¿2 + 5s c2 £sszse: 192.2.1 Điều khién ngược trực tiếp (direct inverse control) - 5s: 192.3 Phuong pháp điều khiển Truot - ¿5+ ccesescecsesseseesseseseesseeeenes 222.3.1 Điều khiến bám (Tracking) +: + + + 2< 2% SE E32 £EzEEErxczrrvrerees 22

CHUONG III: MÔ HINH HÓA HỆ THONG CAMERA HAI TRỤC 283.1 Mô hình toán của đối tượng -¿ + s2 2 1112121 E111 1 1E 11x cree 283.1.1 Các thành phan và cấu trúc của mô hình - + 2 +52 £+x+s£z£+xzs£sed 28

3.1.2 Động học thuận: - - - - c2 03011010 10 1 1 111 1v 1n kg nhà 293.1.3 Động học ngược TOOf: - c1 1v ng kg nhà 30

3.1.4 Động học vận OC! 1 32

3.2 Động lực học mô hình . - - 211 1111010131311111 101 3 11111111113 xrrhg 323.2.1 Động năng: - - - nọ nọ nh 32

3.2.2 Thé 2077 35

3.2.3 Phương trình Lagrang©: SH nghe 35

3.3 Mô phỏng quá trình dao động của hệ thống : 2-5-2 s52 +s+< c2 403.4 Phương pháp điều khiển PID ¿+2 2 2 E222 ££+E+E£E£e£zEzeeererscee 443.4.1 Mô phỏng hệ thống bang phương pháp điều khiến PID 443.5 Phương pháp điều khiển động học ngược: - 5s csxcecsrsxeersed 493.5.1 LY thUYẾT: -.- cà 121 1 1 111111111 1111010111111 010101 111101010 111gr 493.5.2 Sơ đỗ mô phỏng điều khiến băng phương pháp động học ngược 513.6 Phương pháp điều khiến Trượt - ¿+ + 522222 2 £+E+EzE£ezeseekrersree 563.6.1 Lý thuyết điều khiển Trượt 55 2 2 SE S* 2E EcxErerrkrkrkrsree 563.6.2 Kết quả mô phỏng điều khiển Truot ¿5s +£+s+s£+E+e£sEzxeereed 603.7 So sánh các bộ điều khiển đã mô phỏng: - - 5 5 2 2 +s+s+s5<2 64

4.1 Thi công mô hình cơ KhíÍ - «<< 5 + + 5 3193 911 1v vn ng 66

4.2 Tong quan về phần cứng : ecceecccccsescecsescssescscscsesesscscsesesssssecseseeseteeees 684.2.1 Motor điều khiỂN: - ¿E113 E151 12115 5111132111 111111101 xe 68

4.2.2 Mạch xử lÍ trung tam: - E111 101 9 9 1v vớ 69

4.2.3 Các cảm biẾn: cv nh H211 1e 704.2.4 Nguồn cấp điều khiỂn: - ¿E1 S2 112121 1 111112111 511111111 cee 714.3 Bộ loc Kalman cho cảm biến IMU ccccceccccccccccescecsesescecceecscesceececseceaceaees 724.3.1 Lý thuyết loc Kalman -. ¿ ¿5 +2 2 S2 E23 EE 2 E321 E SE EEEEzEvrkreeo 72

4.3.2 Thuật toán Kalman rt rac . -c n1 1v vn se 74

4.3.3 IKẾT luận - it 21 91 91111111 HH1 ng TH TH Tung ri 77

CHƯƠNG V: KET QUA THUC NGHIỆỆM 2 - + sec cseea 785.1 Phương pháp điều khiển PID -. - ¿+ 2 2222 SE SE 1E ESEEEEEEzrrvrkrees 795.1.1 Các thông số của bộ PÏTD ¿+ + E2 S2 2 21212525 E121 EErkrkrrree 795.1.2 Kết quả chạy thực nghiệm PÏD - ¿+ 2 2+2 2 £+£+E+E£££z£zEzezezzcx2 325.2 Phương pháp điều khiển Trượtt - ¿5+ 222 Sẻ E3 1£ rczrrrrerees 875.2.1 Các thông số bộ điều khiến Trượt ¿-¿ ¿2+2 2 £+£+s+s££zezesererscee 875.2.2 Kết quả thực nghiệm nhúng Trượtt - + 22 2 s2 s+s£z£zs+x+szscx2 90

CHƯƠNG VI: KET LUẬN VA HUONG PHÁT TRIẺN 926.1 KẾT luận - G21 E1 511121 11 11 5111 11 0191 g1 H1 HT HT ng ngư 926.2 Hướng phát triỂn - ¿E5 + E213 15121 5 5151111121 521111111 xe 93

TÀI LIEU THAM KHHẢO - G6 193125 91 98 3 98 S8 S853 SE ng 94PHU LUC : THIET KE PHAN CỨNG -c- 6E kksxksESsESEsEskekseesee 96PHAN LY LICH TRÍCH NGANG: - 5 26 1S SE ESEESESsEseEssseeeed 106

1.1 Dat van dé.Ngày nay, cùng với su phát triển mạnh mẽ của ngành kĩ thuật số, camera là mộttrong những thiết bị không thể thiếu được trong đời sống tinh thần lẫn đời sống sảnxuất của con người Việc kiêm soát, giám sát hoạt động sản xuất cũng như hoạtđộng cá nhân hay thu thập thông tin, ghi nhận hình ảnh, quay video hay các clip đềuđược thực hiện thông qua hệ thống camera Tuy nhiên, để thu nhận được hình ảnhchất lượng từ camera trong điều kiện bình thường là điều dễ hiểu, nhưng nếu trongcác điều kiện khắc nghiệt như : nhiệt độ, năng, gid, bão sẽ gay rung, lắc, sốc thìhình ảnh thu về sẽ bị nhiễu, mờ, không rõ ràng sẽ gây khó khăn cho quá trình phântích chính xác các hình ảnh thu được để đưa ra phương hướng giải quyết Khi đó tacần một hệ thống hay thiết bị nào đó, có thé kết hợp với camera nhằm khắc phục

được các sai lệch, ảnh hưởng ma môi trường bên ngoài tác động vào camera Và ta

gọi hệ thống đó tên là hệ thống ôn định camera hai trục.Ta xét 1 số vi dụ sau : khi ta muốn thu thập hình ảnh của một vụ cháy rừng, tìmkiếm nạn nhân bị lạc trong rừng hay trong một trận lũ lụt, khảo sát các tài nguyên

khoáng sản người ta sẽ cho máy bay quân sự hay máy bay chuyên dụng chở

người thu hình theo dé ghi hình lại hoặc gửi các hình ảnh trực tiếp xuống mặt đất déxử lý băng hệ thống truyền thống dữ liệu tầm xa Trong trường hợp đó ta lắp đặtmột hệ thống ốn định camera hai trục trên máy bay sẽ giúp camera dé dàng khảosát, thăm dò trên không, giám sát, trinh sát và thu ảnh, vi tri các mục tiêu cần thiếtmột cách nhanh chóng và chính xác Hệ thống này được điều khiển bang remotegiống như máy bay

Từ đó ta càng thay rõ răng môi trường hoạt động của các phương tiện sử dụngcamera đều dao động nhiều, gây ra bởi gia tốc, lực ma sát, và tải không đối xứng,nhiễu từ bên môi trường bên ngoài như gió, bề mặt hoạt động không bằng phắng và các hiệu ứng này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hình ảnh và gây khókhăn cho việc nghiên cứu và phân tích, dẫn đến kết quả thường không được chính

xác như mong muôn.

biến tại trung tâm , phan thứ hai là chương trình dé xử lí và 6n định tín hiệu thu`

^ve.

azimuth — +t =

~ a elevation

Hinh1: Sơ đồ nguyên lí mô phỏng của hệ 6n định camera hai trụcĐiều khiến hoạt động của hệ thống ôn định camera hai trục cũng được chia rahai phan Phan dau là điều khiến một hệ thống điều khiến có hỏi tiếp để lái hệ thống6n định camera hai trục về vị trí mong muốn và cùng lúc đó phải ôn định góc theohướng cho sẵn Phan thứ hai là thu thập va xử lý 6n định tín hiệu thu về như : hìnhảnh, video bang các kỹ thuật xử lý ảnh dé truy tìm và bám đối tượng

Vấn đề đặt ra ở đây là phải thiết kế một hệ thống ôn định camera hai trục, hệthống này không chỉ được sử dụng trong máy bay không người lái mà còn có thể sửdụng với nhiều mục đích khác như trong hoạt động ghi hình trong ngành côngnghiệp phim ảnh, sử dụng trong quân đội để do thám, trinh sát, găn với các phươngtiện dé ghi hình các hoạt động cua con người, động vật, các đối tượng động để phụcvụ cho hoạt động nghiên cứu, nhằm mục đích ghi lại hình ảnh các đối tượng mongmuốn Do các điều kiện khách quan như sai số mô hình, ma sát và nhiễu từ môitrường bên ngoài, do vậy độ chính xác của hệ thống sẽ càng bị giảm Vì vậy cũngcần phải nghiên cứu luật điều khiển phù hop với hệ thống

1.2.1 Các mô hình ồn định camera hai trục trong thực tế:1.2.1.1 Hệ thong mô hình APS-50 Pan and Tilt System.

Hệ thống mô hình APS — 50 Pan and Tilt system của hãng kỹ thuật Axsys

Trang web của hãng là: www.axsys.com.

Hình 1.1: Hệ thống mô hình APS — 50 Pan and TiltThông số kỹ thuật:

-Có driver trực tiếp cho động cơ không chỗi than

- [ín hiệu chính xác tới 1 6bit.

-Góc pan mở rộng tới 360”-Độ mượt với tốc độ thấp 0.01” /sec

Mô hình dùng dé thử nghiệm độ bên vững cua camera khi được gan trên các

phương tiện di chuyển như: xe, tàu Và các ứng dụng điều khiến vị trí phức tạp

Hình 1.2: Hệ thong GM-6E hãng NewMark

http://www newmarksystems.com/egimbal-gm6.html

Thông số kỹ thuật:-Dùng servo moto trực tiếp không chối than loại NEMA 17.-Tốc độ quay chính xác 70 vòng/giây

-Góc Azumit liên tục -90” đến 90.-Độ mượt với tốc độ 0.29” / sec

Đây là sản phầm của hãng Newmark cho ra đời nhăm đáp ứng về tôc độ cũngnhư sự chịu tải của camera khi được lắp đặt ở các vị trí phức tạp, hay trên các

phương tiện di chuyền

Hinh 1.3: Hé thong Pan and Tilt hang ThomasnetĐược điều khiến qua giao thức RS-232 hoặc RS-442 có trang bị hệ thong độngCƠ S€TVO VỚI chuyển động mượt, có giao diện kết nối máy ảnh Có sự kết hợp chặtchẻ giữa các bộ truyền động, giữa trượt xoay và encoder từ đó cho kết quả điềukhiển động cơ tốt nhất.

1.2.1.4 Hệ thong GM-12E của hãng NewMark

Đây là hệ thống có ưu điểm có thể quay được với tốc độ cao và có độ cứng chịuđược nhiều tải trọng nặng khác nhau, phù hợp cho nhiều ứng dụng Được trang bị

encoder với toc độ cao.

1.2.2 Các hình ánh hệ thống 6n định camera hai trục trong thực tế:

Ta thấy răng camera dùng trong thực tế như: camera dùng để quay phim,camera thu nhận hình anh thông tin sự kiện, hay camera lắp đặt trên tàuthuyén thì hầu hết các hệ thống camera nay được dùng trong điều kiện không

ôn định, dao động nhiều, dẫn đến chất lượng hình ảnh hay video thu được kém chấtlượng, không rõ nét dẫn đến việc tốn nhiều thời gian và kinh phí trong quá trình

chỉnh sửa Do đó rât cân bộ ôn định camera hai trục đề ôn định lại chât lượng hìnhảnh cũng như kêt quả mong muôn.

1.3 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài

> [14]Diéu khiến mô hình phi tuyến và triệt tiêu nhiễu (T.H.Lee, E.K.Koh, M.k.Loh,

Do Li, David Hullender, Mike Direnzo)

[13]Thiết kế hệ thống thích nghi 6n định da biến va ứng dung là hệ thống sight 6n dinh ( Do Li, David Hullender)

line-of-[16] Kemalettin Erbatur, M Okyay Kaynak sử dung điều khiến Trượt dé hướng tớisự bền vững cho mô hình, đưa ra kinh nghiệm và cách thiết kế cho mô hình

[18] SUNGPIL YOONIJOHN B LUNDBERG2 thì đưa ra phương trình toánchuyên động của hệ thông camera ôn định hai trục.

[21] Ho-Pyeong Lee and Inn-Eark Yoo thì đưa ra luật điều khiển 6n định cho hệthống camera 6n định hai trục sử dụng LQG/LTR

> [20] Ying Bai, Hangi Zhuang, và Zvi S Roth sử dụng logic mờ để điều khiến hệ

thông laser bám đuôi mục tiêu

1.4 Giới thiệu cầu hình của hệ thống 6n định camera hai trục

Theo các công trình nghiên cứu trên việc chon ra cho minh mồ hình APS — 50

Pan and Tilt system 6n định hai trục là mô hình có tính khả thi cũng như tính ứngdụng thực tế trong dé tài luận văn Hệ thống ôn định camera thực tế gồm có haiphan đó là:

> Phan thứ nhất là lái hệ thống camera Ổn định ở vị trí mong muốn> Phan thứ hai là xử lý 6n định camera và bám theo đối tượng.Do mục tiêu giới hạn của đề tài là thiết kế được một hệ thống ôn định camera

hai trục nên luận văn chỉ phân tích mô hình theo hai khớp như hình 1.8 bên dưới:

- Khớp bên ngoài (outer joint) gắn với trục chứa góc phương vị: (azimuth axis)- Khớp bên trong (inner joint) gan với trục chứa góc nghiêng: (elevation axis)

Hình 1.8: Mô hình APS — 50 Pan and Tilt system 6n dinh hai truc

Lá

zels Azimuth axis 0; ws

Hình 1.9: Mô hình mô phỏng hệ thống ồn định góc quay 2 trục Ø; và 6;

0;

Cả hai Trượt nay déu được điêu khién băng động co DC servo Bên cạnh haichiêu cân được điêu khiên, mô hình còn được găn vào một khung di chuyên tự dohai bậc theo mô hình 2D sau:

ACamera ó

MomenT2bù góc 0;

Oo

oy

MomenT1bù góc 0,Motor tạo

| Motor tạodao động 0; `

dao động 0;

Hình 1.10: Sơ đồ cơ khí hệ thống ôn định camera hai trục

Body | Elevation Axis

Gimbal Pointing s“:

OxTorquer

Track

Processor

ly=

— ® =

=) Gy+ T7 —Z7_ Stabilization Electronics

Track Rate Command Elevation

Track Rate Command Azimuth

Hình 1.11: So đồ điều khiến hệ thống ôn định camera hai trục

với các biên trạng thái

Hình 1.12: Sơ đồ khối điều khiến hệ thống dùng DSP28355Như vậy, theo mô hình trên ta thay khi hệ thống ta là hệ thống phi tuyến chuyểnđộng theo 2 góc 6, và 6; thì camera của chúng ta sẽ chuyển động theo 2 góc đó, kếtquả là hình ảnh chúng ta thu được sẽ bị nhiễu, mờ và không ôn định Do đó, ta phảithiết kế bộ điều khiển làm sao dé tao ra 2 momen Tlva T2 bù trừ độ sai lệch của

ngoại lực tác động lên 2 phương 6, va 02, giúp cho camera đứng yên thu được hình

ảnh tốt nhất.1.5 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của dé tài là thiết kế được một hệ thống ôn định camera hai trục, délàm được điều này thì phải giải quyết được các công việc sau :

-Mô hình hóa được hệ thống với sai số nhỏ nhất: thiết lập công thức toán họccho hệ thống

-Thiết kế luật điều khiển phù hợp dé cho chất lượng tốt nhất : có thé dùng mộtsố phương pháp điều khiến 6n định như : PID, Động học ngược hay là phương pháp

Truot.

-Mô phỏng được các luật điều khiến trước khi áp dụng vào ứng dụng trên mô

hình thực.

-Chế tạo mô hình thực với mạch điện tử, giao tiép với board DSPF28335 gdm:

bộ nguon, bộ công suat và bộ cam biên dé điêu khién quá trình ôn định hệ thông.-So sánh sai sô giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bang encoder.

1.6 Phạm vi cua đề tài.

Đề tài chế tao mô hình 6n định góc bền vững 2D ứng dụng cho quá trình énđịnh camera hoặc cho một số thiết bị khác được ứng dụng trong cuộc sống khi cótác động từ bên ngoài cũng như tải thay đổi trong phạm vi cho phép thì mô hình van

có sai sô chap nhận được.Với các yêu câu, mục tiêu và phạm vi của đê tải thì đê tài được chia thành cácchương sau:

Chương 1: Tổng quan dé tài nghiên cứu hệ thống 6n định camera hai trục.Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp điều khiến

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thông 6n định camera hai trục.Chương 4: Thi công mô hình 6n định camera hai trục

Chương 5: Kết quả kiếm nghiệm thực tế.Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

CHUONG II: CƠ SỞ LÝ THUYET LIEN QUAN2.1 Phương pháp điều khiến PID:

Sử dụng phương trình toán chúng ta đã thành lập được từ đó thiết kế cácphương pháp điều khiến cho hệ thống 6n định camera hai trục Hệ thống của chúngta khảo sát là sự kết hợp giữa hai trục xoay: góc elevation và góc azimuth để điềukhién camera theo vi trí mong muốn Có vai kỹ thuật được sử dụng để điều khiển hệthống camera 6n định hai trục rất tốt Kỹ thuật PID là một trong những kỹ thuậtđiều khiến kinh điển hầu như là phố biến nhất

Bộ điều Đối tượng

Trong bộ điều khiến PID trên, ham truyền của khâu PID la:

KpS2+KpS+KiS

(2.1)Vol:

K, : độ lợi khâu ti lệ

K,: độ lợi khâu tích phanK,: độ lợi khâu vi phan

Việc hiệu chỉnh phù hợp 3 thông số K„,K, và K, sẽ làm tăng chất lượng điềukhiển Anh hưởng của 3 thông số này lên chất lượng điều khiến hệ thống như bảng

Sau :

Bang 5.1 Bảng giá trị Kp, Kd, KiĐáp ( sno kí Thời gian

ap ung VOHB SIN | Thời gian tăng | Vot lế Sai số xác lập

(Closed Loop quá độ

response) (Rise time) (Overshoot) | | (Steady-state err)

(Setting tile)

K, Giam Tang It thay đổi | Tăng

K, Giam Tang Tang Khong xac dinhK, It thay đổi Giảm Giảm Thay đổi ít

Các bước thực hiện bộ điều khiển PIDBước 1 : Khảo sát đặc tính động của mô hình cần điều khiếnBước 2 : Xác định các hệ số bộ điều khiển Kp, Kd và Ki Dựa vào đặc tinh của mô

hình, sự ảnh hưởng của các thông sô lên bộ điêu khiên, và qua nhiêu bước thử saichúng ta có được các hệ sô điêu khiên với đáp ứng như mong muôn.

2.2 Phương pháp điều khiến mô hình ngược:2.2.1 Điều khiến ngược trực tiếp (direct inverse control)

Phương pháp đơn giản nhất dé thiết kế bộ điều khiến là dùng phương pháp điềukhiển vòng hở, trong đó bộ điều khiến là mô hình ngược của đối tượng Giả sử đốitượng phi tuyến được mô tả bởi phương trình sai phân:

y(t) = ƒ(yŒ — 1), ,y(t — m),u(£ — 1), , u(t — m)) (2.2)<=> y( + 1) = ƒ(yŒ), ,y( — n + 1),u(£), , u(t —-m + 1)) (23)Nếu sử dụng luật điều khiến:

u(t) = ƒ~1{r(Œ + 1),r(), ,r(f —n + 1),u( — 1), ,u(t—rn+1)) (24Ta có sơ đồ điều khiển ngược trực tiếp Dé thấy rang tín hiệu ra y(t) của đốitượng đồng nhất băng tín hiệu đặt r(t)

y(t)ml gq * >

J(@) = };-:¡Ìu(Œ) — ñ(,8)]^ ——> min (2.6)

Thuật toán ước lượng thông số off-line kha đơn giản, có thé sử dung các phiênbản của thuật toán Newton đã trình bày trong chương 6 sách “Hệ thống điều khiếnthông minh, của tac giả Huynh Thái Hoang’’ Nếu mô hình ngược là mạng thankinh thì có thể sử dụng các thuật toán huấn luyện mạng off-line, như thuật toán lan

Ước lượng on-line: thông số mô hình ngược được cập nhật trực tiếp sao cho sai

lệch giữa tín hiệu ra của đôi tượng và tín hiệu đặt là tôi thiêu:

thuật toán ước lượng off-line.

Mô hình ngược sau khi nhận dạng sẽ được sử dụng như bộ điều khiển băngcách thay thé tín hiệu ra y(t+1) bang tín hiệu vào chuẩn r(t+1), xem hình 2.6:

core u(t-1)[or u(t-m+1) _r(t+1) NN/EM y(t+1)

2.2.2 Điều khiến thuậnTrong trường hợp mô hình NN/FM không thé nhận dạng hoàn toàn chính xácđặc tính động học ngược của đối tượng, điều này thường xảy ra trong thực tế, có thésử dụng thêm bộ điều khiển PID kinh dién để triệt tiêu sai số do mô hình theo sơ đồ

trình bày ở hình

Mô hình

ngược

r(Ð A, e(t) Diéu + 7 y(t)

Hình 2.7: Điều khiến thuận2.3 Phương pháp điều khiến Trượt

2.3.1 Điều khiến bám (Tracking)

rt 6 Bo diéu | ụ Đối tượng y

khiển trượt [7 | điều khiển [J

Hình 2.13: Hệ thống điều khiến TrượtĐối tượng điều khiến: xét hệ thống phi tuyến biểu diễn với phương trình vi

phân

yŒ = ƒ(y,y,ÿ,y'~1) + g(y,ÿ,ÿ, y'~13u (2.8)

Đặt

nẴ¿Xạ =

Mặt Trượt (Trượt surface) :Định nghĩa tín hiệu sai lệch :e=y-r (2.11)Va hàm S

S=eTMD4q,_,e% + + gi + aye (2.12)

Với aạ¿.a, đ,„ là các hệ sô được chọn trước sao cho đa thức đặc trưng cuaphương trình vi phân có tât cá các nghiệm với phân thực âm (thỏa điêu kiệnHurwitz).

eTMDiq, j,e%74 +a,é+ ae =0 (2.13)Khi t>0 nếu s=o thì sai lệch e>0

Thay (2.9) và (2.11) vào (2.12), ta có :

S =#„ t+ AnaXn-p bets Ð 0X; + dạXi — dua t2) + + ai? + gạt (2.14)

Phương trình S=0 xác định một mặt cong trong không gian n chiều gọi là mặtTruot (Truot Surface) Xác định luật điều khiến u dé đưa các quỹ đạo pha của hệthông về mặt Trượt và duy trì trên mặt trượt một cách bên vững đối với các thay đỗi

Trong đó a là một hang số dương cho trước Luật điều khiến được xác định

bởi

=—— | f(x) + an_a(X„ — 1 PY) + +a, (x3 — Ÿ) + aạ(%; — 17) +

g(x)+asign(S) (2.17)

Tính bên vững của luật điều khiến:Trong điêu kiện có sai sô mô hình, luật điều khiến (2.12) luôn đưa được quỹđạo pha của hệ thông về mặt Trượt S=0 nếu điều kiện sau được thỏa mãn :

v Nếu SSO thi Š<0v Nếu S<0thì S>0⁄ Nếu S=0 thì S=0

Phương pháp chọn mặt Trượt: Hàm S ở (2.12) phải thỏa mãn hai điều kiện

sau:

s* S không phụ thuộc tường minh vào u nhưng $ phụ thuộc tường minh

vào u (bậc tương đôi = 1)

* Phương trình vi phân (2.11) thỏa điều kiện Hurwitz (để nghiệm e->o

ø(0) = 0Hệ thống con #¡ = ƒ¡(x¡,@(x¡)) có điểm cân bằng 6n định tiệm cận tại gốc toađộ (Trên mặt Trượt S=0 > x2 = Ø(%¡) => % = % = fi(%1, 9(%,)) => x, — 0

(2.22)

|5) — 22 f,@) + asign(s)|

> Hiện tượng chattering

Điều khiến Trượt lý tưởng đòi hỏi luật điều khiển phải thay đối tức thời ngay tạithời điểm quỹ đạo pha của hệ thống vừa chạm vào mặt Trượt dé dam bảo khi s =0

thì S=0 Trong thực tế, điều này không thể thực hiện được do thời gian trễ hay

quán tính của khâu chấp hành Kết quả là quỹ đạo pha tiếp tục vượt qua khỏi mặt

Trượt sau khi chạm vào nó và gây nên hiện tượng quỹ đạo pha dao động quanh mặtTrượt (hiện tượng chattering) như hình 2.15.

Hình 2.15 : Hiện tượng chatteringHiện tượng chattering là không mong muôn vi nó gây ra sai sô điêu khiên, lamphát nóng mạch điện tử, mài mòn các bộ phận cơ khí, kích động các mode tân sôcao không được mô hình hóa, làm giảm chât lượng điêu khiên hoặc mât ôn định.

Người ta luôn tìm nhiều biện pháp khác nhau dé làm giảm thiểu hoặc loại trừhiện tượng này Một số cách dé khắc phục hiện tượng chattering là sử dụng hàmsaturation, ham sigmoid hoặc hàm sat-PI thay thế cho ham sign; dùng logic mờ(fuzzy logic) dé giảm hiện tượng chattering

CHUONG III: MÔ HÌNH HÓA HE THONG CAMERA HAI TRỤC3.1 Mô hình toán của đối tượng.

3.1.1 Các thành phan va cấu trúc của mô hình.Mô hình gồm có hai khớp xoay, mỗi khớp được điều khiển bang động co DC

servo Theo các tài liệu tham khảo, tác giả đã chọn phương pháp động lực học robot

để phân tích các biến khớp và các ngoại lực tác dụng lên hệ thống Từ đó các thành

phân và cau trúc mô hình được biêu diễn như hình 3.1:

Tín hiệu từ mô hình thực được thu thập vào máy tính thông qua công Com

Hình 3.2: Phân tích cấu trúc mô hìnhChiều dương quy ước là chiếu ngược chiều kim dong ho.

d: là khoảng cách hai trục x d; = d.=0

a: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai trục z

a: goc gitta hai trục Z¡-¡ Và Z¡ø (rad) góc giữa hai trục x¡.¡ va Xj.

3.1.2 Động học thuận:Theo mồ hình phân tích trên ta có:

Bảng thông số D-H

Bảng 3.1: Bảng thông số D-H

Truot i a, (rad) a,(m) ø (rad) d.(m)

1 —1/2 0 6, 02 12 0 6, 0

Ma trận chuyên đôi từ tọa độ gôc sang tọa độ mà camera được găn vào là:

Goi Ø va 6, tương ứng với góc của khớp trong và khớp ngoài.

đ¡cos0ra;sin6;

dj

1.

[cos@, 0sin@, 00 —1LO 0

‘COS,_| sin®;“|0

L0

0

001.

—sind,cos0,00

(3.1)

(3.4)

Ta xem hệ thong camera cua chúng ta gôm các biên khớp nôi với nhau gidng

như hệ robot Khi đó vẫn dé là ta tìm các giá trị biến khớp đó khi biết được vị trí vàhướng Trọng tâm của cả hai Trượt đều trùng nhau (tại trọng tâm của tai) nên có thé

sử dụng hệ tọa độ tại trọng tâm của tải như hình 3.2:

x =rcos8sin0; (3.5)y =rTsin8sin60; (3.6)Z=rcos6; (3.7)

Từ đó động học ngược của mô hình có thê tính được như sau:

3.1.4 Động học vận (tốc:

Động học vận tôc được sử dụng đê tìm quan hệ giữa vận tôc tại các biên khớpvới vận toc dai và van toc góc của đâu cudi thông qua ma trận Jacobian.

Với mô hình n khớp thì ma trận Jacobian tương tng: J = [J.J | VỚI :

Ở đây mô hình của chúng ta gồm có hai khớp và đều là khớp xoay.Với p biêu diễn vị trí của điểm cuôi (cột 4 của ma trận 5ST ) Có thê biêu diễn ma

trận Jacobian từ các thông sô của bang D-H.Ma trận Jacobian của hai khớp:

K = 54 3 ImjJ(4)7J,(4) + J„¡(q)ˆ R(q)1,R(4)'° Iwilq)] ¢

Với g=|4 4, | là vector các biến khớp

v là vector vận tốc dài của điểm cuối.w là vận tốc góc

J, (3xn_ ) là ma trận vận tốc dài của một khớp so với điểm cuốiỞ„ (3xn) là ma trận vận tốc góc của một khớp so với điểm cuỗi

J; là ma tran tensor quán tính của khớp xoay.

m; là khôi lượng của một khớp.Có thê viết lại phương trình động năng như sau:

1 .

K =;4 DQ)ä

Trong đó:D(q) ma trận quán tính và xác định dương.

Với mô hình của chúng ta n =2 nên viết lại D(q)

D(q) — THỊ Joes Jv + TH lòc2 hy + Jye TR SR wes + Jive 2R†I22RT Iwee

0h 0 "| 0

cos6, 0 —sin6||h, 9 0 |) cosé,

ORAL GR? =|sind, 0 cosd,||9 4h, 9 0

cos@,cos@, —sin@, cos6;sin8;1Ì, 9%

SR”I,2RT =| sinO,cos@, cos6; n8 in, 0 1.2,

—sin0; 0 cos6; 0 0cos@,cos@, sin@,cos@, —sin@,

| —sing, cos@, 0

cos@,sin@,_ sin@,sin@, cosé,

sing,cos0,

Io

|

000