Giải pháp ổn định hình ảnh camera quan sát trên biển dựa trên hệ thống tự cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển

Bài viết nghiên cứu nhằm đề xuất một phương pháp điều khiển trượt có xét đến bù ma sát giúp nâng cao khả năng tự ổn định của hệ thống bệ camera với các yêu cầu giám sát mục tiêu tầm xa và di chuyển tốc độ cao. Phương pháp này có thể được áp dụng cho các hệ thống bệ camera tầm xa đặt trên tàu để quan sát mục tiêu trên biển khi chịu sự tác động rung lắc từ thân tàu gây mất ổn định hình ảnh thu được, điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và khả năng quan sát, giải pháp giảm rung lắc của camera dưới tác động của thân tàu giúp cho hình ảnh video rõ ràng và ổn định hơn.

TNU Journal of Science and Technology 225(09): 11 - 16 GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH HÌNH ẢNH CAMERA QUAN SÁT TRÊN BIỂN DỰA TRÊN HỆ THỐNG TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN Phạm Minh Kha, Nguyễn Quang Thi* Trường Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn TĨM TẮT Bài báo đề xuất phương pháp điều khiển trượt có xét đến bù ma sát giúp nâng cao khả tự ổn định hệ thống bệ camera với yêu cầu giám sát mục tiêu tầm xa di chuyển tốc độ cao Phương pháp áp dụng cho hệ thống bệ camera tầm xa đặt tàu để quan sát mục tiêu biển chịu tác động rung lắc từ thân tàu gây ổn định hình ảnh thu được, điều ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác khả quan sát, giải pháp giảm rung lắc camera tác động thân tàu giúp cho hình ảnh video rõ ràng ổn định Thuật toán điều khiển trượt sử dụng luật tiếp cận theo cấp số nhân cho phép hệ thống nhanh chóng theo dõi tín hiệu lệnh với hiệu ứng động tốt, kết cho thấy hệ thống có độ xác định vị cao hiệu suất tốt, đáp ứng yêu cầu thiết kế Kết mô thực nghiệm cho thấy, so với phương pháp điều khiển PID cổ điển, điều khiển trượt loại bỏ hiệu tượng “leo” (climbing) “đỉnh phẳng”( flat-top) ma sát Từ khóa: Camera tự ổn định; mục tiêu biển; điều khiển trượt; ma sát; PID Ngày nhận bài: 22/6/2020; Ngày hoàn thiện: 26/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 SOLUTION FOR IMPROVING THE STABILITY OF SHIP MOUNT PTZ CAMERAS BASED ON GYROSCOPIC ACTIVE SELF-BALANCE PLATFORM Pham Minh Kha, Nguyen Quang Thi* Le Quy Don Technical University ABSTRACT A sliding control method that takes into account mechanical friction compensation is proposed to improve the self-stabilization of the camera platform with long-range target monitoring requirements and high-speed movement of the platform This method can be applied to long-range camera platforms on sea ships to observe sea surface targets The ships platform is subjected to vibration from the hull which causes instability and damage the tracking accuracy and image quality when operating reduces camera shake under the action of the hull improves the quality of self-stabilization and video images The slider control algorithm uses exponential access rules which allows the system to quickly monitor control signals with good dynamic response time, the results show that the system has high positioning accuracy and good performance and can be able to meet the practical design requirements Simulation results and experiments demonstrate that, compared with the classical PID control methods, sliding control method can eliminate effectively “climbing” and “flat-top” phenomenons due to friction Keywords: Self-stabilizing camera; sea surface targets; sliding control; Friction; PID Received: 22/6/2020; Revised: 26/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: thinq.isi@lqdtu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 11 Phạm Minh Kha Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Hệ thống camera quan sát đặt tàu biển gồm hai phận tạo thành hệ thống bệ quay tầm hướng tự ổn định dùng quay camera quan sát đặt lên bệ quay Gió sóng ảnh hưởng đến thân tàu mặt biển khiến chúng lắc lư Hình ảnh Camera gắn tàu không ổn định ảnh hưởng nó, khiến mục tiêu quan sát bị dịch chuyển Do đó, Camera phải lắp đặt bệ quay có khả tự ổn định tàu để bù lại cho dao động tàu Trong điều kiện hoạt động biển, ngồi sóng biển tác động làm bệ quay rung lắc, lực cản gió, lực ma sát lực qn tính tự thân bệ quay, đặc biệt hệ thống camera tầm xa vấn đề điều khiển thêm khó khăn, cần nghiên cứu phân tích sâu [1] Hiện nay, hệ thống Camera quan sát biển thường có trọng lượng mơ-men qn tính lớn, việc thiết kế khí hệ thống bệ quay phải đảm bảo hợp lý để nâng cao độ xác, giảm thiểu mơ-men qn tính, mặt khác phải chọn phương pháp điều khiển tối ưu với mục đích cải thiện tính hệ thống [2] Hệ thống ổn định thiết kế khuôn khổ báo thiết bị giữ cho vật thể ổn định tác động từ bên ngồi nhằm trì hướng ln giữ cố định so với khơng gian qn tính thực theo hướng mà người điều khiển mong muốn Phương pháp điều khiển hiệu chỉnh miền tần số điển hình đảm bảo hệ thống tương đối ổn định phạm vi định, mơ hình xác đối tượng điều khiển khó xác định thay đổi điều kiện môi trường ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống [3] Đặc biệt thiết bị tàu, thân tàu tư chuyển động khác nhau, trọng tâm hệ thống thay đổi mô-men ma sát trục thay đổi xảy tượng động hoạt động tốc độ thấp 12 225(09): 11 - 16 gây hiệu ứng lúc dừng, lúc chậm, lúc nhanh hay gọi hiệu ứng “leo” (climbing), thay đổi hướng quay có khoảng trễ mà động không quay gọi hiệu ứng “đỉnh phẳng”( flat-top) Các yếu tố làm cho đặc điểm đối tượng điều khiển khác với trường hợp mà q trình điều chỉnh mà đặc tính hệ thống không đổi Do vậy, đề xuất phương pháp điều khiển trượt có xét đến bù ma sát độ nhạy với tham số thiết kế, làm cho hệ thống có hiệu suất tốt Để có hình ảnh video rõ ràng, giải pháp sử dụng cấu bệ quay Camera tự ổn định dùng quay hồi chuyển với cấu trúc điện quay góc tầm hướng Cấu trúc Servo hai phần giống Ở đây, có hướng sử dụng làm ví dụ Hệ thống Servo chứa hai vòng điều chỉnh bên bên ngồi: vịng phản hồi tốc độ vịng lặp bên trong, dựa vào quay để đo vận tốc gia tốc góc, từ động chạy theo hướng ngược lại để đảm bảo độ ổn định mặt phẳng Camera, vịng phản hồi vị trí bên ngồi thu thơng tin vị trí góc thơng qua chuyển đổi liệu gia tốc mà cảm biến đo Sơ đồ khối hệ thống hiển thị hình PC giám sát hiển thị hình ảnh Camera NHIỄU Bộ điều khiển nhúng Động điện Bệ quay CẢM BIẾN Hình Sơ đồ hệ thống Camera tự ổn định Thiết kế hệ thống tự ổn định 2.1 Phần cứng Hệ thống điều khiển bệ camera tự ổn định nghiên cứu chủ yếu bao gồm máy tính chủ PC, điều khiển trung tâm MCU, quay hồi chuyển, driver điều khiển động cơ, động cơ, cảm biến vị trí phần khí bệ quay http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Minh Kha Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Nguyên lý làm việc hệ thống tự ổn định sau: quay phát vận tốc góc độ lệch góc thời gian thực Camera, sau tín hiệu từ quay lọc xử lý gửi đến điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm nhận tín hiệu phản hồi từ quay kết hợp với tín hiệu điều khiển từ máy tính giao diện người dùng PC tính tốn đưa lệnh điều khiển đến chấp hành động Động điều khiển theo hướng triệt tiêu dao động thân tàu, giúp cho hình ảnh thu từ camera ổn định trình hoạt động Tất cấu chấp hành phải lắp đặt cấu khí địi hỏi thiết kế tối ưu xác nhằm đảm bảo cho hệ thống vận hành đạt kết mong muốn Sơ đồ thiết kế mạch hình LAN LAN PC SERVO GÓC TẦM BẮT ĐẦU KHỞI TẠO HỆ THỐNG KIỂM TRA KẾT NỐI KHÔNG MCU AC CON QUAY NGUỒN ĐIỆN Để thuận tiện cho việc gỡ lỗi bảo trì hệ thống, phần mềm cho điều khiển trung tâm phát triển dựa phần mềm tích hợp µVision IDE vi điều khiển MCU, sử dụng ngôn ngữ lập trình C thiết kế thành mơ-đun để phân chia theo chức hệ thống Các bước thiết kế chương trình sau: nắm rõ chức tổng thể hệ thống đặc điểm hệ thống phần cứng liên quan đến mô-đun; phân tách thành mô-đun phần mềm độc lập theo chức thực hiện; vẽ sơ đồ chương trình mơ-đun viết chương trình theo sơ đồ; gỡ lỗi mô mô-đun Lưu đồ phần mềm điều khiển bệ quay điều khiển trung tâm hình CAMERA SERVO GĨC HƯỚNG DC 225(09): 11 - 16 NHẬN LỆNH TỪ PC? CĨ XỬ LÝ TÍN HIỆU TỪ PC BỆ QUAY Hình Cấu trúc hệ thống Camera tự ổn định 2.2 Thiết kế phần mềm nhúng cho điều khiển trung tâm Cùng với việc thiết kế phần cứng cho hệ thống việc thiết kế phần mềm đóng vai trị quan trọng Một mặt, thuật toán điều khiển hệ thống mạch phần cứng phải thực hóa thiết kế phần mềm Mặt khác, tất chức năng, phần mềm thiết kế phải có độ tin cậy cao để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định đáng tin cậy Phần kết hợp thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển để thiết kế phần mềm điều khiển trung tâm http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ĐỌC DỮ LIỆU CON QUAY ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH GĨC TẦM, HƯỚNG Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển bệ quay điều khiển trung tâm 2.3 Thiết kế phần mềm giao diện điều khiển Phần mềm máy tính chủ cửa sổ để nhận tương tác người với máy tính, thuận tiện cho việc kiểm soát thử nghiệm hệ thống camera tự ổn định, đưa tín hiệu đầu vào hệ thống hiển thị trạng thái hệ thống camera tự ổn định thời gian thực Phần mềm máy tính chủ dựa tảng hệ điều hành Windows, lập trình mơi trường 13 Phạm Minh Kha Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Visual C++, sử dụng cơng nghệ lập trình đa tác vụ đa luồng, lưu đồ phần mềm thể hình BẮT ĐẦU KÍCH HOẠT GIAO DIỆN ĐỒ HỌA KHƠNG KIỂM TRA KẾT NỐI? CĨ KHƠNG KHƠNG NHẬP LỆNH ĐIỀU KHIỂN? TỰ ĐỘNG BÁM MỤC TIÊU? CÓ CÓ GỬI TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN HIỂN THỊ THƠNG TIN HỆ THỐNG Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển bệ quay PC Chức phần mềm PC quản lý điều khiển bệ quay Camera nhận tín hiệu hình ảnh từ Camera, sử dụng cơng nghệ lập trình đa tác vụ đa luồng, giao diện hệ thống đơn giản đẹp mắt, thao tác đơn giản chương trình thể hình 225(09): 11 - 16 gây lỗi trạng thái ổn định hệ thống, mà gây tượng ổn định chuyển động hệ thống [4] Để giảm tác động bất lợi gây liên kết ma sát hệ thống Servo học, hệ thống ổn định Camera áp dụng phương pháp điều khiển trượt Điều khiển trượt có cấu trúc đơn giản, hiệu quả, thường sử dụng phương pháp tốt với điều kiện ổn định nhiễu hệ phi tuyến Nghiên cứu xem xét đặc điểm ma sát hệ thống để phản ánh chân thực vai trò điều khiển thiết kế 3.1 Giới thiệu mơ hình ma sát Có vùng chết ma sát lớn mặt tiếp xúc cấu trúc khí bệ quay, giao thoa phi tuyến dải tần số thấp hệ thống Tính phi tuyến đối tượng điều khiển làm cho hệ thống bị lệch rung Rất khó cho phương pháp điều khiển truyền thống để đạt điều khiển có độ xác cao Có nhiều mơ hình ma sát, mơ hình ma sát Stribeck phổ biến sử dụng Khi  (t)   , ma sát tĩnh biểu diễn bởi: F (t )  Fm  − Fm  F f (t ) =  − F (t ) − Fm  F (t )  Fm F F (t )  − Fm  m (1) Khi  (t)   , ma sát động biểu diễn bởi: Ff (t ) = [ Fc + ( Fm − Fc )e −1  ( t ) ]sgn( (t )) (2) F (t ) = J (t ) (3) Trong số đó, F(t) mơ-men xoắn dẫn động, Fm mô-men ma sát tĩnh cực đại, Fc mômen ma sát Coulomb,  (t) tốc độ góc Hình Giao diện phần mềm quản lý người dùng PC Mơ hình hóa thiết kế điều khiển trượt dựa bù ma sát Ma sát tồn tất chuyển động yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến bệ quay hoạt động tốc độ thấp Nó khơng 14 quay;   số thực nhỏ, sgn( (t )) hàm tượng trưng 3.2 Mơ hình hóa phương pháp điều khiển trượt Điều khiển theo nguyên lý trượt, hay gọi điều khiển trượt phương pháp điều khiển bền vững cho hệ phi tuyến Bộ điều http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phạm Minh Kha Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN khiển trượt kinh điển biết đến với nhiều ứng dụng điều khiển tác động nhanh [5] Đặt r tín hiệu vị trí mong muốn, hiệu tốc độ góc đầu thực tế,  o tín  o tín hiệu tốc độ góc đầu thực tế Để làm cho vấn đề đơn giản, độ tự cảm phần ứng động bỏ qua Cấu trúc hệ thống dựa điều khiển cấu trúc biến hình r + u BỘ KPWM ĐIỀU KHIỂN − Ra o Js n(s) s Ce Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt Hình mơ tả phương trình sai khác sau: o = o o = − F CmCe K C o + PWM m u − f JRa JRa J (4) (5) Trong công thức, u đối tượng điều khiển, Cm hệ số mô-men xoắn động cơ, Ce hệ số lực điện động ngược động cơ, K PWM hệ số mạch điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation, PWM) Ra điện trở cuộn dây phần ứng, J tổng mô-men quán tính Đặt x1 =  o , x2 = o , cơng thức (4) cơng thức (5) viết dạng phương trình trạng thái:  0   0   x1    x1        x  = 0 − CeCm    x  +  K PWM Cm   u +   Ff −  2  JRa     JRa   J  (6) x1 x tương ứng tín hiệu vị trí góc tín hiệu tốc độ góc x2 = − F CeCm K C x2 + PWM m u − f JRa JRa J http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đặt tín hiệu lệnh thành r, độ sai lệch vị trí: e = r − x1 (8) Độ sai lệch vận tốc góc: e = r − x2 (9) Đặt C = c 1 E = e e T Thực việc chuyển mạch: s = CE = ce + e = c(r − x1 ) + r − x2 (10) Sử dụng luật tiếp cận theo cấp số nhân sau: MA SÁT Ff () t − + Cm F(t) 225(09): 11 - 16 (7) s = − sgn( s) − ks (11) Trong số đó,  > 0, k> 0, sgn(s) hàm tượng trưng Xem xét tác động yếu tố ma sát hệ thống: s = c e + e = c e + r − x2 = c e + r − (− F CmCe K C x + PWM m u − f ) JRa JRa J (12) Khi hệ thống bề mặt chế độ trượt, s = , thì: u= Fˆ f JRa CC (c e + r +  sgn(s) + ks + m e x2 + ) K PWM Cm JRa J (13) Mô hệ thống điều khiển trượt Các tham số mơ hình hệ thống mơ hình ma sát sau: Ra = 7.77  , Cm = Nm/A, J = 0,6 kgm2, KPWM = 11,  = 0,01, Ce = 1,2 V / (radgs-1), Fm = 20 Nm, Fc = 15 Nm, c = 30, k = 5,  = 10 Lệnh đặt thành tín hiệu hình sin r = 0.2sin 2 t + Đầu tiên, điều khiển PID sử dụng Kết mô cho thấy ma sát, q trình điều khiển bám có "đỉnh phẳng" tượng "vùng chết", trình ổn định tới 0.2s để đạt tới mục tiêu Hệ thống điều khiển PID khơng thể đạt độ xác cao độ ổn định cao, kết hình hình 15 Phạm Minh Kha Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 1.2 rad 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s Hình Điều khiển vị trí dùng PID 1.4 1.2 rad 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 t/s Hình Điều khiển bám vị trí dùng PID 1.2 rad 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t/s Hình Kết dùng điều khiển trượt 1.4 rad 0.8 0.6 0.4 0.2 t/s 10 Hình 10 Kết mơ điều khiển bám vị trí dùng phương pháp điều khiển trượt Sử dụng lại điều khiển trượt có trên, sử dụng Simulink để thiết kế chương trình sử dụng S-Function để mô tả đối tượng điều khiển điều khiển Các kết mô hiển thị hình hình 10 Như thấy, từ kết mơ phỏng, điều khiển hạn chế tốt tượng 16 "đỉnh phẳng" "vùng chết" ma sát Hệ điều khiển nhanh chóng bám theo tín hiệu mong đợi điều khiển trượt cách sử dụng luật tiếp cận theo cấp số nhân làm cho hệ thống dần ổn định tiếp tục di chuyển trạng thái trượt, với hiệu ứng động tốt, trình ổn định 0.1s đạt tới mục tiêu Kết luận Trong hệ thống bệ Camera ổn định tàu, điều khiển trượt dựa luật tiếp cận theo cấp số nhân thiết kế dựa thực tế mơ hình hệ thống tham số khơng xác với chuyển động bệ quay chịu tác động ma sát nhiễu bên ngồi Bởi điều khiển trượt dựa trạng thái hệ thống (như độ lệch dẫn xuất khác nhau) quy trình động để thực thay đổi tham số điều khiển, buộc hệ thống phải di chuyển theo quỹ đạo chế độ trượt xác định trước Hệ thống không nhạy cảm với tham số nhiễu, không yêu cầu mơ hình động xác Giải pháp đề xuất khắc phục ảnh hưởng ma sát cải thiện độ xác bám theo mục tiêu hệ thống Servo Các thí nghiệm mô cho thấy phương pháp điều khiển trượt tốt so với điều khiển PID truyền thống hiệu ứng động điều khiển đánh giá dựa mơ hình ma sát Điều có ý nghĩa định cho việc thiết kế lựa chọn điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 1.2 0 225(09): 11 - 16 [1] L Jin-yi, “Research on Use Method of Speed Gyro,” Measurement Control and Communication, vol 14, no.3, pp 1-11, 2006 [2] J Wei, L Qi, Y Hai-feng, and X Bo, “Design and servo control for precision opto-electronic tracking turntable,” Opto-Electronic Engineering, vol 33, no 3, pp 14-15, March 2006 [3] W Yuhui, and Z Zailong, “Research of variable structure control considering friction based on shipboard stabilized plafform,” Application of Electronic Technique, vol 41, no 7, pp 54-56, April 2015 [4] J M Hilkert, "Inertially Stabilized Platform Technology, Concepts and Principles," IEEE Control Systems Magazine, vol 28, no 1, pp 26-46, February 2008 [5] D P Nguyen, X M Phan, and T T Han, Theories for Nonlinear Control Systems, Science and Technics Publishing House, 2008 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... đồ khối hệ thống hiển thị hình PC giám sát hiển thị hình ảnh Camera NHIỄU Bộ điều khiển nhúng Động điện Bệ quay CẢM BIẾN Hình Sơ đồ hệ thống Camera tự ổn định Thiết kế hệ thống tự ổn định 2.1... HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Hệ thống camera quan sát đặt tàu biển gồm hai phận tạo thành hệ thống bệ quay tầm hướng tự ổn định dùng quay camera quan sát đặt lên bệ quay Gió sóng ảnh hưởng đến... pháp điều khiển trượt có xét đến bù ma sát độ nhạy với tham số thiết kế, làm cho hệ thống có hiệu suất tốt Để có hình ảnh video rõ ràng, giải pháp sử dụng cấu bệ quay Camera tự ổn định dùng quay