Phát triển hệ thống khử dao động tích hợp hệ thống vision cho cầu trục container

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG VÂN HẠO PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG KHỬ DAO ĐỘNG TÍCH HỢP HỆ THỚNG VISION CHO CẦU TRỤC CONTAINER CHUYÊN NGÀNH MÃ SỐ NGÀNH : Kỹ thuật Cơ Điện tử : 60.52.68 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN QUỐC CHÍ Cán chấm nhận xét : PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh ngày 28 tháng 12 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS TRẦN VIỆT HỒNG TS ĐOÀN THẾ THẢO PGS TS NGUYỄN TẤN TIẾN TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TS LÊ ĐỨC HẠNH Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đã sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỢI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƯƠNG VÂN HẠO MSHV :12390822 Ngày, tháng, năm sinh : 19/08/1987 Nơi sinh : TP HCM Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số : 12390822 I 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 VỤ VÀ NỢI DUNG: - Xây dựng mơ hình động lực học cho hệ thống cầu trục chuyển động không gian - Thiết kế hệ thống vision có khả nhận biết chuyển vị của tải - Thiết kế điều khiển Linear Quaratic Regulator (LQR) để khử dao động cho hệ thớng cầu trục dựa mơ hình động lực học xây dựng - Kiểm nghiệm điều khiển bằng mô phỏng số và chạy thực nghiệm mơ hình thí nghiệm II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ III NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ IV CÁN BỢ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN Q́C CHÍ Tp HCM, ngày… tháng… năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo LỜI CẢM ƠN Luận văn “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) đã hoàn thành cả mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm Để đạt kết quả này, vô cùng biết ơn quý thầy cô, bạn bè, sinh viên sử dụng chung phòng thí nghiệm đã hỗ trợ kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm, thời gian cũng động viên tinh thần Trước hết, xin chân thảnh cảm ơn TS Nguyễn Quốc Chí – người đã tận tình hướng dẫn,truyền đạt kiến thức chuyển môn, đồng thời hỗ trợ tích cực các thiết bị, mơ hình để tơi có thể điều kiện vật chất hoàn thành luận văn này Kế đến,tôi cũng xin cám ơn TS Lê Đức Hạnh đã có hướng dẫn quan trọng việc kết nối phần cứng cũng thư viện lập trình quá trình xây dựng hệ thống vision cho luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô môn Cơ Điện Tử đã tận tình truyền đạt kiến thức śt quá trình tơi học tập trường Tp.HCM, Tháng 12, Năm 2015 TRƯƠNG VÂN HẠO Trang Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này kết quả của quá trình nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm hệ thống khử dao động cho cầu trục hoạt động không gian chiều tích hợp hệ thớng vision Mơ hình toán học của cầu trục xây dựng dựa giả thuyết hệ thống có khối lượng tập trung và bỏ qua ma sát Hệ thống vision tích hợp để nhận biết độ chuyển vị của tải thay nhận biết góc lệch của dây cáp hướng tiếp cận truyền thống Hệ thống khử dao động tích hợp vision nhằm đạt mục tiêu: (i) hệ thống vision nhận biết độ chuyển vị của tải; (ii) điều khiển hệ thống crane đến vị trí mong muốn; (iii) giảm thiểu dao động lắc của tải di chuyển Với điều khiển thiết kế, tính ổn định của hệ thống cầu trục chứng minh bang phương pháp Lyapunov, và kiểm nghiệm thông qua mơ phỏng sớ và thực nghiệm mơ hình ABSTRACT This thesis is the result of study on an anti-sway control system for 3D overhead crane with vision system integrated A dynamic model of overhead crane is developed where the crane system is assumed as a lumped mass model and friction is negligible A vision system is studied and intergrated which is to sense the payload’s transposition instead of sensing cable’s tilt angle as in former researches An anti-sway control system with vision intergrated is designed to achieve three objectvies: (i) Vision system is able to sense payload’s transposition (ii) Payload is driven to desired position (iii) Minimize payload’s transposition during crane’s movement The stability of overhead crane system is proven by Lyapunov theory and verified by numerical simulation and practical experiment Trang Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết tất cả nội dung của luận văn này không chép cơng trình nghiên cứu của cá nhân hay tổ chức Tôi xin thực hiện nghiêm túc việc trích dẫn cơng trình báo, tham ḷn đã công bố sử dụng luận văn HỌC VIÊN TRƯƠNG VÂN HẠO Trang Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc và ứng dụng cầu trục 1.2 Tổng quan nghiên cứu và ngoài nước 1.3 Phương pháp nghiên cứu của luận văn 12 1.3.1 Xây dựng mơ hình toán học cho hệ thớng crane không gian 12 1.3.2 Thiết kế điều khiển phải đáp ứng yêu cầu điều khiển sau: 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Hệ tọa độ suy rộng, vận tốc, lực 14 2.2 Biểu thức Lagrange 15 2.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov 19 2.3.1 Các định nghĩa 19 2.3.1.1 Định nghĩa hàm xác định dương, xác định âm 19 2.3.1.2 Định nghĩa hàm Lyapunov 19 2.3.1.3 Đinh nghĩa ổn định theo Lyapunov 20 2.3.2 Định lý Lyapunov ổn đinh cục 21 2.3.3 Định lý Lyapunov ổn định toàn cục 21 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG CẦU TRỤC 22 3.1 Mơ hình hệ thớng cầu trục 22 Trang Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo 3.2 Thiết lập mơ hình toán học cho hệ thống cầu trục 23 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR 27 4.1 Thiết kế điều khiển LQR 27 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 33 5.1: Mô phỏng số 33 5.2: Nhận xét kết quả mô phỏng số 35 5.3 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm 36 5.4 Kết quả thực nghiệm 38 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 LÝ LỊCH TRÍCH GIẢNG 49 Trang Luận văn thạc sĩ HV: Trương Vân Hạo DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo của hệ thớng cầu trục Hình 1.2: Kết quả từ cơng trình nghiên cứu của tác giả Ngơ Quang Hiếu và các đồng nghiệp Hình 1.3: Nguyên lý của giải pháp từ Hideki Kawai, Young Bok Kim, Yong Woon Choi Hình 1.4: Cấu tạo của khử dao động giải pháp của Hideki Kawai, Young Bok Kim, Yong Woon Choi Hình 1.5: Mơ hình hệ thớng cầu trục Hình 2.1: Mình họa tính ởn định Hình 3.1: Mơ hình hệ thớng cầu trục Hình 5.1: Chủn vị của tải theo phương X và phương Y Hình 5.2: Vị trí của xe đẩy theo phương X và phương Y Hình 5.3: Vận tốc của xe đẩy theo phương X và phương Y Hình 5.4: Chiều dài cáp treo Hình 5.5: Hình ảnh mơ hình thiết nghiệm Hình 5.6: Hình ảnh thu nhập từ Kinnect Camera Hình 5.7: Hình ảnh đã xư lý và xác định miếng dán màu đỏ tải Hình 5.8: Giao diện hệ thớng điều khiển cầu trục Hình 5.9: Chuyển vị của tải theo phương X Hình 5.10: Chuyển vị của tải theo phương Y Hình 5.11.: Góc lệch của cáp treo dọc theo phương X Hình 5.12: Góc lệch của cáp treo dọc theo phương Y Hình 5.13: Vị trí của xe đầy theo phương X Hình 5.14: Vị trí của xe đầy theo phương Y Trang Luận văn thạc sĩ Hình 5.15: HV: Trương Vân Hạo Chuyển vị X của tải đọc từ Kinect Camera tại các vị trí X khác của xe đẩy Hình 5.16: Chuyển vị Y của tải đọc từ Kinect Camera tại các vị trí Y khác của xe đẩy Trang ... 12390822 I 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 VỤ... CẢM ƠN Luận văn “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) đã hoàn... lẫn thực nghiệm hệ thống khử dao động cho cầu trục hoạt động không gian chiều tích hợp hệ thớng vision Mơ hình toán học của cầu trục xây dựng dựa giả thuyết hệ thống có khối