(Đề tài NCKH) mô hình điều khiển sự cân bằng giữa bóng và mặt phẳng

MÃ SỐ: SV2018-67 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN SỰ CÂN BẰNG GIỮA BĨNG VÀ MẶT PHẲNG SKC006727 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN SỰ CÂN BẰNG GIỮA BÓNG VÀ MẶT PHẲNG (Mã số: SV2018-67) Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật – Ứng dụng TP Hồ Chí Minh, Tháng 8/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN SỰ CÂN BẰNG GIỮA BĨNG VÀ MẶT PHẲNG (Mã số: SV2018-67) Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật – Ứng dụng SV chịu trách nhiệm đề tài: BÀNH VĨ HÀO Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Hoa Lớp, khoa: 151511A, Điện – Điện Tử Ngành học: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Người hướng dẫn: TS LÊ MỸ HÀ TP Hồ Chí Minh, Tháng 8/2018 Năm thứ: /4 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thơng tin chung: - Tên đề tài: Mơ hình điều khiển cân bóng mặt phẳng - SV thực hiện: Bành Vĩ Hào Mã số SV: 15151133 Trương Nhật Hào Mã số SV: 13151029 - Lớp: 151511A, 131511B - Khoa: Điện Điện Tử Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: TS Lê Mỹ Hà Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu chế tạo mơ hình để giữ bóng vị trí xác định mặt phẳng - Mơ hình nhỏ phục vụ giảng dạy - Ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động vào mơ hình thực tế Tính sáng tạo: - Có mơ hình điều khiển giải thuật riêng - Mơ hình gọn nhẹ, ấn tượng - Sử dụng động DC Servo thay RC Servo - Dùng xử lý ảnh thay dùng mặt phẳng cảm biến để định vị bóng Kết nghiên cứu: - Sản phẩm mơ hình phần cứng bóng mặt phẳng nhỏ phục vụ giảng dạy - Bài báo cáo thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học nhóm - Mơ phỏng: + Chương trình xử lý ảnh OpenCV + Chương trình điều khiển sử dụng giải thuật PID Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Giúp sinh viên tìm hiểu hệ thống cân bóng mặt phẳng kiến thức liên quan, làm tăng tinh thần học hỏi, sáng tạo sinh viên - Mơ hình ứng dụng việc giảng dạy môn học như: hệ thống điều khiển tự động, vi xử lý, xử lý ảnh - Tạo sở lý thuyết cho ứng dụng quan trọng thực tế như: nhà cân chống động đất, lắc ngược Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Bành Vĩ Hào Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài Ngày Xác nhận Trường (kí tên đóng dấu) tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) TS Lê Mỹ Hà GVHD: TS Lê Mỹ Hà MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.3 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.7 PHẠM VI ĐỀ TÀI 1.8 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 SƠ LƯỢC VỀ MƠ HÌNH CÂN BẰNG GIỮA BĨNG VÀ MẶT PHẲNG 2.2 MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 2.2.1Phương trình động học phi tuyến củ 2.2.2Mối quan hệ gia tốc bóng 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 2.3.1Vòng hồi tiếp hệ thống 2.3.2Vòng hồi tiếp hệ thống 2.4 LÝ THUYẾT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.4.1Bộ điều khiển PID 2.4.2Khâu tỉ lệ (Độ lợi) 2.4.3Khâu tích phân 2.4.4Khâu vi phân 2.4.5Cách hiệu chỉnh PID 2.5 LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.5.1Sai số xác lập 2.5.2Đáp ứng độ (Độ vọt lố) ii GVHD: TS Lê Mỹ Hà 2.6 LÝ THUYẾT VỀ XỬ LÝ ẢNH 18 2.6.1 Một số khái niệm xử lý ảnh 18 2.6.2 Không gian màu 19 2.6.3 Không gian màu HSV (HSV Color Space) 21 2.6.4 Chuyển đổi ảnh từ không gian màu RGB sang không gian màu HSV .22 2.6.5 Phân đoạn ảnh 23 2.6.6 Tách biên (Contours) 27 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH 33 3.1 THIẾT KẾ PID VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ 33 3.2 THUẬT TỐN XỬ LÝ ẢNH ĐỊNH VỊ QUẢ BĨNG 41 CHƯƠNG MƠ HÌNH PHẦN CỨNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43 4.1 KẾT CẤU CƠ KHÍ 43 4.1.1 Thiết kế phần cứng solidwork 43 4.1.2 Mơ hình thực tế 48 4.2 CÁC PHẦN CỨNG CHỨC NĂNG 49 4.2.1 Động DC Servo 49 4.2.2 Board Arduino Mega 2560 50 4.2.3 Nguồn tổ ong 52 4.2.4 Camera Logitech C270 53 4.2.5 Board Driver PID 53 4.3 SƠ ĐỒ KẾT NỐI MƠ HÌNH VÀ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN 54 4.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56 4.4.1 Kết xử lý ảnh 56 4.4.1 Kết cân bóng 57 CHƯƠNG KẾT LUẬN 59 5.1 KẾT LUẬN 59 5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 iii GVHD: TS Lê Mỹ Hà DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Ball and Plate sử dụng mặt phẳng cảm biến để định vị từ tác giả Shorya Awtar, 2002 Hình 2.2: Ball and Plate sử dụng camera để định vị từ Intrument Techno Test Hình 2.3: Ball and Plate sử dụng động từ Full Motion Dynamic .6 Hình 2.4: Mơ tả sơ đồ minh họa mơ hình cân bóng mặt phẳng theo trục Hình 2.5: Sơ đồ khối biểu diễn mối liên hệ góc động vị trí bóng 10 Hình 2.6: Sơ đồ khối vòng hồi tiếp hệ thống 10 Hình 2.7: Sơ đồ khối vịng hồi tiếp ngồi hệ thống 11 Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống 11 Hình 2.9: Sơ đồ khối điều khiển PID 13 Hình 2.10: Đồ thị đáp ứng Kp 14 Hình 2.11: Đồ thị đáp ứng Ki 14 Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng Kd 15 Hình 2.13: Sai số xác lập 17 Hình 2.14: Đáp ứng độ 17 Hình 2.15: Thời gian độ 18 Hình 2.16: Điểm ảnh 18 Hình 2.17: Ảnh xám 19 Hình 2.18: Ảnh nhị phân 19 Hình 2.19: Khơng gian màu RGB 20 Hình 2.20: Không gian màu HSV 21 Hình 2.21: Hình trịn biểu diễn màu sắc (Hue) 22 Hình 2.22: Lược đồ rắn lượn cách chọn ngưỡng 24 Hình 2.23: Minh họa khái niệm liên thơng 25 Hình 2.24: Hình minh họa phát điểm biên 32 Hình 3.1: Driver PID MSD_E210V1 33 Hình 3.2: Cách kết nối với vi điều khiển 34 iv GVHD: TS Lê Mỹ Hà Hình 3.3: Giao diện DCTunerPro 35 Hình 3.4: Giao diện DCTunerPro sau chỉnh thông số PID 36 Hình 3.5: Kết dạng sóng đáp ứng 37 Hình 3.6: Giao diện DCTunerPro vị trí động điều khiển xác vị trí 38 Hình 3.7: Kết đáp ứng quay động vòng 39 Hình 3.8: Kết đáp ứng động có gắn tải 40 Hình 3.9: Mặt phẳng bóng 41 Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh định vị bóng 42 Hình 4.1: Mặt đế solidwork chất liệu thép 30x30cm 43 Hình 4.2: Mặt phẳng chất liệu mica 30x30cm 43 Hình 4.3: Gá gắn camera sử dụng nhơm định hình 44 Hình 4.4: Gá động chất liệu mica 45 Hình 4.5: Cánh tay địn chất liệu nhơm 45 Hình 4.6: Trục trục phụ động 46 Hình 4.7: Mơ hình hồn chỉnh cánh tay đòn mặt đế 46 Hình 4.8: Mơ hình hồn chỉnh bao gồm phần khung camera 47 Hình 4.9: Mơ tả khung gắn camera mặt phẳng 48 Hình 4.10: Mơ tả kết cấu cánh tay địn kết nối với mặt phẳng 49 Hình 4.10: Động DC Servo Faulhaber 50 Hình 4.11: Board Arduino Mega 2560 51 Hình 4.13: Nguồn tổ ong 52 Hình 4.14: Camera Logitech C270 53 Hình 4.14: Board driver PID 54 Hình 4.15: Sơ đồ kết nối lưu đồ điều khiển 55 Hình 4.16: Mơ tả vị trí bóng nằm hình vng mặt phẳng 56 Hình 4.17: Mơ tả vị trí bóng nằm hình vng mặt phẳng 56 Hình 4.18: Mơ tả vị trí bóng nằm ngồi hình vng 57 Hình 4.19: Trường hợp vị trí đặt (110, 65) 58 Hình 4.20: Trường hợp vị trí đặt (-50, 30) 58 v GVHD: TS Lê Mỹ Hà Bảng 4.1: Tóm tắt thông số động Faulhaber Điện áp hoạt động Tốc độ motor Tốc độ sau hộp giảm tốc Tỉ số giảm tốc Dịng tải tối đa Dịng khơng tải Momen xoắn Encoder kênh 4.2.2 Board Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 vi điều khiển dựa ATmega 2560 Có 54 đầu vào / đầu số (trong có 15 đầu sử dụng đầu PWM), 16 đầu vào analog, UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 16 MHz dao động tinh thể, kết nối USB, jack cắm điện, đầu ICSP, nút reset Chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển, cần kết nối với máy tính cáp USB sử dụng với chuyển 50 GVHD: TS Lê Mỹ Hà đổi AC -to-DC hay pin Arduino Mega tương thích với hầu hết shield thiết kế cho Arduino Duemilanove Diecimila (hình 4.11) Hình 4.11: Board Arduino Mega 2560 Bảng 4.2: Tóm tắt thơng số Arduino Mega 2560 Microcontroller Operating Voltage Input Voltage (recommended) Input Voltage (limits) Digital I/O Pins Analog Input Pins DC Current per I/O Pin DC Current for 3.3V Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed 51 GVHD: TS Lê Mỹ Hà 4.2.3 Nguồn tổ ong Nguồn tổ ong loại nguồn biến đổi từ điện áp AC 220V sang điện áp DC mức 5V, 12V, 24V… Đây loại nguồn phổ biến với giá thành thấp, độ ổn định cao (hình 4.12) Bảng 4.3: Tóm tắt thơng số nguồn tổ ong Điện áp đầu vào Điện áp đầu Công suất Bảo vệ GVHD: TS Lê Mỹ Làm mát Hà Bằng đối lưu khơng khí tự 4.2.4 Camera Logitech C270 Camera Logitech loại camera có khung ảnh rộng, độ phân giải sắc nét, màu sắc tự nhiên để dễ dàng xử lý ảnh, giá hợp lý (hình 4.14) Bảng 4.4: Tóm tắt thơng số camera Logitech C270 Độ phân giải tối đa Loại tiêu cự Công nghệ thấu kính: Phạm vi quan sát: 4.2.5 Board Driver PID Sử dụng board này, ta giải vấn đề PID cho động cơ, việc cấp xung từ vi điều khiển, ta đạt vị trí mong muốn (hình 4.14) 53 GVHD: TS Lê Mỹ Hà Bảng 4.5: Tóm tắt thơng số kỹ thuật driver PID Điện áp Dịng điện Cơng suất Sai số 4.3 SƠ ĐỒ KẾT NỐI MƠ HÌNH VÀ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ kết nối mơ hình khối xử lý ảnh, khối điều khiển, khối công suất khối động Lưu đồ giải thích rõ ràng chức khối (hình 4.15) 54 GVHD: TS Lê Mỹ Hà Bắt đầu Camera thu nhận hình ảnh truyền liệu qua máy tính thơng qua USB Máy tính xử lý ảnh truyền thông tin tọa độ x, y bóng qua Arduino thơng qua giao tiếp UART Arduino nhận liệu tính tốn PID gửi xung tương ứng với góc cần quay cho driver thơng qua giao tiếp UART Driver PID nhận xung cấp điện áp cho động để động quay dùng encoder để nhận biết vị trí động Đông sau nhận điện áp quay có tín hiệu hồi tiếp từ encoder cho driver PID Hình 4.15: Sơ đồ kết nối lưu đồ điều khiển 55 GVHD: TS Lê Mỹ Hà 4.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.4.1 Kết xử lý ảnh Kết xử lý ảnh sau nhận dang: Trường hợp 1: Bóng nằm hình vng màu trắng mặt phẳng (hình 4.16) Hình 4.16: Mơ tả vị trí bóng nằm hình vng mặt phẳng Trường hợp 2: Bóng nằm hình vng mặt phẳng cho ta tọa động tối đa, cụ thể 150 (hình 4.17) Hình 4.17: Mơ tả vị trí bóng nằm hình vng mặt phẳng 56 GVHD: TS Lê Mỹ Hà Trường hợp 3: Bóng nằm ngồi hình vng, cho ta tọa độ (0,0) (hình 4.18) Hình 4.18: Mơ tả vị trí bóng nằm ngồi hình vng Nhận xét: Tọa độ bóng nhận dạng xác 99% 4.4.1 Kết cân bóng Đầu tiên, ta đặt trước vị trí bóng thả bóng vị trí Trường hợp 1: Ta đặt trước vị trí bóng (110, 65) Qủa bóng lăn đến vị trí (111, 64) dừng lại (hình 4.19) Trường hợp 2: Ta đặt trước vị trí bóng (-50, 30) Qủa bóng lăn đến vị trí (-49, 30) dừng lại (hình 4.20) Nhận xét: kết thực nghiệm có độ xác 90%, thời gian đáp ứng 500ms cho trường hợp định 57 GVHD: TS Lê Mỹ Hà Hình 4.19: Trường hợp vị trí đặt (110, 65) Hình 4.20: Trường hợp vị trí đặt (-50, 30) 58 GVHD: TS Lê Mỹ Hà CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Qua thời gian học tập nghiên cứu, sinh viên hoàn thành báo cáo nghiên cứu Nội dung xây dựng mơ hình điều khiển cân bóng mặt phẳng Theo nội dung trên, nhóm thu kết sau: Xây dựng mơ hình cân bóng mặt phẳng Tìm hiều mơ hình toán học sơ đồ khối hệ thống Áp dụng PID vào mơ hình Tìm hiểu lý thuyết ảnh số Áp dụng lý thuyết ảnh số vào mơ hình 5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Để tài phát triển theo hướng nghiên cứu sau đây: Sử dụng STM32 làm vi điều khiển cho mơ hình giúp mơ hình đáp ứng nhanh Sử dụng Raspberry để xử lý ảnh giúp cho mơ hình khơng cần dùng đến máy tính tốn khơng gian Sử dụng camera tốt để thu ảnh tốt Sử dụng giải thuật điều khiển thông minh LQR, FUZZY 59 GVHD: TS Lê Mỹ Hà TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ThS Lê Văn Thưởng, “Nghiên cứu chế tạo hệ thống cân bóng-đĩa”, Đại học Đà Nẵng, tháng năm 2017 [2] ThS Trần Thị Thanh Lễ, “Điều khiển hệ thống bóng đĩa”, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TPHCM, tháng năm 2012 [3] S Awtar, et al., “Mechatronic Design of a Ball on Plate Balancing System”, Mechatronics, 12(2), 2002 [4] C H Lampert and J Peters, “Real- time detection of colored objects in multiple camera streams with off-the-shelf hardware components”, Journal of Real-Time Image Processing, 7(1), March 2012 [5] C E Lin and C C Ker, “Control Implementation of a Magnetic Actuating Ball and Plate System”, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol 27, No 1-2, 2008 [6] C C Ker, C E Lin, R T Wang, “Tracking and Balance Control of Ball and Plate System“, Journal of the Chinese Institute of Engineering, 30(3), 2007 [7] C H Lampert and J Peters, “Image Fuzzy Control on Magnetic Suspension Ball and Plate System“, International Journal of Automation and Control Engineering, 3(2), May 2012 [8] Nguyễn Thị Phương Hà - Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHQGTPHCM 60 ... khiển cân cho mơ hình cân bóng mặt phẳng điều khiển PID - Nhúng giải thuật điều khiển vào mơ hình thực nghiệm đánh giá chất lượng điều khiển Mơ hình bóng mặt phẳng nhỏ, ứng dụng mơ hình mơ phỏng,... hình điều khiển cân bóng mặt phẳng? ?? mơ hình quan trọng điều khiển học, đồng thời, hệ phi tuyến phức tạp, khó nhiều so với hệ thống cổ điển ? ?mô hình điều khiển cân bóng mặt thanh” Bởi việc giúp bóng. .. vi điều khiển Sau vi điều khiển điều khiển động để cân bóng Một số hình ảnh mơ hình hệ thống cân bóng mặt phẳng (hình 2.2, 2.3 2.4): Hình 2.1: Ball and Plate sử dụng mặt phẳng cảm biến để định