Tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên tác động lên cánh tay máy

3.4.4.5. Phân tích đánh giá kết quả

Trường hợp 1: Với tham số đầu vào mơ hình là

  T 1 1,5 ( )T

d d d

q  X Y  m

góc nghiêng do hiện tượng mấp mơ mặt ruộng tổng quát 0

/ 20 9

      

và nhiễu ngẫu nhiên tác động lên tay máy tại 2(s) tới 6(s) như hình 3.11 được thể hiện trên hình. Kết quả mơ phỏng được thể hiện trên hình 3.12, hình 3.13, hình 3.14 và 3.15. Từ kết quả này, chúng ta có các nhận xét sau:

Hình 3.12. Chuyển động của cánh tay theo trục X khi sử dụng thuật toán điều khiển PD và PDDE

Hình 3.13. Chuyển động của cánh tay theo trục Y khi sử dụng thuật toán điều khiển PD và PDDE

- Từ hình 3.12 và 3.13 chúng ta có thể thấy, từ thời điểm 0 (s) tới thời điểm 2(s) quỹ đạo của cánh tay khi sử dụng thuật toán PD và PDDE bám tương đối tốt quỹ đạo mong muốn Xd Yd. Tương tự như vậy với vận tốc chuyển động của cánh tay cũng bám sát với vận tốc mong muốn Xd Yd

. Các đường màu đỏ (tương ứng với thuật toán PDDE), đường màu xanh (tương ứng thuật toán PD

được cánh tay bám theo quỹ đạo mong muốn nữa, xảy ra sai số vị trí trên hai trục X và Y, biểu thị bởi sự biến đổi của đường màu xanh trên hình 3.12 và 3.13.

- Đặc biệt khi áp dụng thuật tốn PDDE thì tại thời điểm giây thứ 4 là thời điểm kết thúc quá trình chuyển động, tay máy tiến đến vị trí có sai số so với vị trí mong muốn là  qd  q Xd X Yd Y T  2,5 4 (T cm)và ổn định tại vị trí đó cho tới giây thứ 6 (cắt dứa xong), vận tốc của tay máy theo hai trục (đường màu đỏ) trên hình 3.12 và 3.13 đều bằng khơng chứng tỏ thuật tốn điều khiển PDDE giữ được tay máy ổn định để bàn tay máy thực hiện cắt quả dứa mặc dù vẫn chịu tác động của nhiễu. Ngược lại, với thuật tốn điều khiển PD kinh điển thì vừa gây ra sự sai lệch lớn hơn PDDE vừa không giữ được tay máy ổn định để bàn tay máy thực hiện cắt quả dứa trong khoảng thời gian 4- 6(s), vận tốc của tay máy theo hai trục (đường màu đen) có sự biến đổi khi chịu tác động của nhiễu ngẫu nhiên dẫn đến sự dao động theo hai trục X, Y của cánh tay sinh ra hiện tượng rung lắc của bàn tay khi tiến hành cắt quả dứa, điều này rất dễ làm cho lưỡi cắt cắt vào thân quả dứa khi tiến hành động tác cắt gây nên tổn thất trong thu hoạch.

Hình 3.14. Mơmen sinh ra trên trục động cơ trục X

Hình 3.15. Mơmen sinh ra trên trục động cơ trục Y

- Hình 3.14 và hình 3.15 thể hiện mơmen sinh ra tại đầu trục động cơ dựa trên thuật tốn điều khiển PDDE có thành phần bù nhiễu fw nên khi có nhiễu ngẫu nhiên xuất hiện thì mơ men sinh ra tại hai đầu trục động cơ có sự biến đổi tương thích để chống lại nhiễu đó, nhờ làm cho cánh tay luôn ổn định trong suốt quá trình điều khiển.

Trường hợp 2: Với tham số đầu vào mơ hình là

  T 1 1 ( )T

d d d

- Với thuật điều khiển PD kinh điển chỉ có khả năng điều khiển chuyển động cho cánh tay máy trong các trường hợp lý tưởng, khơng có nhiễu hoặc nhiễu là rất nhỏ, tương ứng với môi trường làm việc như: Phịng thí nghiệm, nhà kính có mặt ruộng phẳng...vv. Cịn nếu làm việc ngồi mơi trường ruộng bình thường thì khơng đáp ứng được u cầu vì khơng có khả năng chống lại các nhiễu xuất hiện ngẫu nhiên tác động lên quá trình làm việc.

- Với thuật toán điều khiển PDDE từ luận án đề xuất, do có thành phần bù nhiễu fw tại (3.44) có chức năng chống lại các tác động của nhiễu mơi trường, nên có thể di chuyển tay máy đến vị trí quả dứa với sai số nhỏ, giữ được sự ổn định để bàn tay máy tiến hành cắt dứa. Do vậy, thuật tốn PDDE có thể ứng dụng được vào thực tế để cánh tay máy có thể hoạt động được trên ruộng thực tế. Với thuật toán PDDE đề xuất này, nhà chế tạo không cần phải đầu tư hệ thống cảm biến phần cứng mà vẫn đáp ứng được yêu cầu đề ra.

Kết luận chương 3:

Từ kết quả nghiên cứu của chương 3 có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Luận án đã ứng dụng camera xử lý ảnh để nhận diện quả dứa chín cần thu hoạch, xây dựng được mơ hình và phương trình tính tốn xác định tọa độ quả dứa cần thu hoạch, từ đó bổ sung được đầu vào để giải bài toán động học tại chương 2.

2. Tác giả sử dụng thuật toán PDDE (Proportional Derivative +Disturbance Estimation) để điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa, thuật

toán này đảm bảo việc điều khiển chuyển động của tay máy tới đúng vị trí quả dứa cần cắt (theo hai trục X, Y) dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov.

3. Luận án đã tiến hành mơ phỏng và phân tích kết quả điều khiển, kết quả mơ phỏng khẳng định thêm tính đúng đắn của thuật toán PDDE mà luận án đề xuất. Dựa trên kết quả mô phỏng cho thấy, cánh tay máy di chuyển đúng tới tọa độ quả dứa (X, Y) dưới tác động của nhiễu môi trường được đưa vào mơ hình.

tác động của nhiễu mơi trường, đồng thời phân tích được mơ hình để tìm ra giới hạn trên của nhiễu (đặc điểm của nhiễu).

Tại chương 3, luận án đề xuất phương pháp xác định tọa độ quả dứa để bổ xung đầu vào cho động học ngược chương 2. Tiếp theo chương 3 đề xuất phương pháp điều khiển PDDE có chức năng kháng được nhiễu khi tác động lên tay máy trong quá trình chuyển động khi LHM làm việc thực tế (ngồi ruộng). Kết quả mơ phỏng cho thấy tính đúng đắn của mơ hình động lực học tay máy và tính khả thi của phương pháp điều khiển PDDE trong việc khắc phục nhiễu môi trường để điều khiển tay máy tới đúng vị trí quả dứa.

Tuy nhiên, để củng cố tính chính xác của mơ hình lý thuyết đưa ra tại chương 2 và chương 3, luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm để so sánh với kết quả tính tốn và mơ phỏng theo mơ hình lý thuyết, luận án sẽ đánh giá được độ tin cậy của mơ hình tính tốn lý thuyết đã xây dựng.

Xuất phát từ lý do trên luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

- Xác định giá trị tọa độ của các quả dứa thông qua giá trị đo thực tế, sau đó so sánh với giá trị đọc được từ camera hiển thị trên màn hình máy tính. Từ đó đánh giá mức độ tin cậy của cơng thức (3.9) và (3.22) tại mục 3.3.

- Kiểm định kết quả điều khiển tay máy tiến tới vị trí quả dứa, khi tay máy được động cơ cung cấp mơmen như tính tốn lý thuyết tại mục (3.4.3).

4.1.2. Nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm

Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm như sau: - Xác định được số lượng mẫu cần thiết để xác định tọa độ quả dứa thực tế để so sánh với giá trị xác định được của máy tính.

- Xác định tọa độ vị trí của tay máy khi tay máy di chuyển từ gốc ra vị trí quả dứa, từ đó xác định sai số thực của quá trình hoạt động khi tay máy được cung cấp mơmen theo lý thuyết tính tốn tại chương 2 với giá trị thực tế đạt được.

- Đánh giá tính đúng đắn của mơ hình tính tốn lý thuyết

4.1.3. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm là tay máy robot hái dứa được lắp trên khung LHM thu hoạch dứa do đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo một số thiết bị cơ giới hóa, tự động hóa một số khâu trong thu hoạch một số loại cây ăn quả tại vùng Tây Nam Bộ” mã số KHCN-TNB.ĐT/14- 19/C30. Địa điểm tiến hành thực nghiệm tại Công ty Cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam (Xuân Mai- Chương Mỹ- Hà Nội), Trường Đại học Lâm nghiệp và tại vùng trồng dứa là huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang là nơi tác giả tiến hành thực nghiệm thực tế có điều kiện như sau:

- Kích thước liếp: chiều rộng 6m, chiều dài từ 50m.

- Xung quanh liếp có mương nước, kích thước mương: chiều rộng 3m, chiều sâu 3m, về mùa khơ thì mực nước trên kênh mương là 0,7m-1,5m.

- Đất trên liếp là đất chua phèn được múc ở dưới mương lên, do vậy nền đất là đất yếu, các loại xe máy có tải trọng lớn khi di chuyển trên liếp là bị sụt lún.

- Các cây dứa được trồng thành từng hàng kích thước hàng cách hàng là 0,4mx0.4m, cây cách cây là 0,3m. Quả dứa thường mọc thẳng so với mặt đất với góc nghiêng từ 700 tới 900

.

- Chiều cao cây dứa đến thời điểm thu hoạch là 0,4-0,6m.

Hình 4.1. Tay máy hái dứa được lắp trên khung liên hợp máy, thực nghiệm tại Tân Phước- Tiền Giang

4.2. Cơ sở xác định tính chính xác giữa mơ hình lý thuyết qua các số liệu thực nghiệm thực nghiệm

4.2.1. Cơ sở lý thuyết

Giả sử đại lượng ngẫu nhiên X qua đo đạc có n mẫu mà mỗi mẫu đều cùng dung lượng r nhận được các giá trị Xij (i 1 n , j 1 r    ). Bằng công thức lý thuyết, ta cũng nhận được các giá trị ˆX (i 1 n )i   . Cần chứng tỏ rằng, các giá trị nhận được bằng cơng thức lý thuyết có thể chấp nhận được với mức ý nghĩa α (hay với độ chính xác 1 - α).

Để giải quyết nội dung này, ta cần thực hiện:

1) Kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai mẫu thí nghiệm thơng qua phương sai lớn nhất 2

max

S có đồng nhất với các phương sai cịn lại không, nội

dung này sử dụng tiêu chuẩn Cochran để thực hiện. Nếu các phương sai thí nghiệm là đồng nhất, khi đó tiếp tục thực hiện cơng việc 2.

2) Kiểm tra tính tương thích của cơng thức lý thuyết và số liệu thực nghiệm bằng cách kiểm tra tính đồng nhất của hai phương sai mẫu thực nghiệm

2 tn

4.2.2. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Cochran

2 m ax t n n 2 i i 1 S G S    (4.1) Trong đó: 2 max

S - Phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm;

2 i

S - phương sai thực nghiệm thứ i với số lần lặp lại r. Trị trung bình: r i ij j 1 1 X . X r    ,( i 1 n )  (4.2) r   2 2 i ij i j 1 1 S . X X r 1      , ( i 1 n )  (4.3) Trong đó: r là số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm

Tra bảng giá trị G1t trong bảng phân vị Cochran: Glt G( r 1 ),n ,( 1 ). - Nếu Gtn Glt: Smax2 sai lệch với các phương sai còn lại dưới mức , dãy phương sai ở các thí nghiệm coi là đồng nhất;

- Nếu Gtn Glt: Smax2 có sai lệch hệ thống với các phương sai cịn lại, dãy phương sai khơng đồng nhất.

4.2.3. Kiểm tra tính tương thích của số liệu thực nghiệm và công thức lý thuyết

Sau khi kiểm tra tính đồng nhất dãy phương sai thực nghiệm, ta kiểm tra tính tương thích dãy giá trị thực nghiệm và dãy giá trị lý thuyết có được. Chúng ta sử dụng tiêu chuẩn Fisher, theo tiêu chuẩn Fisher thì:

du2 tt 2 t .sinh S F S  nếu 2 2 du t .sinh S  S (4.4) 2 t .sinh tt 2 du S F S  nếu 2 2 t .sinh du S S (4.5)

định theo công thức: n 2 2 t .sinh i i 1 1 S . S n    (4.8) Tra bảng Fisher chúng ta có: Fb  F,( n 1 ),n( r 1 )  nếu 2 2 du t .sinh S  S (4.9) Fb F,n( r 1 ),( n 1 )  nếu 2 2 t .sinh du S S (4.10)

Sau khi có kết quả khi có Ftt, Fb chúng ta tiến hành so sánh. + Nếu Ftt Fb thì cơng thức lý thuyết và thực nghiệm tương thích. + Nếu Ftt Fb thì cơng thức lý thuyết và thực nghiệm khơng tương thích.

4.3. Xây dựng hệ thống thực nghiệm

4.3.1. Cấu trúc phần cứng hệ thống

Để có thể thực nghiệm được kết quả lý thuyết đưa ra tại chương 2 và chương 3, luận án tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm có cấu trúc được mơ tả trên hình 4.2.

Hình 4.2. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm

Máy ảnh (camera intel realsense D435) có chức năng chụp ảnh và đưa bức ảnh chụp luống dứa về máy tính thơng qua cổng USB3.0.

Máy tính có chức năng nhận diện quả dứa đã chín theo kết quả nghiên cứu lý thuyết chương 3, tiếp theo máy tính sẽ tính tọa độ quả dứa theo cơng thức (3.9, 3.33). Khi có tọa độ quả dứa (X, Y), giá trị này sẽ được máy tính chuyền xuống bộ điều khiển PLC. Chương trình nhận diện ảnh và đọc tọa độ quả dứa được luận án viết trên nền ngôn ngữ bậc cao Python.

PLC có chức năng nhận giá trị quả dứa làm đầu vào để tính tốn cấp giá trị mômen cho động cơ được đề xuất tại chương 2.

Bộ điều khiển động cơ (motor driver) nhận giá trị mômen được điều khiển từ PLC và cấp mômen quay cho động cơ thông qua giá trị điện áp và dịng điện.

Động cơ có chức năng cấp mômen cho hai khớp của cánh tay (khớp trục X, khớp trục Y) thông qua đầu trục động cơ để di chuyển cánh tay tới vị trí quả dứa cần cắt.

4.3.2. Phần mềm mã nguồn

Quá trình hoạt động của tay máy hái dứa là sự kết hợp chặt chẽ giữa các khối phần cứng và phần mềm, sự luân chuyển tham số giữa các khối này được thể hiện thông qua phần mềm. Luận án sử dụng các phần mềm mã nguồn:

- Ngôn ngữ bậc cao Python được sử dụng để viết chương trình giao diện nhận dạng dứa, chương trình tính tốn tọa độ dứa theo thuật tốn được trình bày tại chương 3, chương trình truyền thơng giao tiếp dữ liệu giữa máy tính và bộ điều khiển PLC theo chuẩn truyền thông RS-485.

- Ngôn ngữ GX-Deverlop là một phần mềm mã nguồn được cung cấp bởi hãng Mitsubishi, được sử dụng để viết thuật tốn tính mơmen động cơ cấp cho các khớp theo công thức (2.33, chương 2).

4.3.3. Mơ hình thực nghiệm tồn bộ hệ thống

Trên hình 4.3 mô tả hệ thống thực nghiệm gồm máy ảnh được gắn cố định trên khung xe công tác, do được gắn cố định trên khung xe nên đảm bảo vị trí tương đối giữa quả dứa và các cánh tay không bị thay đổi khi khung công tác bị nghiêng do hiện tượng mấp mơ bề mặt ruộng xảy ra trong q trình thực nghiệm. Hình 4.4 mơ tả cấu tạo của tủ điện chứa PLC có chương trình mômen cấp chuyển động cho động cơ; các bộ motor driver cấp mômen cho các động cơ trục X và trục Y tay máy theo tín hiệu từ PLC để tay máy di chuyển tới vị trí quả dứa, đồng thời truyền tín hiệu phản hồi từ encoder gắn đồng trục với động cơ về PLC. Hình 4.5 mơ tả vị trí động cơ trục X và động cơ trục Y của tay máy hái dứa.

(1)

(2)

(3)

(4)

Hình 4.3. Mơ hình thực nghiệm tồn bộ hệ thống

(1)-Camera chụp ảnh D435 được gắn cố định tại đầu khung cơng tác; (2)- Máy tính nhận diện, xử lý ảnh để đọc tọa độ quả dứa được đặt trên cabin xe kéo động lực; (3)- Tủ điện chứa các thiết bị điều khiển được đặt trên cabin xe kéo động lực; (4)- 02 Tay máy hái dứa được gắn trên khung công tác.

(1)

(2)

(3)

(4)