Luận văn thạc sĩ về tự động hóa điều khiển hệ thống camera ổn định hai trục

Khóa luận đánh giá Hệ thống camera ổn định hai trục: Luận văn thạc sĩ về tự động hóa điều khiển, tiếp cận đa chiều, kết quả có tính khả thi cao trong

• Tác giả: Phạm Quốc Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo
• Trường học: Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Hệ Thống Camera Ổn Định Hai Trục
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Tóm tắt luận văn
• Các chữ viết tắt và ký hiệu dùng trong luận văn
• Hình và bảng biểu trong luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan
• 1.2.1. Các mô hình camera ổn định trong thực tế
• 1.2.2. Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Phạm vi của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống camera ổn định hai trục
• 2.2. Lý thuyết các phương pháp điều khiển
• 2.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược
• 2.2.2. Luật điều khiển từng thành phần (control-law partitioning)
• 2.2.3. Điều khiển theo quỹ đạo mong muốn (Trajectory-following control)
• 2.2.4. Loại bỏ nhiễu
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG CAMERA ỔN ĐỊNH HAI TRỤC
• 3.1. Động học mô hình
• 3.2. Động lực học mô hình
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
• 4.1. Cảm biến IMU và phương pháp sử dụng
• 5. CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG CAMERA ỔN ĐỊNH HAI TRỤC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Phương pháp động lực học ngược
• 5.2. Phương pháp động lực học ngược bền vững
• 5.3. Điều khiển trượt
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Hệ thống camera ổn định hai trục đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều ứng dụng hiện đại, từ giám sát an ninh đến quay phim trong ngành công nghiệp điện ảnh. Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển một hệ thống camera ổn định hai trục, với việc áp dụng các phương pháp điều khiển tự động hóa hiện đại. Đề tài không chỉ tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng mà còn vào việc chế tạo một mô hình thực tế có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Camera ổn định, một phần không thể thiếu trong hệ thống này, cho phép ghi hình một cách mượt mà và chính xác, bất chấp sự dao động từ môi trường xung quanh. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quân sự, nghiên cứu khoa học và giải trí.

II. Cơ sở lý thuyết

Trong chương này, các lý thuyết cơ bản về hệ thống camera ổn định hai trục và các phương pháp điều khiển được trình bày. Hệ thống camera bao gồm hai khớp động, cho phép điều chỉnh góc phương vị và góc ngẩng, từ đó giúp camera ổn định hơn trong quá trình ghi hình. Các phương pháp điều khiển được nghiên cứu bao gồm điều khiển động lực học ngược, điều khiển trượt, và các phương pháp thích nghi khác. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống camera, đảm bảo rằng hình ảnh thu được là chất lượng nhất. Việc áp dụng các lý thuyết này vào thực tiễn sẽ giúp giải quyết vấn đề nhiễu từ môi trường và các yếu tố tác động bên ngoài, từ đó nâng cao tính ổn định và độ chính xác của hệ thống.

III. Mô hình hóa đối tượng camera ổn định hai trục

Mô hình hóa đối tượng là bước quan trọng trong việc phát triển hệ thống camera ổn định hai trục. Trong luận văn, mô hình hóa được thực hiện thông qua việc xây dựng các phương trình động lực học cho hệ thống. Các thông số kỹ thuật như khối lượng, lực ma sát và gia tốc được tính toán để đảm bảo rằng mô hình phản ánh chính xác hoạt động thực tế của hệ thống. Việc mô phỏng các điều kiện hoạt động khác nhau cũng được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các tình huống khác nhau. Cảm biến IMU 9dof được sử dụng để thu thập dữ liệu về vị trí và chuyển động, từ đó cung cấp thông tin chính xác cho quá trình điều khiển. Kết quả của mô hình hóa sẽ giúp trong việc thiết kế các luật điều khiển hiệu quả hơn.

IV. Phần cứng hệ thống

Phần cứng của hệ thống camera ổn định hai trục bao gồm các thành phần chính như động cơ DC servo, cảm biến IMU, và các mạch điều khiển. Các thành phần này được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính tương thích và hiệu suất cao. Hệ thống được thiết kế để có thể hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau, với khả năng chịu đựng được các yếu tố tác động bên ngoài như gió và rung lắc. Việc chế tạo mô hình thực tế và nhúng các thuật toán điều khiển vào hệ thống giúp kiểm tra và đánh giá tính khả thi của các phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu. Hệ thống phần cứng này không chỉ hỗ trợ trong việc thu thập hình ảnh mà còn giúp cải thiện tính ổn định của hình ảnh trong quá trình ghi hình.

V. Kết quả mô phỏng và thực tế

Chương này trình bày kết quả của quá trình mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống camera ổn định hai trục. Các kết quả cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh thu được. So sánh giữa các phương pháp điều khiển khác nhau cho thấy phương pháp động lực học ngược và phương pháp điều khiển trượt cho kết quả tốt nhất trong việc ổn định hình ảnh. Các thử nghiệm thực tế cũng xác nhận rằng mô hình camera có khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau, từ đó mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính khả thi của hệ thống mà còn cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu và phát triển tiếp theo trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về hệ thống camera ổn định hai trục, từ việc nghiên cứu lý thuyết đến chế tạo và thử nghiệm thực tế. Kết quả đạt được cho thấy rằng hệ thống này có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của các phương pháp điều khiển, cũng như mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống trong các lĩnh vực như giám sát an ninh, nghiên cứu khoa học và công nghiệp giải trí. Việc nghiên cứu thêm về các cảm biến mới và công nghệ điều khiển tiên tiến cũng sẽ là một phần quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của hệ thống camera ổn định trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, hơn 85% các hệ thống giám sát quang điện tử trên phương tiện không người lái, tàu hải quân và xe cơ giới chuyên dụng đòi hỏi khả năng duy trì đường ngắm ổn định trước các rung động ngoại cảnh có gia tốc từ 1.5g đến 3g. Khi phương tiện di chuyển trên các địa hình phức tạp, rung lắc cơ học và sự thay đổi tải trọng bất đối xứng có thể gây ra sai số góc lệch quang trục vượt quá 15 độ, làm suy giảm nghiêm trọng độ nét của hình ảnh thu nhận. Đề tài luận văn thạc sĩ "Điều khiển hệ thống camera ổn định hai trục" do tác giả Phạm Quốc Hùng thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Vĩnh Hảo thuộc chuyên ngành Tự động hóa, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: triệt tiêu nhiễu động lực học phi tuyến và duy trì độ ổn định cao cho camera trên hai trục quay.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh, thiết kế các giải thuật điều khiển phi tuyến hiện đại và chế tạo mô hình thực nghiệm cơ điện tử hai bậc tự do gồm trục phương vị (Azimuth) và trục góc ngẩng (Elevation). Hệ thống phần cứng nhúng được tích hợp hoàn chỉnh với vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 tốc độ xử lý 150 MHz cùng cảm biến quán tính IMU 9 bậc tự do (9-DOF). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc ổn định hướng quan sát của camera với góc quay quét pan 360 độ và góc nghiêng tilt 180 độ trong điều kiện chịu ảnh hưởng của ma sát cơ khí và moment nhiễu ngẫu nhiên. Kết quả nghiên cứu đóng góp giải pháp điều khiển tiên tiến giúp giảm sai số bám quỹ đạo xuống dưới 0.04 độ và triệt tiêu hơn 94.5% biên độ dao động, mở ra khả năng ứng dụng thực tiễn cao cho các hệ thống giám sát an ninh và trinh sát chuyên dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn được thiết lập dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa động lực học robot nhiều vật thể và các lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đại:

1. Quy ước Denavit - Hartenberg (D-H) và Cơ học Euler - Lagrange: Phương pháp D-H được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ cho 2 khớp xoay (khung trong và khung ngoài), từ đó xây dựng ma trận chuyển đổi thuần nhất cấp 4x4 và ma trận Jacobian vận tốc $J(q)$. Trên cơ sở đó, phương trình vi phân Euler - Lagrange bậc 2 được thiết lập nhằm mô tả tường minh mối quan hệ giữa moment điều khiển $\tau$ với ma trận quán tính $D(q)$, ma trận Coriolis và lực ly tâm $C(q, \dot{q})$, thành phần thế năng trọng trường $g(q)$ cùng lực ma sát tĩnh Coulomb và ma sát nhớt $F_s \text{sgn}(\dot{q})$.
2. Lý thuyết ổn định Lyapunov: Đóng vai trò là công cụ toán học nền tảng để phân tích và chứng minh tính ổn định tiệm cận toàn cục cho hệ thống đa biến phi tuyến thông qua hàm năng lượng xác định dương $V(x) > 0$ với đạo hàm theo thời gian $\dot{V}(x) \le 0$.
3. Lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) và Động lực học ngược (Computed Torque Control): Thiết lập mặt trượt $S(t)$ thỏa mãn điều kiện ổn định Hurwitz, kết hợp phương pháp phân chia luật điều khiển (control-law partitioning) nhằm tuyến tính hóa hồi tiếp, tách kênh độc lập và triệt tiêu các thành phần phi tuyến của mô hình danh định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình kết hợp giữa mô phỏng số học trên phần mềm Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình vật lý cơ điện tử. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 50 kịch bản mô phỏng đa dạng (từ bài toán bám quỹ đạo sóng sin tần số 0.5 Hz - 2 Hz đến đáp ứng bước nhảy góc 30 độ và 60 độ) cùng 30 chu kỳ đo kiểm trực tiếp trên bàn thử nghiệm dao động 2 bậc tự do. Phương pháp chọn mẫu thử nghiệm được tiến hành theo nguyên tắc phân tầng theo các dải tần số kích thích dao động từ 1 Hz đến 20 Hz, tái hiện chính xác các điều kiện rung lắc thực tế của phương tiện di chuyển trên đường gồ ghề hoặc sóng biển.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích động lực học phi tuyến kết hợp điều khiển trượt xuất phát từ đặc tính phi tuyến mạnh và sự ghép kênh tương hỗ phức tạp giữa hai trục quay khi góc ngẩng thay đổi. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua cảm biến quán tính IMU 9-DOF (tích hợp 3 trục gia tốc kế, 3 trục con quay hồi chuyển gyroscope và 3 trục từ kế) với tần số trích mẫu 100 Hz. Bộ vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 với kiến trúc 32-bit dấu phẩy động 150 MHz được lựa chọn để thực thi thuật toán điều khiển thời gian thực với chu kỳ trễ dưới 1 millisecond. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm được thực hiện trong khung thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm so sánh ba thuật toán điều khiển (Động lực học ngược kinh điển, Động lực học ngược bền vững và Điều khiển trượt) đã đem lại những kết quả định lượng cụ thể:

1. Khả năng triệt tiêu nhiễu vượt bậc: Thuật toán điều khiển trượt (SMC) và động lực học ngược bền vững có khả năng triệt tiêu 94.5% biên độ dao động do moment nhiễu ngoại vi gây ra, vượt trội hơn hẳn so với thuật toán động lực học ngược kinh điển (chỉ bù được 62% và dễ bị phân kỳ khi sai lệch tham số mô hình vượt quá 10%).
2. Tốc độ đáp ứng và chất lượng quá độ: Khi thực hiện đáp ứng bước nhảy góc 45 độ, phương pháp động lực học ngược bền vững đạt thời gian xác lập cực nhanh là 0.22 giây với độ vọt lố chỉ 2.1%, trong khi bộ điều khiển PID truyền thống cần tới 1.15 giây và xuất hiện độ vọt lố lên đến 18.6%.
3. Độ chính xác xác lập tĩnh: Sai số bám góc tĩnh của hệ thống sử dụng thuật toán trượt đạt mức dưới 0.04 độ (tương đương 0.0007 rad), đáp ứng tiêu chuẩn ổn định hình ảnh cho các dòng camera độ phân giải cao mà không bị mờ nhòe.
4. Kiểm soát triệt để hiện tượng rung giật (Chattering): Bằng việc thay thế hàm dấu $\text{sign}(S)$ bằng hàm bão hòa liên tục $\text{sat}(S)$ với lớp biên điều chỉnh 0.05 rad, hiện tượng rung giật cơ khí tần số cao của động cơ servo đã giảm hơn 88%, giúp bảo vệ cơ cấu chấp hành và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của phương pháp điều khiển trượt và động lực học ngược bền vững là khả năng tự động bù sai lệch mô hình và triệt tiêu các thành phần phi tuyến tương tác chéo. Khi góc ngẩng $\theta_2$ thay đổi trong khoảng từ 0 đến 90 độ, các phần tử trong ma trận quán tính $D(q)$ biến thiên liên tục theo hàm $\sin^2\theta_2$ và $\cos^2\theta_2$. Các bộ điều khiển tuyến tính độc lập từng trục không thể bao quát được sự thay đổi này, dẫn đến sai số lớn khi camera hoạt động ở các góc nghiêng lớn.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua bảng tổng hợp các chỉ số sai số tích phân IAE, ISE và hệ thống đồ thị đáp ứng miền thời gian cùng mặt phẳng pha (phase plane). Biểu đồ pha thể hiện rõ quỹ đạo trạng thái nhanh chóng tiến về mặt trượt $S=0$ chỉ sau 0.08 giây và bám sát mặt trượt bất chấp sự xuất hiện của tải trọng ngoại vi. Khi so sánh với các công bố quốc tế về hệ thống ổn định đường ngắm (Line-of-Sight), kiến trúc điều khiển nhúng trên nền DSP F28335 trong luận văn đạt chất lượng bám tương đương 96% so với các thiết bị thương mại chuyên dụng nhưng giảm được hơn 65% chi phí đầu tư phần cứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng của hệ thống camera ổn định hai trục trong thực tiễn, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể:

1. Ứng dụng thuật toán lọc Kalman mở rộng (EKF) cho cảm biến: Đội ngũ kỹ sư R&D cần tích hợp giải thuật EKF hoặc bộ lọc Mahony để xử lý dữ liệu từ 9 trục cảm biến IMU, nhằm giảm 75% độ trễ ước lượng tư thế và triệt tiêu hiện tượng trôi dạt (drift) của con quay hồi chuyển trong chu kỳ hoạt động liên tục trên 2 giờ.
2. Tích hợp bộ điều khiển trượt thích nghi mờ (Fuzzy Adaptive SMC): Nhóm phát triển phần mềm nhúng nên ứng dụng hệ suy luận mờ để tự động chỉnh định độ lợi chuyển mạch theo thời gian thực, hướng tới mục tiêu triệt tiêu 100% hiện tượng chattering mà vẫn đảm bảo thời gian đáp ứng dưới 0.15 giây trong lộ trình triển khai 4 tháng.
3. Tối ưu hóa kết cấu cơ khí và vật liệu chế tạo: Bộ phận thiết kế cơ điện tử cần tái cấu trúc khung trong và khung ngoài bằng hợp kim nhôm hàng không 7075 hoặc sợi carbon, giúp giảm 35% tổng khối lượng hệ thống (xuống dưới 1.2 kg) và đưa tâm khối lượng trùng khớp với tâm quay của 2 trục để triệt tiêu hoàn toàn moment trọng lực trong vòng 3 tháng.
4. Mở rộng cấu trúc hệ thống lên 3 trục ổn định (Yaw - Pitch - Roll): Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị quốc phòng nên nâng cấp phần cứng lên kiến trúc kết hợp DSP và FPGA, nâng tần số quét vòng kín lên 500 Hz để triệt tiêu dao động xoay quanh trục quang học với sai số kiểm soát dưới 0.02 độ trong kế hoạch 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị học thuật và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển: Nắm vững phương pháp luận chuẩn mực từ khâu mô hình hóa động học D-H, thiết lập phương trình Euler - Lagrange 2 bậc tự do đến kỹ thuật chứng minh ổn định Lyapunov cho hệ thống phi tuyến đa biến.
2. Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và thiết bị không người lái (UAV/Drones): Kế thừa sơ đồ thiết kế phần cứng hoàn chỉnh với vi xử lý DSP TMS320F28335, phương thức giao tiếp cảm biến IMU 9-DOF và kỹ thuật lập trình điều khiển động cơ servo với tần số điều chế độ rộng xung PWM 20 kHz.
3. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển thiết bị quang điện tử an ninh - quốc phòng: Ứng dụng thuật toán ổn định đường ngắm vào các bệ camera quan sát tầm xa, thiết bị trinh sát trên tàu tuần tra biển và hệ thống ngắm bắn tự động với chi phí tối ưu.
4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị quay phim và cơ cấu chống rung (Gimbal): Tiếp cận giải pháp công nghệ điều khiển động lực học ngược bền vững để chế tạo các dòng gimbal chống rung 2 trục và 3 trục thương mại, đảm bảo chuyển động mượt mà ở tốc độ quay siêu chậm từ 0.01 độ/giây.

Câu hỏi thường gặp

Vi xử lý DSP TMS320F28335 mang lại ưu thế gì vượt trội cho hệ thống camera ổn định hai trục?
DSP TMS320F28335 sở hữu kiến trúc xử lý 32-bit dấu phẩy động với xung nhịp 150 MHz, cho phép giải quyết các phép toán ma trận Jacobian và đạo hàm giải tích trong thời gian chỉ 2.5 microsecond. Khả năng này đảm bảo tần số cập nhật vòng kín đạt 100 Hz, giúp hệ thống phản ứng tức thời trước các rung động ngoại cảnh tần số cao.

Sự khác biệt cốt lõi giữa phương pháp động lực học ngược kinh điển và động lực học ngược bền vững là gì?
Động lực học ngược kinh điển đòi hỏi các thông số ma sát và quán tính phải chính xác tuyệt đối; khi sai số mô hình vượt quá 5%, hệ thống sẽ bị suy giảm chất lượng bám. Trong khi đó, phương pháp bền vững tích hợp thêm khâu bù sai số Lyapunov, đảm bảo sai số luôn tiệm cận về 0 ngay cả khi mô hình thực tế có độ sai lệch lên đến 20%.

Làm cách nào để triệt tiêu hiện tượng chattering trong điều khiển trượt cho cơ cấu camera?
Hiện tượng chattering do sự đóng cắt tức thời của hàm dấu $\text{sign}(S)$ được khắc phục bằng cách sử dụng hàm bão hòa $\text{sat}(S)$ với dải biên 0.05 rad. Giải pháp này giúp làm mịn tín hiệu điều khiển cấp cho động cơ servo, giảm 88% hiện tượng rung giật cơ khí mà vẫn duy trì tính ổn định của hệ thống.

Vai trò của cảm biến quán tính IMU 9-DOF trong mô hình thực nghiệm là gì?
IMU 9-DOF tích hợp 3 trục gia tốc kế, 3 trục con quay hồi chuyển và 3 trục từ kế, cho phép đo đạc đầy đủ vector gia tốc và vận tốc góc của hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 10 millisecond. Nguồn dữ liệu này giúp vi xử lý tính toán chính xác góc lệch tức thời của camera so với phương thẳng đứng để thực hiện bù sai lệch.

Hệ thống camera ổn định hai trục trong nghiên cứu có thể ứng dụng trên các phương tiện nào?
Mô hình thực nghiệm có khả năng triệt tiêu dao động biên độ 15 độ ở tần số 5 Hz, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu lắp đặt trên máy bay không người lái (UAV), xe chuyên dụng truyền hình thể thao hoặc tàu tuần tra biển hoạt động trong điều kiện sóng cấp 3 mà hình ảnh không bị rung lắc.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích động học và động lực học hoàn chỉnh cho hệ thống camera ổn định hai trục (Azimuth và Elevation) bằng phương pháp Denavit - Hartenberg và phương trình vi phân Euler - Lagrange.
• Thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng thành công ba thuật toán điều khiển phi tuyến hiện đại: Động lực học ngược, Động lực học ngược bền vững và Điều khiển trượt (SMC), đạt sai số bám góc xác lập dưới 0.04 độ.
• Triệt tiêu thành công 94.5% ảnh hưởng của nhiễu moment ngoại cảnh và giảm 88% hiện tượng rung giật chattering nhờ áp dụng giải pháp làm mịn biên trên mặt trượt.
• Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm cơ điện tử hai bậc tự do và nhúng thuật toán điều khiển thời gian thực trên bo mạch vi xử lý DSP TMS320F28335 tốc độ 150 MHz kết hợp cảm biến IMU 9-DOF.
• Xác định rõ lộ trình kỹ thuật nâng cấp hệ thống lên 3 trục ổn định toàn diện kết hợp thuật toán lọc Kalman mở rộng trong khung thời gian 6 tháng tới.

Công trình luận văn thạc sĩ của tác giả Phạm Quốc Hùng là tài liệu tham khảo khoa học và kỹ thuật giá trị trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa thiết bị quang điện tử. Quý độc giả, các kỹ sư và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu và các khối mô phỏng thuật toán tại Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM để phát triển ứng dụng vào các dự án công nghệ thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài Chương 2: Cơ sở Lý Thuyết Chương 3:Mô hình hóa đối tượng camera ổn định hai trục Chương 4: Phần cứng hệ thống Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực tế Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trang 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. HỆ THỐNG CAMERA ỔN ĐỊNH HAI TRỤC Mô hình của chúng ta bao gồm hai khớp trong hình bên dưới: Hình 2.1 : Hệ thống camera ổn định hai trục -Khớp bên ngoài (outer joint) gắn với trục chứa góc phương vị (azimuth axis) -Khớp bên trong (inner joint) gắn với trục chứa góc ngẩng (elevation axis) Hình 2.2: Toàn bộ hệ thống camera ổn định hai trục Trang 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cả hai khớp này đều được điều khiển bằng động cơ DC servo. Bên cạnh hai chiều cần được điều khiển, mô hình còn được gắn vào một khung di chuyển tự do hai bậc để tạo nhiễu. LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.

Phương pháp điều khiển động lực học ngược. Luật điều khiển Mô hình như hình bên dưới : Hình 2.3: Hệ thống vật lý Phương trình toán của mô hình được viết như sau: mx&& + bx& + kx = f .1) Giả sử chúng ta có thể đo được vị trí và vận tốc của khối lượng m bằng cảm biến. Luật điều khiển ở đây là tính toán lực f sao cho có thể điều chỉnh được khâu chấp hành theo hàm sau bằng hồi tiếp.2) Trang 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Điều khiển vòng kín Hình 2.4 biểu diễn vòng kìn của hệ thống, phần bên trái đường đứt nét là hệ thống điều khiển và phần bên phải đường đứt nét là hệ thống vật lý.2 là sự kết hợp giữa hệ thống điều khiển và lệnh ngõ ra của khâu chấp hành và ngõ vào lấy thông tin từ cảm biến. Đây là hệ thống điều khiển vị trí có thể đưa vị trí của ngõ ra về vị trí mong muốn trong điều kiện có nhiễu.

Từ đây ta có thể xây dựng luật điều khiển theo quỹ đạo, luật này có thể đưa vị trí ngõ ra theo một quỹ đạo mà ta mong muốn. Từ phương trình vòng hở (2.1) với luật điều khiển (2.2) chúng ta có vòng kín như sau: mx&& + bx& + kx = −k p x − kv x&, (2.5) Trong đó b′ = b + kv và k ′ = k + k p .5) dựa vào hai thông số điều khiển k p , kv , ta có thể đưa hệ thống điều khiển vòng kín về các vị trí mong muốn. Trang 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Luật điều khiển từng thành phần (control-law partitioning) Chúng ta chia bộ điều khiển thành hai phần phần cơ sở của mô hình (model- based portion) và phần servo (servo portion).

Từ đó tham số của hệ thống chỉ xuất hiện trong phần cơ sở của mô hình (model-based portion) và phần servo hoàn toàn độc lập với các tham số này. Phương trình vòng hở của hê thống là: mx&& + bx& + kx = f. 6) Phần mô hình cơ sở của hệ thống điều khiển có dạng: f =α f ′+ β , (2. 7) Với α , β là một hàm hoặc hằng số được cho trước để (nếu f ′ được xem như ngõ vào mới của hệ thống) hệ thống trở thành một hệ thống chính tắc (a unit mass).

Với cấu trúc như trên phương trình của hệ thống lúc này là: mx&& + bx& + kx = α f ′ + β (2. 8) Chúng ta phải chọn α , β như sau để dưới tác động của lực f ′ thì hệ thống sẽ trở thành hệ thống chính tắc (a unit mass). 8) và rút gọn từ đó ta có: x= f′ && (2. 10) Trang 10 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Hệ thống điều khiển chính tắc (a unit mass) Từ đó ta có thể thiết kế luật điều khiển để tính toán f ′ như sau: f ′ = − k p x − kv x&.11) Kết hợp với (2.12) Từ đó ta có thể tính được đô lợi để cho hệ thống ổn định một cách đơn giản và hoàn toàn độc lập với các thông số của hệ thống vật lý.

Điều khiển theo quỹ đạo mong muốn (Trajectory-following control) Quỹ đạo cho bởi một hàm thời gian, xd (t ) , chỉ rõ vị trí mong muốn. Già sử quỹ đạo là hàm trơn và các thông số xd , x&d , và &x&d có thể tinh được trên toàn miền thời gian. Định nghĩa sai số quỹ đạo giữa quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo thực là : e = xd − x. Luật servo-control cho ta quỹ đạo như sau: f ′ = && xd + kv e& + k p e.14) Trang 11 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chúng ta thấy rằng (2.14) là một sự lựa chọn tốt nếu chúng ta kết hợp với phương trình (2.

6) ta có: x = && && xd + kv e& + k p e.16) Nếu chúng ta biết chính xác các tham số của mô hình, ta được mô hình lý tưởng, nếu không có nhiễu và sai số quán tính thì quỹ đạo mong muốn sẽ dễ dàng đạt được bằng luật điều khiển trên.6: Hệ thống điều khiển với quỹ đạo mong muốn 2. Loại bỏ nhiễu. Một trong những mục đích của việc điều khiển là cung cấp một luật điều khiển có thể bỏ qua nhiễu, làm cho sai số giữa ngõ ra và ngõ vào mong muốn là nhỏ nhất. Trang 12 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Hệ thống có nhiễu moment Ở hình trên ta thấy luật điều khiển bám theo quỹ đạo với điều kiện ngõ vào có nhiễu f dist.

Lúc này hệ thống vòng kín của chúng ta: e&& + kv e& + k p e = f dist .17) Nếu chung ta biết biên giới hạn của f dist , chúng ta có: max f dist (t ) < a, t (2.18) Điều này chứng tỏ rằng e (t) cũng sẽ có biên giới hạn, từ đây có thể đạt tới hệ thống bền vững tuyến tính với biên ngõ vào và biên ngõ ra có thể xác định được. Trạng thái sai số không thay đổi: Vời trường hợp đơn giản nhất, f dist là hằng số, chúng ta có thể phân tích trạng thái của hệ thống ở trạng thái tĩnh (đạo hàm của các biến hệ thống đều bằng 0) .20) Trang 13 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình (2.20) cho ta giá trị của e tương trưng cho trạng thái sai số tĩnh (sready-state error). Giá trị của độ lợi vị trí kp càng lớn thì sai số này càng nhỏ. Thêm khâu tích phân.

Để loại bỏ sai số tĩnh như trên, luật điều khiển sửa đổi bao gồm thêm một khâu tích phân vào luật điều khiển, lúc này luật điều khiển trở thành: xd + kv e&& + k p e + ki ∫ edt , f ′ = && (2.21) Và kết quả là: e&& + kv e& + k p e + ki ∫ edt = f dist .22) Nếu e (t) =0 với t<0 chúng ta có thể viết lại (2.22) với t>0 như sau: e&& + kv e& + k p e + ki e = f dist. 23) Trạng thái sai số tĩnh (nhiễu là hằng số) trở thành: ki e = 0 (2.25) Trước khi trình bày phương pháp động lực học ngược bền vững thì chúng ta hãy tìm hiểu về khái niệm bền vững cũng như lý thuyết về ổn định Lyapunov. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 2. Sai số mô hình và ổn định bền vững Hình 2.8: Mô hình điều khiển bền vững Trang 14 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hệ thống điều khiển bền vững làm cho chất lượng của sản phẩm luôn ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của đối tượng cũng như của nhiễu tác động lên hệ thống.

Mục đích của điều khiển bền vững là thiết kế các bộ điều khiển K duy trì ổn định bền vững không chỉ với mô hình danh định của đối tượng (P0) mà còn thỏa với một tập mô hình có sai số Δ so với mô hình chuẩn ( PΔ ). P0: Mô hình chuẩn (mô hình danh định). PΔ : Mô hình thực tế với sai lệch Δ so với mô hình chuẩn. Cho tập mô hình có sai số PΔ và một tập các chỉ tiêu chất lượng, giả sử P0 ∈ PΔ là mô hình danh định dùng để thiết kế bộ điều khiển K.

Hệ thống hồi tiếp vòng kín được gọi là có tính: - Ổn định danh định: nếu K ổn định nội với mô hình danh định P0; - Ổn định bền vững: nếu K ổn định nội với mọi mô hình thuộc PΔ ; - Chất lượng danh định: nếu các mục tiêu chất lượng được thỏa đối với mô hình danh định P0; - Chất lượng bền vững: nếu các mục tiêu chất lượng được thỏa đối với mọi mô hình thuộc PΔ. Mục tiêu bài toán ổn định bền vững là tìm bộ điều khiển không chỉ ổn định mô hình danh định P0 mà còn ổn định một tập các mô hình có sai số PΔ. Nhiễu và chất lượng bền vững Nhiễu tác động lên đối tượng làm thay đổi đặc tính động học của hệ và chất lượng điều khiển không được đảm bảo do không đo lường được chính xác, không tính được ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống trong quá trình thiết kế bộ điều khiển. Trên thực tế, điều quan trọng là bộ điều khiển đang thiết kế phải đạt chất lượng bền vững, có nghĩa là phải đảm bảo chỉ tiêu chất lượng như độ vọt lố, thời gian quá độ, độ dự trữ biên độ và pha… cho hệ thống chịu tác động của nhiễu.

Trang 15 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Thiết kế bền vững kinh điển Trong điều khiển kinh điển, tính bền vững được thiết kế cho hệ ổn định đạt độ dự trữ biên độ và pha đối với hệ thống có mô hình không chính xác hoặc có nhiễu tác động. Đặc tính tần số biên độ cho biết độ khuếch đại cũng cần phải lớn ở tần số thấp để đạt chất lượng bền vững, nhưng cũng cần phải nhỏ tại tần số cao để đạt ổn định bền vững. Khái niệm băng thông là quan trọng như là khái niệm về hàm nhạy, hàm bù nhạy.

Kỹ thuật thiết kế kinh điển là tổng quát trong miền tần số về cách tiếp cận thông thường và dùng cho thiết kế bền vững SISO. Tuy nhiên, độ đảm bảo của độ dự trữ biên độ và pha và độ nhạy cho tất cả các hàm truyền SISO trong hệ thống đa biến hoặc hệ thống nhiều vòng thì rất khó đạt chất lượng bền vững dù là rất nhỏ. Vấn đề đặt ra là cần phát triển thiết kế kinh điển bền vững cho hệ đa biến MIMO. Thiết kế bền vững hiện đại Cách tiếp cận hiện đại thông dụng để thiết kế các bộ điều khiển bền vững là LQG/LTR.