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

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.

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.