Đặt vấn đề: Ngày nay, các thiết bị được vận hành trong lĩnh vực sản xuất, giải trí, chăm sóc sức khỏe… thường được thực hiện, gia công với độ chính xác rất cao vì vậy các thiết bị này sẽ hoạt động tốt hơn, bền hơn. Các bộ điều khiển được sử dụng điều khiển có thể là PID, hồi tiếp trạng thái, đặt cực… Sau thời gian vận hành các cơ cấu, bộ phận sẽ xảy ra hiện tượng hao mòn làm thay đổi hệ số ma sát, hệ số giãn nở, độ rung … điều này có thể làm ảnh hưởng tới chất lượng của các thiết bị. Để khắc phục hiện tượng này ta có thể thực hiện các biện pháp như làm mát, bôi trơn …Tuy nhiên, những việc làm này chỉ cải thiện được phần nào vấn đề trên nhưng không thể giải quyết triệt để. Do đó các bộ điều khiển này sẽ không đảm bảo được chất lượng như trước nữa.
Để khắc phục vấn đề này sử dụng một số bộ điều khiển phi tuyến có thuật toán tối ưu. Các bộ điều khiển thường dùng là BackStepping, Sliding Mode… Để thực hiện khảo sát các thuật toán điều khiển này, học viên đã tiến hành khảo sát hệ bóng và dĩa là hệ mở rộng của hệ bóng và thanh. Bên cạnh đó, trong những năm gần đây phong trào nghiên cứu thị giác máy tính cũng trở nên khá phổ biến. Điều này được thể hiện thông qua số đề tài, bài báo và các ứng dụng trong những năm gần đây như các đề tài về robot nhận dạng cảm xúc, điều khiển xe bằng ánh mắt, đếm xe, xác định kích thức của vật thể trong không gian thực.
Đứng trước thực trạng đó, tác giả cũng tiến hành nghiên cứu, sử dụng thị giác máy tính như là cảm biến để thu thập được vị trí của trái bóng trên dĩa. Đây cũng chính là mục tiêu của đề tài. Giới thiệu đề tài 1. Giới thiệu hệ bóng và thanh: Hệ thống bóng và thanh là một ví dụ kinh điển của bài toán điều khiển động vòng hở.
Bài toán này đặc biệt thu hút bởi vì nó là hệ thống vòng hở không ổn định, điều này có nghĩa là khi trái bóng di chuyển nó sẽ lăn không bao giờ dừng nếu không có sự tác động nào xảy ra. Điều này trái ngược với hệ thống ổn định vòng hở như là bóng trong tô, nơi mà nếu trái bóng bị tác động bởi một lực nó sẽ dao động bên trong tô mãi mãi hay nó sẽ dừng lại dưới sự tác động của lực ma sát. Trang 6 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Hình 1.1 Hệ bóng và thanh Hệ thống bóng và thanh là một cấu trúc đơn giản là một thanh có thể làm nghiêng và quay quanh điểm giữa của thanh hay tại các điểm ở cạnh, và một trái bóng ở trên thanh. Trái bóng được giới hạn chỉ chuyển động trên một trục, dọc theo thanh.
Vị trí của trái bóng luôn được đo thông qua việc sử dụng một cảm biến điện trở. Trái bóng được làm bằng kim loại, thường là trái bóng bằng sắt, và bắc cầu giữa 2 thanh kim loại. Khi trái bóng lăn lên hoặc lăn xuống các thanh, nó sẽ làm tăng hoặc giản điện trở của thanh. Nhìn chung giá trị điện trở sẽ cho ta biết được chính xác vị trí của trái bóng đang ở đâu.
Giới thiệu hệ bóng và dĩa: Hệ bóng và dĩa là mô hình 3D của hệ bóng và thanh. Nó bao gồm cả trục x và trục y cho phép trái bóng lăn theo những đường khác nhau từ điểm đến điểm. Điều này thu hút sự chú ý trong lĩnh vực khoa học bởi vì nó cho phép chúng ta điều khiển cả vị trí và hướng, bằng cách này đã mở ra một lĩnh vực khác của robotic trong việc quy hoạch quĩ đạo. Trang 7 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Hình 1.2 Hệ bóng và dĩa Cấu trúc của hệ bóng và dĩa bao gồm một mặt phẳng dĩa, cơ cấu cơ khí đề làm lệch mặt phẳng dĩa theo 2 trục, cảm biến xác định vị trí trái bóng, thiết bị đo dùng để xử lý tín hiệu và bộ điều khiển thời gian thực.
Hệ thống bóng và dĩa được chia ra làm 5 bài toán nhỏ: Hình 1.3 Điều khiển ổn định hóa Giữa cho trái bóng luôn ổn định ở tâm của mặt phẳng dĩa. Giữa cho trái bóng ổn định ở các vị trí được yêu cầu trên mặt phẳng dĩa.4 Điều khiển bám theo quỹ đạo Trang 8 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Quy hoạch quỹ đạo. Trái bóng bám theo quỹ đạo được định trước.5 Điều khiển điểm đến và hướng đi của bóng online Trái bóng di chuyển thời điểm khác theo hướng được chỉ định trên màn hình điều khiển. Chọn điểm đến và hướng di chuyển ban đầu của trái bóng sau đó trái bóng sẽ di chuyển theo hướng chỉ định với một quĩ đạo bất kỳ.
Giới thiệu về thị giác máy tính: Thị giác máy tính (Computing Vision) là một lĩnh vực bao gồm các phương pháp thu thập, xử lý, phân tích các hình ảnh và các dữ liệu đa chiều trong thế giới thức để thu được những thông tin dưới dạng số học hay hình học. Nền tảng phát triển của lĩnh vực này là bắt chước các khả năng về thị giác của con người. Khi khị giác máy tính được áp dụng vào những mô hình thì lúc đó ta sẽ có được các hệ thống thị giác máy tính. Ví dụ như ứng dụng thị giác máy tính cho: Những quá trình điều khiển của robot công nghiệp.
Định hướng di chuyển cho phương tiện tự vận hành, robot tự hành. Xác định các sự kiện như giám sát bằng hình ảnh hay đếm số lượng người. Tổ chức các thông tin sử dụng kết hợp với trí tuệ nhân tạo dùng cho các bộ dự báo. Mô hình hóa các đối tượng hay môi trường.
Tương tác giữa người và máy. Tự động kiểm tra trong các dây truyền sản xuất như chất lượng, số lượng sản phầm… Thị giác máy tính thường được sử dụng trong các lĩnh vực như : Trang 9 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Trí tuệ nhân tạo: Thị giác máy tính được sử dụng như là cảm biến thu thập, phân tích và xử lý các hình ảnh trước khi hệ thống định hướng xe tự hành, robot tự hành… Vật lý : Thị giác máy tính được dùng kèm với kiến thức vật lý để phân tích các thông tin về màu sắc chứa trong các hình ảnh về các loại khí… Thần kinh học, quang học. Trong những năm gần đây, các sinh viên và học viên ở trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã thực hiện nhiều đề tài về thị giác máy tính như điều khiển robot bằng mắt, cử chỉ của bàn tay, phân loại sản phẩm theo màu… đã đạt được kết quả tốt. Dù các đề tài trên đã đạt được những kết quả tốt nhưng do yêu cầu của các đề tài không xét tới yếu tố thời gian thực, vì vậy để hiểu rõ hơn về yếu tố này tác giả quyết định thực hiện đề tài : Điều khiển cân bằng bóng và dĩa dùng thị giác máy tính.
Các hướng tiếp cận điều khiển đối tượng bóng và dĩa: Khi thực hiện bài toán điều khiển bóng và dĩa chúng ta sẽ gặp phải rất nhiều nhiều thách thức như việc chọn cơ cấu chấp hành, cấu trúc cơ khí, và cảm biến phản hồi vị trí của trái bóng trên dĩa. Chính những thách thức này đã tạo ra sự thu hút với các nhà nghiên cứu điều này được thể hiện qua tính đa dạng của các bài báo đã thực hiện liên quan tới đề tài. Các loại mô hình cơ khí: Các loại cấu trúc cơ khi thường được chọn để xây dựng đối tượng bóng và dĩa: Cấu trúc sử dụng hai động cơ được kết nối ở hai góc trên dĩa được đỡ bởi khớp nối ở giữa[1], với cấu trúc này để điều khiển trái bóng trên dĩa ta chỉ cần thay đổi góc quay của hai động cơ.[2], [3] Cấu trúc sử dụng ba động cơ được kết nối dĩa tại ba điểm tạo thành tam giác đều, với cấu trúc này để điều khiển trái bóng trên dĩa ta cần phải điều khiển góc quay của ba động cơ. Cấu trúc sử dụng hai bộ đệm từ trường kết nối ở hai góc của dĩa qua đó ta có thể thay đổi vị trí của trái bóng trên dĩa qua việc thay đổi lực hút của bộ đệm [4] Trang 10 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Cấu trúc sử dụng các khớp nối hình chữ U kết hợp với các động cơ để thay đổi góc nghiêng của dĩa [5] 1.
Các bộ chấp hành: Ở mỗi cấu trúc cơ khí, đối tượng có thể sử dụng các bộ chấp hành khác nhau: Sử dụng động cơ DC Servo[1] [2][3].6 Động cơ DC Servo. o Mô hình toán học có được thông qua các thông số của động cơ. o Khi điều khiển vị trí góc quay của động cơ ta cần thiết kế thêm bộ điều khiển hay tích hợp thêm bộ điều khiển động cơ. Sử dụng động cơ RC Servo.7 Động cơ RC servo.
o Tích hợp sẵn bộ điều khiển vị trí góc quay với ngõ vào là xung PWM. o Mô hình toán học phức tạp, khó xây dựng, thường xem bộ chấp hành có hàm truyền bậc 1. Sử dụng động cơ bước. Trang 11 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Hình 1.
o Điều khiển vị trí, tốc độ thông qua số lượng, tần số chuỗi xung phát cho động cơ. o Mô hình toán học phức tạp. Sử dụng bộ đệm từ trường [4] o Mô hình toán học có thể xây dựng được. Các loại cảm biến: Sử dụng màn cảm ứng điện trở[1], [4], [5], [9] hoặc cảm biến hồng ngoại.
Khi ta sử dụng loại cảm biến này thì sẽ bị giới hạn về độ phân giải, kết quả thu thập bị ảnh hưởng bởi khối lượng trái bóng.9 Tấm cảm ứng điện trở. Sử dụng camera hoặc webcame cùng với phần mềm xử lý ảnh[2], [3], [7]: Khi sử dụng loại cảm biến này thì ta cần sử dụng kèm theo phần mềm, mô hình cơ khí cần phải thêm một phần cơ cấu để gắn cảm biến. Trang 12 ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH Hình 1.10 Camera analog và Webcam. Các giải thuật điều khiển đặc trưng được sử dụng để điều khiển đối tượng.
Sử dụng các bộ điều khiển kinh điển: Điều khiển PID[1], [3] được sử dụng để điều khiển cân bằng quanh điểm đăc biệt, không hiệu quả khi sử dụng để điều khiển bám theo quỹ đạo.
