I. Giới thiệu và tổng quan
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tự động hóa điều khiển hệ bóng và dĩa bằng cách sử dụng thị giác máy tính. Đề tài được thực hiện bởi Trần Đức Thiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Thái Hoàng. Mục tiêu chính là thiết kế và triển khai một hệ thống điều khiển tự động cho hệ bóng và dĩa, sử dụng các kỹ thuật thị giác máy tính để xác định vị trí và vận tốc của bóng. Hệ thống này được xem là mở rộng từ hệ bóng và thanh, với độ phức tạp cao hơn do tính chất 3D của nó.
1.1. Hệ bóng và thanh
Hệ bóng và thanh là một mô hình kinh điển trong điều khiển động học, đặc trưng bởi tính không ổn định vòng hở. Trái bóng di chuyển trên một thanh nghiêng, và vị trí của nó được đo bằng cảm biến điện trở. Đây là hệ thống đơn giản nhưng đặt ra nhiều thách thức trong việc điều khiển, đặc biệt là khi không có tác động ngoại lực.
1.2. Hệ bóng và dĩa
Hệ bóng và dĩa là phiên bản 3D của hệ bóng và thanh, cho phép bóng di chuyển trên hai trục x và y. Hệ thống này phức tạp hơn do yêu cầu điều khiển đồng thời cả vị trí và hướng di chuyển của bóng. Cấu trúc cơ khí bao gồm một mặt phẳng dĩa, các động cơ DC, và cảm biến để xác định vị trí bóng.
II. Mô hình hóa và thiết kế hệ thống
Luận văn tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống bóng và dĩa bằng các phương pháp toán học và cơ khí. Hệ thống được thiết kế với hai động cơ DC để điều khiển góc nghiêng của dĩa, và một webcam được sử dụng để xác định vị trí bóng thông qua thị giác máy tính. Phần mềm Visual Studio 2008 và thư viện OpenCV được sử dụng để xử lý hình ảnh và truyền dữ liệu về vị trí bóng đến vi điều khiển TMS320F28335.
2.1. Mô hình cơ khí
Hệ thống bao gồm một mặt phẳng dĩa được điều khiển bởi hai động cơ DC hộp số. Các khớp nối cơ khí được thiết kế để đảm bảo độ chính xác khi thay đổi góc nghiêng của dĩa. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên phương trình Lagrange, giúp mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển.
2.2. Thị giác máy tính
Thị giác máy tính được sử dụng để xác định vị trí và vận tốc của bóng trên dĩa. Webcam thu thập hình ảnh, và phần mềm Visual Studio 2008 cùng thư viện OpenCV xử lý các khung hình để trích xuất thông tin. Giải thuật xử lý ảnh bao gồm tách biên và xác định tâm hình tròn, đảm bảo độ chính xác cao trong việc xác định vị trí bóng.
III. Thiết kế bộ điều khiển
Luận văn đề xuất hai phương pháp điều khiển chính: điều khiển PID và điều khiển cuốn chiếu (Backstepping). Cả hai phương pháp đều được mô phỏng và thử nghiệm trên hệ thống bóng và dĩa. Kết quả cho thấy cả hai phương pháp đều có khả năng ổn định hệ thống và điều khiển bóng theo các quỹ đạo mong muốn.
3.1. Điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được thiết kế với nhiều vòng điều khiển để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID có khả năng giữ bóng ổn định tại các vị trí yêu cầu và điều khiển bóng theo quỹ đạo hình vuông hoặc hình tròn.
3.2. Điều khiển cuốn chiếu
Phương pháp điều khiển cuốn chiếu (Backstepping) được áp dụng để điều khiển hệ thống bóng và dĩa. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này có khả năng ổn định hệ thống và điều khiển bóng theo các quỹ đạo phức tạp hơn, chẳng hạn như di chuyển từ điểm này sang điểm khác.
IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng
Luận văn đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình hệ bóng và dĩa, bao gồm phần cơ khí, điện tử và phần mềm. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng điều khiển bóng ổn định tại các vị trí yêu cầu, di chuyển theo quỹ đạo hình vuông và hình tròn. Hệ thống cũng có khả năng xử lý hình ảnh với tần số 30Hz, đảm bảo độ chính xác và thời gian thực.
4.1. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống đã được thử nghiệm với các bài toán điều khiển khác nhau, bao gồm ổn định bóng tại tâm dĩa, di chuyển bóng theo quỹ đạo hình vuông và hình tròn. Kết quả cho thấy hệ thống đạt được độ chính xác cao và thời gian phản hồi nhanh.
4.2. Ứng dụng thực tế
Hệ thống này có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như robot công nghiệp, hệ thống giám sát tự động, và các thiết bị giải trí. Việc sử dụng thị giác máy tính giúp tăng độ chính xác và linh hoạt trong việc điều khiển các hệ thống tự động.
