Luận Văn Thạc Sĩ Về Tự Động Hóa Điều Khiển Ổn Định Hệ Thống Camera Hai Trục

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tự động hóa điều khiển ổn định hệ thống camera hai trục, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Trần Thanh Hải
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Vĩnh Hảo
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Ổn Định Hệ Thống Camera Hai Trục
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài nghiên cứu

Luận văn tập trung vào việc thiết kế và điều khiển hệ thống camera hai trục để ổn định hình ảnh trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Hệ thống camera hai trục được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, và nghiên cứu. Mục tiêu chính là khắc phục các vấn đề như rung, lắc, và nhiễu để đảm bảo chất lượng hình ảnh. Các phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

1.1. Đặt vấn đề

Trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, hệ thống camera thường gặp phải các vấn đề như rung, lắc, và nhiễu, dẫn đến chất lượng hình ảnh kém. Việc thiết kế một hệ thống ổn định camera hai trục là cần thiết để khắc phục các vấn đề này. Hệ thống này không chỉ ứng dụng trong máy bay không người lái mà còn trong các lĩnh vực như quay phim, giám sát, và nghiên cứu.

1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan

Các nghiên cứu trước đây đã đề xuất nhiều phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt để ổn định hệ thống camera. Các mô hình như APS-50 Pan and Tilt System và GM-6E của hãng NewMark đã được sử dụng để thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển.

II. Cơ sở lý thuyết liên quan

Luận văn sử dụng các phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt để thiết kế hệ thống ổn định camera hai trục. Phương pháp PID là phương pháp kinh điển, trong khi Động học ngược và Trượt được sử dụng để xử lý các hệ thống phi tuyến và nhiễu. Các phương pháp này được mô phỏng và so sánh để đánh giá hiệu quả.

2.1. Phương pháp điều khiển PID

Phương pháp PID sử dụng ba thông số Kp, Ki, và Kd để điều chỉnh hệ thống. Các thông số này ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng, độ vọt lố, và sai số xác lập. Phương pháp này được áp dụng để điều khiển góc elevation và azimuth của hệ thống camera.

2.2. Phương pháp điều khiển Động học ngược

Phương pháp Động học ngược sử dụng mô hình ngược của đối tượng để điều khiển hệ thống. Phương pháp này hiệu quả trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến và nhiễu. Tuy nhiên, việc xác định mô hình ngược chính xác là thách thức lớn.

III. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Luận văn mô hình hóa hệ thống camera hai trục bằng các phương trình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Các phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt được mô phỏng để đánh giá hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp Trượt có hiệu suất tốt nhất trong việc ổn định hệ thống.

3.1. Mô hình toán học

Hệ thống camera hai trục được mô hình hóa bằng các phương trình động học và động lực học. Các phương trình này mô tả chuyển động của hệ thống theo hai góc elevation và azimuth.

3.2. Mô phỏng các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt được mô phỏng trên Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp Trượt có thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định cao.

IV. Thi công mô hình thực nghiệm

Luận văn thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm hệ thống ổn định camera hai trục. Mô hình bao gồm bốn động cơ servo, cảm biến IMU 9dof, và vi điều khiển DSP F28335. Các tín hiệu từ cảm biến được xử lý qua bộ lọc Kalman để giảm nhiễu. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra.

4.1. Thiết kế phần cứng

Mô hình thực nghiệm bao gồm bốn động cơ servo, cảm biến IMU 9dof, và vi điều khiển DSP F28335. Các thành phần này được tích hợp để điều khiển hệ thống camera hai trục.

4.2. Xử lý tín hiệu

Các tín hiệu từ cảm biến được xử lý qua bộ lọc Kalman để giảm nhiễu. Vi điều khiển DSP F28335 được lập trình để điều khiển các động cơ và ổn định hệ thống.

V. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống camera hai trục đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra. Phương pháp PID cho kết quả tương đối tốt, trong khi phương pháp Trượt có hiệu suất cao hơn trong việc ổn định hệ thống. Hệ thống có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

5.1. Kết quả điều khiển PID

Phương pháp PID cho kết quả tương đối tốt trong việc ổn định hệ thống. Tuy nhiên, phương pháp này có độ vọt lố và thời gian đáp ứng chậm hơn so với phương pháp Trượt.

5.2. Kết quả điều khiển Trượt

Phương pháp Trượt có hiệu suất cao hơn trong việc ổn định hệ thống. Phương pháp này có thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định cao, phù hợp với các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã thiết kế và thi công thành công hệ thống ổn định camera hai trục. Các phương pháp điều khiển như PID, Động học ngược, và Trượt được áp dụng và đánh giá hiệu quả. Phương pháp Trượt cho kết quả tốt nhất trong việc ổn định hệ thống. Hướng phát triển tương lai bao gồm cải tiến phần cứng và tích hợp các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn.

6.1. Kết luận

Luận văn đã đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm thiết kế và thi công hệ thống ổn định camera hai trục. Các phương pháp điều khiển được áp dụng và đánh giá hiệu quả, trong đó phương pháp Trượt cho kết quả tốt nhất.

6.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tương lai bao gồm cải tiến phần cứng, tích hợp các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, và ứng dụng hệ thống trong các lĩnh vực khác như robot và xe tự hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TONG QUAN DE TÀI NGHIÊN CỨU.- ác c1 TT HH TH nu HT TH HH TH nu HH vớ.2 Các công trình nghiên cứu có liÊn quan: .1 Các mô hình 6n định camera hai trục trong thực 1 7 1.1 Hệ thống mô hình APS-50 Pan and Tilt System.2 Hệ thông GM-6E của hãng NewMark.3 Hệ thông Pan and Tilt của hãng Thomasnet:.4 Hệ thong GM-12E của hãng NewMark.2 Cac hinh anh hé thong ôn định camera hai trục trong thực tẾ:.3 Các bai báo nghiên cứu liên quan đến đề tài.4 Giới thiệu cau hình của hệ thống ôn định camera hai trục.5 Mục tiêu của dé tài.6 Pham vi của để ti. sc ceceseeseeseseeeeeseeeessessesnesnessesnesnesnesneseseeseeseeseeeeeneen 16 CHUONG II: CO SO LY THUYET LIEN QUAN.1 Phuong pháp điều khiển PID? 0.2 Phương pháp điều khiển mô hình ngược: .1 Điều khién ngược trực tiếp (direct inverse control).3 Phuong pháp điều khiển Truot .-- -- - - 5652 2 2 2323 5 1112121 1 51511 1 1 cee 25 CHUONG III: MÔ HINH HÓA HỆ THONG CAMERA HAI TRỤC.1 Mô hình toán của đối tượng.1 Các thành phan và cấu trúc của mô hình.2 Động học thuận: .3 Động học ngược TOOf:.------- c1 1v ng kg nhà 30 3.4 Động học vận OC! 1 32 3.2 Động lực học mô hình. -- - -- - -- - nọ nọ nh 32 3.3 Phương trình Lagrang©:.3 Mô phỏng quá trình dao động của hệ thống :. Phương pháp điều khiển PID.1 Mô phỏng hệ thống bang phương pháp điều khiến PID.5 Phương pháp điều khiển động học ngược: .2 Sơ đỗ mô phỏng điều khiến băng phương pháp động học ngược .6 Phương pháp điều khiến Trượt.

Lý thuyết điều khiển Trượt.2 Kết quả mô phỏng điều khiển Truot .7 So sánh các bộ điều khiển đã mô phỏng: .------ - 5 5 2 2 +s+s+s5<2 64 CHƯƠNG IV: THI CONG MÔ HINH ON ĐỊNH CAMERA HAI TRỤC .1 Thi công mô hình cơ KhíÍ. Tong quan về phần cứng : .1 Motor điều khiỂN: .2 Mạch xử lÍ trung tam: .4 Nguồn cấp điều khiỂn:.3 Bộ loc Kalman cho cảm biến IMU.1 Lý thuyết loc Kalman.--¿ ¿5 +2 2 S2 E23 EE 2 E321 E SE EEEEzEvrkreeo 72 4.2 Thuật toán Kalman rt rac.- it 21 91 91111111 HH1 ng TH TH Tung ri 77 CHƯƠNG V: KET QUA THUC NGHIỆỆM.1 Phương pháp điều khiển PID.--- ¿+ 2 2222 SE SE 1E ESEEEEEEzrrvrkrees 79 5.1 Các thông số của bộ PÏTD.2 Kết quả chạy thực nghiệm PÏD.2 Phương pháp điều khiển Trượtt .1 Các thông số bộ điều khiến Trượt.2 Kết quả thực nghiệm nhúng Trượtt.--- + 22 2 s2 s+s£z£zs+x+szscx2 90 CHƯƠNG VI: KET LUẬN VA HUONG PHÁT TRIẺN. - G21 E1 511121 11 11 5111 11 0191 g1 H1 HT HT ng ngư 92 6.2 Hướng phát triỂn.1 93 TÀI LIEU THAM KHHẢO.- G6 193125 91 98 3 98 S8 S853 SE ng 94 PHU LUC : THIET KE PHAN CỨNG. -c- 6E kksxksESsESEsEskekseesee 96 PHAN LY LICH TRÍCH NGANG: .- 5 26 1S SE ESEESESsEseEssseeeed 106 CHUONG I: TONG QUAN DE TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Dat van dé.

Ngày nay, cùng với su phát triển mạnh mẽ của ngành kĩ thuật số, camera là một trong những thiết bị không thể thiếu được trong đời sống tinh thần lẫn đời sống sản xuất của con người. Việc kiêm soát, giám sát hoạt động sản xuất cũng như hoạt động cá nhân hay thu thập thông tin, ghi nhận hình ảnh, quay video hay các clip đều được thực hiện thông qua hệ thống camera. Tuy nhiên, để thu nhận được hình ảnh chất lượng từ camera trong điều kiện bình thường là điều dễ hiểu, nhưng nếu trong các điều kiện khắc nghiệt như: nhiệt độ, năng, gid, bão.sẽ gay rung, lắc, sốc. thì hình ảnh thu về sẽ bị nhiễu, mờ, không rõ ràng sẽ gây khó khăn cho quá trình phân tích chính xác các hình ảnh thu được để đưa ra phương hướng giải quyết.

Khi đó ta cần một hệ thống hay thiết bị nào đó, có thé kết hợp với camera nhằm khắc phục được các sai lệch, ảnh hưởng ma môi trường bên ngoài tác động vào camera. Và ta gọi hệ thống đó tên là hệ thống ôn định camera hai trục. Ta xét 1 số vi dụ sau : khi ta muốn thu thập hình ảnh của một vụ cháy rừng, tìm kiếm nạn nhân bị lạc trong rừng hay trong một trận lũ lụt, khảo sát các tài nguyên khoáng sản. người ta sẽ cho máy bay quân sự hay máy bay chuyên dụng chở người thu hình theo dé ghi hình lại hoặc gửi các hình ảnh trực tiếp xuống mặt đất dé xử lý băng hệ thống truyền thống dữ liệu tầm xa.

Trong trường hợp đó ta lắp đặt một hệ thống ốn định camera hai trục trên máy bay sẽ giúp camera dé dàng khảo sát, thăm dò trên không, giám sát, trinh sát và thu ảnh, vi tri các mục tiêu cần thiết một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống này được điều khiển bang remote giống như máy bay. Từ đó ta càng thay rõ răng môi trường hoạt động của các phương tiện sử dụng camera đều dao động nhiều, gây ra bởi gia tốc, lực ma sát, và tải không đối xứng, nhiễu từ bên môi trường bên ngoài như gió, bề mặt hoạt động không bằng phắng. và các hiệu ứng này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hình ảnh và gây khó khăn cho việc nghiên cứu và phân tích, dẫn đến kết quả thường không được chính xác như mong muôn.

Như vậy cầu tao của hệ thống ôn định camera hai trục gôm có hai phan quan trong, phan thir nhat 1a phan khung dé đặt các thiết bi ngoại vi như : Camera, cam biến tại trung tâm., phan thứ hai là chương trình dé xử lí và 6n định tín hiệu thu ` ^ ve. azimuth — +t = ~ a elevation Hinh1: Sơ đồ nguyên lí mô phỏng của hệ 6n định camera hai trục Điều khiến hoạt động của hệ thống ôn định camera hai trục cũng được chia ra hai phan. Phan dau là điều khiến một hệ thống điều khiến có hỏi tiếp để lái hệ thống 6n định camera hai trục về vị trí mong muốn và cùng lúc đó phải ôn định góc theo hướng cho sẵn. Phan thứ hai là thu thập va xử lý 6n định tín hiệu thu về như : hình ảnh, video.

bang các kỹ thuật xử lý ảnh dé truy tìm và bám đối tượng. Vấn đề đặt ra ở đây là phải thiết kế một hệ thống ôn định camera hai trục, hệ thống này không chỉ được sử dụng trong máy bay không người lái mà còn có thể sử dụng với nhiều mục đích khác như trong hoạt động ghi hình trong ngành công nghiệp phim ảnh, sử dụng trong quân đội để do thám, trinh sát, găn với các phương tiện dé ghi hình các hoạt động cua con người, động vật, các đối tượng động để phục vụ cho hoạt động nghiên cứu, nhằm mục đích ghi lại hình ảnh các đối tượng mong muốn. Do các điều kiện khách quan như sai số mô hình, ma sát và nhiễu từ môi trường bên ngoài, do vậy độ chính xác của hệ thống sẽ càng bị giảm. Vì vậy cũng cần phải nghiên cứu luật điều khiển phù hop với hệ thống.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan: 1.1 Các mô hình ồn định camera hai trục trong thực tế: 1.1 Hệ thong mô hình APS-50 Pan and Tilt System.

Hệ thống mô hình APS — 50 Pan and Tilt system của hãng kỹ thuật Axsys. Trang web của hãng là: www.1: Hệ thống mô hình APS — 50 Pan and Tilt Thông số kỹ thuật: -Có driver trực tiếp cho động cơ không chỗi than. - [ín hiệu chính xác tới 1 6bit. -Góc pan mở rộng tới 360” -Độ mượt với tốc độ thấp 0.01” /sec Mô hình dùng dé thử nghiệm độ bên vững cua camera khi được gan trên các phương tiện di chuyển như: xe, tàu .Và các ứng dụng điều khiến vị trí phức tạp.2 Hệ thong GM-6E của hãng NewMark.2: Hệ thong GM-6E hãng NewMark http://www .com/egimbal-gm6.html Thông số kỹ thuật: -Dùng servo moto trực tiếp không chối than loại NEMA 17.

-Tốc độ quay chính xác 70 vòng/giây. -Góc Azumit liên tục -90” đến 90. -Độ mượt với tốc độ 0. Đây là sản phầm của hãng Newmark cho ra đời nhăm đáp ứng về tôc độ cũng như sự chịu tải của camera khi được lắp đặt ở các vị trí phức tạp, hay trên các phương tiện di chuyền .3 Hệ thong Pan and Tilt của hãng Thomasnet: Hinh 1.3: Hé thong Pan and Tilt hang Thomasnet Được điều khiến qua giao thức RS-232 hoặc RS-442 có trang bị hệ thong động CƠ S€TVO VỚI chuyển động mượt, có giao diện kết nối máy ảnh.

Có sự kết hợp chặt chẻ giữa các bộ truyền động, giữa trượt xoay và encoder từ đó cho kết quả điều khiển động cơ tốt nhất.4 Hệ thong GM-12E của hãng NewMark. Đây là hệ thống có ưu điểm có thể quay được với tốc độ cao và có độ cứng chịu được nhiều tải trọng nặng khác nhau, phù hợp cho nhiều ứng dụng. Được trang bị encoder với toc độ cao.2 Các hình ánh hệ thống 6n định camera hai trục trong thực tế: Ta thấy răng camera dùng trong thực tế như: camera dùng để quay phim, camera thu nhận hình anh thông tin sự kiện, hay camera lắp đặt trên tàu thuyén. thì hầu hết các hệ thống camera nay được dùng trong điều kiện không " ôn định, dao động nhiều, dẫn đến chất lượng hình ảnh hay video thu được kém chất lượng, không rõ nét dẫn đến việc tốn nhiều thời gian và kinh phí trong quá trình chỉnh sửa.

Do đó rât cân bộ ôn định camera hai trục đề ôn định lại chât lượng hình ảnh cũng như kêt quả mong muôn.3 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài. > [14]Diéu khiến mô hình phi tuyến và triệt tiêu nhiễu.Loh, Do Li, David Hullender, Mike Direnzo) [13]Thiết kế hệ thống thích nghi 6n định da biến va ứng dung là hệ thống line-of- sight 6n dinh. Okyay Kaynak sử dung điều khiến Trượt dé hướng tới sự bền vững cho mô hình, đưa ra kinh nghiệm và cách thiết kế cho mô hình. LUNDBERG2 thì đưa ra phương trình toán chuyên động của hệ thông camera ôn định hai trục.

[21] Ho-Pyeong Lee and Inn-Eark Yoo thì đưa ra luật điều khiển 6n định cho hệ thống camera 6n định hai trục sử dụng LQG/LTR. > [20] Ying Bai, Hangi Zhuang, và Zvi S. Roth sử dụng logic mờ để điều khiến hệ thông laser bám đuôi mục tiêu.4 Giới thiệu cầu hình của hệ thống 6n định camera hai trục. Theo các công trình nghiên cứu trên việc chon ra cho minh mồ hình APS — 50 Pan and Tilt system 6n định hai trục là mô hình có tính khả thi cũng như tính ứng dụng thực tế trong dé tài luận văn.

Hệ thống ôn định camera thực tế gồm có hai phan đó là: 12 > Phan thứ nhất là lái hệ thống camera Ổn định ở vị trí mong muốn > Phan thứ hai là xử lý 6n định camera và bám theo đối tượng.