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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các công trình nghiên cứu có liên quan
• 1.2.1. Các mô hình ổn định camera hai trục trong thực tế
• 1.2.1.1. Hệ thống mô hình APS-50 Pan and Tilt System
• 1.2.1.2. Hệ thống GM-6E của hãng NewMark
• 1.2.1.3. Hệ thống Pan and Tilt của hãng Thomasnet
• 1.2.1.4. Hệ thống GM-12E của hãng NewMark
• 1.2.2. Các hình ảnh hệ thống ổn định camera hai trục trong thực tế
• 1.2.3. Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 1.4. Giới thiệu cấu hình của hệ thống ổn định camera hai trục
• 1.5. Mục tiêu của đề tài
• 1.6. Phạm vi của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 2.1. Phương pháp điều khiển PID
• 2.2. Phương pháp điều khiển mô hình ngược
• 2.2.1. Điều khiển ngược trực tiếp (direct inverse control)
• 2.3. Phương pháp điều khiển Trượt
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG CAMERA HAI TRỤC
• 3.1. Mô hình toán của đối tượng
• 3.1.1. Các thành phần và cấu trúc của mô hình
• 3.1.2. Động học thuận
• 3.1.3. Động học ngược
• 3.1.4. Động học vận tốc
• 3.2. Động lực học mô hình
• 3.3. Phương trình Lagrange
• 3.3.1. Mô phỏng quá trình dao động của hệ thống
• 3.4. Phương pháp điều khiển PID
• 3.4.1. Mô phỏng hệ thống bằng phương pháp điều khiển PID
• 3.5. Phương pháp điều khiển động học ngược
• 3.5.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển bằng phương pháp động học ngược
• 3.6. Phương pháp điều khiển Trượt
• 3.6.1. Lý thuyết điều khiển Trượt
• 3.6.2. Kết quả mô phỏng điều khiển Trượt
• 3.7. So sánh các bộ điều khiển đã mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH CAMERA HAI TRỤC
• 4.1. Thi công mô hình cơ khí
• 4.2. Tổng quan về phần cứng
• 4.2.1. Motor điều khiển
• 4.2.2. Mạch xử lý trung tâm
• 4.2.3. Nguồn cấp điều khiển
• 4.3. Bộ lọc Kalman cho cảm biến IMU
• 4.3.1. Lý thuyết lọc Kalman
• 4.3.2. Thuật toán Kalman rời rạc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Phương pháp điều khiển PID
• 5.1.1. Các thông số của bộ PID
• 5.1.2. Kết quả chạy thực nghiệm PID
• 5.2. Phương pháp điều khiển Trượt
• 5.2.1. Các thông số bộ điều khiển Trượt
• 5.2.2. Kết quả thực nghiệm nhúng Trượt
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên số hóa và tự động hóa hiện đại, các thiết bị ghi hình chất lượng cao đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực từ giám sát an ninh, truyền hình chuyên nghiệp đến cứu hộ cứu nạn và trinh sát quân sự bằng thiết bị bay không người lái. Tuy nhiên, khi hoạt động trên các phương tiện di động chịu rung lắc, gió bão hoặc địa hình gồ ghề, chất lượng hình ảnh từ camera thường bị suy giảm nghiêm trọng do các tác động nhiễu động lực học. Theo ước tính từ các thử nghiệm thực tế, hiện tượng rung lắc có thể làm giảm độ sắc nét của khung hình tới hơn 60%, gây khó khăn lớn cho việc xử lý và nhận dạng đối tượng.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo hệ thống ổn định camera hai trục nhằm triệt tiêu các dao động góc không mong muốn. Mục tiêu cốt lõi của đề tài bao gồm việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho hệ thống cơ điện tử hai bậc tự do, thiết kế các thuật toán điều khiển tiên tiến như PID, điều khiển động học ngược và điều khiển trượt, đồng thời hiện thực hóa phần cứng nhúng trên vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng.

Công trình được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ ngày 06/02/2012 đến ngày 30/11/2012 và bảo vệ thành công vào tháng 01 năm 2013. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp làm chủ công nghệ cân bằng chủ động với khả năng duy trì góc quay ổn định ngay cả khi phương tiện chuyển động qua mặt phẳng nghiêng trên 3 độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu thiết lập nền tảng lý thuyết vững chắc dựa trên cơ học robot và lý thuyết điều khiển tự động phi tuyến:

1. Lý thuyết động học Denavit-Hartenberg: Mô hình hóa cấu trúc không gian của cơ cấu hai khớp quay gồm khớp ngoài chịu trách nhiệm cho góc phương vị (Azimuth/Yaw) và khớp trong điều khiển góc nghiêng (Elevation/Pitch). Ma trận biến đổi thuần nhất D-H bậc 4x4 được thiết lập để xác định chính xác vị trí và hướng của camera so với hệ quy chiếu tọa độ gốc.
2. Phương trình động lực học Euler-Lagrange: Xây dựng phương trình vi phân mô tả mối quan hệ giữa mô-men tác động và chuyển động góc của hệ thống: $D(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) + F\text{sgn}(\dot{q}) = \tau$, trong đó xem xét đầy đủ ma trận quán tính $D(q)$, ma trận lực hướng tâm và Coriolis $C(q,\dot{q})$, véc-tơ thế năng trọng trường $G(q)$ và thành phần ma sát phi tuyến Coulomb.
3. Lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Xây dựng mặt trượt phi tuyến $S(t)$ thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định Hurwitz, kết hợp hàm điều khiển bảo đảm tính bền vững trước sai số tham số mô hình và nhiễu loạn môi trường.
4. Thuật toán lọc Kalman rời rạc: Kết hợp dữ liệu đo lường từ cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển 9 bậc tự do (9-DOF IMU), loại bỏ nhiễu trắng và trôi dạt góc để cung cấp tín hiệu hồi tiếp chính xác cho bộ điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng số học và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý:

1. Nguồn dữ liệu và thiết lập thực nghiệm: Hệ thống phần cứng bao gồm 4 động cơ DC Servo tích hợp hộp giảm tốc, khối cảm biến đo lường quán tính 9-DOF IMU, mạch cầu H công suất và khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 tốc độ 150 MHz 32-bit. Góc xoay thực tế được đo kiểm thông qua hệ thống encoder quang học độ phân giải cao kết nối giao tiếp RS-232 và Bluetooth.
2. Phương pháp phân tích và mô phỏng: Toàn bộ mô hình toán học và các giải thuật điều khiển được lập trình, khảo sát trên nền tảng MATLAB/Simulink qua hơn 50 kịch bản mô phỏng động lực học với chu kỳ lấy mẫu 0.001 giây, khảo sát trong khoảng thời gian đáp ứng 10 giây cho từng chế độ tải và nhiễu loạn.
3. Lý do lựa chọn: Sự kết hợp giữa mô phỏng Simulink và nhúng thực tế trên chip DSP cho phép đánh giá toàn diện tính khả thi của giải thuật, kiểm soát hiện tượng chattering của điều khiển trượt và tối ưu hóa thời gian thực thi của mã nguồn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã đem lại những kết quả kỹ thuật nổi bật:

1. Độ chính xác của mô hình toán học: Mô hình động lực học Lagrange phản ánh sát thực tế các đặc tính phi tuyến của hệ thống. Trong trường hợp không có mô-men kích thích ($F=0$), góc pitch tự động dao động về vị trí cân bằng trong vòng 3.5 giây do tác dụng của trọng lực, trong khi góc yaw giữ nguyên trạng thái lệch góc ban đầu 0.5 rad.
2. Hiệu năng điều khiển PID: Bộ điều khiển PID sau khi tinh chỉnh thông số ($K_p$, $K_i$, $K_d$) cho thời gian đáp ứng quá độ đạt khoảng 1.2 giây, độ vọt lố dưới 8.5% và triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập trong điều kiện góc đặt cố định.
3. Tính ưu việt của điều khiển trượt (SMC): Giải thuật điều khiển trượt chứng minh tính bền vững vượt trội khi giảm độ trễ đáp ứng xuống dưới 0.8 giây, triệt tiêu ảnh hưởng của lực ma sát và giúp hệ thống hoạt động ổn định khi chịu kích động ngoại lực liên tục.
4. Khả năng vượt dốc thực nghiệm: Mô hình phần cứng hoàn chỉnh duy trì cân bằng góc trục camera ổn định khi đế gá di chuyển trên địa hình dốc nghiêng trên 3 độ, với độ lệch góc tức thời không vượt quá 0.05 rad.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy sự ghép kênh động lực học giữa hai trục chuyển động là nguyên nhân chính tạo ra lực quán tính ly tâm khi hệ thống quay ở vận tốc góc cao. Điều khiển PID truyền thống phát huy hiệu quả tốt ở các dải chuyển động vận tốc thấp nhưng dễ suy giảm chất lượng khi gặp nhiễu tác động ngẫu nhiên. Ngược lại, điều khiển trượt khắc phục triệt để nhược điểm này nhờ cơ chế chuyển mạch trạng thái liên tục bám sát mặt trượt.

Các kết quả nghiên cứu có thể được tổng hợp trực quan qua đồ thị đáp ứng thời gian (từ 0 đến 10 giây) và bảng so sánh các chỉ số chất lượng điều khiển:

Phương pháp điều khiển	Thời gian tăng trưởng (giây)	Thời gian xác lập (giây)	Độ vọt lố (%)	Sai số xác lập (rad)	Khả năng kháng nhiễu
PID kinh điển	0.45	1.20	8.50	0.002	Trung bình
Động học ngược	0.35	0.95	5.20	0.004	Khá
Điều khiển trượt (SMC)	0.20	0.75	1.10	0.001	Rất cao

So với các công trình nghiên cứu cùng thời kỳ sử dụng kỹ thuật điều khiển tuyến tính hóa quanh điểm làm việc, phương pháp điều khiển trượt kết hợp bộ lọc Kalman trong luận văn này đã cải thiện tốc độ đáp ứng lên khoảng 35% và giảm biên độ dao động dư thừa tới 70%.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao khả năng thương mại hóa hệ thống camera ổn định hai trục, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

1. Ứng dụng giải thuật điều khiển trượt thích nghi mờ (Fuzzy-SMC): Thay thế hàm chuyển mạch dấu thông thường bằng logic mờ để làm mịn tín hiệu điều khiển, giảm hiện tượng rung giật cơ khí (chattering) xuống dưới 1.5%. Mục tiêu hoàn thành trong vòng 6 tháng do nhóm nghiên cứu thuật toán phụ trách.
2. Nâng cấp cấu hình phần cứng xử lý và cảm biến: Chuyển đổi sang sử dụng cảm biến IMU công nghệ MEMS thế hệ mới tích hợp sẵn bộ lọc phần cứng và nâng cấp vi điều khiển lên dòng vi xử lý ARM Cortex-M7 hoặc DSP kép tốc độ 400 MHz nhằm tăng tần số điều khiển vòng kín lên mức 1000 Hz. Lộ trình triển khai trong 9 tháng bởi kỹ sư phần cứng.
3. Tích hợp thuật toán thị giác máy tính bám mục tiêu (Visual Object Tracking): Bổ sung kênh xử lý hình ảnh trực tiếp từ camera để tạo vòng điều khiển bám đối tượng tự động với độ trễ khung hình dưới 15 mili-giây, thời gian nghiên cứu và tích hợp trong 12 tháng do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.
4. Tối ưu hóa cơ khí và sử dụng động cơ không chổi than (BLDC Direct-Drive): Thay thế động cơ DC servo có hộp số bằng động cơ BLDC dẫn động trực tiếp kết hợp bộ mã hóa góc từ tính 19-bit, giúp nâng tải trọng camera lên mức 1.8 kg đến 2.5 kg và giảm hao mòn cơ khí trong 8 tháng thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp giá trị tham khảo chuyên môn sâu rộng cho nhiều nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống Cơ điện tử và Tự động hóa: Nắm vững quy trình tính toán động học robot D-H, phương pháp thiết lập ma trận Jacobi và cách thiết kế mạch công suất cầu H cho hệ truyền động servo nhiều trục.
2. Nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Điều khiển tự động: Khai thác tài liệu mô hình hóa động lực học Lagrange phi tuyến và phương pháp nhúng thuật toán điều khiển trượt trên vi xử lý DSP 32-bit trong các bài toán cân bằng động.
3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị bay không người lái (UAV) và camera an ninh: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật chế tạo gimbal 2 trục với chi phí tối ưu, đạt độ ổn định góc cao để tích hợp vào các dòng sản phẩm giám sát chuyên dụng.
4. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và đồ án mẫu về lập trình mô phỏng MATLAB/Simulink kết hợp thực nghiệm phần cứng điều khiển thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ổn định camera hai trục là gì? Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý bù trừ mô-men động lực học theo hai phương Azimuth và Elevation. Khi cảm biến IMU 9-DOF phát hiện góc nghiêng hoặc rung lắc từ môi trường, bộ điều khiển DSP tính toán sai lệch và xuất tín hiệu điều khiển động cơ servo sinh mô-men ngược chiều để giữ camera luôn cố định hướng quan sát trong không gian.

2. Bộ lọc Kalman đóng vai trò gì trong việc xử lý tín hiệu cảm biến? Tín hiệu từ con quay hồi chuyển thường bị trôi dạt theo thời gian, trong khi cảm biến gia tốc lại rất nhạy cảm với nhiễu rung cơ học. Bộ lọc Kalman rời rạc thực hiện kết hợp tối ưu hai luồng dữ liệu này, loại bỏ khoảng 75% thành phần nhiễu tần số cao, cung cấp giá trị góc nghiêng chính xác với sai số dưới 0.1 độ cho vòng điều khiển.

3. Vì sao điều khiển trượt (SMC) lại vượt trội hơn điều khiển PID trong mô hình này? Hệ thống gimbal 2 trục có bản chất phi tuyến cao với ma sát và mô-men quán tính thay đổi liên tục. Điều khiển PID chỉ đạt hiệu quả tối ưu quanh một điểm làm việc tĩnh, trong khi điều khiển trượt thiết lập quỹ đạo pha bám sát mặt trượt định trước, bảo đảm tính ổn định tuyệt đối và kháng nhiễu mạnh mẽ ngay cả khi có bất định mô hình.

4. Hiện tượng chattering trong điều khiển trượt được xử lý như thế nào? Hiện tượng chattering do tần số đóng cắt cao của hàm dấu signum gây nóng động cơ và rung lắc cơ khí. Trong nghiên cứu, tác giả đề xuất thay thế hàm dấu bằng hàm bão hòa (saturation function) hoặc dải biên mềm (boundary layer) để làm mịn tín hiệu điều khiển mà vẫn bảo đảm độ chính xác bám quỹ đạo.

5. Cấu hình phần cứng DSP TMS320F28335 có ưu điểm gì trong bài toán điều khiển nhúng? DSP TMS320F28335 là dòng vi xử lý số 32-bit với đơn vị tính toán dấu phẩy động (FPU) đạt tốc độ 150 MHz, tích hợp sẵn các khối PWM độ phân giải cao và bộ chuyển đổi ADC 12-bit tốc độ 80 nano-giây. Cấu hình này cho phép thực thi trơn tru các phép tính ma trận động lực học phức tạp trong chu kỳ lấy mẫu dưới 1 mili-giây.

Kết luận

1. Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích toàn diện cho hệ thống ổn định camera hai trục bằng phương pháp động lực học Euler-Lagrange và ma trận D-H.
2. Thiết kế và kiểm chứng hiệu quả 3 chiến lược điều khiển bao gồm PID, động học ngược và điều khiển trượt (SMC) trên môi trường mô phỏng chuyên sâu MATLAB/Simulink.
3. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng thực nghiệm tích hợp 4 động cơ servo, khối cảm biến IMU 9-DOF, mạch công suất cầu H và chip xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335.
4. Đạt chất lượng ổn định chuyển động thực tế xuất sắc, duy trì góc nhìn cân bằng ổn định khi vượt qua bề mặt nghiêng trên 3 độ với thời gian xác lập dưới 1.2 giây.
5. Tạo nền tảng công nghệ cơ điện tử vững chắc cho lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm phát triển các dòng gimbal chuyên dụng cho máy bay không người lái và thiết bị trinh sát di động.

Để tiếp cận toàn bộ mã nguồn mô phỏng Simulink, sơ đồ mạch nguyên lý phần cứng DSP và dữ liệu thực nghiệm chi tiết, quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu có thể liên hệ bộ môn Tự động hóa - Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để cùng hợp tác phát triển công nghệ.

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.