CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ CAN BẰNG QUAN TÍNH .1 Tổng quan về hệ cân bằng quán tính.2 Tình hình nghiên cứu về hệ cân bằng quán tính .1 Cac bai DAO LIEN QUAN.2 Các sản phẩm thương MAi.3 Nội dung và mục tiêu của nghiÊn CỨU.4 Lợi ích và ý nghĩa của đề tài. te 9 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG HỆ CÂN BẰNG QUÁN TÍNH HAI TRỤC _.3 CAM DIEM GY 1a.4 Khối điều khiển cân DANY .2 Mô hình hóa đối tượng gimbal hai trỤC.1 Chuyển đổi vận tốc góc giữa các hệ tọa AO .2 Phương trình động lực học mô tả hệ thống .3 CAC MOMEN NEU.4 Phương trình điện va cơ của động cơ D.5 Mô hình của đối tượng gimbal hai trục và giới hạn của mô hình.3 Nhận dạng mô hình đối tượng gimbal hai trỤC.1 Xác định mô hình danh địnhh.2 Xác định sai số mô hình.---2---s©s#+xx+E+EExstExEExErxetrkrrrketrktrrkrrrertreerserrrkrrrkerresrrs 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ĐỐI TƯỢNG GIMBAL HAI TRRỤCC .-=Ăs se seSssssisseiiBssnnrssnnsssseesssaesssnnsrsnnira xnxx sen 27 3.1 Bài toán điều khiển cân bằng quán tính và sơ đồ điều khiển vòng kín.2 Cơ sở lí thuyết các phương pháp điều khiển bền vững.1 Cấu trúc tổng quát mô tả hệ thống với sai số và bộ điều khiển, biến đổi LFT.2 Bài toán tối ưu H2/Hoo dạng CHUAN .3 Thiết kế bộ điều khiển Hz/H«.4 Thiết kế bộ điều khiển tổng HOP LW .5 Ổn định bền vững và điều kiện .3 Thiết kế bộ điều khiển.1 Bộ điều khiển H2/Heo csssscsstscssssessnsessessnetsssetserstietinetonioninetonineneetotinetssioninenneiasinensete, 34 3.2 Bộ điều khiển PI bền vững thiết kế theo công cụ Hinfstruct.3 BO di@u khién tOng o0.4 Kiểm tra tinh ổn định danh định và bền vững của các bộ điều khiển .1 Kiểm tra tính ổn định danh địnhh.------ 2c s+sz£+xz+xeerserrrereerrsrrxerssrrsrrrerrsrrrsrre 39 3.2 Kiểm tra tính ổn định bền vững .7 Mô phỏng đáp ứng của các bộ điều khiển cân bằng với hệ danh định và tập mô hình 1210013 1u i07 .1 Khả năng kháng nhiễu hay chống rung.2 Kha năng bám theo tín hiệu đặt .8 Kết luận tổng hợp về các bộ điều khiển .------s-©csecceerrrerrrkrrrkrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 47 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ DIEU KHIỂN BÁM.2 Thiết kế bộ điều khiển báim.3 Phần mềm xử lí ảnh và điều khiển gimbal.----e--cc+cceseccxeeerterrrseetrtrerrerrrrred 52 CHƯƠNG 5: THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI THUẬT DIEU KHIỂN .1 Thực hiện giải thuật điều khiển trên vi điều khiển.2 Đánh giá khả năng chống runQ.1 Thí nghiệm 1: Chống trung truc yaw .2 Thí nghiệm 2: Chống rung trục pDÏtCH.3 Thí nghiệm 3: Chống rung hai trục đồng thời .3 Đánh giá khả năng bám theo tín hiệu đặt.4 Đánh giá kết quả vòng điều khiển tracking .5 Kết luận và hướng phát triỂn.3 Hướng phát triển của đề tài. 67 DANH MỤC HINH VE Hình 1.1 Cấu hình gimbal hai trucu.2 Sơ đồ điều khiển động học ngược bền vững trong [9].3 Sơ đồ điều khiển thích nghỉ trong [Ø].----eecc-sscceeccseesrseerrserrrerrkserrreee 3 Hình 1.4 Mô hình một trục gimbal trong [10] .5 Sơ đồ điều khiển LQG thích nghi trong [10] .6 Mô hình gimbal trục yaw trong [7] .«--ce-eccecsexekkkkrkkrkkekkkkrkkrkirrrrrrrrrrirrimirikd 5 Hình 1.7 Dạng chuẩn để thiết kế bộ điều khiển Hoo trong [7] .------cc-cscccsee 5 Hình 1.8 Mô hình gimbal trục yaw trong [4 .9 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển Ho bám theo mô hình chuẩn .10 Mô hình gimbal hai trục trong [5| .11 Các sản phẩm cân bằng quán tính kết hợp camera thương mại. Từ trái qua: FLIR Star SAFIRE 380-HD, FLIR SeaFLIR III, CloudCap Technology TASE400, TASE150 và L-3 WESCAM MX-2.1 Mô hình gimbal hai trục yaW-pDICHh.«- cv étrkkkkrkkriirrrrrrrrirririrrid 10 Hình 2.2 Sơ đồ kết nối hệ thống.3 Hình ảnh thực tế hệ gimbal hai trỤC.5 Động lực hoc gimbal trục pDÏCH.7 Sơ đồ khối một trục gimbal với ngõ vào điện áp .8 Sơ đồ khối một trục gimbal với ngõ vào điện áp có xét đến các đỉnh cộng hưởng Hình 2.9 Mô hình một trục gimbal dùng dé mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển .10 Tín hiệu ngõ vào điện áp và ngõ ra vận tốc góc đo bằng gyro của gimbal trục Hình 2.11 Bên trái: phân tích FFT ngõ vào ngõ vào điện áp, bên phải: phân tích FFT ngõ 8:01.12 Biểu đồ Bode gimbal trục yaw cho một trường hợp cụ thể (tân số từ 0.1 Hz tới 100 HZ).13 Tập hợp biểu đồ Bode thu được khi cấp tín hiệu sinesweep ngõ vào với biên a8.14 Biểu đồ Bode mô hình danh định gimbal trục yaw (màu xanh dương) và hàm truyền tim được bằng công cụ System Identification Toolbox (màu đỏ).15 Hàm trọng số mô hình sai số nhân truc Yaw .1 Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển gimbal.----e-cs©c+eeccxeeertsesrserkrsserreeree 27 Hình 3.2 Sơ đồ vòng kín bộ điều khiển cân bằng gimbal trục yaw.3 Sơ đồ vòng kín bộ điều khiển cân bằng gimbal trục pitch.4 Dạng tổng quát của hệ thống.5 Biến đổi LET phía dưới theo K.----ce5-+e+ccxekErkekErkttrkrttrkritriitrkrrrrrirrriis 29 Hình 3.6 Biến đổi LFT phía trên theo A u.7 Đối tượng tổng quát dùng để thiết kế bộ điều khiển .8 BO 1O€ trong SO NgO 0x.9 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển tổng hợp u.10 Biểu đồ Bode độ lợi vòng của hệ kín ứng với các bộ điều khiển.11 Đồ thị trị suy biến có cấu trúc Của N11.12 Đáp ứng của hệ kín với tín hiệu vận tốc góc đặt dạng hàm NAC .13 Cấu trúc bộ điều khiển cân bằng với bộ lọc ngõ vào .-:-cc-se:cccsse+ 41 Hình 3.14 Đáp ứng với tín hiệu đặt dạng hàm nấc khi không có và có bộ lọc ngõ vao.15 Cấu trúc bộ anti-windup sử dụng.16 Dap ứng theo tín hiệu đặt khi có và không có bộ anti-windup.17 Bên trái: Biểu đồ Bode hàm truyền từ nhiễu ngõ vào d tới ngõ ra vận tốc góc, Hình 3.18 Đáp ứng ngõ ra của hệ kín gồm các bộ điều khiển và tập mô hình không chắc chắn với nhiễu ngõ vào d dang hàm nẤC.-----2--+++++EEE+xveetrttrxxvsrrrrrrrxreerrrrrr 45 Hình 3.19 Bên trái: Biểu đồ Bode hàm truyền từ ngõ vào tín hiệu đặt tới ngõ ra vận tốc góc, bên phải: Đáp ứng ngõ ra của các hệ kín với ngõ vào vận tốc góc đặt dạng hàm Hình 3.20 Đáp ứng ngõ ra của hệ kín gồm các bộ điều khiển và tập mô hình không chắc chắn với tín hiệu đặt vận tốc góc dạng hàm NAC .---------c2-se++c+xsetrrrxserrrsserree 47 Hình 4.1 Minh họa quan hệ giữa tọa độ trong không gian của vật, tọa độ hình chiếu của vật trên mặt phẳng ảnh và chuyển động của camera .2 Giao diện chính của phần mềm xử lí ảnh và điều khiển gimbal.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển truyền thẳng.2 Gimbal gắn trên bộ simulator tạo dao động 2 trục yaw, pitch .3 Kết quả sai số ứng với các dao động tan số khác nhau của bộ điêu khiển PID cho trục yaw (thí nghiệm 1a) .----s- «cv tt H111 g1 ren 57 Hình 5.4 Kết quả sai số ứng với các dao động tần số khác nhau của bộ điều khiển Ho với thông sô mô phỏng cho trục yaw (thí nghiệm 1Ð) .5 Kết quả sai số ứng với các dao động tần số khác nhau của bộ điều khiển He cai tién 09:85u e2 /01i90i13n0111010ã)0177.6 Kết quả sai số ứng với các dao động tần số khác nhau của bộ điều khiển PID cho truc pitch 8001i1851540120002.7 Kết quả sai số ứng với các dao động tan số khác nhau của bộ điều khiển Ho cho truc pitch (thi nGhiéM 2D).8 Kết qua đánh giá sai số hai trục của bộ điều khiển PID (thí nghiệm 3a).9 Kết quả đánh giá sai số hai trục của bộ điều khiển Ho (thí nghiệm 3Ðb).10 Bên trái: Đáp ứng của bộ điều khiển trục yaw với tín hiệu đặt dạng xung vuông +90 độ/s, bên phải: phóng to đáp ứng thời điểm 2-2.11 Bên trái: Đáp ứng của bộ điều khiển trục pitch với tín hiệu đặt dạng xung vuông +90 độ/s, bên phải: phóng to đáp ứng thời điểm 1.12 Kết quả tracking vậtt.----ssccxxkc xi HH 1.
66 DANH MỤC BẢNG Bang 1.1 Thông số kĩ thuật sản phẩm thương mai và kết quả mong muốn của đề tài.1 Thông số động cơ DC do nhà sản xuất cung CẤT.2 Thông số cảm biến gyro của cảm biến ADIS16480 do nhà sản xuất cung cấp .3 Thông số danh định gimbal trục Yaw.4 Thông số danh định gimbal trục pïtCH.1 Độ dự trữ biên và pha danh định của các hệ kÍn.2 Thông số đáp ứng ngõ ra với tín hiệu đặt dạng nấc.3 Thông số đáp ứng ngõ ra với tín hiệu đặt dạng nấc khi có bộ lọc ngõ vào .1 Sai số trong thí nghiệm chống rung trục yaw (đơn vị: độ) .2 Sai số trong thí nghiệm chống rung trục pitch (đơn vị: độ) .3 Sai số trong thí nghiệm chống rung hai trục đồng thời (đơn vị: độ).4 Bảng đánh giá kết quả đề tài.11crked 67 CHƯƠNG1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ CÂN BẰNG QUÁN TÍNH 1.1 Tổng quan về hệ cân bằng quán tính Đề tài này trình bày các vấn đề liên quan đến thiết kế bộ điều khiển cân bằng quán tính hai trục (inertial line-of-sight stabilization) hay còn gọi là gimbal hai trục. Cân bằng quán tính chính là giữ ổn định phương ngắm bất kể tác động của nhiễu. Có nhiều cấu hình cơ khí cho thiết bị cân bằng quán tính, đề tài này chỉ xét tới cấu hình gimbal hai trục yaw - pitch, là một trong những cấu hình thông dụng nhất trong thực tế. Motor —| aN xX.
` Ni _ aud H nh C uhnhgimbal hai tr c Trong cấu hình nay hai động cơ được sử dung dé xoay khung phương vi (yaw gimbal) và khung phương tà (pitch gimbal). Động cơ xoay khung phương vị được gắn chặt với đế (base). Tải được gắn với khung phương tà; tải có thể là camera, hệ sensor hoặc vũ khí. Bài toán ở đây là điều khiển hai động cơ sao cho phương ngắm của tải được giữ nguyên hoặc thay đổi theo lệnh mà không phụ thuộc vào chuyển động của dé.
Đây là bài toán thường gap trong thực tế va đặt ra nhiều thách thức cần giải quyết: - Một là chuyển động của base sẽ ảnh hưởng lên động cơ như là một momen nhiễu thông qua ảnh hưởng của ma sát, hộp số. Ngoài ra, momen nhiễu còn được tạo ra do tác động qua lại giữa hai khung gimbal, sự bất đối xứng của tải quanh các trục quay. Bộ điều khiển cần kháng được các momen nhiễu này để giữ vững phương nhìn. - Hai là cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Đề tài này sử dụng cảm biến đo quán tính ba trục (inertial measurement unit, IMU) để đo vận tốc góc cũng như các góc Euler của dé 1 hoặc tải. Trong cảm biến IMU ta sẽ quan tâm nhất tới cảm biến gyro, là cảm biến đo vận tốc góc quanh trục. Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng điều khiển, ngoài việc tính chọn cảm biến với thông số phù hợp với yêu cầu, bộ điều khiển cần có khả năng kháng nhiễu đo lường. - Ba là đối tượng có đặc tính không chắc chắn ở tần số cao như các đỉnh cộng hưởng có thể làm mất ổn định hệ kín.