CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. Theo một định nghĩa đơn giản nhất thì camera là một thiết bị ghi hình. Sự gắn và kết nối với cơ cấu dẫn, truyền động phía sau giúp việc ghi hình camera cải tiến, linh hoạt và có nhiều ứng dụng hơn.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Nghiên cứu trong nước. PTZ Camera là dòng camera phổ thông nhất hiện nay và được ứng dụng rộng rãi cho việc quan sát.
Có tên Pan Tilt Zoom là vì khả năng của camera cho phép xoay sang trái phải, nghiêng lên xuống và phóng to thu nhỏ của một vật thể đang di chuyển. Camera PTZ có thể đáp ứng các yêu cầu này do sự kết hợp độc đáo của một chân - đế quay – quét/ lên – xuống và một ống kính thu – phóng hình ảnh xử lý nhanh. Ưu điểm: có thể cho phép quan sát được nhiều vị trí khác nhau. Khi cần quan sát khu vực nào đó, người điều khiển camera cho phép camera quay hướng về phía đó.
Camera PTZ thường được lắp đặt ở những khu vực rộng, có nhiều mục tiêu cần quan sát xung quanh vị trí lắp đặt của camera. Nhược điểm: kích thước lớn, trọng lượng nặng, cồng kềnh. TAG – I4W3-F6 – Camera IP Wifi PTZ, một trong những dòng sản phẩm của công ty cổ phần ứng dụng công nghệ và tích hợp giải pháp việt nam (Taiso).1 TAG – I4W3-F6 – Camera IP Wifi (a) và bên trong PTZ Camera (b). Gimbal là thiết bị cố định máy quay phim giúp cho máy quay phim ổn định về tầm hướng, đảm bảo không bị rung lắc và không bị mất bố cục khi một hệ thống làm việc độc lập khác mang theo nó di chuyển.
Gimbal Gremsy S1 là một trong những dòng sản phẩm về gimbal của công ty Gremsy việt nam, có tính ưu việt như giữ camera ở vị trí cân bằng trong quá trình di chuyển từ đó thu được hình ảnh rõ nét, kết cấu gọn nhẹ hơn so với các dòng sản phẩm cùng loại. Có tính năng như vậy bên trong Gimbal là con quay hồi chuyển, khớp vạn 2 năng, trục quay… được dẫn động bởi động cơ quay DC không chổi than và hoạt động dựa trên nguyên tắc bảo toàn momen động lượng. Tuy nhiên kết câu Gimbal vẫn còn khá cồng kềnh.2 Nghiên cứu ngoài nước. Thiết kế về bộ cảm biến lập thể linh hoạt gọi là ASP ( The Agile Stereo Pair) của các nhà đồng tác giả Eric Samson, Denis Laurendeau, Marc Parizeau thuộc trường đại học Laval.
ASP được biểu thị là một thiết kế cơ khí – cơ cấu định hướng song song hai bậc tự do cho phép máy ảnh định hướng độc lập trong khoảng thời gian nhanh và chính xác. Cơ cấu được cấp dẫn động bởi động cơ DC. Nhược điểm của cơ cấu, không gian thiết kế lớn, tính chính xác trong truyền động chưa cao.3 Biểu đồ cơ cấu hai bậc tự do mắt phải của APS (a). Mẫu vẽ cad (b).
Các thành phần cấu thành (c). Hình ảnh hoàn thiện của hệ thống cho mắt phải(d). Hình ảnh của bộ stereo với đường điều chỉnh(e). Thiết kế và điều khiển của hệ thống camera định hướng tích hợp động học cao của nhóm tác giả Thomas Villgrattner, Heinz Ulbrich và các cộng sự được in, suất bản 3 trong tạp CHÍ IEEE/ ASME TRANSACTIONS ON MECHANTRONIC, VOL 16 NO 2 APRIL 2011.
Thiết kế là hệ thống camera định hướng hai bậc tự do, có khả năng định hướng cho một máy ảnh quay xung quanh qua lại và lên xuống. Chuyển động qua lại (quanh trục đảo) và lên xuống (quanh trục nghiêng) của chính nó, cơ cấu động học được ví tương tự như chuyển động mắt người. Đồng thời hệ thống này đủ nhẹ để được gắn trên đầu của một con người. Với hệ thống cơ khí được dựa trên sự dẫn động của động cơ piezo truyền sóng siêu âm thẳng.
Tuy động cơ piezo có tính chính xác cao nhưng tính toán điều khiển phức tạp. Bộ phận định hướng là các khớp cacdang gây ra tỉ số truyền phi tuyến.4 Thiết bị camera định hướng 1.2 Tính cấp thiết của đề tài. Những nhược điểm của các thiết kế, chế tạo trên. - Kích thước thiết kế cơ cấu camera còn lớn, tính thẩm mỹ chưa cao.
- Việc điều khiển giữa động cơ và chuyển động camera chưa tối ưu. Từ những nhược điểm trên tác giả đề xuất ra một phương án thiết kế, chế tạo khắc phục. Và đó cũng là lý do đề tài “ Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi khử rung được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển” được xây dựng.3 Mục đích của đề tài. - Thiết kế, chế tạo cơ cấu với kích thước nhỏ gọn.
- Thiết lập, xây dựng mối quan hệ tuyến tính cho việc điều khiển giữa động cơ và góc xoay camera. - Tiết kiệm vật liệu và tăng độ bền của cơ cấu.4 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài.1 Nhiệm vụ của đề tài. - Tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh cơ cấu đàn hồi được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển. - Dùng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm đa năng Matlab, Abaqus và Solidwork để mô phỏng trường ứng suất, biến dạng.
- Tính toán tối ưu hoá thiết kế bằng giải thuật di truyền. - Chế tạo, lắp ráp cơ cấu hoàn chỉnh dựa trên các thông số thiết kế. - Lập trình điều khiển động cơ tuyến tính.4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài. Cơ cấu định hướng dạng đường cong làm bằng vật liệu POM( Poly Oxy Methylen).5 Giới hạn của đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ cấu định hướng dạng đường cong bằng cơ cấu mềm được tích hợp trong camera quan sát trong quá trình di chuyển.
Các công việc tính toán, thiết kế, chế tạo được triển khai chi tiết. Các thiết bị liên quan khác không thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài.5 Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu, phân tích lí thuyết. - Xây dựng biên dạng bằng đường cong tham số Bezier.
- Xây dựng giải thuật di truyền để tối ưu hoá biên dạng. 5 - Phương pháp mô phỏng số kết hợp phần mềm tính toán đa năng Matlab, phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus và Solidwork. - Phương pháp thực nghiệm. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đường cong tham số Bezier.1 Biểu diễn đường cong tham số Bezier.
Bezier là một kỹ sư của hãng ô tô Renault nước pháp đưa ra công thức xác định đường cong tham số Bezier vào những năm 1960.2 Dạng tổng quát đường cong Bezier. Đường cong Bezier có các điểm điều khiển hoặc đỉnh điều khiển, là một tập hợp có thứ tự các điểm (𝑉! , …, 𝑉! ), dựa vào đó để xấp xỉ đường cong, đường cong Bezier có dạng hàm đa thức bậc n, được xác định bởi n+1 điểm điều khiển: ! 𝑃 𝑡 = !!! 𝑉! 𝐵!,! (𝑡) (2.1) Trong đó, các vecto 𝑉! biểu diễn n+1 điểm điều khiển.2) Trong đó n là bậc của đa thức và !! 𝐶!! = !! !!! ! i=0,…,n (2.3) là hệ số nhị thức.3 Đường cong Bezier bậc nhất Trường hợp có hai điểm điều khiển 𝑉! , 𝑉! khi đó n+1 = 2, nên bậc n của đa thức là 1. Khai triển phương trình: 𝑃 𝑡 = 𝑉! 𝐵!,! + 𝑉! 𝐵!,! (2.4) Dựa trên đa thức Bezier phương trình ta có 2 hàm cơ sở: !! 𝐵!,! = !!!! 𝑡 ! (1 − 𝑡)! = (1 − 𝑡) 7 !! 𝐵!,! = 𝑡 ! (1 − 𝑡)! = 𝑡 (2.5) !!!! Từ đây suy ra phương trình đoạn thẳng xấp xỉ hai điểm: 𝑃 𝑡 = (1 − 𝑡)𝑉! + 𝑡𝑉! 2.4 Đường cong Bezier bậc hai. Trường hợp 3 điểm điều khiển 𝑉! , 𝑉! , 𝑉!.
Vì n+1 = 3, nên bậc n của đa thức là 2. Khai triển phương trình (2.6) Dựa trên đa thức Bernstein phương trình (2.1) ta có 3 hàm cơ sở: 2! ! 𝐵!,! = 𝑡 (1 − 𝑡)! = (1 − 𝑡)! 0! 2! !! 𝐵!,! = !!!! 𝑡 ! (1 − 𝑡)! = 2𝑡(1 − 𝑡) !! 𝐵!,! = !!!! 𝑡 ! (1 − 𝑡)! = 𝑡 ! (2.7) Từ đây suy ra phương trình đường cong bậc hai xấp xỉ ba điểm: 𝑃 𝑡 = (1 − 𝑡)! 𝑉! + 2𝑡(1 − 𝑡)𝑉! + 𝑡 ! 𝑉! Hình 2.1: Các dạng đường cong Bezier.5 Đường cong Bezier bậc ba. Trường hợp bốn điểm điều khiển 𝑉! , 𝑉! , 𝑉! , 𝑉!. Vì n+1 = 4, nên bậc n của đa thức là 3 (Hình 2.
Khai triển phương trình (2.8) Dựa trên đa thức Bernstein phương trình (2.2) ta có bốn hàm cơ sở (Hình 2.10) Thay các phương trình này vào phương trình (2.2: Đồ thị hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba.12) 9 Điều này chỉ ra rằng đường cong Bezier đi qua các điểm điều khiển đầu và cuối. Các hàm cơ sở tại các giá trị này của biến tham số: Tại t = 0, 𝐵!,! = 1 Tại t = 1, 𝐵!,! = 1 Và 𝐵!,! = 𝐵!,! = 0 cho cả hai trường hợp. Đồ thị các hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba trên hìnnh. Mỗi điểm điều khiển có trọng số bằng hàm cơ sở liên kết với nó, và ảnh hưởng của mỗi điểm được thay đổi như các biến tham số t thay đổi từ 0 đến 1.6 Dạng ma trận.
Đường cong Bezier có thể biểu diễn thuận tiện ở dạng ma trận: Đường cong Bezier bậc nhất với hai điểm điểm điều khiển: −1 1 𝑉! P(t) = 𝑡 1 (2.13) 1 0 𝑉! Đường cong Bezier bậc hai với ba điểm điều khiển: 1 − 2 1 𝑉! ! P(t) = 𝑡 𝑡 1 −2 2 0 𝑉! (2.14) 1 0 0 𝑉! Tương tự, đường cong Bezier bậc ba : 𝑉! 𝑉! P(t) = (1 − 𝑡)! 3𝑡(1 − 𝑡)! 3𝑡 ! 1 − 𝑡 𝑡 ! (2.15) 𝑉! 𝑉! Có thể viết rút gọn thành: −1 3 − 3 1 𝑉! 3 − 6 3 0 𝑉! P(t) = 𝑡 ! 𝑡 ! 𝑡 1 (2.17) −3 − 6 3 0 𝑉! 1 0 0 0 𝑉! hay ở dạng rút gọn hơn: P(t) = 𝑡 [𝑀]! [𝑉]! (2.7 Các tính chất của đường cong Bezier. - Nội suy điểm cuối – Đường cong đi qua các điểm cuối P(0) = 𝑉! và P(1) = 𝑉! Các hàm cơ sở Bezier 𝐵!,! (𝑡) tạo ra một đa thức bậc n cho n+1 điểm điều khiển, và buộc đường cong Bezier đi qua các điểm điều khiển đầu và cuối. - Tiếp tuyến các điểm cuối – Các hàm cơ sở còn buộc đường cong Bezier tiếp xúc các đoạn thẳng nối hai điểm điều khiển đầu tiên và cuối cùng.