ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN ĐỨC THIỆN

ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG
THỊ GIÁC MÁY TÍNH
Chun ngành TỰ ĐỘNG HĨA
Mã số: 60.52.60.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2013.


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Ts.Huỳnh Thái Hoàng ..............................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :PGS.Ts Nguyễn Thị Phương Hà ......................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :Ts.Võ Hoàng Duy............................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 4 tháng 1 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Ts. Nguyễn Đức Thành .......................
2. Ts. Trương Đình Châu ........................
3. PGS.Ts. Nguyễn Thị Phương Hà .........

4. Ts. Võ Hoàng Duy ..............................
5. Ts. Nguyễn Vĩnh Hảo..........................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Đức Thiện........................... MSHV:10150053 .............
Ngày, tháng, năm sinh: 06/10/1987......................... Nơi sinh: Đồng Nai ..........
Chuyên ngành: Tự Động Hóa ................................. Mã số : 60.52.60 ............
I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ..................................................................
 Nghiên cứu các bài báo liên quan để xây dựng mơ hình tốn học, mơ phỏng, thiết
kế bộ điều khiển PID, cuốn chiếu và xây dựng mơ hình cơ khí hệ bóng và đĩa.
..............................................................................................................
 Nghiện cứu và sử dụng phần mềm Matlab và Code Composer 3.3 để nhúng giải
thuật điều khiển cho DSP TMS320F28335 ............................................
 Nghiên cứu và sử dụng phần mềm Visual Studio 2008 và thư viện OpenCv để ứng
dụng thị giác máy tính để xác định vị trí của trái bóng.
 Xây dựng phần điện và mơ hình cơ khí cho hệ bóng và dĩa ....................

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)06/02/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 30/11/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): .......................
Ts. Huỳnh Thái Hoàng. ....................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


Lời cám ơn:
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, động viên từ phía gia đình, thầy cơ, anh chị và bạn bè học trong lớp cao học tự động
hoá khoá 2010 về kiến thức chuyên môn và về mặt tinh thần.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ và những người thân trong gia đình
đã tạo điều kiện về vật chất, tinh thần qua đó tạo động lực để tác giả thực hiện hoàn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Các thầy cô trong bộ môn tự động hóa Khoa điện điện tử trường Đại Học Bách
Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức nền tảng giúp học viên
có cơ hội phát triển chuyên sâu hơn về ngành tự động hóa.
Bên cạnh đó tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy Ts. Huỳnh Thái Hồng,
người đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Chân thành cảm ơn anh Linh, anh Hảo, bạn Thông– học cùng khoá cao học tự
động hoá 2010 - đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian vừa qua.

Lời cuối cùng, tác giả xin gửi cảm ơn đến các bạn bè đã giúp đỡ về mặt chuyên
môn, cũng như tinh thần giúp cho tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.

Trần Đức Thiện


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhiệm vụ của đề tài là thực thi và ứng dụng thị giác máy tính , thiết kế bộ điều
khiển cho hệ bóng và đĩa.
Phương pháp điều khiển được tìm hiểu trong luận văn là điều khiển cuốn chiếu
(Backstepping) và điều khiển PID. Thực hiện mô phỏng cho bộ điều khiển cuốn chiếu
cho đối tượng bóng và dĩa với phần mềm Matlab/Simulink. Đồng thời sử dụng Webcam
để xác định vị trí và vận tốc của trái bóng di chuyển trên bề mặt dãi bằng cách sử dụng
phần mềm Visual Studio 2008 và thư viện OpenCV.
Tác giả đã thiết kế và thi cơng hồn chỉnh mơ hình hệ bóng và dĩa. Mơ hình gồm
hai động cơ DC hộp số, các khớp nối cơ khí giữa động cơ và dĩa. Mạch điều khiển trung
tâm sử dụng vi điều khiển TMS320F28335. Xử lý các khung ảnh nhận từ Webcam để
xác định vị trí và vận tốc của trái bóng, sau đó gửi các giá trị này xuống vi điều khiển.
Kết quả đã đạt được bao gồm: Điều khiển cẩn bằng hệ bóng và dĩa tại các điểm
(0,0), điểm tới điểm, chạy theo hình vng . Xử lý, xác định vị trí của trái bóng và gửi
xuống vi điều khiển với tần số là 30Hz.


ABSTRACT
This thesis presents a ball and plate system using a pair of motor DC actuators to
control rotating angles of plate, webcam and software VS2008 to get position of ball on
plate. The thesis requirements: the ball is stability at center point or special points on the
plate, tracks rectangle, and circle. To achieve these results, the backstepping and PIDs
control is designed, microcontroller DSP TMS320F28335 and Matlab software is
designed and implemented. The designed system model is derived from Lagrangian

function for system controller implementation.


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.................................................................................... 6
1.1.

Đặt vấn đề:................................................................................................................... 6

1.2.

Giới thiệu đề tài ........................................................................................................... 6

1.2.1.

Giới thiệu hệ bóng và thanh: ..................................................................................... 6

1.2.2.

Giới thiệu hệ bóng và dĩa: ......................................................................................... 7

1.2.3.

Giới thiệu về thị giác máy tính: ................................................................................. 9

1.3.

Các hướng tiếp cận điều khiển đối tượng bóng và dĩa:................................................ 10


1.3.1.

Các loại mơ hình cơ khí: ......................................................................................... 10

1.3.2.

Các bộ chấp hành: .................................................................................................. 11

1.3.3.

Các loại cảm biến: .................................................................................................. 12

1.3.4.

Các giải thuật điều khiển đặc trưng được sử dụng để điều khiển đối tượng. ............ 13

Sử dụng các bộ điều khiển kinh điển: .................................................................................... 13
Sử dụng các bộ điều khiển hiện đại: ...................................................................................... 13
1.4.

Phạm vi nghiên cứu:................................................................................................... 13

1.5.

Nhiệm vụ luận văn. .................................................................................................... 14

CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH HĨA HỆ BĨNG VÀ DĨA.................................................................. 16
2.1.

Mơ hình cơ khí:.......................................................................................................... 16


2.1.1.

Đối tượng chấp hành động cơ DC: .......................................................................... 16

2.1.2.

Cảm biến xác định tâm hình trịn: ........................................................................... 21

2.2.

Miêu tả vật lý về hệ thống: ......................................................................................... 24

2.3.

Mơ hình tố học hệ thống bóng và dĩa ........................................................................ 26

CHƯƠNG 3 SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ VẬN TỐC CỦA
TRÁI BÓNG. ........................................................................................................................... 38
3.1.

Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh:.......................................................... 38

3.1.1. Hệ thống xử lý ảnh: .................................................................................................... 38
3.1.2. Những vấn đề cơ bản: ................................................................................................. 40
3.1.3. Giải thuật xử lý ảnh: ................................................................................................... 43
3.1.4. Tách biên đối tượng:................................................................................................... 49
3.2.

Giải thuật xác định vị trí tâm hình tròn được thực hiện như sau: ................................. 62


3.3.1.

Giao tiếp qua cổng nối tiếp. .................................................................................... 65

3.3.2.

Sử dụng thư viện OpenCV và xây dựng giao diện trên Visual C++: ........................ 66

3.3.3.

Kết quả chạy thực nghiệm của chương trình: .......................................................... 67

Trang 1


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 69
4.1.

Xây dựng bộ điều khiển PID nhiều vòng: ................................................................... 69

Trong đề tài này tác giả sẽ sử dụng 2 bộ điều khiển PID: ...................................................... 69
4.2. Thiết kế bộ điều khiển BackStepping cho hệ bóng và dĩa ............................................ 69
CHƯƠNG 5 MƠ PHỎNG TÍNH TỐN BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. 77
5.1.

Thông số của hệ thống: .............................................................................................. 77

5.2.


Xây dựng mô hình bằng Simulink: ............................................................................. 77

5.3.

Thiết kế bộ điều khiển PID nhiều vòng: ..................................................................... 79

5.4.

Thiết kế bộ điều khiển BackStepping bằng Simulink: ................................................. 79

5.5.

Kết quả mô phỏng: ..................................................................................................... 81

5.5.1.

Bộ điều khiển cuốn chiếu BackStepping: ................................................................ 82

5.5.2.

Bộ điều khiển PID nhiều vòng: ............................................................................... 88

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................... 92
6.1.

Phần điện: .................................................................................................................. 92

6.1.1.


Mạch điều khiển: .................................................................................................... 92

6.1.2.

Nguồn cung cấp:..................................................................................................... 94

6.2.

Bộ điều khiển nhúng xuống đối tượng: ....................................................................... 95

6.3.

Kết quả thực nghiệm: ............................................................................................... 101

6.3.1.
khiển:

Thiết kế phần mềm bắt vị trí trái bóng và hiện thị các thông số của đối tượng điều
101

6.3.2.

Điều khiển PID. .................................................................................................... 102

6.4.

Kết luận: .................................................................................................................. 107

6.5.


Hướng phát triển. ..................................................................................................... 107

Trang 2


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
Hình 1.1 Hệ bóng và thanh ..................................................................................................... 7
Hình 1.2 Hệ bóng và dĩa .......................................................................................................... 8
Hình 1.3 Điều khiển ổn định hóa ............................................................................................ 8
Hình 1.4 Điều khiển bám theo quỹ đạo .................................................................................. 8
Hình 1.5 Điều khiển điểm đến và hướng đi của bóng online ................................................. 9
Hình 1.6 Động cơ DC Servo. ................................................................................................. 11
Hình 1.7 Động cơ RC servo. .................................................................................................. 11
Hình 1.8 Động cơ bước.......................................................................................................... 12
Hình 1.9 Tấm cảm ứng điện trở............................................................................................ 12
Hình 1.10 Camera analog và Webcam. ................................................................................ 13
Hình 1.11 Sơ đồ khối của đề tài. ........................................................................................... 15
Hình 2.1 cấu tạo động cơ DC ................................................................................................ 16
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC ................................................................... 17
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa momen va tốc độ. ...................................................................... 17
Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện của động cơ................................................................................. 18
Hình 2.5 Mơ hình khớp nối giữa động cơ và hộp số ............................................................ 18
Hình 2.6 Sơ đồ khối của động cơ DC .................................................................................... 20
Hình 2.7 Cấu trúc của encoder. ............................................................................................ 20
Hình 2.8 Tín hiệu xung ở các kênh A,B,Z ............................................................................ 21
Hình 2.9 Các cách giải mã tăng độ phân giải của encoder .................................................. 21
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của máy ảnh kỹ thuật số.................................................... 23
Hình 2.11 Webcam Logitech C615. ...................................................................................... 23
Hình 2.12 Sơ đồ kết nối giữa tấm mica và động cơ .............................................................. 25
Hình 2.13 Hoạt động của hệ bóng dĩa khi chiếu lên hai trục x và y. ................................... 26

Hình 2.14 Sơ đồ động học của hệ thống bóng trên dĩa......................................................... 27
Hình 2.15 Các ký hiệu sử dụng. ............................................................................................ 28
Hình 2.16 Sơ đồ hợp giảm tốc động cơ. ................................................................................ 33
Hình 2.17 Xây dựng mơ hình hệ bóng dĩa bằng Matlab ..................................................... 34
Hình 2.18 Đồ thị vị trí bóng theo hai trục x,y và hai góc nghiêng của dĩa khi khơng có
nhiễu và ngoại lực tác động. ........................................................................................... 35
Hình 2.19 Đồ thị vị trí bóng theo hai trục x,y và hai góc nghiêng của dĩa khi góc nghiêng
là 0.01 rad , khơng có nhiễu và ngoại lực tác động........................................................ 36
Hình 2.20 Đồ thị vị trí bóng theo hai trục x,y và hai góc nghiêng của dĩa khi có ngoại lực
tác động ........................................................................................................................... 37
Hình 3.1 Sơ đồ khối một hệ thống xử lý ảnh ........................................................................ 39
Hình 3.2 Lân cận các điểm ảnh của tọa độ (x,y) .................................................................. 41
Hình 3.3: Minh họa khơng gian màu RGB .......................................................................... 44
Hình 3.4 Khơng gian màu HSV ............................................................................................ 46
Hình 3.5 Ảnh hưởng của thông số HSV lên ảnh. ................................................................. 48
Hình 3.6 (a) f(x); (b) f’(x); (c) f’’(x) cho một loại biên 1-D điển hình .................................. 50
Hình 3.7 Hệ phát hiện biên 1-D ............................................................................................ 51
Hình 3.8 Hệ phát hiện biên 2-D ............................................................................................ 53
Hình 3.9 Đáp ứng xung của các bộ lọc có thể dùng cho phát hiện biên định hướng. ......... 55

Trang 3


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
Hình 3.10 Các ví dụ về h(n1,n2) có thể sử dụng trong việc lấy xấp xỉ
( , )bằng
f(n1,n2)*h(n1,n2) ............................................................................................................... 57
Hình 3.11 Hệ phát hiện đường biên dựa trên Laplace mà khơng tạo ra nhiều đường biên
giả .................................................................................................................................... 59
Hình 3.12 Minh họa ngun lý Bellman ............................................................................... 60

Hình 3.13 Dị biên theo phương pháp quy hoạch động ........................................................ 62
Hình 3.14: Hình trịn được qt bởi his từ trên xuống ........................................................ 63
Hình 3.15: Hình trịn được qt bởi VSi từ trái sang phải .................................................. 63
Hình 3.16 Giải thuật xác định tạo độ x,y của trái bóng ....................................................... 64
Hình 3.17 Add chức năng SerialPort vào Project ................................................................ 65
Hình 3.18 Các tính chất của cổng truyền thơng nối tiếp...................................................... 65
Hình 3.19 Khai báo thư viện OpenCV.................................................................................. 66
Hình 3.20 Giao diện chương trình. ....................................................................................... 67
Hình 3.21 Chọn vùng xử lý ảnh. ........................................................................................... 68
Hình 3.22 Tiến hành xác định vị trí trái bóng. ..................................................................... 68
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID nhiều vòng ............................................................. 69
Hình 5.1: Các thơng số của mơ hình. .................................................................................... 77
Hình 5.2 Mơ hình hệ bóng và dĩa.......................................................................................... 78
Hình 5.3 Mơ hình hệ bóng và dĩa với cơ cấu chấp hành là động cơ hộp số ........................ 78
Hình 5.4 Khối hệ bóng và dĩa................................................................................................ 79
Hình 5.5 Bộ điều khiển BackStepping ................................................................................. 80
Hình 5.6 Khối điều khiển backstepping ............................................................................... 80
Hình 5.7 Bộ điều khiển backstepping điều khiển hệ bóng và dĩa. ....................................... 81
Hình 5.8 Điều khiển ổn định hóa quanh điểm cân bằng ...................................................... 82
Hình 5.9: Tín hiệt đặt trên trục X,Y ..................................................................................... 83
Hình 5.10: Tín hiệu ngõ ra vị trí và góc nghiêng.................................................................. 83
Hình 5.11 Điều khiển điểm tới điểm. .................................................................................... 84
Hình 5.12 Tín hiệu đặt theo trục x,y ..................................................................................... 85
Hình 5.13 tín hiệu ngõ ra vị trí bóng và góc nghiêng. .......................................................... 85
Hình 5.14 Điều khiển theo quỹ đạo đường trịn ................................................................... 86
Hình 5.15: Tín hiệu đặt theo trục x,y.................................................................................... 87
Hình 5.16 Tín hiệu ngõ ra vị trí bóng và góc nghiêng .......................................................... 87
Hình 5.17 Đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển ổn định tại tâm của hệ bóng dĩa trên trục X...... 88
Hình 5.18 Đáp ứng góc nghiêng theo trục X của bộ điều khiển ổn định tại tâm ................ 88
Hình 5.19 Đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển điểm tới điễm của hệ bóng dĩa trên trục X ........ 89

Hình 5.20 Đáp ứng góc nghiêng theo trục X của bộ điều khiển điểm tới điểm ................... 89
Hình 5.21 Đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển theo hình vng của hệ bóng dĩa trên trục X .... 90
Hình 5.22 Đáp ứng góc nghiêng theo trục X của bộ điều khiển theo hình vng ............... 90
Hình 5.23 Đáp ứng ngõ ra bộ điều khiển theo hình trịn của hệ bóng dĩa trên trục X ....... 91
Hình 5.24 Đáp ứng góc nghiêng theo trục X của bộ điều khiển theo hình trịn .................. 91
Hình 6.1 Sơ đồ tổng quan phần điện của đề tài.................................................................... 92
Hình 6.2 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm.......................................................................... 93
Hình 6.3 Mạch chuyển đổi USB sang RS232........................................................................ 94
Hình 6.4 mạch chuyển đổi nguồn máy tính thành nguồn thí nghiệm ................................. 94

Trang 4


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
Hình 6.5 Thư viên hỗ trơ trong Target Support Package ................................................... 95
Hình 6.6 Lựa chọn System Target File để Embedded IDE Link biên dịch chương trình từ
Simulink sang ngơn ngữ C được Code Composer Studio hỗ trợ .................................. 96
Hình 6.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển cuốn chiếu. .................................................................... 97
Hình 6.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ................................................................................ 98
Hình 6.9 Sơ đồ khối ball and plate........................................................................................ 98
Hình 6.10: Sơ đồ khối tạo xung PWM , chiều điều khiển .................................................... 99
Hình 6.11 Khối xử lý tín hiệu ngõ ra .................................................................................... 99
Hình 6.12: Khối xử lý vị trí và vận tốc của trái bóng......................................................... 100
Hình 6.13 Khối truyền, nhận tín hiệu với máy tính ........................................................... 100
Hình 6.14 Giao diện phần mềm bắt vị trí trái bóng ........................................................... 101
Hình 6.15 Sơ đồi khối điều khiển góc quay động cơ .......................................................... 102
Hình 6.16 Tín hiệu điều khiển hai động cơ......................................................................... 103
Hình 6.17 Tín hiệu góc quay của động cơ trục x ................................................................ 103
Hình 6.18 Tín hiệu góc quay của động cơ trục y ................................................................ 103
Hình 6.19 Điều khiển ổ định hóa quanh vị trí (0,0)............................................................ 104

Hình 6.20 Đáp ứng tín hiệu điều khiển và vị trí bóng trên trục X,Y ................................. 104
Hình 6.21 Điều khiển điểm tới điểm ................................................................................... 105
Hình 6.22 Đáp ứng tín hiệu điều khiển và vị trí bóng trên trục X,Y ................................. 105
Hình 6.23 Điều khiển chạy theo hình vng....................................................................... 106
Hình 6.24 Đáp ứng tín hiệu điều khiển và vị trí bóng trên trục X,Y ................................. 106

Trang 5


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

Đặt vấn đề:
Ngày nay, các thiết bị được vận hành trong lĩnh vực sản xuất, giải trí, chăm sóc

sức khỏe… thường được thực hiện, gia cơng với độ chính xác rất cao vì vậy các thiết bị
này sẽ hoạt động tốt hơn, bền hơn. Các bộ điều khiển được sử dụng điều khiển có thể là
PID, hồi tiếp trạng thái, đặt cực… Sau thời gian vận hành các cơ cấu, bộ phận sẽ xảy ra
hiện tượng hao mòn làm thay đổi hệ số ma sát, hệ số giãn nở, độ rung … điều này có thể
làm ảnh hưởng tới chất lượng của các thiết bị. Để khắc phục hiện tượng này ta có thể
thực hiện các biện pháp như làm mát, bôi trơn …Tuy nhiên, những việc làm này chỉ cải
thiện được phần nào vấn đề trên nhưng không thể giải quyết triệt để. Do đó các bộ điều
khiển này sẽ khơng đảm bảo được chất lượng như trước nữa. Để khắc phục vấn đề này sử
dụng một số bộ điều khiển phi tuyến có thuật tốn tối ưu. Các bộ điều khiển thường dùng
là BackStepping, Sliding Mode…
Để thực hiện khảo sát các thuật toán điều khiển này, học viên đã tiến hành khảo
sát hệ bóng và dĩa là hệ mở rộng của hệ bóng và thanh.
Bên cạnh đó, trong những năm gần đây phong trào nghiên cứu thị giác máy tính
cũng trở nên khá phổ biến. Điều này được thể hiện thông qua số đề tài, bài báo và các

ứng dụng trong những năm gần đây như các đề tài về robot nhận dạng cảm xúc, điều
khiển xe bằng ánh mắt, đếm xe, xác định kích thức của vật thể trong khơng gian thực.
Đứng trước thực trạng đó, tác giả cũng tiến hành nghiên cứu, sử dụng thị giác máy tính
như là cảm biến để thu thập được vị trí của trái bóng trên dĩa. Đây cũng chính là mục tiêu
của đề tài.
1.2.

Giới thiệu đề tài

1.2.1. Giới thiệu hệ bóng và thanh:
Hệ thống bóng và thanh là một ví dụ kinh điển của bài tốn điều khiển động vịng
hở. Bài tốn này đặc biệt thu hút bởi vì nó là hệ thống vịng hở khơng ổn định, điều này
có nghĩa là khi trái bóng di chuyển nó sẽ lăn khơng bao giờ dừng nếu khơng có sự tác
động nào xảy ra. Điều này trái ngược với hệ thống ổn định vòng hở như là bóng trong tơ,
nơi mà nếu trái bóng bị tác động bởi một lực nó sẽ dao động bên trong tơ mãi mãi hay nó
sẽ dừng lại dưới sự tác động của lực ma sát.

Trang 6


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 1.1 Hệ bóng và thanh
Hệ thống bóng và thanh là một cấu trúc đơn giản là một thanh có thể làm nghiêng
và quay quanh điểm giữa của thanh hay tại các điểm ở cạnh, và một trái bóng ở trên
thanh. Trái bóng được giới hạn chỉ chuyển động trên một trục, dọc theo thanh.
Vị trí của trái bóng luôn được đo thông qua việc sử dụng một cảm biến điện trở.
Trái bóng được làm bằng kim loại, thường là trái bóng bằng sắt, và bắc cầu giữa 2 thanh
kim loại. Khi trái bóng lăn lên hoặc lăn xuống các thanh, nó sẽ làm tăng hoặc giản điện
trở của thanh. Nhìn chung giá trị điện trở sẽ cho ta biết được chính xác vị trí của trái

bóng đang ở đâu.
1.2.2. Giới thiệu hệ bóng và dĩa:
Hệ bóng và dĩa là mơ hình 3D của hệ bóng và thanh. Nó bao gồm cả trục x và trục
y cho phép trái bóng lăn theo những đường khác nhau từ điểm đến điểm. Điều này thu
hút sự chú ý trong lĩnh vực khoa học bởi vì nó cho phép chúng ta điều khiển cả vị trí và
hướng, bằng cách này đã mở ra một lĩnh vực khác của robotic trong việc quy hoạch quĩ
đạo.

Trang 7


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 1.2 Hệ bóng và dĩa
Cấu trúc của hệ bóng và dĩa bao gồm một mặt phẳng dĩa, cơ cấu cơ khí đề làm
lệch mặt phẳng dĩa theo 2 trục, cảm biến xác định vị trí trái bóng, thiết bị đo dùng để xử
lý tín hiệu và bộ điều khiển thời gian thực.
Hệ thống bóng và dĩa được chia ra làm 5 bài tốn nhỏ:

Hình 1.3 Điều khiển ổn định hóa
 Giữa cho trái bóng ln ổn định ở tâm của mặt phẳng dĩa.
 Giữa cho trái bóng ổn định ở các vị trí được yêu cầu trên mặt phẳng dĩa.

Hình 1.4 Điều khiển bám theo quỹ đạo
Trang 8


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
 Quy hoạch quỹ đạo. Trái bóng bám theo quỹ đạo được định trước.


Hình 1.5 Điều khiển điểm đến và hướng đi của bóng online
 Trái bóng di chuyển thời điểm khác theo hướng được chỉ định trên màn hình điều khiển.
 Chọn điểm đến và hướng di chuyển ban đầu của trái bóng sau đó trái bóng sẽ di chuyển
theo hướng chỉ định với một quĩ đạo bất kỳ.
1.2.3. Giới thiệu về thị giác máy tính:
Thị giác máy tính (Computing Vision) là một lĩnh vực bao gồm các phương pháp
thu thập, xử lý, phân tích các hình ảnh và các dữ liệu đa chiều trong thế giới thức để thu
được những thông tin dưới dạng số học hay hình học. Nền tảng phát triển của lĩnh vực
này là bắt chước các khả năng về thị giác của con người.
Khi khị giác máy tính được áp dụng vào những mơ hình thì lúc đó ta sẽ có được các
hệ thống thị giác máy tính. Ví dụ như ứng dụng thị giác máy tính cho:
 Những q trình điều khiển của robot công nghiệp.
 Định hướng di chuyển cho phương tiện tự vận hành, robot tự hành.
 Xác định các sự kiện như giám sát bằng hình ảnh hay đếm số lượng người.
 Tổ chức các thông tin sử dụng kết hợp với trí tuệ nhân tạo dùng cho các bộ dự
báo.
 Mơ hình hóa các đối tượng hay mơi trường.
 Tương tác giữa người và máy.
 Tự động kiểm tra trong các dây truyền sản xuất như chất lượng, số lượng sản
phầm…
Thị giác máy tính thường được sử dụng trong các lĩnh vực như :
Trang 9


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
 Trí tuệ nhân tạo: Thị giác máy tính được sử dụng như là cảm biến thu thập, phân
tích và xử lý các hình ảnh trước khi hệ thống định hướng xe tự hành, robot tự
hành…
 Vật lý : Thị giác máy tính được dùng kèm với kiến thức vật lý để phân tích các
thơng tin về màu sắc chứa trong các hình ảnh về các loại khí…

 Thần kinh học, quang học.
 Quân đội..
Trong những năm gần đây, các sinh viên và học viên ở trường Đại Học Bách Khoa
Tp.Hồ Chí Minh đã thực hiện nhiều đề tài về thị giác máy tính như điều khiển robot bằng
mắt, cử chỉ của bàn tay, phân loại sản phẩm theo màu… đã đạt được kết quả tốt. Dù các
đề tài trên đã đạt được những kết quả tốt nhưng do yêu cầu của các đề tài không xét tới
yếu tố thời gian thực, vì vậy để hiểu rõ hơn về yếu tố này tác giả quyết định thực hiện đề
tài : Điều khiển cân bằng bóng và dĩa dùng thị giác máy tính.
1.3.

Các hướng tiếp cận điều khiển đối tượng bóng và dĩa:
Khi thực hiện bài tốn điều khiển bóng và dĩa chúng ta sẽ gặp phải rất nhiều nhiều

thách thức như việc chọn cơ cấu chấp hành, cấu trúc cơ khí, và cảm biến phản hồi vị trí
của trái bóng trên dĩa. Chính những thách thức này đã tạo ra sự thu hút với các nhà
nghiên cứu điều này được thể hiện qua tính đa dạng của các bài báo đã thực hiện liên
quan tới đề tài.
1.3.1. Các loại mơ hình cơ khí:
Các loại cấu trúc cơ khi thường được chọn để xây dựng đối tượng bóng và dĩa:
 Cấu trúc sử dụng hai động cơ được kết nối ở hai góc trên dĩa được đỡ bởi khớp
nối ở giữa[1], với cấu trúc này để điều khiển trái bóng trên dĩa ta chỉ cần thay đổi
góc quay của hai động cơ.[2], [3]
 Cấu trúc sử dụng ba động cơ được kết nối dĩa tại ba điểm tạo thành tam giác đều,
với cấu trúc này để điều khiển trái bóng trên dĩa ta cần phải điều khiển góc quay
của ba động cơ.
 Cấu trúc sử dụng hai bộ đệm từ trường kết nối ở hai góc của dĩa qua đó ta có thể
thay đổi vị trí của trái bóng trên dĩa qua việc thay đổi lực hút của bộ đệm [4]
Trang 10



ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
 Cấu trúc sử dụng các khớp nối hình chữ U kết hợp với các động cơ để thay đổi
góc nghiêng của dĩa [5]
1.3.2. Các bộ chấp hành:
Ở mỗi cấu trúc cơ khí, đối tượng có thể sử dụng các bộ chấp hành khác nhau:
 Sử dụng động cơ DC Servo[1] [2][3].

Hình 1.6 Động cơ DC Servo.
o Mơ hình tốn học có được thơng qua các thơng số của động cơ.
o Khi điều khiển vị trí góc quay của động cơ ta cần thiết kế thêm bộ điều
khiển hay tích hợp thêm bộ điều khiển động cơ.
 Sử dụng động cơ RC Servo.

Hình 1.7 Động cơ RC servo.
o Tích hợp sẵn bộ điều khiển vị trí góc quay với ngõ vào là xung PWM.
o Mơ hình tốn học phức tạp, khó xây dựng, thường xem bộ chấp hành có
hàm truyền bậc 1.
 Sử dụng động cơ bước.

Trang 11


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 1.8 Động cơ bước.
o Điều khiển vị trí, tốc độ thông qua số lượng, tần số chuỗi xung phát cho
động cơ.
o Mơ hình tốn học phức tạp.
 Sử dụng bộ đệm từ trường [4]
o Mơ hình tốn học có thể xây dựng được.

1.3.3. Các loại cảm biến:
 Sử dụng màn cảm ứng điện trở[1], [4], [5], [9] hoặc cảm biến hồng ngoại. Khi ta
sử dụng loại cảm biến này thì sẽ bị giới hạn về độ phân giải, kết quả thu thập bị
ảnh hưởng bởi khối lượng trái bóng.

Hình 1.9 Tấm cảm ứng điện trở.

 Sử dụng camera hoặc webcame cùng với phần mềm xử lý ảnh[2], [3], [7]: Khi sử
dụng loại cảm biến này thì ta cần sử dụng kèm theo phần mềm, mơ hình cơ khí
cần phải thêm một phần cơ cấu để gắn cảm biến.

Trang 12


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 1.10 Camera analog và Webcam.
1.3.4. Các giải thuật điều khiển đặc trưng được sử dụng để điều khiển đối tượng.
Sử dụng các bộ điều khiển kinh điển:
 Điều khiển PID[1], [3] được sử dụng để điều khiển cân bằng quanh điểm
đăc biệt, không hiệu quả khi sử dụng để điều khiển bám theo quỹ đạo.
 Đặt cực[1]: Dùng PID là bộ điều khiển vịng trong, điều khiển góc của
động cơ. Dùng bộ điều khiển đặc cực điều khiển vịng bên ngồi, tính
tốn góc quay của các động cơ để trái bóng đặt được vị trí đặt hay bám
theo quỹ đạo.
Sử dụng các bộ điều khiển hiện đại:
 Indirect Heirachical Fuzzy Control [2] sử dụng giải thuật di truyền
để điều chỉnh thông số các hàm thành viên của bộ điều khiển mờ.
Thời gian đáp ứng của hệ thống là khá tốt khi sử dụng điều khiển
bám theo quỹ đạo.

 Hierachical FCMAC Neuron Network[7]: Kết quả sai số xác lập
<2%, thời gian xác lập 3s.
 Điều khiển BackStepping[4], [9]: Thực hiện tốt với các mục tiêu
điều khiển của hệ thống. Dựa vào lý thuyết điều khiển bền vững
Lyapunov.
1.4.

Phạm vi nghiên cứu:

Trong đề tài luận văn này tác giả sẽ thực hiện giải thuật điều khiển BackStepping và
sử dụng thị giác máy tính để:
 Điều khiển bóng cân bằng tại các điểm đặc biệt.
Trang 13


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
 Điều khiển trái bóng tới điểm khác theo 1 quỹ đạo cho trước.
 Điều khiển trái bóng chạy theo quỹ đạo.
Trong đề tài trước[1] do cảm biến xác định vị trí trái bóng sử dụng là màn cảm ứng
nên khối lượng trái bóng sử dụng phải đủ lớn để ép hai mặt của màn hình cảm ứng giúp
cảm biến xác định được vị trí. Cũng vì lý do này nên khi trái bóng di chuyển nó sẽ có
quán tính lớn vì vậy khi điều khiển bóng bám theo quỹ đạo sẽ làm cho bóng bám khơng
được tốt.
Trong đề tài này cảm biến xác định vị trí được sử dụng là webcame cùng với phần
mềm xử lý ảnh. Do đó trái bóng sử dụng trong đề tài này sẽ khơng cịn bị ảnh hưởng bởi
khối lượng nữa nên trái bóng sẽ di chuyển bám tốt hơn.
Bên cạnh đó cơ cấu phần cứng của hệ thống yêu cầu các khớp nối phải được gia cơng
chính xác để làm giảm ma sát ở các khớp nối, giảm khối lượng của các khớp và thanh nối
để tránh ảnh hưởng lên moment quán tính của động cơ.
1.5.


Nhiệm vụ luận văn.
- Tìm hiểu kỹ thuật lập trình DSP thơng qua Matab, giao tiếp UART, đọc Encoder,
điều rộng xung PWM...
- Lập trình phần mềm Visual Studio 2008 với phần mềm OpenCV 2.1 để bắt và
truyền vị trí, tốc độ trái bóng xuống vi điều khiển DSP.
- Xây dựng luật điều khiển PID, Backstepping ứng dụng vào mơ hình giúp hệ
thống ổn định tại điểm cân bằng và chuyển động theo quỹ đạo xác định trước.
- Xây dựng, nhận dạng mơ hình thực.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm và mơ phỏng, từ đó rút ra nhận xét về thuật toán và
xác định thuật toán tối ưu cho mơ hình.

Trang 14


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 1.11 Sơ đồ khối của đề tài.

Trang 15


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH HĨA HỆ BĨNG VÀ DĨA.
2.1.

Mơ hình cơ khí:

2.1.1. Đối tượng chấp hành động cơ DC:
Kiến thức cơ bản về động cơ DC:

DC (động cơ một chiều) bao gồm rotor (hoặc phần ứng), bộ chuyển mạch, chổi
than, quay trục và vòng bi, stator là nam châm vĩnh cửu. Hình 13 minh họa nguyên
tắc hoạt động với một động cơ một chiều có hai cực đơn giản.
-

Với rotor ở vị trí (i), chổi than bên phải tiếp xúc với bộ chuyển mạch A và bên
trái chổi than bên trái tiếp xúc với bộ chuyển mạch B, kết quả là các cực từ
như được hiển thị. Cực từ rotor đối diện với cực từ stator, tạo ra một mô-men
xoắn gây ra chuyển động theo chiều kim đồng hồ rotor.

-

Ở vị trí (ii), các cực stator hút các cực rotor.

-

Từ vị trí (iii) và (v), chuyển mạch thay đổi hướng của dịng rotor và hướng của
từ trường.

-

Ở vị trí (iv), cả hai chổi than tạm thời mất liên lạc với các bộ chuyển mạch,
nhưng các cánh quạt tiếp tục di chuyển do đà của nó.

-

Ở vị trí (v), từ trường đảo ngược trong rotor một lần nữa cùng cực với từ
trường stator, tiếp tục mô-men xoắn và chuyển động theo chiều kim đồng hồ.

Khi rotor ở vị trí (iv), động cơ sẽ khơng xoay.Vấn đề có thể được giải quyết bằng

cách thiết kế động cơ với cực nhiều hơn .

Hình 2.1 cấu tạo động cơ DC
Trang 16


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 2.2 Ngun lý hoạt động của động cơ DC
Đặc điểm của động cơ DC chổi than:
Đường cong Momen xoắn và tốc độ:
-

Mô-men xoắn T: mô-men xoắn tối đa mà động cơ có thể sản xuất khi tốc độ là
không.

-

Tốc độ không tải, max ω: tốc độ tối đa mà động cơ có thể đạt được khi có tải
trọng là không.

-

PM động cơ là lý tưởng trong các ứng dụng điều khiển vì tuyến tính của mối
quan hệ mơ men tốc độ của nó như thể hiện trong Hình 2.3.

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa momen va tốc độ.
Động lực học của Motor:

Trang 17



ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện của động cơ.

Hình 2.5 Mơ hình khớp nối giữa động cơ và hộp số
Ta có:
V: điện áp phần ứng
V : sức điện động
L : điện cảm phần ứng
R : điện trở phần ứng
i : dòng điện phần ứng
ϕ: từ trường gây ra bởi stator
J : Quán tính của động cơ
B : hệ số giảm xóc
θ : vị trí của rotor
τ : Momen xoắn của động cơ

Trang 18


ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG VÀ DĨA SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH
τ : Momen tải
n: hệ số truyền động
Phương trình vi phân dịng điện phần ứng:
+

=


(2.1)

−

Phương trình chuyển động:
+

=

(2.2)

−

Ngồi ra, nếu stator tạo ra từ trường xuyên tâm từ, Φ, và dòng ở rotor (còn gọi
là phần ứng) là một

, thì sẽ có một mơ-men xoắn trên rotor làm xoay rotor. Cường

độ mô-men xoắn này (tham khảo Luật Force Lorentz, F = φ × i )
=

=

(2.3)

T là mơ-men xoắn khơng đổi [N-m/amp].
Bất cứ khi nào một dây dẫn di chuyển trong vùng từ trường, một điện áp,

,


được tạo ra trên nó tỷ lệ thuận với vận tốc của dây dẫn trong vùng này. Điện áp này,
gọi là điện áp cảm ứng, sẽ có xu hướng chống lại dịng điện trong dây dẫn bằng cách.
=

=

(2.4)

K là hằng số điện áp cảm ứng [V-sec/rad]
Thay thế các phương trình mơ-men xoắn và điện áp cảm ứng vào các phương
trình điện và cơ khí cho ta các phương trình động sau đây cho các hệ thống điện và cơ
khí trong miền Laplace:

Giả
( ) à

(

+

(

+

) ( )= ( )−
)

( )=

( ) à

( )−

( )

(2.5)

( ) = 0 và kết hợp hai phương trình trên tạo ra hàm truyền
( )

Trang 19