Ứng dụng thị giác máy tính xây dựng bộ điều khiển LQR điều khiển ổn định bóng và thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
____o0o_____

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


LUẬN VĂN THẠC SI

TÊN ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN LQR ỔN ĐỊNH HỆ BÓNG VÀ THANH

Người hướng dẫn:
Học viên thực hiện:

PGS. TS. DƯƠNG HOÀI NGHIA
NGUYỄN ĐỨC HIỀN

Tp.HCM, 07-2015


• Kết luận
• Thiết kế bộ điều khiển

IV
III
II
I

• Xây dựng mô hình

•

NỘI DUNG


I.
•

GIỚI THIỆU

Điều khiển giữ thăng bằng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như: hàng
không, hệ thống lái tàu, giàn khoan và các công trình biển...

•

Công nghệ thị giác máy tính, đo lường không tiếp xúc, xác định, ước lượng
kích thước, đặc tính, đặc trưng của sản phẩm… được ứng dụng trong sản xuất
công nghiệp, giao thông, địa chất, y học…

•

Hệ bóng và thanh phản hồi vị trí bằng camera dùng nghiên cứu áp dụng
điều khiển các vấn đề thực tế trên.


II.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Có 2 dạng mô hình bóng và thanh

Các dạng bóng và thanh


II.



XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Thi công mô hình thực

webcam

Động cơ

Bóng

Thanh

Mô hình bóng và thanh


II.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Từ các phương trình động học ta xác định được mô hình không gian trạng thái của hệ bóng và thanh

 

(2.1)


II.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH

Mô hình không gian trạng thái bốn biến trạng thái của hệ bóng và thanh
 

(2.2)

Mô hình không gian trạng thái được tuyến tính hóa của hệ bóng và thanh

 

(2.3)


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Phương pháp điều chỉnh toàn phương tuyến tính-LQR
 Đối tượng tuyến tính được mô tả bởi phương trình trạng thái:

 Điều

chỉnh toàn phương tuyến tính là tìm tín hiệu điều khiển u(t) điều chỉnh hệ thống từ trạng thái ban đầu bất kỳ về trạng

thái cuối với =∞ sao cho tối thiểu chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương :
J=
Tín hiệu điều khiển tối ưu:
P là nghiệm bán xác định dương của phương trình đại số Ricatti

Giá trị cực tiểu của chỉ tiêu chất lượng: J=


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Phương pháp điều chỉnh toàn phương tuyến tính-LQR

Mô hình điều khiển LQR hệ bóng và thanh trên Matlab Simulink


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Phương pháp điều chỉnh toàn phương tuyến tính-LQR
K= [52.2504 72.6497 136.6802 37.9342 38.7298]

Đáp ứng vị trí và góc hệ bóng và thanh

III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Ứng dụng thị giác máy tính phản hồi vị trí bóng

Sơ đồ mô hình điều khiển hệ bóng và thanh phản hồi vị trí bằng camera


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Ứng dụng thị giác máy tính phản hồi vị trí bóng (tt)

Bắt đầu

Thu nhận ảnh

Phân ngưỡng

Nhận dạng bóng

Kết thúc

Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh xác định vị trí bóng

III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Quá trình thu nhận ảnh:

•
•

Thiết bị thu nhận ảnh là webcam ( tốc độ 20fps)
Ảnh sau khi thu sẽ được chuyển thành ảnh xám

Ảnh RGB

Ảnh xám


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Quá trình phân ngưỡng:

•
•

Cắt chọn vùng ảnh cần xử lý để giảm kích thước ma trận tính toán.

Chuyển ảnh sang ảnh nhị phân so với ngưỡng để lọc nhận dạng bóng


III.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Nhận dạng -xác định vị trí bóng:
Áp dụng thuật toán ăn mòn ảnh, dùng liên kết pixel 8 xác định tâm của bóng, dùng công thức Euclide xác định vị trí bóng trên
thanh.


III.


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Ứng dụng thị giác máy tính phản hồi vị trí bóng (tt)

Mô hình nhận dạng vị trí bóng trên Simulink


III.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Bộ điều khiển mô hình bóng và thanh thực tế


III.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Đáp ứng vị trí bóng và tín hiệu điều khiển của hệ bóng và thanh vị trí 0


III.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Đáp ứng vị trí bóng và tín hiệu điều khiển của hệ bóng và thanh vị trí 100mm


III.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Đáp ứng vị trí bóng và tín hiệu điều khiển của hệ bóng và thanh khi bị tác động


IV.


KẾT LUẬN

Kết luận



Xây dựng mô hình toán học, tuyến tính hóa, thiết kế bộ điều khiển LQR và mô phỏng trên Simulink cho hệ bóng và thanh.



Xây dựng giải thuật xử lý ảnh để tạo tín hiệu phản hồi vị trí bóng cho bộ điều khiển



Áp dụng bộ điều khiển LQR với phản hồi vị trí bóng bằng webcam trên mô hình thực tế.



Hướng phát triển



Thiết kế phần cơ khí độ chính xác tốt hơn



Thiết kế phần cứng điều khiển như sử dụng: Board máy tính nhúng Raspberry Pi, FPGA… chuyên về điều khiển.



Nâng cao tốc độ xử lý ảnh bằng camera có độ phân giải cao hơn như 120fps.



Áp dụng các bộ điều khiển cho hệ phi tuyến như: Trượt, thích nghi, cuốn chiếu…

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN
QUÝ THẦY VÀ CÁC BẠN
LẮNG NGHE