Đồ án Thiết kế hệ thống cân bằng camera (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống cân bằng camera (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA GVHD: ThS. TRẦN ĐỨC THIỆN SVTH: TRẦN THANH BÃO PHÚ MSSV:10101092 SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM MSSV: 10101112 SKL003038 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA GVHD : Ths. Trần Đức Thiện SVTH : Trần Thanh Bão Phú MSSV: 10101092 Nguyễn Thành Tâm MSSV: 10101112 TP. Hồ Chí Minh, 7/2014 
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA GVHD : Ths. Trần Đức Thiện SVTH : Trần Thanh Bão Phú MSSV: 10101092 Nguyễn Thành Tâm MSSV: 10101112 TP. Hồ Chí Minh, 7/2014 
4. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày tháng năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: 1. Trần Thanh Bão Phú MSSV: 10101092 2. Nguyễn Thành Tâm MSSV: 10101112 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử Mã ngành: 101 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2010-2014 Lớp: 101011 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA II. NHIÊṂ VỤ 1. Các số liệu ban đầu: 2. Nội dung thực hiện: - Giao tiếp và đọc dữ liệu từ cảm biến MPU6050 và tính góc nghiêng - Tìm hiểu bộ lọc Kalman dùng cho hệ định vị quán tính - Tìm hiểu vi điều khiển STM32F103C8T6 và các ngoại vi USART, I2C, Timer - Tìm hiểu và điều khiển động cơ BLDC 3 pha - Tìm hiểu và điều khiển động cơ RC-servo - Tìm hiểu và ứng dụng bộ điều khiển PID - Lập trình giao diện giám sát mô hình trên máy tính bằng C# - Thiết kế mô hình cân bằng cho camera dùng động cơ RC-servo - Thiết kế mô hình cân bằng cho camera dùng động cơ BLDC 3 pha III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/03/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. Trần Đức Thiện CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP THS. TRẦN ĐỨC THIỆN TS. NGUYỄN THANH HẢI
5. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Trần Thanh Bão Phú Lớp: 101011B MSSV: 10101092 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Tâm Lớp: 101011C MSSV: 10101112 Tên đề tài: THIẾT KẾHỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tìm hiểu và giao tiếp cảm biến MUP6050 Tuần 1,2 Tiếp tục đọc dữ liệu thô từ cảm biến Thực hiện cân chỉnh và tính Offset Tìm hiểu các hệ trục tọa độ trong không gian (Euler, Tait-Brian) Tuần 3 Tìm hiểu cách tính góc từ các giá trị thu được từ cảm biến Tìm hiểu về bộ lọc Kalman Tuần 4, 5 Hiển thị thông số lên đồ thị và đánh giá Cân chỉnh bộ lọc Kalman Tìm hiểu mô hình toán học của hệ cân bằng camera Tuần 6, 7 Thiết kế phần cứng phiên bản 1 với động cơ RC- Servo Cân chỉnh hệ thống Tuần 8, 9 Tìm hiểu động cơ Brushless và Driver cho động cơ Tìm hiểu giải thuật điều khiển Tiếp tục tìm hiểu động cơ Brushless + Driver Tuần 10 Tiếp tục tìm hiểu giải thuật điều khiển Tuần 11 Thiết kế phần cứng phiên bản 2 với động cơ Brushless Cân chỉnh các thông số PID Tuần 12, 13, 14 Thiết kế giao diện C# để chỉnh PID và giám sát mô hình Tuần 15, 16, 17, Viết báo cáo 18 GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Ths. Tr ần Đức Thiện
6. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
7. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
8. LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, tính ứng dụng và thẩm mỹ. Điện tử đã và đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Nó đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Những ứng dụng đó đã đem lại cho đời sống con người sự tiện nghi, thoải mái và thay thế con người từ công việc nhà, sản xuất công nghiệp đến giải trí và quân sự. Là những sinh viên ngành điện tử, việc nghiên cứu và chế tạo ra những thiết bị mang tính thực tiễn cao trong đời sống là điều quan trọng. Thông qua đó, chúng em có cơ hội khám phá kho kiến thức to lớn của nhân loại cũng như biết được mối liên hệ giữa lý thuyết và thực tế, rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, phương pháp nghiên cứu, Với đề tài “Thiết kế hệ thống cân bằng camera” là một trong những đề tài mới, chúng em đã thu được những kết quả rất bổ ích để phục vụ công việc trong tương lai cũng như mở ra nhiều hướng phát triển cho đề tài. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và kiến thức chúng em còn hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót. Chúng em mong quý Thầy cô và các bạn sinh viên thông cảm. Chúng em mong nhận được ý kiến đóng góp cho đề tài từ quý Thầy cô và các bạn để đề tài được tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Nhóm thực hiện đề tài Trần Thanh Bão Phú – Nguyễn Thành Tâm
9. LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Trần Đức Thiện - giảng viên khoa Điện – Điện tử, đã quan tâm và tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án. Bên cạnh đó, thầy đã cho chúng em những kiến thức mới cũng như cách tiếp cận một cách khoa học đến đồ án này. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô khoa Điện – Điện tử, những người đã cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt những năm đại học.Những kiến thức đó luôn là công cụ hỗ trợ cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án và công việc sau này. Lời cảm ơn cuối cùng, chúng em xin dành đến Ba mẹ, những người đã luôn động viên, hỗ trợ chúng em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Nhóm thực hiện đề tài Trần Thanh Bão Phú – Nguyễn Thành Tâm
10. MỤC LỤC Nội dung Trang Nhiệm vụ đồ án Nhận xét của giáo viên phản biện Nhận xét giáo viên hướng dẫn Lời mở đầu Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình PHẦN 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 I. Tính cấp thiết của đề tài 1 II. Đối tương nghiên cứu 1 III. Giới hạn đề tài 1 IV. Ý nghĩa của đề tài 2 V. Sản phẩm liên quan đến đề tài 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2 2. Tình hình nghiên cứu trong nước 4 VI. Nội dung các chương 5 PHẦN 2. NỘI DUNG 7 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG IMU VÀ CÁC TÍNH TOÁN LIÊN QUAN 7 I. Các phương pháp mô tả định vị và phương hướng trong không gian 7 1. Phương pháp góc Euler 7 2. DCM (Direct cosine matrix) 11 3. Chuyển đổi giữa ma trận xoay và góc Euler 12 II. Hệ thống định vị quán tính INS 13 1. Nguyên lý hoạt động của INS 13 2. Cấu tạo INS 14 3. Phân loại INS 15 4. Đơn vị đo lường quán tính (IMU) 16 III. Các cảm biến cấu thành một đơn vị đo lường quán tính IMU 17 1. Cảm biến tốc độ góc (Gyro) 17 2. Cảm biến gia tốc (Accel) 21 3. Cảm biến từ trường 23 IV. Các tính toán xử lý dữ liệu sơ bộ từ các cảm biến 23 1. Xử lý dữ liệu từ cảm biến tốc độ góc 23 2. Xử lý dữ liệu từ cảm biến gia tốc 23 V. Giới thiệu cảm biến MPU6050 27 1. Khái quát về dòng cảm biến MPU60X0 27 2. Tính năng của cảm biến 28 CHƯƠNG 2: BỘ LỌC KALMAN 30 I. Các loại sai số của cảm biến trong hệ quán tính 30 1. Sai số do độ lệch của cảm biến 30 2. Sai số do độ nhạy 30
11. 3. Sai số do vị trí lắp đặt cảm biến 30 4. Sai số do nhiễu 30 II. Bộ lọc Kalman 30 1. Lịch sử phát triển 30 2. Nội dung 31 3. Áp dụng bộ lọc Kalman vào cảm biến IMU 32 4. Thực nghiệm bộ lọc Kalman 33 5. Kết quả 34 CHƯƠNG 3: CƠ CẤU CHẤP HÀNH 36 I. Giới thiệu động cơ RC-Servo 36 1. Giới thiệu 36 2. Cấu tạo và hoạt động của RC-Servo 37 3. Điều khiển động cơ RC-Servo 38 II. Giới thiệu động cơ không chổi than 3 pha DC 39 1. Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than 39 2. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC có dùng cảm biến xác định vị trí rotor 42 3. Giải thuật điều khiển động cơ BLDC 3 pha 47 4. Giới thiệu IC driver cho động cơ 3 pha BLDC – DRV8313 49 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG 51 I. Lý thuyết bộ điều khiển PID 51 1. Sơ lược thuật toán điều khiển 51 2. Các phương pháp chỉnh định các thông số PID 52 II. Điều khiển hệ thống 53 1. Hệ thống cân bằng Camera có cơ cấu chấp hành là động cơ RC-Servo 53 2. Hệ thống cân bằng Camera có cơ cấu chấp hành là động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 3 pha 56 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 65 I. Thiết kế mạch vi điều khiển STM32F103C8 65 1. Sơ đồ nguyên lý 65 2. Sơ đồ mạch in và mạch thực tế 66 II. Giới thiệu về mô hình thực tế 66 1. Giới thiệu mô hình dùng động cơ RC-Servo 67 2. Giới thiệu mô hình dùng động cơ BLDC 3 pha 68 III. Kết quả thực nghiệm 70 1. Kết quả thực nghiệm trên mô hình dùng động cơ RC-Servo 70 2. Kết quả thực nghiệm trên mô hình dùng động cơ BLDC 3 pha 73 PHẦN 3. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 I. Kết luận 82 1. Nhận xét về kết quả khảo sát trên 2 mô hình 82 2. Những kết quả đạt được 82 3. Những hạn chế trong đề tài 82 4. Kết luận 83 II. Hướng phát triển 83
12. PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 A. Giới thiệu vi điều khiển STM32F103C8T6 và các ngoại vi 85 1. Các thông số kỹ thuật 85 2. Sơ đồ chân 86 3. Chuẩn USART của STM32F103C8T6 87 4. Khái quát về chuẩn giao tiếp I2C trong STM32F103C8T6 93 5. Giới thiệu về Timer của STM32F103C8 104 B. Các trang web và tài liệu tham khảo 109
13. DANH MỤC HÌNH Nội dung Trang Hình a: Thiết bị ổn định Camera Zenmuse H3 – 2D 2 Hình b: Bộ điều khiển của Zenmuse H3-2D 2 Hình c: Thiết bị ổn định CameraAllSteady-7-Gimbal-Core 3 Hình d: Thiết bị khi đã lắp Camera 3 Hình e: Thiết bị ổn định Camera gStabi H14 4 Hình f: Giao diện GUI để điều khiển gStabi H14 5 Hình 1.1: Cách xác định Các góc Proper Euler 8 Hình 1.2: Hình chiếu trục Z lên hệ trục chuẩn 9 Hình 1.3: Hình chiếu trục Y lên hệ trục chuẩn 9 Hình 1.4: Góc Tait-Bryan (đương cơ sở y’ được kí hiệu màu vàng) 10 Hình 1.5 : Ứng dụng Góc Tait- Bryan trong hàng không 10 Hình 1.6: Hiện tượng Gimbal Lock khi Pitch =90 độ 11 Hình 1.7: Các góc Yaw , Pitch và Roll 14 Hình 1.8: Sư ̣ thay đổi traṇ g thái của máy bay ứ ng vớ i các góc Yaw , Pitch và R oll 15 Hình 1.9: Các góc Yaw , Pitch và Roll trong hê ̣thống điṇ h vi ̣quán tính 16 Hình 1.10: Cấu taọ của gyro vòng laser 19 Hình 1.11: Gyro vòng laser thưc̣ tế 19 Hình 1.12: Các thành phần cơ bản của Gyro cáp quang 20 Hình 1.13: Gyro cáp quang thưc̣ tế 20 Hình 1.14: Cấu taọ gia tốc kế con lắc 21 Hình 1.15: Ba gia tốc kế được đặt theo 3 hướng trong hệ trục tọa độ Oxyz 22 Hình 1.16: Cấu trúc của một cảm biến gia tốc ba trục ứng dụng công nghệ MEMS 22 Hình 1.17: Hình ảnh thực tế của module cảm biến MPU6050 có các chân giao tiếp I2C 28 Hình 1.18: Sơ đồ các khối bên trong cảm biến MPU6050 29 Hình 2.1: Mô hình hoạt động của bộ lọc Kalman 31 Hình 2.2: Dạng sóng của góc Roll ngõ ra bộ lọc (màu đỏ) so sánh với góc tính từ Cảm biến tốc độ góc (màu xanh) 34 Hình 2.3: Dạng sóng của góc Roll ngõ ra bộ lọc (màu đỏ) so sánh với góc tính từ Cảm biến gia tốc (màu xanh) 35 Hình 2.4: Véc tơ 𝑔 푡 ℎ hình thành khi cảm biến phải chịu một gia tốc chuyển động 35 Hình 3.1: Hình ảnh của động cơ RC servo trong thực tế 36 Hình 3.2: Một động cơ servo R/C điển hình dùng trong các mô hình 37 Hình 3.3:Cấu tạo bên trong của một động cơ servo R/C 37 Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển có hồi tiếp của động cơ RC servo 37 Hình 3.5: Độ rộng xung và góc quay tương ứng 38 Hình 3.6: Hình ảnh thực tế động cơ BLDC 39 Hình 3.7: Stator động cơ BLDC 3 pha 40 Hình 3.8: Rotor động cơ BLDC 3 pha 41 Hình 3.9: Hình dạng đơn giản nhất của động cơ BLDC 3 pha 42 Hình 3.10: Vector từ trường sinh ra trong Rotor động cơ 42 Hình 3.11: Khối chuyển mạch để lái động cơ một chiều không chổi than 43 Hình 3.12: Dạng sóng điện áp trên 3 pha của động cơ và của tín hiệu từ 3 cảm biến Hall 43 Hình 3.13: Bước 1 trong 6 bước điều khiển động cơ 44 Hình 3.14: Bước 2 trong 6 bước điều khiển động cơ 44 Hình 3.15: Bước 3 trong 6 bước điều khiển động cơ 45
14. Hình 3.16: Bước 4 trong 6 bước điều khiển động cơ 45 Hình 3.17: Bước 5 trong 6 bước điều khiển động cơ 45 Hình 3.18: Bước 5 trong 6 bước điều khiển động cơ 46 Hình 3.19: Dạng sóng điện áp 3 pha cung cấp cho động cơvà véc tơ ừt trường tổng hợp từ 3 dòng điện chạy trong 3 cuộn dây 46 Hình 3.20: Dạng sóng mô phỏng momen động cơ sinh ra (hình trên) và dòng điện chạy trong 3 pha (hình dưới) trong phương pháp điều khiển 6 bước 47 Hình 3.21: Dạng sóng mô phỏng momen động cơ sinh ra (hình trên) và dòng điện chạy trong 3 pha (hình dưới) trong phương pháp điều khiển hình sin. 47 Hình 3.22: Một trong ba nửa cầu trong khối đảo chiều 47 Hình 3.23: Tạo xung PWM trong vi điều khiển STM32F103C8 48 Hình 3.24: Điện áp sinh ra trên ba pha của động cơ bằng phương pháp PWM 49 Hình 3.25: Sơ đồ các khối chức năng của IC DRV8313 50 Hình 4.1: Sơ đồ bộ điều khiển PID cơ bản 51 Hình 4.2: Bộ PID với Kd thay đổi 52 Hình 4.3: Bộ PID với Ki thay đổi 52 Hình 4.4: Hình chiếu cạnh (trái)và hình chiếu đứng (phải) củamô hình chung hệ thống ổn định camera dùng RC – Servo 53 Hình 4.5: Sơ đồ khối điều khiển trục Roll của mô hìnhdùng cơ cấu chấp hành là RC – Servo 54 Hình 4.6: Sơ đồ khối điều khiển trục Pitch của mô hìnhdùng cơ cấu chấp hành là RC – Servo 54 Hình 4.7: Mô hình thực tế của mô hình dùng cơ cấu chấp hành là RC – Servo 54 Hình 4.8: Thuật toán điều khiển mô hình dùng cơ cấu chấp hành là RC – Servo 55 Hình 4.9: Hình minh họa hoạt động khi hệ thống nghiêng một góc α theo góc Roll (trái) và góc Pitch (phải) với giá trị setpoint là 0o 56 Hình 4.10: Hình chiếu cạnh (trái)và hình chiếu đứng (phải) củamô hình chung hệ thống ổn định camera dùng BLDC 56 Hình 4.11: Sơ đồ khối điều khiển trục Roll 57 Hình 4.12: Sơ đồ khối điều khiển trục Pitch 57 Hình 4.13: Mô hình thực tế của mô hìnhdùng cơ cấu chấp hành là BLDC 58 Hình 4.14: Lưu đồ thuật toán của hệ thống 59 Hình 4.15: Lưu đồ thuật toán khối điều khiển động cơ 60 Hình 4.16: Thuật toán ngắt nhận dữ liệu từ UART 61 Hình 4.17: Thuật toán xử lý dữ liệu UART 62 Hình 4.18: Định dạng chuỗi dữ liệu truyền từ máy tính 62 Hình 4.19: Giao diện người dùng trên máy tính 63 Hình 4.20: Định dạng chuỗi dữ liệu truyền từ vi điều khiển 63 Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý chân I/O và nguồn cung cấp cho vi điều khiển STM32F103C8 65 Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp USART cho STM32F103C8 65 Hình 5.3: Mạch in nhìn từ mặt TOP (trái) và mặt BOTTOM (phải) 66 Hình 5.4: Mạch điều khiển hoàn chỉnh 66 Hình 5.5: Mô hình đơn giản và các trục xoay 66 Hình 5.6: Bản vẽ 2D bằng Solidworks 67 Hình 5.7: Mô hình hệ thống cân bằng Camera dùng động cơ RC-servo thực tế 67 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho mô hình dùng động cơ RC-servo 68 Hình 5.9: Mạch in lớp BOTTOM 68 Hình 5.10: Mô hình hệ thống cân bằng Camera dùng động cơ BLDC 3 pha 68 Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho mô hình dùng động cơ BLDC 3 pha 69
15. Hình 5.12: Mạch in lớp BOTTOM 70 Hình 5.13: Đồ thị ứng với dao động chậm quanh trục y trên mô hình 70 Hình 5.14: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 71 Hình 5.15: Đồ thị ứng với dao động nhanh của mô hình quanh trục y 71 Hình 5.16: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 71 Hình 5.17: Đồ thị ứng với dao động chậm của mô hình quanh trục x 72 Hình 5.18: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 72 Hình 5.19: Đồ thị ứng với dao động nhanh của mô hình quanh trục x 73 Hình 5.20: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 73 Hình 5.21: Đồ thị ứng với dao động chậm của mô hình quanh trục y 74 Hình 5.22: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 74 Hình 5.23: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 74 Hình 5.24: Đồ thị ứng với dao động nhanh của mô hình quanh trục y 75 Hình 5.25: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 75 Hình 5.26: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 75 Hình 5.27: Đồ thị ứng với dao động chậm của mô hình quanh trục x 76 Hình 5.28: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 76 Hình 5.29: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 77 Hình 5.30: Đồ thị ứng với dao động nhanh của mô hình quanh trục x 77 Hình 5.31: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 77 Hình 5.32: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 78 Hình 5.33: Đồ thị ứng với dao động chậm của mô hình theo hai trục 78 Hình 5.34: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 79 Hình 5.35: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 79 Hình 5.36: Đồ thị ứng với dao động nhanh của mô hình theo hai trục 79 Hình 5.37: Đồ thị ứng với đáp ứng góc nghiêng trên đế lắp camera 80 Hình 5.38: Đồ thị ứng với tín hiệu điều khiển từ bộ PID 80 Hình 5.39: Đồ thị ứng với góc pitch lớn hơn 30 độ 81 Hình 5.40: Đồ thi ứng với góc roll bị mất ổn định 81 Hình 1: Sơ đồ chân vi điều khiển STM32 48 chân 86 Hình 2: Sơ đồ khối USART 89 Hình 3: Mô tả đặc tính USART 90 Hình 4: Cấu hình bit stop 91 Hình 5: Quá trình nhận biết bit start 92 Hình 6: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 93 Hình 7: Kết nối thiết bị vào Bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode)và chế độ nhanh (Fast mode) 94 Hình 8: Truyền nhận dữ liệu giữa chủ/tớ 94 Hình 9: Điều kiện START và STOP của bus I2C 95 Hình 10: Quá trình truyền 1 bit dữ liệu 96 Hình 11: Giản đồ khung truyền dữ liệu 96 Hình 12: Cấu trúc byte dữ liệu đầu tiên 97 Hình 13: Sơ đồ khối I2C trong STM32F103 98 Hình 14: tuần tự truyền của master 100 Hình 15: Giản đồ trình tự truyền cho master nhận data theo cách 1 101 Hình 16: Giản đồ quy trình truyền khi master nhận khi N>2 101 Hình 17: Giản đồ quy trình truyền khi master nhận khi N=2 102
16. Hình 18: Giản đồ quy trình truyền khi master nhận khi N=1 103 Hình 19: Bản đồ thanh ghi I2C 104 Hình 20: Sơ đồ các khối timer trong STM32F103 104 Hình 21: Sơ đồ khối Timer 1 105 Hình 22: Sơ đồ khối Timer 2,3,4 105 Hình 23: Các chế độ đếm của counter 106 Hình 24: Input Stage 106 Hình 25: Đồ thị trạng thái các thanh ghi CCR1 và ngõ ra OC1 theo thời gian 107 Hình 26: Đồ thị thời gian mô tả hoạt động của 2 chế độ PWM 107 Hình 27: Chế độ PWM sẽ là trạng thái đảo của chế độ One Pluse, tức là lúc bắt đầu đếm sẽ được Set lên mức ‘1’, khi giá trị CCRx và CNT bằng nhau thì sẽ Reset về mức ‘0’ 108
17. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thực tế việc quay phim ảnh có nhiều khó khăn trong việc giữ hình ảnh ổn định, không bị rung giật đối với quay phim chuyên nghiệp lẫn nghiệp dư. Để tạo ra những đoạn phim mư ợt mà những người quay phim thường biết tới thiết bị ổn định hình ảnh cho Camera bằng cơ khí, hoặc chân đế Camera cố định, những thiết bị này vẫn còn những giới hạn nhất định trong khi quay phim đòi hỏi di chuyển trên địa hình không bằng phẳng hoặc việc quay phim từ mô hình bay bị rung giật do gió, do dao động của mô hình bay trong không trung. Từ những nhu cầu thực tiễn của cuộc sống luôn đòi hỏi chúng ta cần phải tạo ra những thiết bị giúp cuộc sống nhẹ nhàng và thuận tiện hơn.Từ thực tế trên, việc thiết kế hệ thống giữ cân bằng cho camera được điều khiển bằng điện tử là điều cần thiết, qua đó có thể khắc phục những hạn chế của thiết bị cân bằng Camera bằng cơ khí. Dự trên cơ sở những kiến thức đã học ở trường, cùng với việc tìm hiểu và áp dụng lý thuyết điều khiển,bên cạnh việc nghiên cứu bộ lọc và áp dụng vi điều khiển 32bit STM32F103, người thực hiện đồ án quyết định chọn đề tài: “Thiết Kế Hệ Thống Cân Bằng Camera” II. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, việc xây dựng một hệ thống định vị quán tính để xác định độ nghiêng của camera là rất quan trọng. Do đó, người thực hiện tập trung nghiên cứu cảm biến MPU6050, được tích hợp sẵn cảm biến gia tốc và cảm biến tốc độ góc, đồng thời với bộ lọc Kalman để nâng độ chính xác ngõ ra của cảm biến. Song song đó, ngườithực hiện cũng nghiên cứu khả năng giữ ổn định của hệ thống với các cơ cấu chấp hành khác nhau, bao gồm động cơ RC – Servo và động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless Direct Current Motor), cùng các giải thuật điều khiển ứng với mỗi cơ cấu chấp hành. Bằng cách tiếp cận, người thực hiện có thể biết được ưu, nhược điểm của từng cơ cấu chấp hành cũng như lựa chọn cơ cấu chấp hành tốt nhất cho hướng phát triển sau này. III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do giới hạn về thời gian thực hiện đề tài cũng như kiến thức còn hạn hẹp, người thực hiện đồ án tập trung xây dựng hệ thống ổn định camera theo hai trục x, y với tốc độ đáp ứng phù hợp các chuyển động, rung lắc nhẹ khi di chuyển hệ thống, độ ổn định của camera nằm trong khoảng ±2o ở hai trục.Phần cơ khí của hệ thống cũng sẽ không được tập trung nhiều vào chi tiết. Thuật toán điều khiển đối với động cơ một chiều không chổi than BLDC được chọn là thuật toán PID. Song song đó là giao diện trên máy tính để người dùng có thể điều chỉnh các thông số của bộ PID. IV. ÝNGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa về học thuật: Đề tài “Thiết Kế Hệ Thống Cân Bằng Camera” đã giúp người thực hiện hiểu biết thêm về bộ lọc Kalman dùng cho IMU, các phương pháp điều khiển động cơ GVHD: TRẦN ĐỨC THIỆN 1
18. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA một chiều không chổi than3 pha(BLDC), giải thuật điều khiển PID khi áp dụng vào mô hình thực tế và tìm ra sự khác nhau về đáp ứng của hệ thống ứng với từng cơ cấu chấp hành khác nhau. Ý nghĩa thực tiễn: Với thiết bị cân bằng Camera sẽ giúp hỗ trợ người quay phim tạo ra những video ổn định, tiện dụng cho quay phim chuyên nghiệp cũng như ứng dụng vào sản phẩm dân dụng. Không những thế, thiết bị còn có ý nghĩa trong quân sự, đặc biệt là dùng cho máy bay không người lái để khảo sát, trinh sát địa hình mang lại những thước phim có chất lượng tốt. V. SẢN PHẨM LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc a. Zenmuse H3 – 2D Hình a: Thiết bị ổn định Camera Zenmuse H3 – 2D Zenmuse H3 – 2D là hệ thống ổn định camera và chỉ dành riêng cho camera loại GoPro Hero 3 của hãng GoPro. Đây là hệ thống được gắn trên các máy bay do thám như Quadcopter nên chỉ ổn định ở 2 trục x và y. Nhìn chung, Zenmuse H3 – 2D có độ chính xác cao với sai số là ±0.08o, khả năng giữ ổn định cao. Khung sườn làm bằng nhôm có thiết kế giúp cho thiết bị này có trọng lượng nhẹ (230g nếu có cả camera GoPro Hero 3) nhưng chắc chắn. Đặc biệt nhất là tính năng Plug and play, giúp người dùng không phải điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển và tạo cho Zenmuse H3 – 2D sự thân thiện đối với người sử dụng. Hình b:Bộ điều khiển của Zenmuse H3 – 2D GVHD: TRẦN ĐỨC THIỆN 2
19. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA Về chi tiết, Zenmuse H3 – 2D sử dụng 2 động cơ không chổi than (BLDC) cùng cảm biến IMU riêng được gắn sẵn vào khung để đọc dữ liệu góc quay ở 2 trục và tạo ra bộ điều khiển vòng kín cho 2 động cơ. Điện áp cấp vào cho thiết bị là từ 12V đến 16.8V. Góc làm việc giới hạn của góc Roll là ±39o, với góc Pitch là từ 50o đến -130o . Giá thị trường dành cho thiết bị là gần 400$. b. AllSteady-7-Gimbal-Core Đây là sản phẩm của Turbo Ace với khả năng ổn định camera dòng DSLR có khối lượng lớn ở 3 trục. Hình c:Thiết bị ổn định Camera AllSteady-7-Gimbal-Core Tổng quan, thiết bị của Turbo Ace được làm từ các ống carbon và vật liệu nhôm, điều này giúp cho hệ thống có trọng lượng nhẹ, kết hợp với 3 động cơ không chổi than (BLDC) ở 3 trục roll, tilt, pan giúp cho thiết bị có thể chịu được tải lên tới 5.44 kg, thích hợp cho các dòng DLSR dùng kèm với các ống len lớn như Canon 5D, Sony C100/C300/C500, Nikon D800 Hình d:Thiết bị khi đã lắp Camera AllSteady-7-Core cũng cung cấp người dùng 3 chế độ hoạt động. Chế độ Steady sẽ làm ổn định camera với 3 góc cố định, được dùng trong các trường hợp người quay đang đi hoặc GVHD: TRẦN ĐỨC THIỆN 3
20. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA chạy trên địa hình gồ ghề. Chế độ Full Follow cho phép camera có thể quay mượt mà ở 2 góc pan và tilt với góc roll cố định. Chế độ cuối cùng là Dedicated Follow giúp người quay muốn bám theo một vật nào đó đang di chuyển. 2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc  gStabi H14 của Gremsy Gremsy là một công ty chuyên phát triển ứng dụng cho vi điều khiển của Việt Nam và là công ty tiên phong trong việc nghiên cứu các thiết bị ổn định camera dùng trong lĩnh vực điện ảnh và trinh sát. Hình e:Thiết bị ổn định Camera gStabi H14 Nhìn chung, gStabi H14 là phiên bản mới nhất có khả năng giữ camera ổn định ở 3 trục đồng thời còn kèm theo các chế độ khác như điều khiển góc quay của camera qua điện thoại, chế độ bám theo đối tượng Hệ thống được làm bằng các ống carbon để giảm trọng lượng của khung. Quá trình khởi động và thiết lập các thông số cho bộ điều khiển được thực hiện thông qua ứng dụng trên điện thoại có nền tảng android và iOS. Về cấu tạo của gStabi H14. Hệ thống có thể được dùng với các dòng camera DSLR có khối lượng nhỏ hơn 6.35 kg. Trên đế gắn camera có cảm biến gia tốc, cảm biến Gyroscope và hệ thống GPS trên tay cầm để khắc phục độ sai lệch trong góc tính được từ các cảm biến. Hệ thống dùng 3 động cơ không chổi than DC (BLDC) là các phần tử giúp ổn định hướng ngắm của camera. Động cơ BLDC khắc phục sự rung lắc ở động cơ DC dùng hộp số do các bánh răng tạo nên, đồng thời động BLDC cũng giúp tạo ra sự chuyển động mượt hơn so với các động cơ khác. gStabi H14 được cấp nguồn từ pin Lipo 24V có thời lượng sử dụng từ 3 đến 8 tiếng tùy theo công suất sử dụng của mỗi động cơ và hệ thống cũng dùng vi điều khiển STM32F1 để xử lý và điều khiển. GVHD: TRẦN ĐỨC THIỆN 4
21. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CAMERA Hình f: Giao diện GUI để điều khiển gStabi H14 Đi kèm với phần cứng, hãng Gremsy còn tạo ra ứng dụng giao diện người dùng đa nền tảng được viết bằng công cụ Qt để điều khiển, cân chỉnh cho gStabi H14. Với ứng dụng này, người sử dụng có thể thiết lập các thông số PID cho bộ điều khiển khi lần đầu lắp đặt camera lên đế, điều khiển 3 góc Roll, Tilt, Pan của camera bằng tay cầm, điện thoại thông minh hoặc bằng máy tính cá nhân. Điểm đặc biệt ở phần mềm này là có thể dùng được trong nhiều nền tảng, người dùng có thể cài trực tiếp trên hệ điều hành Windows, MacOS, Ubuntu hoặc tải ứng dụng về từ Appstore của Apple. VI. NỘI DUNG CÁC CHƢƠNG Chƣơng 1: - Giới thiệu về các phương pháp mô tả định vị và phương hướng trong không gian, bao gồm phương pháp góc Euler, phương pháp ma trận DCM (Direct Cosin Matrix), cách chuyển đổi giữa ma trận xoay và góc Euler. - Khái quát về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như các phân loại hệ định vị quán tính trong không gian. Đơn vị đo lường quán tính trong hệ định vị quán tính và các thành phần cấu tạo nên nó. - Giới thiệu cảm biến MPU6050 và các công thức tính toán góc. Chƣơng 2: - Các loại nhiễu thường có trong đơn vị đo lường quán tính IMU. - Tìm hiểu và áp dụng bộ lọc Kalman với cảm biến MPU6050. Chƣơng 3: - Giới thiệu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và cách điều khiển động cơ RC- Servo. - Giới thiệu cấu tạo động cơ BLDC, các giải thuật điều khiển động cơ BLDC 3 pha. Chƣơng 4: - Tổng quan về bộ điều khiển PID. GVHD: TRẦN ĐỨC THIỆN 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4