(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi khử rung được tích hợp cho camera quan sát trong quá trình di chuyển

Hình ảnh Hình 2.3: Một số cơ cấu cứng truyền thống a cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, b cơ Hình 3.1 Sơ đồ động sử dụng liên kết thanh cứng cho cơ cấu đảo a và cơ cấu nghiêng Hình 3.3 Sơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ÐÀN HỒI KHỬ RUNG ÐUỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN

SÁT TRONG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ- 8520114

SKC005857

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI KHỬ RUNG ĐƯỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN SÁT

TRONG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ- 8520114

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ

CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG NGỌC PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI KHỬ RUNG ĐƯỢC TÍCH HỢP CHO CAMERA QUAN SÁT TRONG QUÁ

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Địa chỉ liên lạc: 379, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, TP.HCM

Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy

Thời gian đào tạo từ: 2009 đến 2014 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp 06/2014 tạitrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

Từ 2014 - 2015 Công ty lock & lock Nhân viên kỹ thuật

Từ 2015 tới nay Công ty SamSung Nhân viên kho

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 09 năm 2018

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hoàng Ngọc Phương

đối với Thầy PGS TS Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá

trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Hoàng Ngọc Phương

TÓM TẮT

Bài viết này trình bày thiết kế của cơ cấu định vị máy ảnh dựa trên cơ chế phỏngsinh mắt người Thiết bị kết hợp cơ chế hoạt động cơ mắt và cơ cấu dạng cầu với mụcđích tối thiểu hoá hình dạng của cơ cấu định hướng Hệ thống định hướng hoạt độngthông qua việc điều khiển chuyển động đảo (pan), nghiêng (tilt) với sự đồng bộ hoá các

cơ cấu đàn hồi Cơ cấu linh hoạt này hoạt động thông qua độ lệch của các thanh cong

để dẫn hướng các mô-đun định hướng Quy trình tối ưu hoá hình dạng và kích thướcbằng thuật toán di truyền được sử dụng cho thiết kế Mục tiêu của việc tối ưu hoá là,đạt đư ợc góc quay lớn nhất và mối quan hệ tuyến tính Đ ể chứng minh đi ều này,phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được đề cập Kết quả cho thấy một hệ thốngđịnh hướng ra đời với các đặc điểm: gọn, nhẹ và độ chính xác cao

Từ khoá: cơ cấu đàn hồi, cơ cấu dạng cầu, tối ưu hoá, hệ thống định hướng quay.

Abstract— This paper presents the design of a compliant bio-inspired

camera-positioning mechanism The device combines human muscle actuation scheme andspherical mechanism with the aim of miniaturizing the orienting mechanism Theactive orientation system which controls two DOFs (pan and tilt) were synthesized byusing compliant mechanism The flexible mechanisms utilize the deflection of curvedbeams to drive the orienting modules A shape and size optimization process usinggenetic algorithm was used for the design The multi-objective of the optimizationproblem is the maximum orienting angles and a linear input-output relation Todemonstrate the feasibility of the optimum design, finite element analysis was carriedout The results show that the proposed design exhibits essential characteristics of acamera-orientation system such as light weight, compactness and high precision

Keywords — Compliant mechanism, spherical mechanism, optimization,

camera-orientation system

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

2.1.1 Biểu diễn đường cong tham số Bezier

2.1.2 Dạng tổng quát đường cong Bezier 7

3.3 Lựa chọn phương án 31

DANH SÁCH CÁC BẢNG

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.3 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

Hình 2.3: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, (b) cơ

Hình 3.1 Sơ đồ động sử dụng liên kết thanh cứng cho cơ cấu đảo (a) và cơ cấu nghiêng

Hình 3.3 Sơ đồ động sử dụng liên kết thanh mền – đàn hồi cho cơ cấu đảo (a) và cơ cấu

Hình 4.2 Thiết kế sơ đồ của cơ cấu đảo (a) với các thông số kích thước ràng buộc trong

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng 2D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến lùi (a) và tịnh

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng 3D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến tới (a)

Hình 4.8 Thiết kế sơ đồ của cơ cấu Nghiêng (a) với các thông số kích thước ràng buộc

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng 2D của đường cong nghiêng khi moto tịnh tiến lùi (a) và

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng 3D của đường cong đảo khi moto tịnh tiến tới (a) và tịnh

Hình 5.4 Động cơ tịnh tiến Haydon 21H4AC – 7.5 – A04 và bảng thông số kỹ thuật

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

1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước.

1.1.1.1 Nghiên cứu trong nước.

PTZ Camera là dòng camera phổ thông nhất hiện nay và được ứng dụng rộng rãicho việc quan sát Có tên Pan Tilt Zoom là vì khả năng của camera cho phép xoay sangtrái 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 - đếquay – quét/ lên – xuống và một ống kính thu – phóng hình ảnh xử lý nhanh

Ưu đi ểm: có thể cho phép quan sát được nhiều vị trí khác nhau Khi cần quansát 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 quansát 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 củacông ty cổ phần ứng dụng công nghệ và tích hợp giải pháp việt nam (Taiso)

(a) (b)Hình 1.1 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 vềtầm hướng, đảm bảo không bị rung lắc và không bị mất bố cục khi một hệ thống làmviệc độc lập khác mang theo nó di chuyển

Hình 1.2 Gimbal Gremsy S1 (a) và cơ cấu dạng cầu gimbal (b)

Gimbal Gremsy S1 là một trong những dòng sản phẩm về gimbal của công tyGremsy việt nam, có tính ưu vi ệt như giữ camera ở vị trí cân bằng trong quá trình dichuyển từ đó thu được hình ảnh rõ nét, kết cấu gọn nhẹ hơn so với các dòng sản phẩmcùng loại Có tính năng như vậy bên trong Gimbal là con quay hồi chuyển, khớp vạn

năng, trục quay… được dẫn động bởi động cơ quay DC không chổi than và hoạt độngdựa trên nguyên tắc bảo toàn momen động lượng Tuy nhiên kết câu Gimbal vẫn cònkhá cồng kềnh.

1.1.1.2 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 trườngđại học Laval ASP được biểu thị là một thiết kế cơ khí – cơ cấu định hướng song songhai bậc tự do cho phép máy ảnh định hướng độc lập trong khoảng thời gian nhanh vàchính xác Cơ cấu được cấp dẫn động bởi động cơ DC Nhược điểm của cơ cấu, khônggian thiết kế lớn, tính chính xác trong truyền động chưa cao

Hình 1.3 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 chomắt 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

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 hướngcho một máy ảnh quay xung quanh qua lại và lên xuống Chuyển động qua lại (quanhtrục đ ảo) và lên xuống (quanh trục nghiêng) của chính nó, cơ cấu đ ộng học đư ợc vítương tự như chuyển động mắt người Đồng thời hệ thống này đủ nhẹ để được gắn trênđầu của một con người Với hệ thống cơ khí được dựa trên sự dẫn động của động cơpiezo truyền sóng siêu âm thẳng Tuy động cơ piezo có tính chính xác cao nhưng tínhtoán điều khiển phức tạp Bộ phận định hướng là các khớp cacdang gây ra tỉ số truyềnphi tuyến

Hình 1.4 Thiết bị camera định hướng

1.2 Tính cấp thiết của đề tài.

Những nhược điểm của các thiết kế, chế tạo trên

Từ những nhược đi ểm 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.

1.3 Mục đích của đề tài.

và góc xoay camera

- Tiết kiệm vật liệu và tăng độ bền của cơ cấu

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và đối tượng nghiên cứu, giới hạn đề tài.

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài.

camera quan sát trong quá trình di chuyển

và Solidwork để mô phỏng trường ứng suất, biến dạng

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài.

Cơ cấu đ ịnh hướng dạng đư ờng cong làm bằng vật liệu POM( Poly OxyMethylen)

1.4.5 Giới hạn của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cơ cấu đ ịnh hướng dạng đư ờngcong 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 quankhác không thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.5 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp mô phỏng số kết hợp phần mềm tính toán đa năng Matlab, phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus và Solidwork.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Đường cong tham số Bezier.

2.1.1 Biểu diễn đường cong tham số Bezier.

Bezier là một kỹ sư của hãng ô tô Renault nước pháp đưa ra công thức xác địnhđường cong tham số Bezier vào những năm 1960

2.1.2 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 ( ! , …, ! ), 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:

Trong đó, các vecto ! biểu diễn n+1 điểm điều khiển.

Hàm !,! ( ) là hàm cơ sở của đư ờng cong Bezier, và đư ợc mô tả bằng đa th ức

2.1.3 Đường cong Bezier bậc nhất

Trường hợp có hai điểm điều khiển ! , ! khi đó n+1 = 2, nên bậc n của đa thức

là 1 Khai triển phương trình:

= ! !,! + ! !,! (2.4)Dựa trên đa thức Bezier phương trình ta có 2 hàm cơ sở:

= !! ! (1 − ) ! = (1 − )

!,!

!!!!

7

!,!= !!!(1 − )! =

!!!!

Từ đây suy ra phương trình đoạn thẳng xấp xỉ hai điểm:

= (1 − ) ! + !

2.1.4 Đường cong Bezier bậc hai.

Trường hợp 3 điểm điều khiển ! , ! , ! Vì n+1 = 3, nên bậc n của đa thức là 2.

Khai triển phương trình (2.1):

= ! !,! + ! !,! + ! !,! (2.6)Dựa trên đa thức Bernstein phương trình (2.1) ta có 3 hàm cơ sở:

2.1.5 Đường cong Bezier bậc ba.

Trường hợp bốn đi ểm đi ều khiển ! , ! , ! , ! Vì n+1 = 4, nên bậc n của đa thức là 3 (Hình 2.1 c) Khai triển phương trình (2.1):

= ! !,! + ! !,! + ! !,! + ! !,! (2.8)Dựa trên đa thức Bernstein phương trình (2.2) ta có bốn hàm cơ sở (Hình 2.2)

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, !,! = 1

Tại t = 1, !,! = 1

Và !,! = !,! = 0 cho cả hai trường hợp.

Đồ thị các hàm cơ sở của đường cong Bezier bậc ba trên hìnnh Mỗi điểm điềukhiển có trọng số bằng hàm cơ sở liên kết với nó, và ảnh hưởng của mỗi đi ểm đượcthay đổi như các biến tham số t thay đổi từ 0 đến 1

2.1.6 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:

2.1.7 Các tính chất của đường cong Bezier.

- Nội suy điểm cuối – Đường cong đi qua các điểm cuối P(0) =! và P(1) = !

Các hàm cơ sở Bezier !,! ( ) tạo ra một đa th ức bậc n cho n+1 đi ểm đi ều khiển, và buộc đường cong Bezier đi qua các điểm điều khiển đầu và cuối.

xúc các đoạn thẳng nối hai điểm điều khiển đầu tiên và cuối cùng

! = ! − ! à ! 1 = ( ! − !!! )

sẽ khép kín (Nguyễn Hữu Lộc, 2010 )

2.2 Lý thuyết cơ cấu mềm

Cơ cấu đàn h ồi có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất như:trong truyền đ ộng chính xác (dưới micromet), cơ cấu kẹp hay cơ cấu đ ịnh vị… Tuynhiên các hướng nghiêng cứu về cơ cấu đàn hồi cũng như ứng dụng của cơ cấu này ởnước ta còn nhiều hạn chế có rất ít đề tài nghiêng cứu về cơ cấu này và đặc biệt về tàiliệu chuyên khảo về cơ cấu đàn h ồi ở Việt Nam còn nhiều hạn chế Nhưng đ ặc biệttrong những năm gần đây một nhóm tác giả đã bước đầu đi sâu vào nghiên cứu, thiết

kế cũng như hướng ứng dụng của cơ cấu này

Năm 2008 Phạm Huy Hoàng và cộng sự đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với

độ phân giải micro, nhóm tác giả đã trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động chochuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựatrên kết hợp thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ phận khuếch đại vi sai và phần bị dẫn

Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro có dạng liền khối và rất cần thiết trong cáclĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn như: gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học,công nghệ y sinh (Phạm Huy Hoàng, Trần Văn thuỳ, 2008)

Năm 2013 một nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm HuyHoàng đã nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi sử dụng

11

trong máy CNC, nhưng kết quả nghiên cứu chỉ giới hạn ở việc tính toán, mô phỏng màchưa đi sâu nghiên cứu thực nghiệm ( Phạm Minh Tuấn, Phạm Huy Hoàng, 2013).

Năm 2014 nhóm tác giả Phạm Huy Tuân và cộng sự đã phát triển một phươngpháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản cho khớp mắt cá chân giả dựatrên nền tảng của cơ cấu đàn h ồi và giải thuật di truyền Khớp chân giả có cấu tạonguyên khối và có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng ( Pham Huy Tuan,Nguyen Van Khien, Mai Van Trinh, 2014)

2.2.1 Định nghĩa [16]

Cơ cấu là một thiết bị cơ khí dùng để truyền hay thay đổi chuyển động, lực haynăng lượng Các dạng cơ cấu truyền thống( rigid body mechanism) là những cơ cấucứng mà bao gồm các liên kết cứng được kết nối bằng các khớp động học ( Kinematicjoints) Ví dụ như cơ cấu hình 2.3 Hình 2.3 a là cơ cấu động cơ piston cơ cấu có chứcnăng biến chuyển đ ộng tịnh tiến và lực của đ ầu vào thành chuyển đ ộng quay vàmômen của đầu ra của hình 2.3b là cơ cấu kìm động lực cũng được cấu tạo từ cơ cấucứng truyền thống (Howell, 2001)

Hình 2.3: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu – thanh

truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực

Cơ cấu đàn h ồi ( compliant machanisms) cũng được dùng để truyền một hoặcvài chuyển đ ộng, lực hay năng lượng như các cơ cấu cứng truyền thống nhưng sựtruyền chuyển động của cơ cấu đàn hồi lại dựa trên sự biến dạng của các khâu đàn hồi(flexible members) chứ không chỉ dựa vào các khớp động Cơ cấu đàn hồi có thể phânthành dạng phù hợp một phần hoặc phù hợp hoàn toàn Cả hai loại trên đều có cấu tạobao gồm các khâu cứng (rigid segment) và các khâu mềm (flexible segment) xen kẽnhau Trong đó cơ cấu đàn hồi một phần sử dụng sự kết hợp giữa các khớp động họctruyền khớp ( khớp xoay, khớp trượt, cơ cấu cam…) với các khâu mềm để thực hiệnchuyển động, cơ cấu đàn hồi hoàn toàn phụ thuộc vào sự biến dạng của các khâu mềmkhi thực hiện chuyển động Chuyển động của cơ cấu đàn hồi làm cho các khâu của nóbiến dạng và tích trữ năng lượng đàn hồi ( elastic strain energy) Phần năng lượng nàysau đó sẽ được giải phóng để giúp cơ cấu thực hiện một chức năng nào đó Hình 2.4 làkìm cộng lực dùng cơ cấu đàn hồi ( Howell,2001).

Hình 2.4: Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm

Việc sử dụng các cơ cấu đàn hồi sẽ giúp giảm chi phí nhờ giảm số lượng chi tiêttrong quá trình lắp ráp, đơn giản hoá quá trình sản xuất nhưng vẫn còn khả năng tănghiệu quả sử dụng nhờ tăng được độ chính xác ( loại trừ độ rơ tại các khớp nối), giảmmài mòn ( do không có chuyển động tương đối giữa các khâu nối với nhau) (Howell,2001) Một lợi thế nữa của cơ cấu đàn hồi đó là kh ả năng thu nhỏ (miniaturized) củathiết bị

2.3 Giải thuật di truyền.

những năm 40 của thế kỷ 20, rất lâu trước khi máy tính ra đ ời Từ những năm đóTuring đã đ ề xuất “ phép tìm kiếm tiến hoá hay tìm kiếm gen” ( Genetical orevolutionary search) Trong những năm 1960, ba khuynh hướng phá triển của ý tưởng

cơ sở này đã di ển ra ở các nơi khác nhau Tại Mỹ, Fogel, Owens và Walsh đ ề xuấthướng nghiên cứu lập trình tiến hoá (Evolutionary programming) cùng thời đi ểm vớiphương pháp của Holland có tên gọi là giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) Trongkhi đó t ại Đ ức, Recheberg và Schewefel đ ặt nền móng cho chiến lược tiến hoá(Evolution Strategies) Trong khoảng 15 năm sau đó, các hướng nghiên cứu này đượcphát triển một cách riêng biệt Cho đến những năm 1990, các hướng nghiên cứu nàyđược nhìn nhận lại như những thể hiện khác nhau của một công nghệ chung là tính tiếnhoá ( Evolutionary Computing) Cũng trong thời điểm này, một nhánh thứ tư dựa trên ýtưởng chung ra đ ời với tên gọi lập trình gen (genetic programming) do Koza tiênphong Trong thuật ngữ hiện đại, toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu này được coi là ngànhtính toán tiến hoá, các thuật toán trong đó được gọi là thuật toán tiến hoá Lập trình tiếnhoá, chiến lược tiến hoá, giải thuật di truyền và lập trình gen được xem như các lĩnhvực nhỏ thuộc về các biến thể của thuật toán tương ứng

Giải thuật di truyền là một họ các mô hình tính toán dựa trên ý tưởng tiến hoá.Các giải thuật này mã hoá nghiệm tiền năng của một bài toán cụ thể bằng một cấu trúc

dữ liệu giống như các nhiễm sắc thể (chromosome) và áp dụng các toán tử tái tổ hợp( recombination operators) lên các cấu trúc dữ liệu đó sao cho có thể giữ được cácthông tin chính Giải thuật di truyền thường được xem như những bộ tối ưu hàm sốmặc dù chúng có thể được áp dụng vào nhiều lĩnh vực rộng hơn

Một cài đặt của giải thuật di truyền bắt đầu với một quần thể các nhiễm sắc thể(thường được tạo ngẫu nhiên) Người ta đánh giá các cấu trúc này và phân bổ cơ hội táisinh cho chúng theo cách những nhiễm sắc thể biểu diển nghiệm tốt hơn của bài toán

sẽ được ưu tiên hơn các nhiễm sắc thể khác để tái sinh Mức độ “tốt” của một nghiệmthường được xác định tương ứng với quần thể hiện thời.

Mô tả của giải thuật di truyền như trên là khá trừu tượng và có hai cách để hiểu

về thuật ngữ “ giải thuật di truyền” Theo nghĩa chặt, “giải thuật di truyền” được coi làmột mô hình tính toán do Holland đề xuất và nghiên cứu từ năm 1975 Hầu hết các lýthuyết về giải thuật di truyền đang tồn tại cho đền ngày nay đều dùng thuật ngữ theonghĩa này và khi đó mô hình được gọi là giải thuật di truyền chính tắc Theo nghĩa rộnghơn, giải thuật di truyền đư ợc coi là bất cứ một mô hình nào dựa trên quần thể(polutation – based model) có sử dụng các toán tử tái tổ hợp và lựa chọn để sinh ra cácđiểm mẩu mới trong không gian tìm kiếm Nhiều mô hình giải thuật di truyền đã đượccác nhà nghiên cứu thực nghiệm đưa ra trên quan đi ểm hướng ứng dụng và xem giảithuật di truyền như công cụ tối ưu hoá

Trong mục này, chúng ta sẽ trình bày những khái niệm cơ bản liên quan tới giảithuật di truyền Trong hầu hết các giải thuật di truyền thông thường có hai thành phầnphụ thuộc vào bài toán: mã hoá bài toán và hàm đánh giá

Bước đầu tiên trong bất kỳ một giải thuật di truyền nào là bước tạo sinh quầnthể xuất phát Trong giải thuật di truyền chính tắc, mỗi thành viên của quần thể này làmột chuỗi nhị phân đ ộ dài 1 tương ứng với mã hoá nghiệm của bài toán Mỗi chuỗinhư vậy được xem như một nhiễm sắc thể Trong hầu hết các trường hợp, quần thể nàyđược sinh ra một cách ngẫu nhiên Sau khi quần thể xuất phát, mỗi cá thể của quần thểđược đánh giá và đư ợc gán cho một giá trị thích nghi (fitness value) Khái niệm đánhgiá (evaluation) và thích nghi (fitness) đôi k hi đư ợc sử dụng như cặp từ đồng nghĩa.Tuy nhiên, người ta thường phân biệt giữa hàm đánh giá (evaluation function) và hàmthích nghi (fitness function) được sử dụng trong giải thuật di truyền Trong mục này,hàm đánh giá (hay hàm mục tiêu) cung cấp độ đo hiệu quả của việc thiết lập giá trị cáctham số cụ thể Hàm thích nghi biến đổi độ đo hiệu quả này thành việc phân bổ cơ hộitái tạo cho các cá thể Việc đánh giá một chuổi biểu diễn tập các tham số là hoàn toàn

độc lập với việc đánh giá các chu ỗi khác Tuy nhiên, mức độ thích nghi (fitness) củamột chuỗi luôn luôn được xác định trong mối tương quan với các thành viên khác trongquần thể hiện tại.

Trong giải thuật di truyền, mức độ thích nghi có thể được xác định bằng /

Mức độ thích nghi cũng có thể được gán dựa trên thứ hạng của cá thể trong quần thể hoặcbằng các phương pháp lấy mẫu như phương pháp lựa chọn theo đấu loại Việc thực hiệngiải thuật di truyền có thể xem như một quá trình hai giai đoạn Thuật toán bắt đầu vớiquần thể hiện thời Việc lựa chọn được áp dụng vào quần thể này để tạo ra một quần thểtrung gian Sau đó việc lai ghép và đột biến được áp dụng cho quần thể trung gian đ ể tạonên quần thể tiếp theo Quá trình chuyển từ quần thể hiện thời tới quần thể tiếp theo tạonên một thế hệ trong tiến trình thực hiện giải thuật di truyền Cách thực hiện như vậy đượcgọi là cài đặt của giải thuật di truyền đơn giản (Simple Genetic Algorithm – SGA) Hinh

… minh hoạ việc hình thành một thế hệ mới theo hai pha: pha chọn lọc và pha tái tổ hợp.Việc đột biến có thể thực hiện ngay sau lai ghép

Hình 2.5: Một thế hệ mới được hình thành qua pha chọn lọc và pha tái tổ hợp.

Đầu tiên chúng ta xem xét việc xây dựng quần thể trung gian từ quần thể hiệnthời Trong thế hệ đầu tiên, quần thể hiện thời cũng đồng thời là quần thể xuất phát

16

Sau khi tính ! / cho tất cả các chuỗi trong quần thể hiện thời, chúng ta thực hiện việc lựa chọn.

Trong giải thuật di truyền chính tắc, xác suất để một chuổi trong quần thể hiệnthời được sao chép và được đưa vào thế hệ trung gian tỷ lệ thuận với mức độ thích nghi

của chúng Có nhiều cách thực hiện việc lựa chọn Chúng ta có thể ánh xạ quần thể lênmột bánh xe roulette, mỗi cá thể chiếm một không gian tỷ lệ thuận với mức độ thích

nghi của nó trên bánh xe Quần thể trung gian đư ợc tạo nên nhờ việc quay liên tiếpbánh xe để chọn ra các cá thể theo cơ chế “ lấy mẫu ngẫu nhiên có thay thế” (stochasticsampling with replacement) Cơ chế lựa chọn như vậy đư ợc gọi là lựa chọn tỷ lệ(proportional selection) và xác suất để một phần tử b được lựa chọn xác định bởi côngthức sau:

với b và các ! là các cá thể nằm trong quần thể hiện tại.

với xác suất tỷ lệ thuận với phần thập phân của chúng.

Sau khi lựa chọn, việc tái tổ hợp được thực hiện trên quần thể trung gian Việc này có thể coi như việc

tạo ra quần thể tiếp theo từ quần thể trung gian Việc lai ghép (crossover) được áp dụng cho các chuỗi được ghép

hai chuỗi mới và đặt chúng vào quần thể tiếp theo.

Bước tiếp theo là việc áp dụng toán tử đột biến (mutation operator) Mỗi bit trong quần thể có thể chịu hiện tượng đột biến

với áp suất ! Thông thường, tần suất đột biến được thực hiện với xác suất nhỏ hơn 1% Trong một số trường hợp, đột biến

17

được giải thích như việc tạo ngẫu nhiên một bit mới Trong các trường hợp khác, độtbiến được xem là phép lật bit Sự khác nhau giữa hai cách giải thích thực chất chỉ là chitiết cài đặt và mỗi kiểu đột biến đều có thể chuyển đổi để nhận được kiểu còn lại Khiquá trình lựa chọn, tái tổ hợp và đột biến hoàn thành, quần thể tiếp theo lại được đưavào chu trình lặp với các bước như trên Như vậy một thế hệ mới đã đư ợc sinh ra khithực hiện giải thuật di truyền.

Giải thuật di truyền như mô tả trên có thể được viết dưới dạng giải mã như sau:

GIẢI THUẬT DI TRUYỀN:

Khởi tạo quần thể ban đầu X={ ! … ! }

While (điều kiện kết thúc chưa thoả mãn) do

Đánh giá mức độ thích nghi của các cá thể trong X (evaluation), lựa chọn một

số cặp nghiệm ( gọi là cha-mẹ) ∈ ! dựa trên mức thích nghi của chúng (Parentselection) Tổ hợp các cặp được lựa chọn để sinh ra các cá thể mới (crossover) Biếnđổi ngẫu nhiên một số cá thể (mutation) Tạo quần thể mới bằng việc thay thế một sốhoặc toàn bộ cá thể của X bởi các cá thể mới được sinh ra dựa trên mức độ thích nghicủa chúng (population selection)

End while

Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm mô hình hoá toán học giải thuật ditruyền, các ảnh hưởng của các toán tử di truyền lên hành vi của giải thuật, đặc biệt làhành vi hội tụ tới nghiệm tối ưu Các kết quả lý thuyết có ý nghĩa nhất theo hướng nàyđược tổng kết một cách cô đọng trong công trình của Rudolph: Việc mô hình hoá giảithuật di truyền bằng một xích Markov hữu hạn trên không gian các trạng thái là tập tất

cả các quần thể có thể được sinh ra trong quá trình thực hiện của giải thuật và các toán

tử di truyền là các ma trận chuyển trạng thái được xác định bởi các tham số như xác

Trên cơ sở mô hình hoá giải thuật di truyền như vậy, người ta đã tiến hành phân tích hành vi của giải thuật bằng việc chỉ ra rằng với xác suất đột biến ! > 0 giải thuật

18

di truyền chính tắc là một xích Markov ergodic và vì vậy phân phối xác suất tới hạncủa mọi trạng thái trong không gian trạng thái là dương Đi ều đó có nghĩa rằng, xuấtphát từ một trạng thái ban đầu bất kỳ, tại mọi thời điểm, giải thuật có thể rơi vào trạngthái tương ứng với quần thể không chứa nghiệm tối ưu v ới một xác suất dương Nóicách khác giải thuật không hội tụ hoàn toàn Để khắc phục nhược điểm trên của giảithuật di truyền chính tắc, người ta đã cãi biên giải thuật bằng cách thêm vào một toán

tử sao chép (copy operator) cho phép cá thể có độ thích nghi cao nhất của từng quầnthể được giữ lại cho quần thể tiếp theo Phiên bản cải biên như vậy đư ợc gọi là giảithuật di truyền chính tắc với phần tử tinh hoa và được chứng minh là hội tụ hoàn toàn

2.4 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

2.4.1 Giới thiệu

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô

tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể Cơ sởcủa phương pháp này là làm rời rạc hoá các miền liên tục được chia thành nhiều miềncon ( phần tử ) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền connày dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉtrên từng phần tử, thoả mãn điều kiện biên cung với sự cân bằng và liên tục giữa cácphần tử

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rất tổngquát và hữu hiệu cho lời giải số các bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tíchtrạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay,tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu…, đến các bài toán của lý thuyết trường như lýthuyết truyền nhiệt,cơ học chất lỏng, dao đ ộng, thuỷ đàn hồi, khí đàn h ồi, đi ện – từtrường… Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân mộtcách hoàn toàn( những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển phương trình vi phântoàn phần sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó đư ợc giảibằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền

hàm Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn cácmiền con, gọi là phần tử Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trênbiên của phần tử được gọi là nút Các hàm xấp xỉ này được biểu diển qua các giá trịcủa hàm( hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị này đượcgọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra mộtphương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học( numerically stabe), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung giankhông chồng chất và làm cho kết quả xuất ra trở nên vô nghĩa Có rất nhiều cách đểlàm việc này, tất cả điều đó có những ưu đi ểm và nhược điểm Phương pháp phần tửhữu hạn là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên nhữngmiền phức tạp ( giống như những chiếc xe và những đư ờng ống dẫn dầu) hoặc khinhững yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn miền Ví dụ trong việc mô phỏngthời tiết trên trái đất, việc dự báo chính xác trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thờitiết cho vùng biển rộng, đi ều này có thể thực hiện đư ợc bằng việc sử dụng phươngpháp phần tử hữu hạn

Trên thế giới hiện nay có nhiều phần mềm phần tử hữu hạn nổi tiếng như:NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF,ABAQUS,…Các phần mềm này đã giúp ích rất nhiều trong việc đi tìm các ẩn số màtrước đây không tìm được (Trần ích thịnh, Ngô Như Khoa, 2007)

Như đã bi ết hầu hết các bài toán kỹ thuật đ ều có thể biểu diễn ở dạng cácphương trình toán học mà trong trường hợp tổng quát là các phương trình vi phân liênkết với các đi ều kiện biên, hay còn gọi là phương trình vi phân chính tắc mô tả bàitoán Với một số các bài toán đặc biệt, các phương pháp tìm lời giải chính xác đã được

phát triển Tuy nhiên, đa phần các bài toán có phương trình mô tả hoặc có biên khảo sát

là rất phực tạp, do đó việc tìm lời giải thích cho bài toán gặp nhiều khó khăn thậm chíkhông thể thực hiện được

2.4.2 Các bước giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Khi ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải một bài toán tổng quát baogồm các bước sau

E là môdun đàn hồi và là hệ số Poisson của vật liệu ( Trần Ích Thịnh, Ngô Như

sẽ được ứng dụng để mô phỏng cho các trường hợp cần thiết Abaqus tích hợp nhiều tảitrọng khác nhau, cung cấp một kỹ thuật có hiệu quả cao trong phân tích đánh giá s ựđáp ứng của nhiều loại cấu trúc với nhiều trường hợp tải khác nhau

Abaqus giúp cải tiến sản phẩm,quy trình, sáng chế, làm ngắn chu kỳ thiết kế vàlàm giảm hay loại bỏ việc kiểm tra phần cứng Từ các công ty hoá dầu đến những công

ty dược phẩm, hàng không và thiết kế dây chuyền tự động đều xem phần mềm Abaqus

là chuẩn về độ chính xác, cải tiến, chất lượng và về độ tin cậy trong công việc xử lý số

22

Abaqus phần lớn tập trung vào phương pháp phần tử hữu hạn Những nền tảng củaAbaqus là hợp tác chặt chẽ với khách hàng, phát triển phần mềm chuyên sâu, tập trungnghiên cứu và đảm bảo chất lượng tuyệt đối Đội ngũ kỹ thuật của công ty, trong đóbao gồm rất nhiều kỹ sư và các nhà khoa học xuất sắc, đã t ạo ra một phần mềm tínhtoán mạnh mẽ với độ tin cậy cao nhưng lại dễ sử dụng.

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard vàABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn có các khối phân tích phụ có công dụng đặc biệtnhư: ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUSEvironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập môhình, gán đ ặt tính và đi ều kiện biên, phân chia lưới…ABQUS/Viewer dùng đ ể tiếnhành phân tích và xử lý kết quả

2.5.2 Các cửa sổ chính ABAQUS/CAE.

Với sự hổ trợ về thiết kế, Abaqus cung cấp một thế mạnh về thiết kế như cácphần mềm CAD khác, hơn nữa nhằm tạo một thế mạnh về sự liên kết với các phầnmềm khác, nhằm tạo thuận lợi cho một số ứng dụng khác, Abaqus cho phép chuyểncác mô hình từ phần mềm CAD tương ứng khác Sau khi mô hình được thiết kế trênbản thân phần mềm Abaqus hoặc truyền tải từ một dạng file khác sang môi trường làmviệc của nó, người thiết kế có thể đặt các dạng tải trọng có sẵn trong thư viện, các ràngbuộc về điều kiện biên và một số điều kiện khác, chia lưới cho mô hình, cuối cùng xuấtkết quả và đo các y ếu tố theo yêu cầu Đ ộ chính xác của bài toán phụ thuộc vào đ ộmịm của lưới, thời gian tính toán phụ thuộc vào tốc độ của máy tính

(a) (b)Hình 2.6 Phần mềm Abaqus 6.13(a) Cửa sổ trong Abaqus(b).

Để khởi đ ộng ABAQUS/CAE ta có thể dùng một trong hai phương pháp sauđây:

Sau khi khởi động ABAQUS/CAE > xuất hiện cửa sổ Start Session như hình 2.6a lựachọn Create Model Database (thiết lập mô hình mới), bắt đầu làm việc với giao diệnABAQUS/CAE như hình …Trong cửa sổ Start Session có 4 lựa chọn:

Create Model Database (thiết lập một mô hình mới)

-Open Database ( mở một mô hình đã có sẵn)

- Run Script (chạy từ file mệnh lệnh ABAQUS/CAE)

- Start Tutorial ( khởi động giáo trình trợ giúp trực tuyến)

Cửa sổ chính ABAQUS/CAE ở hình 2.6b bao gồm: thanh tiêu đề, thanh menu,thanh công cụ, thanh môi trường, cây mô hình, vùng đồ hoạ, vùng công cụ, vùng thôngbáo, vùng thông tin và cửa sổ lệnh

- Thanh tiêu đề (Title bar): thông báo phiên bản ABAQUS/CAE đang sử dụng và tên kho số liệu mô hình hiện hành

- Thanh công cụ(Tool bar): chứa một số chức năng thường dùng trong menu.

cho phép người sử dụng lựa chọn module hiện hành

hình Sử dụng cây mô hình có thể dễ dàng trao đổi giữa các module công năng, có thể thựchiện hầu hết các công năng của thanh menu và thanh công cụ

thao tác trên nó

được lựa chọn, thuận tiện cho người sự dụng

làm việc gì để dễ dàng đưa ra quyết định cho bước tiếp theo

hiện hành

có trong ABAQUS/CAE, có thể sử dụng cửa sổ tiếp nhận nhập mệnh lệnh Python