ĐỀ tài THIẾT kế ROBOT DI CHUYỂN và đo LƯỜNG THÔNG số TRẠM BIẾN áp tự HÀNH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT DI CHUYỂN VÀ ĐO LƯỜNG THÔNG SỐ TRẠM BIẾN ÁP TỰ HÀNH Người hướng dẫn: TS NGUYỄN HỒNG MAI Nhóm thực hiện: NHÓM 1_18NH37B Sinh viên thực hiện: Lê Hữu Trường Cao Khả Tiến Nguyễn Hoàng Gia Tuấn Bạch Hải Nam Nguyễn Cơng Sinh Nguyễn Hịa Hưng Đà Nẵng, 12/2021 DANH MỤC HÌNH LỜI NĨI ĐẦU Cùng với phát triển không ngừng ngành khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng Việc áp dụng máy móc đại vào sản suất yêu cầu thiếu nhà máy nhằm tăng suất, tăng chất lượng giảm giá thành sản phẩm Song song với phát triển đó, cơng nghệ chế tạo Robot phát triển nhanh chóng đặc biệt nước phát triển nhằm đáp nhu cầu sản xuất, sinh hoạt, quốc phịng…Robot thực cơng việc mà người khó thực chí khơng thực như: làm cơng việc địi hỏi độ xác cao, làm việc mơi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn qn sự, thám hiểm khơng gian vũ trụ…) Trong họ Robot, không nhắc đến TAY MÁY ROBOT ROBOT TỰ HÀNH với đặc thù, ứng dụng rộng rãi khắp nước thay người làm công việc môi trường độc hại hay chế tạo Robot khác với độ xác mà người khơng thể làm tay Sau thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo chúng em hoàn thành đề tài “Robot tự hành giám sát trạm biến áp” Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Mai giúp em hoàn thành đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nhà máy điện, trạm biến áp lưới điện phát triển nhanh chóng số lượng, quy mô chất lượng dẫn tới việc quản lý vận hành hệ thống điện lớn địi hỏi phải có số lượng nhân cơng lớn làm tăng chi phí Hơn nữa, nhiều hạng mục cơng việc bắt buộc phải tự động hóa hồn tồn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Vì vậy, việc ứng dụng hệ thống thông tin, đo lường, điều khiển để tự động hóa hệ thống điện hướng tất yếu Ở Việt Nam nay, phần lớn trạm biến áp vận hành theo kiểu truyền thống, điều khiển thông qua tủ bảng, sử dụng khóa điều khiển Chức giám sát trạm từ trung tâm điều độ thực thông qua hệ thống thu thập thông tin xa (RTU) Tuy nhiên hình HMI (Human Machine Interface) trung tâm điều khiển từ xa thể trạng thái logic đóng cắt thiết bị khơng thể trạng thái vật lý hay tình trạng thực thiết bị, mà theo quy trình quy phạm bắt buộc phải có, ví dụ phải thấy rõ trạng thái dao cách ly mở/ đóng sau thao tác, tình trạng hỏng hóc sau bão, sau thảm họa thiên nhiên … Một số trạm biến áp đuợc tự động hóa phải đảm bảo số luợng công nhân trực vận hành để theo dõi thiết bị trạng thái thiết bị theo nhu quy trình quy phạm quy định Một số trạm biến áp lắp đặt camera, camera giúp giám sát tình trạng chung trạm, giám sát an ninh tránh đột nhập từ bên ngồi, chưa có khả giám sát chi tiết tình trạng thiết bị Từ phân tích nên trên, đưa yêu cầu sử dụng loại robot tự động (Robot giám sát trạm biến áp) để thu thập hình ảnh, thơng tin trạng thái thiết bị trạm biến áp Robot giám sát trạm biến áp tự động di chuyển trạm theo hệ thống dẫn hướng đến vị trí định trước (vị trí máy cắt, dao cách ly, máy biến áp, góp, vị trí khác cần theo dõi, thu thập theo yêu cầu thực tế đặt ra), thu thập hình ảnh trạng thái thiết bị đưa trung tâm, thiết bị trạm từ góc độ khác truyền trung tâm điều khiển 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo Robot tự động di chuyển với tốc độ 0,4 - m/s trạm biến áp để thay ngƣời, thu thập xử lý hình ảnh, thông tin thông qua cảm biến trạng thái dao cách ly, máy cắt, đồng hồ nhiệt độ dầu MBA, đồng hồ nhiệt độ cuộn cao áp MBA, đồng hồ nhiệt độ cuộn trung áp MBA, từ góc độ khác truyền trung tâm điều khiển 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu − Nghiên cứu khảo sát trạm biến áp giả định theo mơ hình xây dựng từ trạm biến áp thực tế − Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phù hợp cho robot trạm biến áp − Nghiên cứu chế tạo robot tự động mang camera giám sát, − Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cấp nguồn cho robot, − Nghiên cứu chế tạo hệ thống truyền liệu từ robot phòng vận hành trạm biến áp 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mơ hình động lực, mơ hình điều khiển robot, phương thức truyền liệu, xử lý hình ảnh Ngồi cấu trúc trạm biến áp thiết bị cần giám sát trạm biến áp khảo sát 1.5 Giới thiệu robot giám sát trạm biến áp Robot giám sát trạm biến áp công cụ tiên tiến để kiểm tra sở hạ tầng trạm biến áp từ xa, kết hợp với việc lập đồ không gian quy mô nhỏ giúp kiểm tra nhiệt độ phát ăn mòn với độ nhạy cao Với cụm cảm biến bao gồm: cảm biến lidar, máy ảnh nhiệt máy ảnh quang phổ, Robot kiểm tra cách trực quan để đánh giá tình trạng thiết bị sở định lượng Các cảm biến gắn Robot giám sát trạm biến áp có khả thực việc quan sát lặp lại hầu hết môi trường trạm biến áp, với nhiều loại địa hình điều kiện thời tiết với định vị lặp lại phạm vi 10 cm Robot phát hầu hết mối nguy hiểm tiềm ẩn để đánh giá tình trạng thiết bị Dữ liệu từ cảm biến robot sử dụng để phát hư hỏng dấu hiệu xuống cấp (các vết nứt, rò điện, oxy hóa) lập đồ thể thay đổi vật lý máy biến áp, công tắc, dây dẫn thiết bị khác Trạm biến áp không người trực giải pháp hợp lý cho hệ thống điện quản lý vận hành cách tự động, nâng cao suất lao động, giảm tối đa nhân lực Trong tương lai, hàng loạt trạm biến áp không người trực, vận hành tự động, điều khiển từ xa ngành Điện đưa vào vận hành Công nghệ Robot tự động xây dựng chương trình giám sát trạm biến áp tiên tiến đạt Robot giám sát trạm biến áp thiết bị lý tưởng để khảo sát khu vực nguy hiểm cho người trạm biến áp, hầm mỏ địa điểm chứa vật liệu nguy hiểm Thiết bị vô thích hợp cho việc giám sát khu vực để đánh giá thay đổi môi trường theo thời gian Hình 1: Mơ tả tổng quan Robot Thơng tin hệ thống: • Thân Robot • Kích thước: 120x50x180 cm • Khối lượng: 50kg • Số bánh: • Hệ thống cảm biến • Bộ phận xoay nghiêng chắn (PTU) thiết kế cho ứng dụng có độ rung cao • Hệ thống camera quan sát, camera hồng ngoại phát điểm nóng dị thường nhiệt • Hệ thống đo tốc độ encoder • Hệ thống điều hướng • Hệ thống điều hướng la bàn điện tử • Khả tránh vật cản • Cho phép điều chỉnh tay • Trạm sạc • Nguồn điện: 220VAC, 50Hz • Rơ bơt sau hồn thành giám sát pin yếu tự động quay trạm sạc CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG Động học nghiên cứu để tìm hiểu trình hoạt động hệ thống khí, lĩnh vực mobile robot, cần phải tìm hiểu đặc tính robot để thiết kế cho phù hợp với nhiệm vụ đặt ra, đồng thời việc tìm hiểu đặc tính cịn giúp ta xác định phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển cho phù hợp phần cứng robot Trong lĩnh vực robot, mobile robot khơng phải hệ thống khí q phức tạp Như ta biết, tay máy lĩnh vực trọng nghiên cứu vòng 30 năm trở lại Ở vài khía cạnh đó, tay máy phức tạp nhiều so với mobile robot hệ trước đây, ví dụ: robot hàn thiết kế theo tiêu chuẩn thường có nhiều khớp, mobile robot trước thường thiết bị truyền động kiểu vi sai đơn giản Giữa tay máy mobile robot có nhiều điểm tương đồng Ví dụ, tay máy, không gian làm việc vấn đề quan tâm nhiều, cho phép xác định phạm vi vị trí khả thi tay máy Khơng gian làm việc mobile robot có mức độ quan trọng khơng kém, cho phép xác định phạm vi tư khả thi mà mobile robot có mơi trường hoạt động Tính dễ điều khiển tay máy định nghĩa khả điều khiển động để tay máy di chuyển từ vị trí đến vị trí khơng gian làm việc.Mobile robot bị giới hạn nguyên lý động lực học, ví dụ, giống ô tô, chuyển động với tốc độ cao, trọng tâm mobile robot cao nguyên nhân giới hạn bán kính xoay thực tế Tuy nhiên, khác biệt mobile robot tay máy thách thức đáng kể kỹ thuật ước lượng vị trí Tay máy thường có đầu gắn cố định, việc xác định vị trí đầu hoạt động hoàn toàn đơn giản, vấn đề ta phải hiểu nguyên lý động học tay máy xác định vị trí khớp trung gian Chính thế, ta xác định vị trí tay máy nhờ liệu thu từ cảm biến Trong đó, mobile robot lại thiết bị tự động độc lập, hồn tồn tự di chuyển mơi trường hoạt động Khơng có phương pháp giúp ta đo trực tiếp vị trí tức thời mobile robot Thay vào đó, thơng thường để xác định vị trí mobile robot, người ta phải tích hợp chuyển động robot theo thời gian Ngoài ra, trượt bánh xe nguyên nhân khiến cho trình đánh giá, ước lượng chuyển động robot giảm bớt độ xác Rõ ràng việc đo xác vị trí mobile robot lĩnh vực đầy thách thức rộng đầy thách thức cho chúng ta, Nhưng chúng lại có điểm chung nhiệm vụ điều khiển robot điều khiển động Trong đề tài tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển mơ hình robot tự hành bao gồm bánh Trong đó, hai bánh sau hai bánh chủ động điều khiển hai động độc lập, bánh phía trước bánh lái Coi bánh xe di chuyển mặt phẳng lăn không trượt, tốc độ robot tốc độ trung điểm khoảng cách hai bánh sau Khối lượng quán tính bánh xe coi khơng đáng kể, bỏ qua 2.1 Mơ hình động học Mobile Robot 2.1.1 Mơ hình bánh xe robot Loại mobile robot sử dụng đề tài Differential Drive Robot (robot gồm bánh chủ động bánh bị động) Mơ hình bánh xe robot lý tưởng hóa hình 2.1 Bánh xe quay quanh trục (trục Y) Bánh xe chuyển động theo phương X (trục X ) Khi chuyển động tốc độ thấp, bỏ qua ảnh hưởng trượt bánh xe so với mặt đường Các thông số bánh xe : r= bán kính bánh xe v= vận tốc dài bánh w= vận tốc góc bánh xe Hình 2.1: Mơ hình bánh xe lý tưởng hóa Động học tốn chuyển động mà khơng xét tới tác động lực tới chuyển động robot, bao gồm yếu tố hình học xác định vị trí robot Nó bao thể mối quan hệ thông số điều khiển thông số trạng thái hệ thống không gian 2.1.2 Phương trình động học Mobile Robot Mơ hình robot thể hình đây: 10 - Mơ hình Fuzzy cho cánh tay 2: - Mơ hình Fuzzy cho cánh tay 3: 111 5.6.2 Bộ điều khiển PID Tên gọi PID chữ viết tắt ba thành phần có điều khiển gồm: khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) Bộ điều khiển PID có ba tính chất sau: - Phục tùng thực xác nhiệm vụ giao (khâu tỉ lệ) Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực tốt nhiệm vụ (khâu tích phân) Phản ứng nhanh nhạy với thay đổi tình trongquá trình thực nhiệm vụ (khâu vi phân) Luật điều khiển PID: 112 Hình 1: Sơ đồ luật điều khiển PID Trong đó: + r: tín hiệu đặt + y: tín hiệu đầu + e: tín hiệu sai lệch Luật điều khiển PID thuật tính tốn tín hiệu điều khiển từ sai số tín hiệu mong muốn tín hiệu đo Tín hiệu tổng ba thành phần P (tỷ lệ sai số), I (tích phân sai số) D (vi phân sai số): Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển PID 5.6.3 Bộ điều khiển Noron – Mạng Noron RBF Giới thiệu mạng noron RBF Hàm sở bán kính xuyên tâm (RBF) đưa M.J.D Powell để giải toán nội suy hàm nhiều biến năm 1987 Ngày nay, vấn đề quan trọng nghiên cứu ngành, nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực mạng Nơron, mạng Nơron RBF đề xuất D.S Bromhead D Lowe năm 1988 để giải toán nội suy xấp xỉ hàm nhiều biến Kiến trúc mạng RBF Mạng RBF loại mạng Nơron nhân tạo truyền thẳng gồm có ba lớp Nó bao gồm n nút lớp đầu vào cho vector đầu vào x thuộc R n, N neuron ẩn có hàm kích hoạt hàm RBF Gaussian (giá trị neuron ẩn thứ k giá trị trả hàm sở bán kính φk ) m neuron đầu 113 Hình 3: Kiến trúc mạng RBF Ứng dụng mạng noron RBF: Nhờ ưu điểm vượt trội có thời gian huấn luyện mạng ngắn, ngày mạng Neural RBF sử dụng nhiều lĩnh vực: - Xử lý ảnh, tín hiệu số Nhận dạng tiếng nói Xác định mục tiêu cho Radar Chuẩn đốn y học Q trình phát lỗi Nhận dạng mẫu Các bước xây dựng mạng nơron Bước 1: Chọn điều khiển có đầu đáp ứng yêu cầu đề tài Ở ta chọn điều khiển Fuzzy_PID 114 Bước 2: Thu thập số đầu vào đầu trình điều khiển tay máy, thông số chọn bám sát quỹ đạo đầu vào mong muốn Ở ta muốn đầu vào e de cho i1, i2, i3 đầu Kp, Ki Kd cho o1, o2, o3 để điều khiển PID Bước 3: Ta tiến hành trình huấn luyện liệu Sau chạy thử với điều khiển đáp ứng với mong muốn, ta thu thập thông số sau: Bước 4: Vào Command Window -> gõ lệnh “ nnstart ‘’ Matlab xuất cửa sổ Neural Network -> Chọn “ Fitting app “ 115 Bước 5: Chọn thông số khớp muốn huấn luyện Ở ta chọn thông số khớp Theta1 -> Next * Lưu ý: Tương tự cho khớp Theta2 Theta3 116 Bước 6: Chọn số nơ-ron lớp ẩn -> Next 117 Bước 7: Chọn thuật toán huấn luyện ( Levenberg – Marquardt ) -> Train 118 Bước 8: Sau train xong -> Chọn “’ Simulink Diagram “ để đưa khối ANN -> Next -> Finish Bước 9: Coppy khối ANN vừa tạo -> Paste vào điều khiển 119 Giải thuật tối ưu điều khiển PID mạng nơ-ron RBF từ Fuzzy Mơ hình điều khiển động sử dụng mạng nơ-ron RBF trình bày Hình Trong đó, tham số điều chỉnh Kp, Ki, Kd cập nhật dựa mạng nơ-ron RBF thông số từ mạng noron RBF lấy từ e de Mờ Hình 4: Mơ hình tối ưu điều khiển PID mạng nơ-ron từ mờ Mơ hình mơ từ Matlab Simulink Mơ hình tổng qt 120 Hình 6: Mơ hình tổng quất đề tài Mơ hình điều khiển 121 Hình 7: Mơ hình điều khiển Fuzzy_Neural_PID Kết mơ Mơ có nhiễu Hình 7: Kết mơ đầu Theta có nhiễu điều khiển 122 Hình 8: Kết mơ độ chênh lệch đầu vào đầu điều khiển Hình 9: Kết J xác lập điều khiển Hình 10: Kết J độ điều khiển 123 Mơ khơng nhiễu Hình 11: Kết mơ đầu theta khơng có nhiễu điều khiển Hình 12: Kết mơ độ chệnh lệch đầu đầu vào điều khiển 124 Hình 13: Kết J xác lập điều khiển Hình 14: Kết J độ điều khiển 125 ... em hoàn thành đề tài ? ?Robot tự hành giám sát trạm biến áp? ?? Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Mai giúp em hoàn thành đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện... thơng tin trạng thái thiết bị trạm biến áp Robot giám sát trạm biến áp tự động di chuyển trạm theo hệ thống dẫn hướng đến vị trí định trước (vị trí máy cắt, dao cách ly, máy biến áp, góp, vị trí khác... khảo sát trạm biến áp giả định theo mơ hình xây dựng từ trạm biến áp thực tế − Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển phù hợp cho robot trạm biến áp − Nghiên cứu chế tạo robot tự động