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

    ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  KHOA ĐIỆN         ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 3  NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ              Lớp HP: 19.35A Nhóm : ĐỀ TÀI:  THIẾT KẾ ROBOT DI CHUYỂN VÀ ĐO LƯỜNG THÔNG SỐ TRONG TRẠM BIẾN ÁP TỰ HÀNH Người hướng dẫn:     Đà Nẵng, tháng /202   TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA -Δ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN LIÊN MÔN (PBL4) Thơng tin nhóm Sinh viên: ST Họ tên MSSV Nhóm (lớp) T NGUYỄN GIA BẢO 105190277 19TDHCLC Ghi chú, (nếu SV phân nhóm trưởng điền ‘’NT’’ vào này) NT LÊ PHƯỚC LỢI 105190297 19TDHCLC 3 VŨ HOÀNG SƠN 105190310 19TDHCLC BÙI ĐẮC LỘC 105190296 19TDHCLC Giảng viên hướng dẫn: Tên đề tài: Thiết kế robot di chuyển đo lường thông số trạm biến áp tự hành Nội dung chính: Bản vẽ: 02 bảng A0 (hoặc A1), cụ thể vẽ thể hiện: a) Sơ đồ công nghệ hệ thống, phân kênh, mạch điện điều khiển, thuật toán điều khiển; b) Sơ đồ mạch trung gian, mạch động lực mạch cung cấp điện cho toàn hệ thống i Thuyết minh tài liệu tham khảo: Thuyết minh theo mẫu cung cấp danh mục tài liệu tham khảo, link trang web,… PHÂN CÔNG CHI TIẾT CƠNG VIỆC TRONG NHĨM ST T Sinh viên thực Nội dung công việc Nguyễn Gia Bảo Lê Phước Lợi   Vũ Hoàng Sơn Bùi Đắc Lộc   ii MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án Nhiệm vụ đồ án i ii Phân công chi tiết công việc iii Mục lục Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ vii Danh sách cụm từ viết tắt ix iv Chương 1: Giới thiệu đề tài .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Lựa chọn phương án thiết kế 1.4 Các tiêu chuẩn an toàn việc lắp đặt thiết bị TBA 1.5 Sơ đồ thuật toán .4 Chương 2: Nghiên cứu thiết kế đường dẫn phần cứng robot 2.1 Thiết kế đường dẫn 2.2 Thiết kế phần cứng 2.2.1 Danh sách thiết bị, linh kiện: b) Máy vi tính Mini PC Z83 II - Intel Z8350 c) Camera d) Bộ truy cập không dây WiFi .9 e) Modul ESP8266-12E: f) Module Arduino Uno g) Module Micro Step Driver: .10 h) Module CNC Shield V3 11 i) Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 11 j) Động bước ( Step Motor) 12 iii 2.3 Lập trình vi điều khiển: 13 2.3.1 Lập trình truyền động động 13 a) Danh sách thiết bị: .13 b) Nguyên lý hoạt động: 13 c) Sơ đồ đấu dây thiết bị: .13 d) Code lập trình cho Arduino: 13 2.3.2 Lập trình điều khiển Robot từ xa thơng qua Wifi .20 a) Danh sách thiết bị: .20 b) Nguyên lý hoạt động: 20 c) Sơ đồ đấu dây: 21 d) Lập trình code cho Arduino Nano: 21 2.3.3 Điều khiển camera giám sát 26 a) Danh sách thiết bị 26 b) Nguyên lí hoạt động 26 c) Lập trình code 27 2.3.4 Thiết kế giám sát, cảnh báo lượng mức pin thấp 30 a) Tính tốn 31 b) Lập trình code 31 Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 32 3.1 Thiết kế phần điện 32 Chương 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU 34 4.1 Giới thiệu 34 4.2 Phần mềm lập trình điều khiển 34 4.3 Giải pháp định vị dẫn đường 36 4.3.2 Phương pháp dò line 37 4.3.3 Giải pháp định vị 38 iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 2.1 Bảng danh sách thiết bị .7 Hình 1.1 Mơ tả tổng quan Robot Hình 2.1 Mini PC Z83 II - Intel Z8350 .8 Hình 2.2 Camera Basler acA3800-10gm Hình 2.3 WIRELESS N 300 ROUTER TENDA F3 Hình 2.4 Modul ESP8266-12E Hình 2.5 Arduino Uno .10 Hình 2.6 Module Micro Step Driver .10 Hình 2.7 Module CNC Shield V3 11 Hình 2.8 Cảm biến tiệm cận 12 Hình 2.9 Động bước 12 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU: …….…… …….…… …….…… …….…… …….…… …….…… CHỮ VIẾT TẮT: …….…… …….…… …….…… …….…… v Ghi chú: - Ký hiệu: mục ký hiệu gồm ký hiệu phần tên gọi, diễn giải ký hiệu Cụm từ viết tắt chữ ký hiệu thay chữ viết liền nhau, để thay cho cụm từ có nghĩa, thường lặp nhiều lần đồ án vi vii Chương 1: Giới thiệu đề tài 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, nhu cầu sử dụng điện để đáp ứng phát triển kinh tế phục vụ đời sống ngày tăng Để giảm thiểu cố thiết bị điện góp phần giảm thiểu thiệt hại lớn kinh tế điện gây ra, việc kiểm tra thường xuyên thiết bị đường dây trạm biến áp (TBA) nhằm phát nguy sớm để lên kế hoạch bảo trì vơ quan trọng Sự an toàn hoạt động ổn định thiết bị trạm biến áp yêu cầu thiết yếu hệ thống điện đại lưới điện thơng minh Vì u cầu đặt cần có phương pháp giám sát hiệu trình vận hành bảo vệ thiết bị TBA Phần lớn TBA 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) Với phát triển giải pháp tích hợp tự động hóa TBA, TBA khơng người trực (KNT) có khả thu thập, xử lý lưu trữ lượng thơng tin lớn với mức độ xác cao Đáp ứng tốn tối ưu hóa cho hệ thống điện, đồng thời hướng đến phát triển hệ thống lưới điện thơng minh Mọi hoạt động đóng cắt, vận hành lưới, giám sát trình hoạt động, thu thập liệu trạm giám sát qua hệ thống Camera điều khiển từ xa thông qua hệ thống điều hành SCADA từ Trung tâm điều khiển Tuy nhiên, hình HMI (Human Machine Interface) trung tâm điều khiển từ xa thể trạng thái logic đóng cắt thiết bị mà khơng thể trạng thái vật lý hay tình trạng thực thiết bị, mà theo quy trình quy phạm bắt buộc phải có Ngồi ra, việc theo dõi thực tế tình trạng thiết bị cần thiết để phục vụ cơng tác bảo trì, đảm bảo an tồn vận hành lâu dài hệ thống Các TBA tự động hóa phải đảm bảo số lượng cơng nhân trực vận hành để theo dõi thiết bị trạng thái thiết bị theo quy trình quy định Mặc dù 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 Để giám sát tổng thể toàn TBA thiết bị cần thiết quan sát (dao cách ly, máy biến áp, máy cắt thơng số đo lường ngồi trời nhiệt độ thiết bị này) cần phải lắp đặt thêm nhiều Camera Việc lắp nhiều Camera gây khó khăn cho vị trí lắp đặt, chi phí đầu tư, bảo dưỡng đường truyền (hình ảnh) trung tâm giám sát 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo Robot tự động di chuyển khuôn viên trạm biến áp để thay người, thu thập xử lý hình ảnh, thơng tin thơng 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 để lưu vào thẻ nhớ truyền trung tâm điều khiển Có khả tự động di chuyển chỗ sạc hết nguồn 1.3 Lựa chọn phương án thiết kế  Phương án thiết kế robot bánh với nguồn ắc quy 12V 40Ah  Các cảm biến lắp đặt vị trí cần thiết để robot nhận biết  Camera gắn robot phải điều chỉnh xoay hướng để lấy góc chụp cần thiết cho việc thu thập ảnh Hình 1.1 Mơ tả tổng quan Robot Sử dụng phương thức truyền nối tiếp với chân: RX – chân nhận liệu; TX – chân truyền liệu theo giao thức UART Bên Camera có mắt thu hình ảnh Bên mắt thu cảm biến ảnh,cảm biến thu lượng ánh sáng cho mắt thu đường ánh sáng thu tín hiệu tương tự camera xử lí thành tín hiệu điện Từ đó, vi điều khiển xử lí thành bit ảnh Từ bit ảnh ghép thành hình ảnh Khi tiến hành chạy video từ ảnh ghép bit ảnh mà ghép lại với theo tốc độ khung hình thành video c) Lập trình code #include "esp_camera.h" #include #define CAMERA_MODEL_AI_THINKER #include "camera_pins.h" const char* ssid = "Gol."; const char* password = "22060808"; void startCameraServer(); void setup() { Serial.begin(115200); Serial.setDebugOutput(true); Serial.println(); camera_config_t config; config.ledc_channel = LEDC_CHANNEL_0; config.ledc_timer = LEDC_TIMER_0; config.pin_d0 = Y2_GPIO_NUM; config.pin_d1 = Y3_GPIO_NUM; config.pin_d2 = Y4_GPIO_NUM; 28 config.pin_d3 = Y5_GPIO_NUM; config.pin_d4 = Y6_GPIO_NUM; config.pin_d5 = Y7_GPIO_NUM; config.pin_d6 = Y8_GPIO_NUM; config.pin_d7 = Y9_GPIO_NUM; config.pin_xclk = XCLK_GPIO_NUM; config.pin_pclk = PCLK_GPIO_NUM; config.pin_vsync = VSYNC_GPIO_NUM; config.pin_href = HREF_GPIO_NUM; config.pin_sscb_sda = SIOD_GPIO_NUM; config.pin_sscb_scl = SIOC_GPIO_NUM; config.pin_pwdn = PWDN_GPIO_NUM; config.pin_reset = RESET_GPIO_NUM; config.xclk_freq_hz = 20000000; config.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG; if(psramFound()){ config.frame_size = FRAMESIZE_UXGA; config.jpeg_quality = 10; config.fb_count = 2; } else { config.frame_size = FRAMESIZE_SVGA; config.jpeg_quality = 12; config.fb_count = 1; } 29 #if defined(CAMERA_MODEL_ESP_EYE) pinMode(13, INPUT_PULLUP); pinMode(14, INPUT_PULLUP); #endif // camera init esp_err_t err = esp_camera_init(&config); if (err != ESP_OK) { Serial.printf("Camera init failed with error 0x%x", err); return; } sensor_t * s = esp_camera_sensor_get(); if (s->id.PID == OV3660_PID) { s->set_vflip(s, 1);//flip it back s->set_brightness(s, 1);//up the blightness just a bit s->set_saturation(s, -2);//lower the saturation } s->set_framesize(s, FRAMESIZE_QVGA); #if defined(CAMERA_MODEL_M5STACK_WIDE) s->set_vflip(s, 1); s->set_hmirror(s, 1); #endif 30 WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); startCameraServer(); Serial.print("Camera Ready! Use 'http://"); Serial.print(WiFi.localIP()); Serial.println("' to connect"); } void loop() { delay(10000); } 2.3.4 Thiết kế giám sát, cảnh báo lượng mức pin thấp Để đảm bảo hoạt động robot ngồi mơi trường đươc đảm bảo, robot có chức thơng báo, quay trạm sạc mức lượng thấp Đề xuất phương án giám sát lượng, cần đo điện áp nguồn pin, đưa thông tin cho vi điều khiển trung tâm để thực giám sát lượng 31 Phương án đo mức pin: sử dụng mạch cầu phân áp, giá trị đo dạng tín hiệu điện áp đưa vào chân đọc analog vi điều khiển trung tâm a) Tính tốn Bợ ADC của adruino mặc định xử lý 12 bit, tức là có giá trị từ 0- 1023 tương ứng với giá trị điện áp 0-3.3V Vcc = 3.7x3 = 11.1V Điện áp lớn A0 VA0 = 3.3V Ta có cơng thức điện áp: V cc = V A0 R2 R1+ R Chọn R2=1k Ω => R1=2.36k Ω Chọn trở 2k2 Ω b) Lập trình code int volRead = A0; int giaTriDo; float volOut; float volIn; void setup() { pinMode(volRead, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { giaTriDo = analogRead(volRead); volOut = (giaTriDo*3.3)/1024.0; volIn = float(volOut/float(1000.0/3200.0)); Serial.println(volIn); 32 } Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 3.1 Thiết kế phần điện Để đáp ứng yêu cầu đặt ra, nhóm đưa giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng sau : - Hệ thống truyền động Robot : Thiết kế Robot chuyển động hệ bánh xe, động truyền động gắn với bánh xe để điều khiển Robot - Phần thân Robot : Robot làm cấu trúc tầng, sử dụng khung làm mica có kích thước đủ để lắp đặt tồn thiết bị, mô đun điều khiển, nguồn, … tầng Tầng sử dụng để lắp đặt cánh tay robot gắn camera, kèm theo mơ đun wifi cho mục đích điều khiển tay có vấn đề phát sinh trạm biến áp - Bộ điều khiển : Xây dựng điều khiển tảng vi điều khiển Arduino Nano Arduino Uno, vi điều khiển bit dòng Atmega328 - Hệ thống cảm biến : Cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại - Động truyền động : loại động vàng giảm tốc, Uđm = – 8V - Camera lắp bên cánh tay điều khiển di chuyển lên - xuống, xoay trái – phải giúp dễ dàng chụp hình ảnh trạm biến áp - Nguồn điện : Sử dụng pin Li-ion 3.7 V 33 Hình 3.1 : Hình ảnh Robot 34 Chương 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU 4.1 Giới thiệu Thơng qua chương nhóm trình bày chi tiết phương án thiết kế phần cứng Robot tự hành giám sát trạm biến áp phục vụ cho công tác giám sát khơng người trực Qua chương 4, nhóm tập trung lựa chọn phần mềm lập trình điều khiển, nghiên cứu phương pháp xác định trạng thái hoạt động thiết bị trạm xây dựng thuật tốn chương trình điều khiển phù hợp để Robot di chuyển tự động điều khiển tay đến tất vị trí mong muốn trạm Ngoài ra, từ kết khảo sát thực tế yêu cầu đặt ra, nhóm thực đề nghiên cứu đề phương án thiết kế phần điều khiển, thu thập liệu hình ảnh gửi trung tâm điều khiển tạo mơi trường tương tác trực quan người vận hành trạm trung tâm điều khiển 4.2 Phần mềm lập trình điều khiển Đề tài chọn giải pháp thiết kế bo mạch điều khiển dựa vi điều khiển Arduino Nano Arduino Uno Vì để lập trình nhóm sử dụng phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Đây phần mềm Arduino thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm Nó có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã mơi trường Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thơng tin dạng mã 35 Mã chính, cịn gọi sketch, tạo tảng IDE tạo file Hex, sau chuyển tải lên điều khiển bo Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ Arduino IDE bao gồm phần khác  Window bar  Menu bar  Phím tắt  Text editor  Output Panel Một số tính thường xuyên sử dụng phần mềm    Nút kiểm tra chương trình (Verify): giúp dị lỗi phần code định truyền xuống bo mạch Arduino Nút tải đoạn code vào bo mạch Arduino (Upload): giúp nhập đoạn code vào bo mạch Arduino Vùng lập trình: người dùng viết chương trình khu vực 36  Thanh Menu: gồm thẻ chức nằm File, Edit, Sketch, Tools, Help Thư viện Library Manager vô đa dạng Arduino IDE tích hợp với 700 thư viện, viết chia sẻ nhà phát hành Arduino Software thành viên cộng đồng Arduino Mọi người tận dụng chúng cho dự án riêng mà khơng cần phải bỏ chi phí 4.3 Giải pháp định vị dẫn đường Để giải toán định vị Robot tự hình xác định vị trí hướng Robot so với môi trường làm việc, thông tin vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động xác ổn định định vị cho robot đóng vai trị làm tiền đề để thực nhiệm vụ Nhóm đề xuất áp dụng phương pháp dò line việc điều khiển Robot thực quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu điều khiển, hạn chế sai số theo thời gian 37 Hình 4.1 Sơ đồ quỹ đạo nhà máy 4.3.2 Phương pháp dò line Phương pháp dò line dựa nguyên lý hoạt động cảm biến dò line Cảm biến dị line hay biết đến xác cảm biến hồng ngoại hướng xuống bề mặt di chuyển Chúng giúp phát bề mặt phản xạ hấp thụ ánh sáng khoảng cách gần Chúng thường có mắt hồng ngoại chuyên thu ánh sáng mắt chuyên phát ánh sáng Trường hợp mắt phát phát tín hiệu:  Nếu bề mặt phản xạ lại ánh sáng, tín hiệu mắt thu thu nhận → Từ ta xác định tín hiệu đưa vùng sáng xác định ( Những bề mặt, vùng phản xạ gần phản xạ hết ánh sáng qua nó)  Nếu bề mặt khơng phản xạ lại ánh sáng, khơng có tín hiệu mắt thu → Từ ta khơng nhận tín hiệu xác định vùng tối ( Những bề mặt, vùng tối hấp thụ gần hết ánh sáng qua nó)  Khoảng làm việc cảm biến: < 0.5m Như nói cảm biến dị line hoạt động theo nguyên lý thu – phát ánh sáng 38 Hình 4.1 Nguyên lý cảm biến dò line Các mắt phát phát tia hồng ngoại có bước sóng hồng ngoại Mắt thu bề mặt chứa vùng sáng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại Ở trạng thái bình thường mắt thu có nội trở lớn (hàng trăm Kilo-Ohm) Khi thu nhận tia hồng ngoại vào nội trở mắt thu giảm (vài chục Kilo-Ohm) Dựa vào nguyên lý trên, nhóm dự định tạo đường line xung quanh trạm biến áp trùng với quỹ đạo yêu cầu từ điều khiển Robot di chuyển 4.3.3 Giải pháp định vị Theo hình 4.1 trên, ngã rẽ nhóm đánh số từ đến 9, từ kết hợp với thêm cảm biến hồng ngoại gắn bên khung Robot chương trình vi điều khiển giúp Robot xác định vị trí thơng báo vị trí trung tâm điều hành Ở chương trình vi điều khiển nhóm tạo biến đếm i, biến hoạt động theo nguyên lý dò line cảm biến hồng ngoại gắn bên khung Robot Khi có cảm biến gửi tín hiệu dị line vi điều khiển biến đếm i tăng lên đơn vị Với giá trị i vi điều khiển điều khiển Robot theo câu lệnh lập trình vi điều khiển 39 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn CBRT có tín hiệu 40 Hình 4.2 : Lưu đồ thuật tốn CBRT CBRP có tín hiệu Hình 4.3 41 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán CBRP hoạt động 42 ... ‘’NT’’ vào này) NT LÊ PHƯỚC LỢI 105190297 19TDHCLC 3 VŨ HOÀNG SƠN 105190310 19TDHCLC BÙI ĐẮC LỘC 105190296 19TDHCLC Giảng viên hướng dẫn: Tên đề tài: Thiết kế robot di chuyển đo lường thông số trạm. .. } Chương 3: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN 3.1 Thiết kế phần điện Để ? ?áp ứng yêu cầu đặt ra, nhóm đưa giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng sau : - Hệ thống truyền động Robot : Thiết kế Robot chuyển động... V3 i) Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) Để điều khiển robot di chuyển đến vị trí khảo sát, nhóm thiết kế dùng cảm biến tiệm cận để robot xác định vị trí thiết lập Khi phát vật cảm biến, tín