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 Mục lục hình LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .6 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .7 1.5 Giới thiệu robot giám sát trạm biến áp .7 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG 10 2.1 Mơ hình động học Mobile Robot 11 2.1.1 Mơ hình bánh xe robot 11 2.1.2 Phương trình động học Mobile Robot 12 2.2 Mơ hình động học, động lực học cánh tay robot 13 2.2.1 Đặc điểm kĩ thuật cánh tay robot 13 2.2.2 Các phương trình động học thuận 14 2.2.3 Các phương trình động học ngược .16 2.2.4 Các phương trình động lực học tay máy 17 CHƯƠNG 3: KĨ THUẬT ĐỊNH VỊ VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT 25 3.1 Tổng quan kĩ thuật định vị cho Mobile Robot 25 3.2 Phương pháp Dead - reckoning 27 3.2.1 Nguyên lý 27 3.2.2 Những lưu ý sử dụng phương pháp Dead-reckoning 28 3.3 Thuật toán điều khiển robot tự hành 29 3.3.1 Nguyên lý điều khiển sử dụng thuật toán Pure Pursuit 30 3.3.2 Ảnh hưởng LookAheadDistance đến thuật toán Pure Pursuit .32 3.3.3 Hạn chế thuật toán Pure Pursuit 33 3.4 Lưu đồ điều khiển robot trạm biến áp .33 3.4.1 Lưu đồ thuật toán tổng quát 33 3.4.2 Lưu đồ thuật toán Arduino điều khiển vị trí Robot vị trí tay máy 35 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG .36 4.1 Tổng quan thiết kế .36 4.1.1 Cơ sở thiết kế 36 4.1.2 Chọn thiết bị điều khiển truyền động cho robot 36 4.1.3 Chọn phần mềm lập trình điều khiển, thu thập xử lý liệu 37 4.2 Thiết kế phần cứng 37 4.2.1 Máy vi tính .38 4.2.2 Camera 39 4.2.3 Bộ truy cập không dây WiFi (Router) 39 4.2.4 Module ESP8266-12E 40 4.2.5 Module Arduino UNO Modulê Micro Step Driver 41 4.2.6 Modul CNC Shield V3 42 4.2.7 Cảm biến siêu âm HY-SRF05 .43 4.2.8 Cảm biến nhiệt độ ES1C-A40 .44 4.2.9 Mudule la bàn HMC5883L 45 4.2.10 Encoder 45 4.2.11 Động 46 4.2.12 Pin 48 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 50 5.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ (FLC) .50 5.1.1 Lịch sử phát triển 50 5.1.2 Điều khiển mờ .50 5.1.3 Thiết kế điều khiển mờ 52 5.1.4 Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng điều khiển mờ: 54 5.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN NEURAL (ANN) 58 5.2.1 Lịch sử phát triển 58 5.2.2 Ứng dụng mạng Neural 58 5.2.3 Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng điều khiển Neural: 61 5.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID (FLC-PID) .65 5.3.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng Mờ PID 65 5.3.2 Luật chỉnh định PID .66 66 5.3.3 Các bước thiết kế điều khiển Mờ 67 5.3.5 Nhận xét: .72 5.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN NEURAL PID (ANN-PID) 73 5.4.1 Thiết kế điều khiển : 73 5.4.2 Quá trình thu thập liệu : 74 5.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN NEURAL MỜ PID (ANN-FLC-PID) 81 5.5.1 Bộ điều khiển Fuzzy 81 5.5.2 Bộ điều khiển PID 86 5.5.3 Bộ điều khiển Noron – Mạng Noron RBF 88 5.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NEURAL PID (FLC-ANN-PID) 98 5.6.1 Bộ điều khiển Fuzzy 98 5.6.2 Bộ điều khiển PID .102 5.6.3 Bộ điều khiển Noron – Mạng Noron RBF 103 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Mơ tả tổng quan Robot .8 Hình 2.1: Mơ hình bánh xe lý tưởng hóa 11 Hình 2.2: Hệ quy chiếu mobile robot 12 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý khâu định vị mobile robot 26 Hình 3.2: Sơ đồ ngun lý mơ hình NEWT 27 Hình 3.3: Thuật tốn Pure Pursuit 30 Hình 3.4: Quan hệ hình học 31 Hình 3.5: Look Ahead Distance .32 Hình 3.6: Look Ahead Distance nhỏ .33 Hình 3.7: Look Ahead Distance lớn 33 Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán tổng quát 34 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán Arduino .35 Hình 4.1: Sơ đồ trạm biến áp 37 Hình 4.2: Tổng quan sơ đồ thiết kế phần cứng điều khiển robot 38 Hình 4.3: Raspberry Pi .39 Hình 4.4: Camera Basler acA3800-10gm 40 Hình 4.5:  Edup AZ800 Wifi Router 41 Hình 4.6: Modul ESP8266-12E .41 Hình 4.7: Modul Arduino Uno .42 Hình 4.8: Modul Micro Step Driver .43 Hình 4.9: Modul CNC Shield V3 44 Hình 4.10: Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 45 Hình 4.11: Ảnh mơ cảm diện tích khoảng cách đặt cảm biến 46 Hình 4.12: Mudul la bàn HMC5883L 46 Hình 4.13: Encoder .47 Hình 4.14: Động bước 49 Hình 4.15: Ắc quy Đồng Nai 12v/40Ah 50 LỜI NĨI ĐẦU Cùng với phát triển khơng 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 lị phản ứng hạt nhân, dị phá mìn qn sự, thám hiểm không 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 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 mơ 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 toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Vì vậy, việc ứng dụng hệ thống thơng 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 thơng tin xa (RTU) Tuy nhiên hình HMI (Human Machine Interface) trung tâm điều khiển từ xa thể trạng thái logic đóng cắt thiết bị 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, 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 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 Ngoài 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, rị 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 vơ 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 Thông 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 - Mơ hình Fuzzy cho cánh tay 2: - Mơ hình Fuzzy cho cánh tay 3: 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: 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 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 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 “ 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 Bước 6: Chọn số nơ-ron lớp ẩn -> Next Bước 7: Chọn thuật toán huấn luyện ( Levenberg – Marquardt ) -> Train 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 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 Hình 6: Mơ hình tổng quất đề tài Mơ hình điều khiển Hình 7: Mơ hình điều khiển Fuzzy_Neural_PID Kết mơ Mơ có nhiễu Hình 7: Kết mơ đầu Theta có nhiễu điều khiển Hình 8: Kết mô độ chênh lệch đầu vào đầu điều khiển Hình 9: Kết J xác lập điều khiển Hình 10: Kết J độ điều khiển Mô không nhiễu Hình 11: Kết mơ đầu theta khơng có nhiễu điều khiển Hình 12: Kết mô độ chệnh lệch đầu đầu vào điều khiển Hình 13: Kết J xác lập điều khiển Hình 14: Kết J độ điều khiển ... 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... 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. .. hình ảnh, thông 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,