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 HỐ    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 XàHỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN        Độc lập - Tự do - 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 ô 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 và đo lường thơng số trong trạm biến áp tự hành Nội dung chính: Bản vẽ: 02 bảng A0 (hoặc A1), cụ thể mỗi bản 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 đúng theo mẫu và cung cấp danh mục tài liệu tham khảo, link của 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 Mục          iii   lục Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ                         vii iv Danh sách các cụm từ viết tắt               ix 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 các 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 cơ bước ( Step Motor) 12 iii 2.3 Lập trình vi điều khiển: 13 2.3.1. Lập trình truyền động động cơ 13 a) Danh sách các 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 các 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 các thiết bị 26 b) Nguyên lí hoạt động 26 c) Lập trình code 27 2.3.4. Thiết kế giám sát, cảnh báo năng lượng khi 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 Mô 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: mỗi mục ký hiệu gồm ký hiệu và phần tên gọi, diễn giải ký hiệu Cụm từ viết tắt là các chữ cái và các ký hiệu thay chữ được viết liền nhau, để thay cho một cụm từ có nghĩa, thường được lặp nhiều lần trong 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 sự phát triển của nền kinh tế và phục vụ đời sống ngày càng tăng Để giảm thiểu các sự cố của các thiết bị điện cũng như góp phần giảm thiểu những thiệt hại lớn về kinh tế do mất điện gây ra, việc kiểm tra thường xun các thiết bị đường dây và trạm biến áp (TBA) nhằm phát hiện nguy cơ sớm nhất có thể để lên kế hoạch bảo trì là vơ cùng quan trọng. Sự an tồn và hoạt động ổn định của các thiết bị trạm biến áp là u cầu thiết yếu của hệ thống điện hiện đại và lưới điện thơng minh Vì vậy u cầu đặt ra cần có những phương pháp giám sát hiệu quả hơn q trình vận hành cũng như bảo vệ các thiết bị trong TBA. Phần lớn các TBA hiện nay đều vận hành theo kiểu truyền thống, được điều khiển thơng qua các tủ bảng, sử dụng khóa điều khiển. Chức năng giám sát trạm từ các trung tâm điều độ cũng chỉ được thực hiện thơng qua hệ thống thu thập thơng tin xa (RTU) Với sự phát triển của các giải pháp tích hợp và tự động hóa TBA, các TBA khơng người trực (KNT) hiện nay có khả năng thu thập, xử lý và lưu trữ một lượng thơng tin lớn với mức độ chính xác cao. Đáp ứng bài 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 q trình hoạt động, thu thập dữ liệu của trạm đều được giám sát qua hệ thống Camera và điều khiển từ xa thơng qua hệ thống điều hành SCADA từ Trung tâm điều khiển Tuy nhiên, các màn hình HMI (Human Machine Interface) của các trung tâm điều khiển từ xa cũng chỉ thể hiện trạng thái logic đóng cắt của thiết bị mà khơng thể hiện được trạng thái vật lý hay tình trạng thực của thiết bị, mà theo quy trình quy phạm bắt buộc phải có.  Ngồi ra, việc theo dõi thực tế tình trạng thiết bị cũng rất cần thiết để phục vụ cơng tác bảo trì, đảm bảo an tồn vận hành lâu dài của hệ thống. Các TBA đã được tự động hóa nhưng vẫn phải đảm bảo số lượng cơng nhân trực vận hành chỉ để theo dõi thiết bị và trạng thái thiết bị theo như quy trình quy định. Mặc dù đã lắp đặt Camera, nhưng các Camera này cũng chỉ giúp giám sát tình trạng chung của trạm, giám sát an ninh tránh sự đột nhập từ bên ngồi và chưa có khả năng giám sát chi tiết tình trạng từng thiết bị. Để giám sát tổng thể tồn bộ TBA cũng như các thiết bị cần thiết quan sát (dao cách ly, máy biến áp, máy cắt và các thơng số đo lường ngồi trời cũng như nhiệt độ của các thiết bị này) thì cần phải lắp đặt thêm nhiều Camera. Việc lắp nhiều Camera này sẽ gây khó khăn cho vị trí lắp đặt, chi phí đầu tư, bảo dưỡng cũng như đường truyền (hình ảnh) về trung tâm giám sát 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo Robot có thể tự động di chuyển trong khn viên trạm biến áp để thay thế con người, thu thập và xử lý hình ảnh, thơng tin thơng qua các cảm biến về trạng thái các 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 các góc độ khác nhau để lưu vào thẻ nhớ và truyền về trung tâm điều khiển. Có khả năng tự động di chuyển về chỗ sạc khi hết nguồn 1.3 Lựa chọn phương án thiết kế  Phương án thiết kế là robot 4 bánh với nguồn ắc quy 12V 40Ah  Các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí cần thiết để robot nhận biết được.   Camera gắn trên robot phải điều chỉnh xoay được các hướng để lấy được các 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 2 chân: RX – chân nhận dữ liệu; TX – chân truyền dữ liệu theo giao thức UART Bên trong Camera sẽ có một mắt thu hình ảnh. Bên trong mắt thu là cảm biến ảnh,cảm biến này sẽ thu lượng ánh sáng về cho mắt thu và đường ánh sáng thu được là tín hiệu tương tự khi về camera sẽ được xử lí thành tín hiệu điện . Từ đó, vi điều khiển sẽ xử lí thành các bit ảnh. Từ các bit ảnh này được ghép thành một hình ảnh. Khi tiến hành chạy video là từ những bức ảnh được ghép bởi những bit ảnh mà ghép lại với nhau theo tốc độ khung hình thì ra được 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 của robot ngồi mơi trường đươc đảm bảo, robot có chức năng thơng báo, quay về trạm sạc khi mức năng lượng thấp. Đề xuất phương án giám sát năng lượng, cần đo được điện áp của nguồn pin, đưa thơng tin cho vi điều khiển trung tâm để thực hiện giám sát năng lượng 31 Phương án đo mức pin: sử dụng mạch cầu phân áp, giá trị đo dưới dạng tín hiệu điện áp đưa vào chân đọc analog của vi điều khiển trung tâm a) Tính tốn Bộ 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 ra lớn nhất tại A0 là 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 được những yêu cầu đặt ra, nhóm đã đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống phần cứng như sau : - Hệ thống truyền động của Robot : Thiết kế Robot chuyển động trên hệ 4 bánh xe, động cơ truyền động gắn với bánh xe để điều khiển Robot - Phần thân Robot : Robot được làm cấu trúc 2 tầng, sử dụng khung làm bằng mica có kích thước đủ để lắp đặt tồn bộ các thiết bị, mơ đun điều khiển, nguồn, … ở tầng 1. Tầng 2 được sử dụng để lắp đặt cánh tay robot gắn camera, kèm theo đó là các mơ đun wifi cho mục đích điều khiển bằng tay khi có vấn đề phát sinh ở trạm biến áp - Bộ điều khiển : Xây dựng bộ điều khiển trên nền tảng các vi điều khiển Arduino Nano và Arduino Uno, là vi điều khiển 8 bit dịng Atmega328 - Hệ thống cảm biến : Cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại - Động cơ truyền động : loại động cơ vàng giảm tốc, Uđm = 6 – 8V - Camera được lắp bên trên cánh tay có thể điều khiển di chuyển lên - xuống, xoay trái – phải giúp dễ dàng chụp được hình ảnh trạm biến áp - Nguồn điện : Sử dụng 3 pin Li-ion 3.7 V 33 Hình 3.1 : Hình ảnh của Robot 34 Chương 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG VÀ TRUYỀN THƠNG DỮ LIỆU 4.1 Giới thiệu Thơng qua chương 3 nhóm đã trình bày chi tiết phương án thiết kế phần cứng của Robot tự hành giám sát trạm biến áp phục vụ cho cơng tác giám sát khơng người trực Qua chương 4, nhóm sẽ tập trung lựa chọn phần mềm lập trình điều khiển, nghiên cứu phương pháp xác định trạng thái hoạt động của thiết bị trong trạm và xây dựng các thuật tốn và chương trình điều khiển phù hợp để Robot có thể di chuyển tự động hoặc điều khiển bằng tay đến tất cả các vị trí mong muốn trong trạm. Ngồi ra, từ các kết quả khảo sát thực tế các u cầu đặt ra, nhóm thực hiện đề tại sẽ nghiên cứu cũng như đề ra phương án thiết kế phần điều khiển, thu thập dữ liệu hình ảnh gửi về trung tâm điều khiển tạo mơi trường tương tác trực quan giữa người vận hành tại trạm và tại trung tâm điều khiển 4.2 Phần mềm lập trình điều khiển Đề  tài  chọn  giải  pháp  thiết kế  bo  mạch  điều  khiển  dựa  trên  2  vi điều  khiển Arduino Nano và Arduino Uno. Vì vậy để lập trình nhóm sử dụng phần mềm Arduino IDE Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và  biên dịch mã vào module Arduino.  Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên  dễ dàng mà ngay cả một người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật cũng có thể  làm được Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy  trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để  gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong mơi trường Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino  Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp  nhận thơng tin dưới dạng mã 35 Mã chính, cịn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file  Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo Mơi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và Trình biên  dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được u cầu và phần sau được sử dụng để biên  dịch và tải mã lên module Arduino Mơi trường này hỗ trợ cả ngơn ngữ C và C ++ Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau  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 sẽ viết chương trình tại khu vực này 36  Thanh Menu: gồm những thẻ chức năng nằm trên cùng như File, Edit, Sketch,  Tools, Help Thư viện Library Manager vơ đa dạng Arduino IDE tích hợp với hơn 700 thư viện, được viết và chia sẻ bởi nhà phát  hành Arduino Software và thành viên trong cộng đồng Arduino. Mọi người có  thể tận dụng chúng cho dự án của riêng mình mà khơng cần phải bỏ ra bất kỳ  chi phí nào 4.3 Giải pháp định vị dẫn đường Để giải quyết bài tốn định vị của Robot tự hình là xác định vị trí và hướng của Robot so với mơi trường làm việc, các thơng tin về vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động chính xác và ổn định do đó định vị cho robot đóng vai trị làm tiền đề để thực hiện các nhiệm vụ tiếp theo. Nhóm đề xuất áp dụng phương pháp dị line trong việc điều khiển Robot thực hiện quỹ đạo chuyển động theo đúng u cầu điều khiển, hạn chế sai số theo thời gian 37 Hình 4.1  Sơ đồ quỹ đạo của nhà máy 4.3.2 Phương pháp dị line Phương pháp dị line dựa trên ngun lý hoạt động của cảm biến dị line Cảm biến dị line hay được biết đến chính xác là cảm biến hồng ngoại hướng  xuống bề mặt di chuyển. Chúng giúp phát hiện bề mặt phản xạ hoặc hấp thụ ánh sáng  ở khoảng cách gần. Chúng thường có mắt hồng ngoại chun thu ánh sáng và mắt  chun phát ánh sáng. Trường hợp mắt phát phát tín hiệu:  Nếu bề mặt phản xạ lại ánh sáng, tín hiệu đó sẽ được mắt thu thu nhận → Từ đó  ta xác định được tín hiệu và đưa ra vùng sáng xác định ( Những bề mặt, vùng  phản xạ gần như phản xạ hết những ánh sáng đi qua nó)  Nếu bề mặt khơng phản xạ lại ánh sáng, khơng có tín hiệu về mắt thu → Từ đó  ta khơng nhận được tín hiệu và xác định được vùng tối ( Những bề mặt, vùng tối hấp thụ gần như hết ánh sáng đi qua nó)  Khoảng làm việc của cảm biến: