(TIỂU LUẬN) THIẾT kế ROBOT tự HÀNH điều KHIỂN XA PHỤC vụ CÔNG tác GIÁM sát vận HÀNH TRẠM BIẾN áp 110KV KHÔNG NGƯỜI TRỰC, ỨNG DỤNG tại CÔNG TY điện lực THỪA THIÊN HUẾ

2022 HUỲNH QUỐC HÙNG THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH ĐIỀU KHIỂN XA PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM BI ẾN ÁP 110KV KNT, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CAPSTONE PROJECT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH ĐIỀU KHIỂN XA PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM BIẾN ÁP 110KV KHÔNG NGƯỜI TRỰC, ỨNG DỤNG TẠI CÔNG TY ĐIỆN LỰC THỪA THIÊN HUẾ Người hướng dẫn Sinh viên thực Số thẻ sinh viên Lớp : PSG.TS LÊ TIẾN DŨNG KS CAO HUY ĐỖ : HUỲNH QUỐC HÙNG : 105170348 : 17TDH2 Đà Nẵng, 03/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CAPSTONE PROJECT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH ĐIỀU KHIỂN XA PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIÁM SÁT VẬN HÀNH TRẠM BIẾN ÁP 110KV KHÔNG NGƯỜI TRỰC, ỨNG DỤNG TẠI CÔNG TY ĐIỆN LỰC THỪA THIÊN HUẾ Người hướng dẫn Nhóm sinh viên thực : PSG.TS LÊ TIẾN DŨNG KS CAO HUY ĐỖ : PHẠM VĂN PHÚ NGUYỄN THIỆN TÂN HUỲNH QUỐC HÙNG Đà Nẵng, 03/2022 TÓM TẮT Tên đề tài: “Thiết kế robot tự hành điều khiển xa phục vụ công tác giám sát vận hành trạm biến áp 110kV không người trực, ứng dụng Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế” Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Số thẻ SV: 105170348 Lớp: 17TDH2 Hiện nhu cầu sử dụng điện để đáp ứng phát triển kinh tế phục vụ đời sống ngày tăng Để góp phần giảm thiểu thiệt hại lớn kinh tế điện, việc kiểm tra thường xuyên thiết bị đường dây trạm biến áp nhằm phát nguy sớm để lên kế hoạch bảo trì vơ quan trọng Đây u cầu thiết yếu hệ thống điện đại lưới điện thơng minh Sự an tồn hoạt động ổn định thiết bị trạm biến áp đóng vai trị quan trọng tồn hệ thống điện Các phương án giám sát phổ biến có vài nhược điểm sau: địi hỏi nhiều nhân lực (các trạm bán tự động), chi phí lắp đặt cao tính linh hoạt thiết bị giám sát không cao (các trạm không người trực sử dụng camera giám sát cố định trượt ray) Như vậy, để khắc phục nhược điểm phân tích trên, nhóm sinh viên đề xuất phương án sử dụng Robot tự hành để giám sát, quan sát trạng thái thiết bị thu thập số liệu Robot có khả di chuyển tự linh hoạt từ mở rộng phạm vi giám sát Ngồi ra, Robot cần tích hợp thêm số chức phát âm bất thường từ thiết bị, cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, khả tương tác, điều khiển tay từ trung tâm điều khiển, … Trên cở sở đề xuất, sinh viên thực xây dựng mơ hình Mobile Robot mang camera giám sát thu thập liệu, đưa cảnh báo cho thiết bị trạm biến áp, lưu trữ truy xuất liệu giám sát robot Kiểm nghiệm khả hoạt động thực tế, đánh giá tính hiệu đề tài ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Tên đề tài đồ án: Thiết kế Robot tự hành điều khiển xa phục vụ công tác giám sát vận hành trạm biến áp 110kV không người trực, ứng dụng Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Thông số robot - Bản vẽ mặt TBA - Các thông số TBA Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT b Phần riêng: TT Các vẽ, đồ thị (ghi rõ loại kích thước vẽ): a Phần chung: TT b Phần riêng: TT Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 20/09/2021 Ngày hồn thành đồ án: Trưởng Bộ mơn Tự động hóa TS Giáp Quang Huy LỜI NĨI ĐẦU Trong suốt trình học tập Trường Đại Học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, chúng em thầy giáo tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt trình học tập nghiên cứu trình thực đề tài Với lòng biết ơn sâu sắc, nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Riêng với đồ án tốt nghiệp chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy PGS.TS Lê Tiến Dũng, giảng viên hướng dẫn nhóm, tận tình bảo tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng em suốt q trình làm đồ án Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến anh Cao Huy Đỗ Công ty Điện Lực Thừa Thiên Huế tạo điều kiện thuận lợi, hướng dẫn tận tình để nhóm tiếp cận thực tế làm việc cơng ty Trong q trình thực hiện, nghiên cứu đề tài nhóm tổng hợp viết thành báo trình bày 02 hội nghị: “Hội nghị sinh viên NCKH Student Forum 2021” “Hội nghị Sinh viên NCKH Khoa Điện năm học 2021-2022” Chúng em cố gắng để hoàn thiện đề tài cách tốt có thể, xong khơng thể tránh khỏi thiếu sót lượng kiến thức kinh nghiệm làm việc thực tế hạn chế Rất mong nhận bảo góp ý thầy cô anh kỹ sư cơng ty để hồn thiện đồ án cách tốt SINH VIÊN THỰC HIỆN HUỲNH QUỐC HÙNG i CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đề tài: “Thiết kế Robot tự hành điều khiển xa phục vụ công tác giám sát vận hành trạm biến áp 110kV không người trực, ứng dụng Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế” kết trình nghiên cứu thực hướng dẫn Thầy PGS TS Lê Tiến Dũng anh Cao Huy Đỗ Nội dung lý thuyết có sử dụng số tài liệu tham khảo trích dẫn nguồn, thích rõ ràng trình bày phần tài liệu tham khảo Ngồi khơng có chép người khác Các số liệu, chương trình phần mềm mơ kết trình bày báo cáo hồn tồn trung thực Nhóm xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước môn, khoa nhà trường cam đoan SINH VIÊN THỰC HIỆN HUỲNH QUỐC HÙNG ii Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực Hình 4.7 Mơ hình điều khiển thu thập liệu Robot Hoạt động việc truyền nhận liệu diễn sau: - Khi nhận thao tác di chuyển giao diện webserver hình máy tính tay cầm điều khiển trung tâm điều khiển, thơng qua kênh truyền camera có sẵn từ trung tâm điều khiển đến phòng điều khiển trạm Tại máy tính server đặt trạm nhận lệnh điều khiển, xử lý gửi đến Robot, nhận lệnh điều khiển nhận liệu từ ngoại vi bo mạch điều khiển STM32 xử lý thông qua thuật toán thiết lập trước để đưa lệnh điều khiển phát xung điều khiển động quay để Robot di chuyển theo hướng người điều khiển mong muốn - Dữ liệu hình ảnh thiết bị, thông số từ cảm biến đo từ robot gửi đến máy tính Robot Control Server đặt trạm biến áp Dữ liệu xử lý lưu trữ máy tính Thực xây dựng 01 webserver máy tính để hiển thị liệu, tích hợp nút điều khiển webserver Tại Trung tâm điều khiển thông qua kênh truyền thiết lập sẵn, máy tính giám sát truy cập vào webserver máy tính Robot Control Server để giám sát liệu từ xa Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 46 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực 4.4.2 Xây dựng đường truyền liệu, tín hiệu điều khiển Từ mơ hình điều khiển thu thập liệu hình 4-8 ta tiến hành xây dựng chi tiết giao thức truyền thông Đối với việc truyền nhận liệu, mạch điều khiển thiết kế để kết nối tất thiết bị ngoại vi Robot, bao gồm phần điều khiển nguồn cấp cho Robot Việc truyền nhận liệu vi điều khiển STM32 với thiết bị ngoại vi có Robot thơng qua giao tiếp UART liệu đo từ cảm biến tiệm cận vị trí đo module GPS, liệu từ module cảm biến 10DOF (Gia tốc kế, Con quay hồi chuyển, La bàn điện tử, Áp suất) thông qua giao tiếp I2C liệu yêu cầu từ máy chủ server qua cổng Ethernet kết nối thông qua giao thức TCP/IP để vi điều khiển tính tốn xử lý thơng qua thuật tốn lập trình để tính tốn phát xung PWM cho driver điều khiển động chạy đến vị trí mong muốn Hình 4.8 Giao tiếp vi điều khiển thiết bị ngoại vi Tín hiệu hình ảnh từ camera tín hiệu điều khiển đến board mạch điều khiển STM32 truyền thông không dây mạng Wireless LAN từ Router wifi đặt Robot với chế độ WISP (thiết lập mạng không dây bảo mật từ modem ISP) đến modem wifi cấu hình lớp mạng VLAN hệ thống Camera giám sát trạm Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 47 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực Robot kết nối với trung tâm điều khiển qua kênh truyền có sẵn sử dụng giao thức truyền thông TCP/IP để điều khiển robot xem trực tiếp hình ảnh từ liệu Camera gửi thơng qua giao diện webserver máy tính Robot Control Server đặt trạm biến áp 4.5 KẾT LUẬN Trên sở phân tích ưu nhược điểm giải pháp định vị dẫn đường có, nhóm đề xuất sử dụng hệ thống định vị tích hợp GPS/INS để định vị dẫn đường cho robot Đồng thời chương trình bày mơ hình điều khiển thu thập liệu, thiết kế giải pháp truyền thông robot Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 48 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV khơng người trực MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM 5.1 KIỂM NGHIỆM ĐỘNG HỌC Để kiểm nghiệm lại phương trình động học robot xây dựng chương 2, chương xây dựng mơ hình mơ kiểm nghiệm động học cho robot sử dụng phần mềm SolidWorks kết hợp với Matlab Simulink Robot mô chuyển động theo nhiều quỹ đạo khác từ đưa nhận xét 5.1.1 Mơ hình mơ kiểm nghiệm Hình 5.1 Sơ đồ khối mơ hình kiểm nghiệm động học Sơ đồ bao gồm khối chức năng: o Khối quỹ đạo chuyển động (1): Thành lập quỹ đạo mong muốn hệ tọa độ Descartes o Khối mơ hình động học (2): Từ quỹ đạo có, sử dụng phương trình động học xây dựng chương tính tốn giá trị đặt (bài tốn động học thuận) o Khối Robot Model (3): Mơ hình khí xây dựng dựa phần mềm SolidWorks sau kết hợp với cơng cụ SimMechanics phần mềm Matlab Thiết bị truyền động robot (động cơ) nhận tín hiệu tính tốn thực truyền động cho robot hoạt động theo quỹ đạo mong đợi o Mơ hình động học (6): Từ chuyển động thực tế thông qua phương trình động học ngược xác định giá trị thực robot o Khối quỹ đạo thực (5): hiển thị đồ thị biểu diễn giá trị vị trí tính tốn từ khối mơ hình động học hệ tọa độ Descartes Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 49 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực So sánh hai quỹ đạo chuyển động thơng số để đánh giá kết tính tốn động học xây dựng Từ sơ đồ hình 5.1, tiến hành xây dựng mơ hình kiểm nghiệm động học robot phần mềm Matlab hình 5.2 để đánh giá trình hoạt động robot Chi tiết khối thể phần phụ lục Hình 5.2 Mơ hình mơ động học Simulink 5.1.2 Kết mơ Phương trình xác định tín hiệu đặt dựa theo phương trình 3.14: = ( ̇ = ≥ - Chuyển động thằng: o Giá trị đặt vl = vr = m/s o Vị trí ban đầu robot: (x0; y0) = (0;0) o Hướng: θ = o Thời gian mô t = 10s Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 50 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực Kết quỹ đạo chuyển động: Hình 5.3 Kết mơ chuyển động thẳng Kết giá trị vị trí hướng: Hình 5.4 Kết mô quỹ đạo thẳng vị trí hướng Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 51 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực Kết đáp ứng vận tốc robot: Hình 5.5 Kết đáp ứng vận tốc robot - Chuyển động quỹ đạo hình trịn: Trong mơ kiểm nghiệm này, robot thiết lập chuyển động theo quỹ đạo đường trịn hình 5.3: Hình 5.6 Quỹ đạo mong muốn o Bán kính đường trịn R = o Dựa vào phương trình 3.14 cho vl = m/s, ta tính vr = 517 483 m/s o Vị trí ban đầu robot: (x0; y0) = (0;0) o Hướng: θ = o Thời gian mô t = 30s Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 52 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực Kết mơ quỹ đạo chuyển động thu được: Hình 5.7 Kết mơ quỹ đạo trịn - Kết giá trị hướng vị trí: Hình 5.8 Kết mơ giá trị vị trí hướng Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 53 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV khơng người trực Hình 5.9 Đáp ứng vận tốc hệ thống Nhận xét: - Trong hai trường hợp quỹ đạo chuyển động khác ta nhận thấy mơ hình robot xây dựng đáp ứng yêu cầu chuyển động, với tín hiệu vận tốc đặt khác robot chuyển động với vận tốc bám theo giá trị đặt - Kết tính tốn quỹ đạo chuyển động robot thơng qua phương trình động học (hiển thị đồ thị hình 5.4) với quỹ đạo mong muốn - Như phương trình động học ngược tính tốn giá trị điều khiển động robot phương trình tính tốn động học thuận xác định vị trí robot xây dựng xác 5.2 KẾT LUẬN Trên sở mơ hình động học xây dựng chương 3, nhóm tiến hành xây dựng mơ hình mơ sử dụng phần mềm Matlab SolidWoks Thông qua kết mô cho thấy phương trình động học xây dựng xác Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 54 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực KẾT LUẬN CHUNG KẾT LUẬN Nhằm đáp yêu cầu thiết yếu hệ thống điện đại lưới điện thông minh, an toàn hoạt động ổn định thiết bị trạm biến áp, nhóm đề xuất phương án sử dụng robot tự hành để giám sát, quan sát trạng thái thiết bị thu thập số liệu giải pháp hợp lý cho trạm biến áp KNT Nhóm em nghiên cứu, thiết kế mơ hình robot tự hành phục vụ cơng tác giám sát phục vụ mục tiêu tự động hóa trạm biến áp không người trực Thông qua nghiên cứu robot trạm biến áp giới, thực tế trạm biến áp 110kV Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế quản lý KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ✓ Thiết kế mơ hình robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV KNT ✓ Xây dựng giải pháp truyền nhận liệu, định vị dẫn đường cho robot ✓ Mô kiểm nghiệm động học cho robot HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để tiếp tục hồn thiện đưa mơ hình robot vào vận hành thực tế giúp nâng cao mức độ tự động hóa trạm biến áp giám sát tốt hơn, nhóm đề xuất hướng phát triển để tài sau: o Tiến hành lập trình thuật tốn, kiểm nghiệm mơ hình thực tế o Tiến hành thực nghiệm đánh giá hiệu sử dụng o Xây dựng thêm thuật toán cảnh báo pin yếu tự động trở trạm sạc o Ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh vào chuẩn đốn lỗi thiết bị Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 55 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] "Komoda, K., Yamagishi, T., Murai, T., & Sugimoto, K (1988) Development of substation patrol robot, overhead distribution line works manipulator and underground cable conduit monitor robot Robot, 64, 65-73." [2] “Nghiên cứu, chế tạo Robot giám sát phục vụ mục tiêu tự động hóa trạm biến áp không người trực” – TS Nguyễn Hữu Hiếu, TS Giáp Quang Huy, TS Trương Thị Bích Thanh, TS Hồ Phước Tiến, Th.S Phạm Văn Kiên, KS Trần Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học Bách" [3] Đ Sơn, "Các giải pháp tự động hóa trạm biến áp 110kV Phú Bài," Luận văn Thạc Sĩ, 2019 [4] S G Tzafestas, "Introduction to Mobile Robot Control," in First Edition, 2014, pp 45-109 [5] Trần Đức Tân, Huỳnh Hữu Tuệ, Đại học Công Nghệ - ĐHQG HN, "Định vị dẫn đường kỷ 21," 2013 Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 56 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực PHỤ LỤC CÁC KHỐI CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Khối điều khiển nguồn cấp - Mạch giao tiếp Camera Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực - Khối mạch giao tiếp cảm biến Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực - Khối điều khiển động CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MATLAB SIMULINK - Robot Model: Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng KS Cao Huy Đỗ 59 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực - Cơ cấu truyền động (2 bánh xe): - Kinematics Model: - Mô hình Mechanics robot: Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng ... NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Tên đề tài đồ án: Thiết kế Robot tự hành điều khiển xa phục vụ công tác giám sát vận hành trạm biến áp 110kV không người trực, ứng dụng Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế. .. TÓM TẮT Tên đề tài: ? ?Thiết kế robot tự hành điều khiển xa phục vụ công tác giám sát vận hành trạm biến áp 110kV không người trực, ứng dụng Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế? ?? Sinh viên thực hiện:... Dũng KS Cao Huy Đỗ 18 Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT TỰ HÀNH PHỤC VỤ GIÁM SÁT TRẠM BIẾN ÁP 110KV 3.1 GIỚI THIỆU