Hcmute nghiên cứu thiết kế hệ thống camera quan sát cho robot giám sát đường ống thoát nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CAMERA QUAN SÁT CHO ROBOT GIÁM SÁT ĐƯỜNG ỐNG THOÁT NƯỚC S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2012-47 S KC 0 6 Tp Hồ Chí Minh, 11/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CAMERA QUAN SÁT CHO ROBOT GIÁM SÁT ĐƯỜNG ỐNG THOÁT NƯỚC MÃ SỐ: SV2012-47 THUỘC NHÓM NGÀNH: KỸ THUẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH NGƯỜI CHỦ TRÌ: LÊ QUANG ĐẠO NGƯỜI THAM GIA: NGUYỄN NGỌC AN VŨ NGỌC TUYỂN ĐƠN VỊ: KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TP HỒ CHÍ MINH – 11/2012 Luan van LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, khái niệm Robot từ xuất lần năm 1920 kịch Karel Čapek trở nên quen thuộc đời sống người Trong thời kỳ phát triển ban đầu, phần lớn robot dùng để thay cho người công việc nặng nhọc công nghiệp Tuy nhiên, robot ngày cịn ứng dụng nhiều cơng việc nguy hiểm độc hại khác lọai robot cứu hộ, chữa cháy, quân sự, giám sát đường cống … Một ứng dụng trở nên dần phổ biến phát triển lọai robot nói robot giám sát đường cống (sewer inspection robot) Hiện tình hình ngập lụt vào mùa mưa TP Hồ Chí Minh nói riêng số thị lớn Việt Nam nói chung đặt tóan lớn cho nhà quản lý thị Thực trạng tình hình đọan cống ngầm tình trạng câu hỏi mà nhà quản lý cần phải trả lời để đưa giải pháp phù hợp Để có sở liệu đọan cống ngầm việc sử dụng người gần không thể, đặc biệt đọan cống có đường kính 400-600mm mà đọan cống tương đối nhiều Vì lý nêu trên, nên nhóm định làm đề tài robot giám sát đường cống Phần lớn robot giám sát đường cống sử dụng nước không phù hợp với điều kiện cống Việt Nam, chi phí vận hành bảo trì tương đối cao, với quy mơ đồ án Truyền động thủy khí, nhóm tập trung thiết kế khí cho robot giám sát đường cống nhằm tạo thiết kế khí robot có khả di chuyển dễ dàng đường cống Việt Nam phù hợp để phát triển chức tự động cho robot Thủ Đức, 26/11/2012 Luan van MỤC LỤC Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ trang I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .trang II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC trang III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI .trang Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ trang I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI trang II NỘI DUNG trang Truyền thông chuẩn RS-485 trang Thiết kế mạch điện trang 14 Lập trình điều khiển trang 18 Phần 3: KẾT LUẬN trang 20 Tài liệu tham khảo trang 22 Luan van Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: 1/ Hiện trạng đường cống Việt Nam Hiện nay, tình hình thị hóa diễn nhanh, kênh rạch vùng trũng bị san lấp dành cho xây dựng đô thị, quy hoạch tiêu nước khơng theo kịp với tốc độ phát triển thành phố, vấn đề ngập úng toán xúc nan giải thành phố Thống kê Bộ Xây dựng cho thấy: Hệ thống nước thị Việt Nam bị xuống cấp nghiêm trọng, đáp ứng 60% nhu cầu nước Tình trạng úng ngập thường xuyên xảy thời gian dài, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đời sống nhân dân Hầu hết hệ thống thoát nước đô thị Việt Nam xây dựng từ nhiều năm trước, không tu, bảo dưỡng thường xuyên Bên cạnh đó, ý thức người dân việc đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước xây dựng cơng trình chưa trọng, chí nhiều cơng trình xây dựng lấn chiếm đất cơng xây đè lên hệ thống nước, gây hư hỏng Hình 1: Tình trạng ngập lụt vào mùa mưa Với thực trạng trên, năm gần nhà quy họach quản lý có nhiều kế hoạch lắp đặt xây nhiều đoạn cống Tuy nhiên, năm vừa năm Luan van nay, loạt vụ hố tử thần xảy nhiều tuyến đường Sài Gịn nói riêng nhiều nơi nói chung Các kết điều tra cho thấy vụ hố tử thần có liên quan đến chất lượng thi cơng đường cống phía bên Vậy có tỷ lệ không nhỏ đường cống ngầm Việt Nam tình trạng cũ kỹ, xuống cấp chất lượng thi cơng khơng đảm bảo Hình 2: Một tai nạn hố tử thần gây 2/ Ý nghĩa đề tài Với tình trạng đường cống ngầm nêu trên, việc nhà quản lý nắm bắt thực trạng đường cống mà quản lý vấn đề vơ cần thiết Nhu cầu đó, đặt vấn đề làm để giám sát đường cống ngầm Theo thống kê, 80% đường ống có đường kính nhỏ 80 cm, người khó có khả thâm nhập vào Hơn nữa, điều kiện môi trường bên đường cống vô khắc nghiệt sức khỏe người Từ đó, nhu cầu tạo thiết bị thay người cơng tác thu thập liệu lịng cống trở nên vơ quan trọng Luan van II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC Khái niệm robot giám sát đường cống (sewer inspection robot) khơng cịn điều qúa xa lạ giới Các robot giám sát đường cống giới xuất phát triển từ thập niên trở lại Tuy nhiên Việt Nam, robot giám sát đường cống vấn đề tương đối mẻ Một cơng trình nghiên cứu Đức robot KARO tài trợ Bộ Giáo Dục Nghiên Cứu Liên Bang Đức (Federal Ministry of Education and Research-BMBF) Hình 3: KARO phịng thí nghiệm Các nhà khoa học Nhật Bản có nghiên cứu vấn đề đưa mẫu thiết kế riêng Đó robot có cấu tạo độc đáo KANTARO Hình 4: Ảnh thực tế KANTARO Luan van Robot giám sát đường cống gần có mặt Việt Nam vào năm 2003 robot khảo sát đường ống cơng ty TNHH thành viên nước thị TP Hồ Chí Minh Robot trang bị camera riêng biệt: camera quay ngang quay nghiêng, camerra quay ngang, nghiêng phóng đại + Camerra quay 315o cho phép quay ngang học 280o 313o quang + Camerra quay 360o cho phép quay học 285o với phép quay ngang học 331o Hình 3: Robot giám sát đường cống cơng ty cấp nước TP HCM Vào năm 2003,Cty Cấp Thoát Nước Hải Phòng lần ứng dụng robot vào khảo sát đường ống thực dự án khảo sát ̣ thố ng thoát nước của Hải Phòng, thực hiê ̣n bằ ng vố n vay của Ngân Hàng Thế Giới (World Bank) Đơn vi ̣trực tiế p thi công là công ty PER AARSLEFF (PAA) của Đan Ma ̣ch, công nghê ̣ đươ ̣c ứng du ̣ng là CCTV (Closed Circuit Television) Luan van Hình 4: Robot có tên triton chuẩn bị khảo sát đường ống Hải Phịng III NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI Các robot làm việc hiệu quả, đại Tuy nhiên chúng robot sản xuất cơng ty nước ngồi với giá đắt (vd: tỷ đồng cho robot công ty Cấp thoát nước TP HCM) Hơn nữa, việc sử dụng hệ thống phụ thuộc vào công ty nước ngồi, ví dụ robot cơng ty cấp nước TP HCM lần hư hỏng phải đưa nước ngồi sữa chữa Vì thế, số lượng robot dùng vào công tác giám sát đường cống (cả thành phố Sài Gịn có hệ thống) suất giám sát thấp Các thiết kế robot nước xây dựng dựa điều kiện đường cống nước họ, khơng phù hợp với điều kiện thực tế ta Luan van Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Từ nhu cầu thực tế công tác giám sát đường cống, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật nghiên cứu chế tạo robot giám sát đường cống Robot có khả di chuyển đường cống có kích thước 300-600mm, trang bị camera CCD để quan sát ghi hình lịng cống Giám sát Trung tâm điều khiển Lỗ người chui Ống nước thải Robot Hình 5: Hệ thống robot giám sát đường cống Hình 6: Robot giám sát đường cống ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM Robot trang bị hai động 24V-50W, truyền động xích cho hai bánh xe hai bên giúp robot di chuyển Camera 1/3" SONY Color CCD trang bị led hồng ngoại giúp camera quan sát điều kiện thiếu ánh sáng lòng cống Hệ thống Luan van pan-tilt gồm hai trục xoay nối tiếp giúp camera quay hướng quan sát vị trí lịng cống Chiều pan 360o, Chiều tilt 120o Ngồi ra, cịn có hệ thống nâng hạ giúp thay đổi chiều cao camera tùy vào kích cỡ cống khác Nội dung đề tài thiết kế chế tạo điều khiển cho robot II NỘI DUNG II.1 TRUYỀN THÔNG VÀ CHUẨN RS-485 a/ Một số khái niệm Truyền song song nối tiếp:   Truyền song song: bit liệu truyền đồng thời Chỉ dùng khoảng cách ngắn đòi hỏi tốc độ truyền nhận cao VD: bus nội máy tính Truyền nối tiếp: bit liệu truyền bit Hình 7: Truyền thơng nối tiếp truyền thông song song Truyền đơn công, song công, bán song công:    Truyền đơn cơng (simplex): thiết bị mạng thiết bị gửi thiết bị nhận Truyền song công (full-duplex): thiết bị mạng vừa thiết bị gửi thiết bị nhận Truyền bán song công (half-duplex): thiết bị mạng vừa thiết bị gửi vừa thiết bị nhận thời điểm thiết bị gửi thiết bị nhận Luan van Hình 8: Truyền nhận đơn công, song công bán công Một số loại cáp dùng truyền nhận liệu:    Cáp xoắn đôi (twisted pair cable) gồm nhiều cặp dây đồng xoắn lại với nhằm chống phát xạ nhiễu điện từ Do giá thành thấp nên cáp xoắn dùng rộng rãi Cáp đồng trục (coaxial cable): loại cáp điện với lõi dẫn điện bọc lại lớp điện môi không dẫn điện, chung quanh quấn thêm lớp bện kim loại, lại có vỏ bọc cách điện Từ đồng trục đến từ việc tất lớp cáp dùng chung trục hình học Cáp đồng trục nhà toán học kỹ sư người Anh Oliver Heaviside phát minh năm 1880 Cáp quang (optical fibre): dài, mỏng thành phần thủy tinh suốt đường kính sợi tóc Chúng xếp bó gọi cáp quang sử dụng để truyền tín hiệu khoảng cách xa Khơng giống cáp đồng truyền tín hiệu điện, cáp quang bị nhiễu, tốc độ cao (đây tốc độ truyền liệu, phân biệt với tốc độ tín hiệu) truyền xa Hình 9: Một số loại cáp dùng truyền thông công nghiệp 10 Luan van Giao thức: thực tế sống, giao tiếp người đặt ngôn ngữ để truyền đạt thông tin đảm bảo người có hiểu thơng tin mà người khác truyền đạt Tương tự truyền thông cơng nghiệp thiết bị truyền nhận tín hiệu cần tuân thủ quy tắc, thủ tục định để hiểu Việc tuân thủ quy tắc, thủ tục gọi giao thức b/Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Giao thức UART giao thức truyền nhận nối tiếp không đồng Nghĩa tín hiệu truyền bit khơng có tín hiệu riêng phục vụ việc đồng hóa truyền nhận liệu hai thiết bị Dựa vào bit start thời gian truyền nhận đặt trước (baud rate) bên thu tự điều chỉnh để đồng với bên gửi Khung truyền giao thức UART: Một byte gửi bắt đầu bit start mức thấp, sau bit liệu (ở bit ứng với byte), parity bit cuối bit stop mức cao Ở trạng thái nghỉ, cáp truyền liệu trạng thái mức cao Điều xuất phát từ truyền thống từ thời điện tín (telegraphy), khơng truyền liệu dây trạng thái mức cao để báo đường dây ko bị đứt Hình 10: Khung truyền giao thức UART UART thường dùng để giao tiếp thiết bị ngoại vi với máy tính thơng qua cổng truyền thơng nối tiếp máy tính (COM) Hiện nay, giao thức UART tích hợp rộng rãi vào vi điều khiển ví dụ họ PIC16F Vì giao thức truyền thơng thơng dụng, tích hợp rộng rãi vi điều khiển việc điều khiển thiết bị thơng qua máy tính tương đối thuận lợi c/ Chuẩn giao tiếp RS-232 RS-485 c.1/Chuẩn RS-232 RS-232 chuẩn giao tiếp phổ biến máy tính với thiết bị ngoại vi bên ngồi Các máy tính cá nhân thường có hai cổng theo chuẩn RS-232 (cổng COM), muốn có nhiều cổng COM ta dùng card mở rộng Truyền thông liệu qua RS-232 thông qua dây: TX, RX, GND Sự truyền nhận iệu độc lập với thông qua hai chân riêng biệt, TX dành cho truyền RX dành cho nhận Chuẩn RS-232 định nghĩa mức điện áp tương ứng với mức logic mức logic sau Các mức điện áp -3-15 Volts tương ứng với mức logic 1, 315 Volts tương ứng với 11 Luan van mức logic Mức điện áp -33 Volts không hợp lệ Chuẩn RS-232 định mức điện áp cực đại dùng lên đến 25 Volts Bởi mức điện áp chuẩn RS-232 lớn nhiều so với mức điện áp thiết bị vi điều khiển IC số (sử dụng mức logic theo chuẩn TTL  V) việc giao tiếp đòi hỏi phải có thiết bị chuyển đổi mức tín hiệu Để thực việc chuyển đổi mức điện áp IC MAX232 sử dụng tương đối phổ biến Hình 11: So sánh mức điện áp chuẩn TTL chuẩn RS-232 Qua đặc điểm ta thấy việc kết hợp giao thức UART chuẩn truyền thông RS-232 phù hợp để điều khiển robot thơng qua máy tính Tuy nhiên, chuẩn RS232 có nhược điềm chiều dài đường truyền ngắn Chuẩn RS-232 có đề cập đến tầm xa đường truyền 50 feet (~15m) ứng với điện dung ký sinh đường dây 2500 pF robot cần có tầm hoạt động khoảng từ 50150m c.2/Chuẩn RS-485 RS-485 chuẩn truyền thông nối tiếp bán song công (half –duplex) theo phương thức vi sai Nghĩa mức logic so sánh điện áp hai dây truyền dẫn với nhau, khác với chuẩn RS-232 điện áp dây tín hiệu so với dây mass chung Nhờ truyền theo phương thức vi sai tầm truyền chuẩn RS-485 xa, có sụt áp đường truyền sụt áp xảy cho hai dây, cịn ta đọc tín hiệu đọc điện áp hai dây Nếu Vab > 200mV ta coi logic truyền Vab < -200mV logic đươc truyền Chuẩn RS-485 truyền liệu xa tới 4000 feet (~1200m) với tốc độ lên đến 100 kbps 12 Luan van Hình 12: Truyền nhận byte theo giao thức UART chuẩn RS-485 Cơng nghệ truyền RS-485 dể xử lý Lắp đặt cáp xoắn kép (Twisted Pair cable) không cần kiến thức chuyên gia Kiến trúc Bus cho phép thêm lấy trạm mà không làm ảnh hưởng đến trạm khác Những mở rộng sau không làm ảnh hưởng đến trạm hoạt động Một đặc điểm quan trọng chuẩn RS-485 kết nối đến 32 thiết bị cấu trúc bus nên tạo thành mạng cục Để có khả vậy, ngõ thiết bị RS-485 có trạng thái Các trạm trạng thái không hoạt động trạng thái tổng trở cao để ko ảnh hưởng đến trạm hoạt động Hình 13: Cấu trúc mạng RS-485 theo cấu trúc bus Từ đặc điểm nêu trên, ta thấy chuẩn RS-485 có khả truyền tải tín hiệu xa, hỗ trợ nhiều thiết bị bus, dễ lắp đặt, bảo trì dùng dây dẫn Việc sử dụng chuẩn RS-485 theo giao thức UART để điều khiển robot giám sát đường cống máy tính cho thấy nhiều ưu điểm giải nhược điểm chuẩn RS-232 13 Luan van II.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN a/ Tổng quan Hệ thống robot gồm trung tâm điều khiển mặt đất robot di chuyển bên đường cống Trung tâm điều khiển máy vi tính nơi giao tiếp người vận hành hệ thống Robot di chuyển bên đường cống ghi hình qua camera gửi cho trung tâm điều khiển thơng số robot Vậy đề người vận hành điều khiển robot giám sát hoạt động nó, cần phải có truyền thơng lệnh điều khiển thơng số trung tâm (máy vi tính) robot (các vi điều khiển) Như phân tích chương trên, truyền thông theo giao thức UART theo chuẩn RS485 phương pháp phù hợp để truyền thông robot trung tâm điều khiển Hình 14: Sơ đồ hệ thống điều khiển Robot giám sát đường cống Hệ thống dùng vi điều khiển để điều khiển động cho robot thông qua lệnh từ máy tính gửi qua mạng RS-485 14 Luan van b/ Vi mạch MAX485 Như biết, tín hiệu truyền thơng theo giao thức UART vi điều khiển theo chuẩn TTL truyền thông theo phương thức song công (full-duplex) Cịn chuẩn RS-485 phương thức truyền thơng bán song cơng (half-duplex) Cho nên cần có thiết bị chuyển đổi dạng tín hiệu UART vi điều khiển thành chuẩn RS-485 IC MAX485 IC thông dụng dành cho chức Hình 15: Sơ đồ hoạt động IC MAX485 Dựa vào sơ đồ trên, ta kết nối IC MAX 485 với vi điều khiển hình 16 chân Chân RO MAX 485 nối với chân RX vi điều khiển Chân DI nối vào chân TX hai chân RE DE nối vào chân I/O vi điều khiển đề điều khiển hướng truyền nhận 15 Luan van Hình 16: Kết nối vi điều khiển PIC16F628A MAX 485 Khi chân dir control mức thấp, tín hiệu từ dây A/B theo chuẩn RS-485 chuyển thành tín hiệu UART vào chân RO Ngược lại, chân dir control mức cao, tín hiệu UART từ chân DI chuyển thành tín hiệu RS-485 hai chân A/B Vì vi điều khiển hệ thống đóng vai trị slave trạng thái bình thường chân dir control ln mức thấp để nhận tín hiệu từ máy tính chuyển lên mức cao gửi liệu sau trở mức thấp c/ Vi điều khiển PIC16F628A Vi điều khiển PIC16F628A vi điều khiển thuộc họ PIC16 hãng Microchip Đặc điểm PIC16F628A kích thước nhỏ, chân hỗ trợ gần đầy đủ chức họ vi điều khiển PIC16 I/O, TIMER, ADC, PWM, giao thức UART 16 Luan van Hình 17: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F628A Hình 18: Cấu trúc hệ thống điều khiển (phần robot) 17 Luan van II.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN a/ Lập trình Window Form ngôn ngữ Visual C++ Window Form hình giao diện giúp người vận hành giao tiếp điều khiển thiết bị Hình 19: Màn hình giao diện Màn hình Window form thiết kế nút để điều khiển robot tiến lùi với nhiều cấp tốc độ (7 cấp) điều khiển hai động xoay camera b/ Mã hóa lệnh gửi từ máy tính Bởi có đến vi điều khiển hệ thống khung liệu truyền cần phải gửi địa điểm đến lệnh để vi điều khiển biết lệnh có phải gửi cho hay khơng Việc mã hóa địa vi điều khiển cần bit Động di chuyển robot phân thành cấp tốc độ thêm với trạng thái dừng có cấp tốc độ nên dùng bit để mã hóa tốc độ mà máy tính yêu cầu Vi điều khiển cần biết động di chuyển theo hướng nào, ta cần bit để xác định hướng Vậy có bit để gửi địa chỉ, bit để gửi tốc độ 1bit gửi hướng Tổng cộng cần gửi khung liệu bit cho lệnh byte đủ để mã hóa lệnh 18 Luan van Hình 20: Khung truyền lệnh Việc mã hóa liệu gửi thực câu lệnh sau: Char data = address * 2^4 + speed *2 + dir; COM->WriteLine(Char::ToString(data)); c/ Giải mã lệnh mà máy tính gửi xuống Sau nhận byte liệu bên chương trình vi điều khiển xảy ngắt hàm ngắt sữ kiện phải tiến hành giải mã lệnh máy tính thực lệnh Mục đích việc giải mã lấy thông tin địa (address), tốc độ (speed) hướng (dir) char data, address, speed, dir; address = data>>4; speed = (data%(2^4))/2; data = data