Tổng quan về tiêu chuẩn kiểm định bình chữa cháy
Đám cháy thử
Tiêu chuẩn TCVN 7026-2013 và TCVN 7027-2013 đề xuất đám cháy thử loại A, loại B, loại C, loại D, và loại F Mỗi loại đám cháy thử sẽ có cấu trúc thử và nhiên liệu thử khác nhau tùy thuộc vào loại đám cháy mà chúng đặc trưng cho Ví dụ, đám cháy thử loại A đặc trưng cho các chất rắn dễ cháy có cấu trúc thử gồm có một cũi làm bằng các thanh gỗ vuông với kích thước 𝑤 × ℎ × ℎ, được sắp xếp thích hợp theo quy định, và một khay mồi cháy được đặt dưới cũi gỗ như Hình 1-1b; đám cháy thử loại B đặc trưng cho các chất lỏng dễ cháy như xăng dầu, có cấu trúc thử là một khay hình trụ bằng thép lá hàn với kích thước ℎ × 𝐷 theo quy định và sử dụng hydrocacbon béo làm nhiên liệu thử như Hình 1-2b; tương tự cho đám cháy thử loại C, D và F
Công suất được ghi trên nhãn bình chữa cháy được xác định bằng đặc tính và kích thước của đám cháy thử lớn nhất mà bình chữa cháy đó có khả năng dập tắt Ví dụ, bình MFZL8-ABC có công suất 4A khi phun hết chất chữa cháy trong bình sẽ dập tắt được đám cháy thử loại A có kích thước lớn hơn là đám cháy thử loại A mà bình MFZL4- ABC với công suất 2A có thể dập tắt
Các đám cháy thử được xem như là đã được dập tắt khi:
- Loại A: tất cả các ngọn lửa được dập tắt, không còn nhìn thấy ngọn lửa nào sau
10 phút khi bình chữa cháy đã phun hết Sự tồn tại của các ngọn lửa nhỏ còn sót lại trong khoảng 10 phút được bỏ qua Ngọn lửa nhỏ còn sót lại được định nghĩa là ngọn lửa có chiều cao nhỏ hơn 50 𝑚𝑚 và kéo dài trong khoảng thời gian ít hơn 1 phút Không được chạm vào cũi gỗ trong quá trình chữa cháy, nếu cũi loại A đỗ xuống trong quá trình thử thì việc kiểm định không có hiệu lực
- Loại B, C, D: tất cả các ngọn lửa được dập tắt và ở điểm nào đó trong khay vẫn còn tồn tại lượng heltan có chiều sâu nhỏ nhất là 5 𝑚𝑚
- Loại F: tất cả các ngọn lựa được dập tắt hoàn toàn, không được có sự bùng cháy lại của dầu thực vật sau 20 phút khi bình chữa cháy phun hoặc khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ tự bốc cháy ít nhất là 35 𝑜 𝐶
Kích thước đám cháy thử loại A và B theo TCVN 7026-2013 như Bảng 1-1 và Bảng 1-2 Kích thước đám cháy thử loại C, D, và F tham khảo trong TCVN 7026-2013
Bảng 1-1: Kích thước các đám cháy thử loại A Đám cháy
Bảng 1-2: Kích thước các đám cháy thử loại B Đám cháy
Các loại bình chữa cháy và các bước sử dụng bình chữa cháy
Một số hãng bình chữa cháy được sử dụng phổ biến, mà cụ thể ở đây là ở thị trường Việt Nam như Yamato Protec, Multron, , với các loại và công suất khác nhau ứng với các đám cháy thử khác nhau Bình chữa cháy trên thị trường được chia làm 2 loại chính là bình chữa cháy xách tay và bình chữa cháy có bánh xe với thông số kĩ thuật như Bảng 1-3 và Bảng 1-4:
- Bình chữa cháy xách tay có khối lượng từ 20 𝑘𝑔 trở xuống và kích thước đủ cho phép người vận hành có thể mang vác di chuyển bình như Hình 1-4a [1]
- Bình chữa cháy có bánh xe chủ yếu là các bình lớn với khối lượng có thể lên đến gần 100 𝑘𝑔 với chiều dài dây phun dài từ 3 − 5 𝑚 cho phép người vận hành di chuyển loa phun thuận tiện hơn như Hình 1-4b [2]
Bảng 1-3: Thông số kĩ thuật của một số bình chữa cháy xách tay
Model MFZL4-ABC MFZL8-ABC EXT-CO2-2K EXT-CO2-5K
Loại Xách tay Xách tay Xách tay Xách tay
Model EXT-ABC-4K EXT-ABC-9K ABC-EN3-4K ABC-EN3-9K
Loại Xách tay Xách tay Xách tay Xách tay
Bảng 1-4: Thông số kĩ thuật của một số bình chữa cháy có bánh xe
Model MFZL10-ABC CO2-MT24 EXT-ABC-25K EXT-ABC-50K
Loại Có bánh xe Có bánh xe Có bánh xe Có bánh xe
Bình chữa cháy gồm 4 thành phần cơ bản như Hình 1-4 Trong đó, loa phun là vị trí người vận hành cầm giữ khi valve ở trạng thái mở, việc cầm giữ ở dây phun sẽ không đảm bảo tính ổn định hướng phun khi mở valve loa phun dây phun vỏ bình valve loa phun dây phun vỏ bình valve a Bình chữa cháy xác tay b Bình chữa cháy có bánh xe
Hình 1-4: Các thành phần cơ bản của bình chữa cháy
Các bước sử dụng bình chữa cháy để dập đám cháy gồm 4 bước như Hình 1-5
Bước 1 Rút chốt Bước 2 Hướng loa phun vào gốc đám cháy
Bước 3 Bóp valve Bước 4 Quét loa phun qua lại
Hình 1-5: Các bước sử dụng bình chữa cháy
Quy trình dập tắt đám cháy thử
Đám cháy thử được chuẩn bị trong phòng thử tiêu chuẩn như đề cập Một người vận hành được trang bị quần áo làm việc thích hợp bước vào vị trí bắt đầu, tuân thủ đúng cách sử dụng bình chữa cháy, và thực hiện đúng quy trình dập tắt đám cháy thử
Quy trình dập tắt đám cháy thử gồm có 2 giai đoạn chính:
Giai đoạn I: thực hiện kĩ thuật “phun đuổi lửa” hay còn gọi là “lùa lửa” để dập tắt đám cháy thử khi di chuyển từ vị trí bắt đầu đến vị trí 1 như Hình 1-6 Kĩ thuật “phun đuổi lửa” yêu cầu người vận hành cầm loa phun, bắt đầu từ phía trước với khoảng cách không nhỏ hơn 1000 𝑚𝑚 so với mép ngoài đám cháy thử, phun liên tục vào mặt trước đám cháy thử, và dần dần đưa loa phun tới sát đám cháy thử Giảm khoảng cách phun dần cho đến khi đạt khoảng cách tối thiểu 300 𝑚𝑚 so với mép ngoài đám cháy thử Sau đó, người vận hành di chuyển lần lượt đến vị trí 2, vị trí 3, vị trí 4, và về lại vị trí 5 như Hình 1-6 để thực hiện quỹ đạo phun tương ứng lên mặt bên phải, mặt trước, mặt bên trái, và mặt bên trên của đám cháy thử, không phun vào mặt phía sau Duy trì valve điều khiển dòng chất chữa cháy ở vị trí phun lớn nhất để đảm bảo tia phun ra liên tục Công đoạn này giúp phủ chất chữa cháy lên toàn bộ đám cháy thử, lùa ngọn lửa nhỏ lại Đối với đám cháy thử loại A, chất chữa cháy được phun vào mặt phía trước và hai mặt bên, không phun vào mặt phía sau khi người vận hành di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 4 với quỹ đạo loa phun như Hình 1-7a, và hướng loa phun xuống khoảng hơn 60 𝑜 so với phương thẳng đứng để phủ chất chữa cháy từ trên xuống khi người vận hành di chuyển từ vị trí 4 đến vị trí 5 với quỹ đạo loa phun như Hình 1-7b Đối với đám cháy thử loại B, loa phun được hướng xuống khoảng 60 𝑜 so với phương thẳng đứng phun liên tục chất chữa cháy lên khay đám cháy thử khi người vận hành di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 5 với quỹ đạo loa phun như Hình 1-8
Giai đoạn II: lúc này chỉ còn lại những đám cháy nhỏ xuất hiện bất kì trong khay, người vận hành quan sát, di chuyển bình chữa cháy đến từng vị trí có ngọn lửa nhỏ, và phun chất chữa cháy lên đó Sau khi không còn ngọn lửa nào bùng cháy lại, người vận hành di chuyển về vị trí ban đầu kết thúc quy trình dập tắt đám cháy thử
5 loa phun vị trí bắt đầu đám cháy thử
5 vị trí bắt đầu loa phun đám cháy thử a Hướng di chuyển của người vận hành với đám cháy thử loại A b Hướng di chuyển của người vận hàng với đám cháy thử loại B
Hình 1-6: Hướng di chuyển của người vận hành ở giai đoạn I
100 𝑚 𝑚 ℎ a Phun vào mặt trước và hai mặt bên khi người vận hành đi từ vị trí 1 đến vị trí 4 b Phun vào mặt trên khi người vận hành đi từ vị trí 4 đến vị trị 5
Hình 1-7: Quỹ đạo mong muốn của loa phun lên đám cháy thử loại A
Hình 1-8: Quỹ đạo mong muốn của loa phun lên đám cháy thử loại B khi người vận hành đi từ vị trí 1 đến vị trí 5
Đầu bài
Luận văn đề xuất đầu bài thiết kế robot kiểm định bình chữa cháy với thông số kĩ thuật như Bảng 1-5 và Hình 1-9
Robot được thiết kế thực hiện đúng theo quy trình dập tắt đám cháy thử TCVN 7026-2013 và TCVN 7027-2013 như Hình 1-6, Hình 1-7, và Hình 1-8 đã trình bày ở phần trên
- Kích thước của đám cháy thử loại C, D và K đã được bao hàm trong đám cháy thử loại A, cho nên chỉ có đám cháy thử loại A và B được đề cập trong luận văn này Tổng đám cháy thử loại A và B là 19
- Giả sử loa phun của bình chữa cháy được cầm bởi khâu tác động cuối của robot
Bảng 1-5: Thông số kĩ thuật cho robot kiểm định bình chữa cháy
Yêu cầu về tải trọng bình chữa cháy
Bình chữa cháy xách tay Bình chữa cháy có bánh xe
Yêu cầu về phạm vi làm việc Đám cháy thử loại A Đám cháy thử loại B
Vị trí làm việc xa nhất của khâu tác động cuối so với mép ngoài đám cháy thử
Vị trí làm việc gần nhất của khâu tác động cuối so với mép ngoài đám cháy thử
Vị trí làm việc thấp nhất của khâu tác động cuối 520 𝑚𝑚 (điểm 𝐶) 735 𝑚𝑚 (điểm 𝐹)
Vị trí làm việc cao nhất của khâu tác động cuối 1825 𝑚𝑚 (điểm 𝐷) 1200 𝑚𝑚 (điểm 𝐸)
Yêu cầu làm việc khác
Nhiệt độ hoạt động 700 𝑜 𝐶 − 800 𝑜 𝐶 khi ở khoảng cách 300 𝑚𝑚 so với mép ngoài đám cháy thử Thời gian hoạt động Thời gian phủ chất chữa cháy lên đám cháy thử phải bé hơn thời gian xả của bình chữa cháy robot
𝐴 𝐵 đám cháy thử loại A vòi phun
1000𝑚𝑚 a Phạm vi làm việc của robot đối với đám cháy thử loại A
735 𝑚 𝑚 đám cháy thử loại B vòi phun
𝐷 b Phạm vi làm việc của robot đối với đám cháy thử loại B
Hình 1-9: Yêu cầu về phạm vi làm việc của robot đối với đám cháy thử
Trong phần này, luận văn đề xuất phương án để mô phỏng lại hành động sử dụng bình chữa cháy để dập tắt đám cháy thử Hệ thống gồm bộ phận phía trên gọi là bộ phận chấp hành cầm loa phun thực hiện quỹ đạo loa phun mong muốn ,và bộ phận phía dưới gọi là bộ phận di động mang vác bộ phận chấp hành.
Phương án sử dụng mobile robot bánh xe – bàn trượt 𝑶𝒚𝒛
Phương án bám quỹ đạo của mobile robot
Dựa vào kích thước của 19 đám cháy thử trong Bảng 1-1 và Bảng 1-2, đám cháy bé nhất là đám cháy thử 1A có bề rộng 500 𝑚𝑚 và đám cháy to nhất là đám cháy thử 233B có bề rộng 3000 𝑚𝑚 Nếu robot chỉ giữ một khoảng cách cố định so với tâm đám cháy thử thì sẽ đòi hỏi tầm với tối thiểu của robot là ∆𝑦 = 2500 𝑚𝑚 như Hình 2-2a để đáp ứng được yêu cầu về phạm vi làm việc như Hình 1-9 cho tất cả đám cháy thử Với mục đích giảm gánh nặng lên kết cấu cơ khí và giảm moment lật của robot khi phải đáp ứng tầm với trên, thì việc robot có các khoảng cách khác nhau so với tâm đám cháy thử tùy thuộc vào kích thước đám cháy thử đó được xem xét Ngoài ra, việc sử dụng thêm nhiều line cũng sẽ góp phần giảm bớt yêu cầu tầm với của robot như Hình 2-2b
𝑚 𝑚 đám cháy thử 233B đám cháy thử 233B
𝑦 + 2500𝑚𝑚 đám cháy thử 1A đám cháy thử 1A
∆𝑦 = 2500𝑚𝑚 a Vị trí giữa robot và tâm đám cháy là cố định b Vị trí giữa robot và tâm đám cháy thay đổi, và kết hợp với sử dụng nhiều line
Hình 2-2: So sánh tầm với của robot giữa cố định và thay đổi ví trí giữa robot và tâm đám cháy a Wall-Following Control
Tài liệu [3], [4] đề xuất phương án sử dụng các cảm biến potentiometer cho phép mobile robot bám theo một bức tường hình tròn, với tốc độ mong muốn, và giữ khoảng cách cố định với tường như Hình 2-3
đám cháy thử tường 1 tường 2 cảm biến robot
Hình 2-3: Mobile robot bám theo tường bằng cảm biến Ưu điểm:
- Mô hình xác định sai số tracking đơn giản, bằng cách sử dụng linear potentiometer và angular potentiometer hoặc sử dụng 2 angular potentiometers
- Sử dụng trực tiếp dữ liệu lấy về từ cảm biến như góc lệch và độ dịch chuyển mà không cần thông qua phép chuyển đổi trung gian
- Dựng tường trong khu vực kiểm định là không mong muốn, điều này có thể ảnh hướng đến khả năng cháy của đám cháy thử
- Các potentiometer có thể bị nhiễu do nhiệt độ cao
- Việc di chuyển xe tiến vào gần hoặc tiến ra xa đám cháy thử sẽ không thuận lợi khi có tường cản trở dưới các bánh xe b Sử dụng CMU camera bám line
Kĩ thuật xử lý ảnh là một phương án phổ biến cho mobile robot bám line, khi camera được sử dụng để phát hiện line [5], [6], [7] CMU camera được phát triển tại Carnegie Mellon University [8], nó cung cấp một hệ thống xử lý ảnh cho phép phát hiện đối tượng, và dễ dàng tương tác với vi điều khiển và máy tính Thuật toán line tracking của CMU camera cho phép phát hiện line tối trên nền sáng hoặc ngược lại và cung cấp tọa độ trọng tâm của đoạn line nhanh chóng [9]
Luận văn đề xuất một phương án tracking mới, sử dụng 3 camera để xác định quỹ đạo đường cong hoặc đường tròn mong muốn với bán kính 𝑅 như Hình 2-4 thay vì cách thức thông thường
Camera 2 được bố trí nằm trên trục 𝑂 𝑟𝑜𝑏𝑜𝑡 𝑦 𝑟𝑜 , 3 camera có thể di chuyển dọc theo trục 𝑂 𝑟𝑜𝑏𝑜𝑡 𝑦 𝑟𝑜 sao cho tâm thấu kính của chúng tạo thành đường cong có tâm 𝑂 𝑐𝑎𝑚 và bán kính 𝑅 mong muốn Đồng thời 3 camera sẽ lần lượt bắt được 3 điểm trọng tâm của
3 đoạn line là điểm 𝐶 1 , điểm 𝐶 2 , và điểm 𝐶 3 Nhờ thuật toán của CMU camera cho phép nhanh chóng thu được tọa độ các điểm này Từ đó, xác định được tọa độ tâm 𝑂 𝑙𝑖𝑛𝑒 của đường tròn line có bán kính 𝑅 Khi 𝑂 𝑐𝑎𝑚 tiến về 𝑂 𝑙𝑖𝑛𝑒 đồng nghĩa với việc mobile robot đang bám theo line Ưu điểm:
- Sử dụng line nên không làm ảnh hưởng đến sự cháy của đám cháy thử
- Xác định được bán kính và tâm đường cong, điều này cho phép hoạch định tất cả các điểm trên đường cong tại bất kì thời điểm nào Do đó, khi camera không bắt được đường line, mobile robot vẫn có thể quay trở lại đường line bằng phương pháp khác như odometry (hay còn gọi lạ dead reackoning)
- Giảm sai số góc của mobile robot so với line với 1 camera bố trí ở đầu và 1 camera bố trí ở đuôi của mobile robot
- Khi có 1 camera hoặc 2 camera mất tín hiệu tại một thời điểm bất kì trong quá trình robot đang chạy, thì robot vẫn có khả năng bám line
- Không bị hiện tượng trượt xung như khi dùng encoder để ước tính vị trí mobile robot theo phương pháp dead reackoning
- CMU camera bị nhiễu do sự thay đổi của ánh sáng
- Có các phép biến đổi trung gian để xử lý tín hiệu thu được từ camera
- Xử lý dữ liệu từ nhiều camera
Hình 2-4: Phương pháp sử dụng 3 CMU camera để bám line
→ Chọn phương án sử dụng nhiều line tròn và mỗi đám cháy thử khác nhau sẽ ứng với khoảng cách làm việc khác nhau như Hình 2-2b Ngoài ra, 3 CMU camera sẽ được dùng để mobile robot bám line.
Phương án cấu hình mobile robot bánh xe
Cấu hình mobile robot được thiết kế như Hình 2-5, bên cạnh 2 bánh dẫn động thì việc sử dụng 4 bánh tự lựa giúp việc di chuyển mobile robot tiến vào gần hoặc ra xa đám cháy thử thuận tiện hơn Lý do cho việc di chuyển mobile robot vào gần hoặc ra xa đám cháy thử đã được trình bày ở trên Ưu điểm:
- Kích thước mặt chân đế lớn giúp mobile robot có khả năng tải lớn
- Mobile robot linh hoạt di chuyển theo các hướng nhờ 4 bánh tự lựa
- Nhờ sử dụng nhiều bánh tự lựa, nên tải trọng tác dụng lên 2 bánh dẫn động sẽ được giảm đi
- Cần phải có cơ cấu tạo lực bám cho 2 bánh chủ động xuống mặt đường
Hình 2-5: Cấu hình của mobile robot bánh xe
Phương án chắn lửa
Để đảm bảo nhiệt độ robot nằm trong phạm vi cho phép khi áp sát vào đám cháy thử đang cháy, các tấm ceramic dạng bông gốm được bố trí xung quanh robot để chịu nhiệt và cách nhiệt Một tấm chắn lửa cố định vào khung xe, giúp cách nhiệt bên trong xe với bên ngoài và một tấm chắn lửa cố định trên bàn trượt 𝑂𝑦, giúp cách nhiệt phần hệ thống vươn ra như Hình 2-6
Thông số kĩ thuật tấm ceramic:
- Khả năng cách nhiệt: 100 𝑜 𝐶/𝑐𝑚 robot tấm chắn lửa
Hình 2-6: Phương án sử dụng tấm chắn lửa
Phương án cơ cấu tác động cuối
Sử dụng cơ cấu hình bình hành như Hình 2-7, cho phép dễ dàng bố trí tấm chắn lửa và giúp duy trì hướng của tấm chắn lử vuông góc với mặt đất tấm chắn lửa
Hình 2-7: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu hình bình hành cho khâu tác động cuối
Phương án sử dụng mobile robot bánh xích – tay máy
Phương án cấu hình tay máy
Tác vụ kiểm định bình chữa cháy yêu cầu một tay máy có 4 bậc tư do với sơ đồ nguyên lý như Hình 2-9 Khớp 𝐴 của tay máy là khớp xoay quanh trục 𝑧 Khớp 𝐵 và 𝐶 cũng là khớp xoay cho phép tay máy hướng khâu tác động cuối và loa phun vào mục tiêu như bước 2 của Hình 1-5 Khớp 𝐺 cho phép hỗ trợ điều chỉnh hướng của loa phun một cách thuận tiện hơn Ngoài ra, để mô phỏng lại bước 4 của Hình 1-5, cơ cấu tay quay con trượt được thêm vào ở khâu tác động cuối để quét loa phun qua lại Việc sử dụng cơ cấu hình bình hành để tạo thành hệ động học kín cho phép đặt động cơ ở bệ máy, do đó khối lượng trên cánh tay nhỏ, giúp tăng độ cứng vững và giảm quán tính tay máy Bên cạnh đó, cơ cấu hình bình hành giúp duy trì hướng của khâu tác động cuối là không đổi, điều này cho phép kiểm soát hướng của loa phun dễ dàng hơn
Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý tay máy hình bình hành cho tác vụ kiểm định bình chữa cháy
Phương án cấu hình mobile robot bánh xích
Cấu hình mobile robot bánh xích có dạng hình thang như Hình 2-10, cho phép chúng có khả năng di chuyển tới và di chuyển ngược lại tương đương nhau, thuận lợi cho việc thực hiện quy trình dập tắt đám cháy thử Sử dụng bánh xích cao su vì cung cấp lực kéo tốt trên bề mặt khô ráo, độ dao động thấp, ít gây tiếng ồn, và không làm hư hỏng sàn bêtông
Hình 2-10: Cấu hình mobile robot bánh xích
Phương án bộ điều khiển mobile robot bánh xích
Vì tác vụ kiểm định bình chữa cháy diễn ra trên sàn bêtông nhẵn, nên bộ điều khiển có thể được thiết kế dựa trên mô hình mobile robot bánh xích với giả sử hệ số trượt giữa mặt đất và bánh xích là không đổi và nhỏ Tham khảo thiết kế trong tài liệu [11] Tuy nhiên, vì mục đích đa nhiệm cho mobile robot bánh xích trong ứng dụng chữa cháy, luận văn đề xuất một bộ điều khiển cho mobile robot bánh xích có thể hoạt động cả trong nhà lẫn ngoài trời Đặc tính của mobile robot bánh xích hoạt động trong điều kiện địa hình ngoài trời khác với khi làm việc trong nhà, yêu cầu xem xét đến hiện tượng trượt giữa bánh xích và địa hình Các hệ số trượt tạo ra sai số vị trí tích lũy, các hệ số này thường không biết và thay đổi đột ngột trong quá trình hoạt động khi di chuyển qua các địa hình khác nhau hoặc chuyển từ đường thẳng sang đường cong [15], [16] Do đó, những hệ số trượt không biết này nên được ước tính để hệ thống điều khiển cho mobile robot bánh xích đạt được sai số tracking tốt và bền vững Sliding mode control (SMC) có thể cung cấp robustness cho hệ thống điều khiển bất kể sự xuất hiện của uncertainties và đưa sai số tracking về 0 Luận văn đề xuất bộ điều khiển adaptive sliding mode cho mô hình tracked mobile robot xét đến ảnh hưởng của hệ số trượt lên bánh xích phải và bánh xích trái, luật điều khiển và luật ước tính hệ số trượt bánh xích trái và phải được đề xuất và được chứng minh ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
Phương án mobile robot bánh xe – bàn trượt 𝑶𝒚𝒛
Kích thước và vùng làm việc của robot kiểm định bình chữa cháy
Robot kiểm định bình chữa cháy có tầm với gần nhất 𝑦 𝑚𝑖𝑛 và xa nhất 𝑦 𝑚𝑎𝑥 không đổi như Hình 3-1, có thể xác định khoảng cách 𝐷 giữa tâm mobile robot đến tâm đám cháy thử có bề rộng là 𝑤 và khoảng cách camera 2 cần dịch chuyển so với tâm mobile robot là 𝑑 để tâm thấu kính của 3 camera nằm trên line tròn có bán kính 𝑅 𝑙𝑖𝑛𝑒 , sao cho thỏa mãn yêu cầu tầm với cho tác vụ kiểm định bình chữa cháy như Hình 1-9
Hình 3-1: Mô hình xác định vị trí tương đối giữa mobile robot đối với một đám cháy thử bất kì và khoảng cách camera 2 so với tâm mobile robot
Khoảng cách từ tâm mobile robot đến tâm đám cháy thử bất kì xác định như sau:
2 (3-1) với, 𝑦 𝑚𝑎𝑥 : tầm với xa nhất của robot
𝑤: bề rộng đám cháy thử
Khoảng cách dịch chuyển của camera 2 so với tâm mobile robot:
𝑑 = 𝑅 𝑙𝑖𝑛𝑒 − 𝐷 (3-2) với, 𝑅 𝑙𝑖𝑛𝑒 : bán kính đường tròn line
Robot kiểm định bình chữa cháy được thiết kế có thông số như sau:
- Tầm với gần nhất và xa nhất của khâu tác động cuối của bàn trượt 𝑂𝑦 so với tâm mobile robot là 𝑦 𝑚𝑖𝑛 = 1445 𝑚𝑚 và 𝑦 𝑚𝑎𝑥 = 2299 𝑚𝑚 Hành trình bàn trượt 𝑂𝑦 là ∆𝑦 = 854 𝑚𝑚
- Tầm với thấp nhất và cao nhất của khâu tác động cuối của bàn trượt 𝑂𝑧 so với mặt đất là 𝑧 𝑚𝑖𝑛 = 400 𝑚𝑚 và 𝑧 𝑚𝑎𝑥 = 1865 𝑚𝑚 Hành trình bàn trượt 𝑂𝑧 là
- Khoảng cách dịch chuyển camera 2 so với tâm mobile robot, nói cách khác là khoảng cách giữa line và tâm mobile robot phải nằm trong khoảng −300 < 𝑑 0
Luật điều khiển được định nghĩa như sau:
𝒖 = 𝑴(𝒒)[𝒒̈ 𝑹 + 𝜆𝒆̇ + 𝑲𝑠𝑖𝑔𝑛(𝒔)] + 𝑮(𝒒) + 𝑪(𝒒, 𝒒̇ )𝒒̇ (3-33) Chọn hàm Lyapunov như sau:
2𝒔 𝑇 𝒔 (3-34) Đạo hàm bậc nhất hàm Lyapunov:
Thay phương trình (3-33) vào (3-35), đạt được 𝑉̇(𝒔) = −𝑘|𝒔| Có thể thấy, 𝑉̇ là hàm xác định âm Theo lý thuyết ổn định Lyapunov [20], mặt trượt 𝑠 = 0 ổn định tiệm cận Do đó, sai số tracking 𝒆 → 0 khi 𝑡 → ∞ c Mô hình hóa mobile robot bánh xích dưới ảnh hưởng của hiện tượng trượt
Mobile robot bánh xích có bánh xích trái và bánh xích phải được dẫn động độc lập bằng hai bánh dẫn động khác nhau, với tọa độ mobile robot 𝑅 được giả sử ngay tại trọng tâm như Hình 3-17 Giả sử, điểm 𝑅 là trọng tâm mobile robot bánh xích ảo có tọa độ 𝑥 𝑟 , 𝑦 𝑟 và góc quay 𝜃 𝑅 trong hệ tọa độ cố định 𝐺
Hình 3-17: Mô hình mobile robot bánh xích
Xét trong hệ tọa độ cố định 𝐺 , mô hình động học của mobile robot bánh xích xét đến ảnh hưởng của điều kiện trượt như [15]:
2𝑑 (3-38) với, 𝑥, 𝑦 và 𝜃: vị trí và góc xoay của mobile robot bánh xích trong 𝐺
𝑤 𝑟 và 𝑤 𝑙 : tốc độ quay của bánh phải và bánh trái
𝑖 𝑟 và 𝑖 𝑙 : hệ số trượt của bánh xích phải và bánh xích trái
Giả sử 1: Giả sử rằng, mobile robot bánh xích di chuyển với tốc độ ≤ 2𝑚/𝑠, nên ảnh hưởng của góc trượt là không đáng kể Do đó, 𝛼 = 0 và cos 𝛼 = 1 [16]
Phương trình (3-36), (3-37), và (3-38) được viết lại như sau:
𝑤 𝑠𝑙𝑖𝑝 ] (3-39) với, 𝑣 𝑠𝑙𝑖𝑝 và 𝑤 𝑠𝑙𝑖𝑝 : tốc độ tuyến tính và tốc độ góc của mobile robot bánh xích dưới điều kiện trượt
Mối liên hệ giữa 𝑣 𝑠𝑙𝑖𝑝 , 𝑤 𝑠𝑙𝑖𝑝 và 𝑤 𝑟 , 𝑤 𝑙 như sau [29]:
𝑤 𝑠𝑙𝑖𝑝 ] (3-40) Định nghĩa sai số tracking là sự sai khác giữa vị trí và góc quay hiện tại của mobile robot bánh xích với vị trí và góc quay mong muốn của mobile robot bánh xích ảo chạy dọc theo quỹ đạo mong muốn như sau: 𝑒 𝑥 ≜ 𝑥 𝑟 − 𝑥; 𝑒 𝑦 ≜ 𝑦 𝑟 − 𝑦; 𝑒 𝜃 ≜ 𝜃 𝑟 − 𝜃 trong
Sai số tracking trong hệ tọa độ robot 𝑅 được cho như sau:
] (3-41) Đạo hàm phương trình (3-41), được:
𝒆̇ = 𝒇(𝒆) + 𝒈(𝒆)𝒖 𝒗 (3-42) với, 𝑣 𝑟 , 𝑤 𝑟 : tốc độ tuyến tính và tốc độ góc mong muốn của mobile robot bánh xích
Phương trình (3-40) cho thấy rằng 𝑖 𝑟 và 𝑖 𝑙 cần được xác định chính xác để có được tín hiệu điều khiển 𝒖 = [𝑤𝑟 𝑤 𝑙 ] 𝑇 của mobile robot bánh xích Định nghĩa 𝑎 𝑟 ≜ 1
1−𝑖 𝑙 , và sử dụng phương trình (3-40), tín hiệu điều khiển 𝑢 có thể được tính toán lại dựa vào hệ số trượt ước tính 𝑎̂ 𝑟 và 𝑎̂ 𝑙 như sau:
] 𝒖 𝒗 (3-43) với, 𝑎̂ 𝑟 , 𝑎̂ 𝑙 : giá trị ước tính của 𝑎 𝑟 , 𝑎 𝑙
Phạm vi của bộ điều khiển này không xét đến trường hợp mobile robot bánh xích bị trượt hoàn toàn, nên 𝑖 𝑟 ≠ ±1 và 𝑖 𝑙 ≠ ±1 Vì vậy, −1 < 𝑖 𝑟 < 1 và −1 < 𝑖 𝑙 < 1 Do đó, có 𝑎 𝑟 > 0.5 và 𝑎 𝑙 > 0.5 Định nghĩa 𝑎̃ 𝑟 ≜ 𝑎̂ 𝑟 − 𝑎 𝑟 , 𝑎̃ 𝑙 ≜ 𝑎̂ 𝑙 − 𝑎 𝑙 Từ phương trình (3-43), tín hiệu điều khiển 𝒖 𝒗 cho phương trình (3-42) có thể được tính lại như sau:
Thay phương trình (3-44) vào (3-42), được:
𝑎 𝑙 ) ; d Bộ điều khiển mobile robot bánh xích Để đạt được sự hội tụ của sai số tracking 𝒆 = [𝑒1 𝑒 2 𝑒 3 ] 𝑇 , định nghĩa bề mặt trượt cho hệ thống (3-45) như sau:
] (3-46) Đạo hàm bậc nhất bề mặt trượt, được:
Giả sử 2 Tồn tại hằng số dương 𝛿 𝑟 và 𝛿 𝑙 sao cho thỏa mãn 𝑎 𝑟 ≥ 𝛿 𝑟 > 0 và 𝑎 𝑙 ≥
𝛿 𝑙 > 0 Định lý 1 Xét hệ thống (3-45), luật điều khiển và luật adapt tham số sau làm cho mặt trượt 𝒔 hội tụ về 0 trong khi sai số của hệ số trượt ước tính bị chặn
𝒈̅(𝒆) −1 : giả nghịch đảo của ma trận không vuông 𝒈̅(𝒆)
𝑓 𝑟 ,𝑓 𝑙 : được định nghĩa như phương trình (3-50) và (3-51) để đảm bảo giả sử 2
Chứng minh Định lý 1 Chọn hàm Lyapunov như sau:
2𝛾 2 𝑎 𝑙 𝑎̃ 𝑙 2 ≥ 0 (3-52) Phương trình (3-52) là hàm khả vi liên tục Đạo hàm bậc nhất phương trình (3-52) và sử dụng phương trình (3-47), được:
Thay 𝑔 ∗ (𝑒) từ phương trình (3-47) vào phương trình (3-53), và biến đổi toán học được như sau:
2𝑑 ) 𝑠 3 )] ; Thay phương trình (3-48) và (3-49) vào phương trình (3-54), được:
Trường hợp 1 Nếu 𝑎̂ 𝑟 > 𝛿 𝑟 và 𝑎̂ 𝑙 > 𝛿 𝑙 , bằng cách sử dụng phương trình (3-50) và (3-51), phương trình (3-55) trở thành 𝑉̇ = −𝑘𝒔 𝑇 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝒔) = −𝑘|𝒔 𝑻 | Có thể thấy, 𝑉̇ là hàm xác định âm Theo lý thuyết ổn định Lyapunov [20], mặt trượt 𝒔 = 0 ổn định tiệm cận Do đó, sai số tracking 𝒆 → 0 khi 𝑡 → ∞
Trường hợp 2 Nếu 𝑎̂ 𝑟 > 𝛿 𝑟 và 𝑎̂ 𝑙 ≤ 𝛿 𝑙 thì phương trình (3-55) trở thành:
Từ giả sử 2, suy ra 𝑎̂ 𝑙 − 𝑎 𝑙 ≤ 𝑎̂ 𝑙 − 𝛿 𝑙 ≤ 0 Do đó, phương trình (3-56) 𝑉̇ ≤ 0 Điều này dẫn đến, 𝒆, 𝑎̃ 𝑟 , 𝑎̃ 𝑙 bị chặn Ngoài ra, vì 𝑎 𝑟 , 𝑎 𝑙 bị chặn do 𝑖 𝑟 , 𝑖 𝑙 bị chặn, nên 𝑎̂ 𝑟 , 𝑎̂ 𝑙 bị chặn Đạo hàm phương trình (3-57), được:
Từ phương trình (3-47), với tín hiệu điều khiển 𝒖 𝒗 bị chặn thì 𝒔̇ bị chặn Từ phương trình (3-49), có thể thấy 𝑎̂ 𝑟 ̇ , 𝑎̂ 𝑙 ̇ bị chặn Do đó, từ phương trình (3-57), có thể suy ra 𝑉̈ bị chặn Áp dụng Barbalat’s lemma [20], có thể kết luận rằng 𝒆 → 0 khi 𝑡 → ∞
Trường hợp 3 Nếu 𝑎̂ 𝑟 ≤ 𝛿 𝑟 và 𝑎̂ 𝑙 > 𝛿 𝑙 thì phương trình (3-55) trở thành:
𝛾 2 𝑎 𝑙 𝑓 𝑙 (𝑎̂ 𝑙 ) (3-58) Đạo hàm phương trình (3-57), được:
Tương tự như trường hợp 2, có thể suy ra 𝑉̇ ≤ 0 và 𝑉̈ bị chặn Áp dụng Barbalat’s lemma [20], có thể kết luận rằng 𝒆 → 0 khi 𝑡 → ∞
Trường hợp 4 Nếu 𝑎̂ 𝑟 ≤ 𝛿 𝑟 và 𝑎̂ 𝑙 ≤ 𝛿 𝑙 , thì có phương trình (3-55) Từ giả sử 2, có thể suy ra 𝑎̂ 𝑟 − 𝑎 𝑟 ≤ 𝑎̂ 𝑟 − 𝛿 𝑟 ≤ 0 và 𝑎̂ 𝑙 − 𝑎 𝑙 ≤ 𝑎̂ 𝑙 − 𝛿 𝑙 ≤ 0 Do đó, có thể kết luận 𝑉̇ ≤ 0 Đạo hàm phương trình (3-55), được:
Tương tự trường hợp 2, có thể chỉ ra rằng 𝑉̈ bị chặn Áp dụng Barbalat’s lemma [20], có thể kết luận rằng 𝒆 → 0 khi 𝑡 → ∞.
Kết quả mô phỏng phương án mobile robot bánh xe – bàn trượt 𝑶𝒚𝒛
Kết quả vùng làm việc của robot kiểm định bình chữa cháy
Với khoảng cách làm việc giữa tâm mobile robot và tâm đám cháy thử đã xác định như Bảng 3-1 Kết quả như Hình 4-1 cho thấy rằng, vùng làm việc của robot với thông số đã thiết kế bao phủ được quỹ đạo mong muốn của khâu tác động cuối của đám cháy thử bé nhất 1A và đám cháy thử lớn nhất 233B Do đó, thông số thiết kế thỏa yêu cầu
𝑦 (𝑚 ) 𝐺 robot đám cháy thử vùng làm việc quỹ đạo loa phun line 2 line 1
𝑦 (𝑚 ) 𝐺 robot đám cháy thử vùng làm việc quỹ đạo loa phun line 1 line 2
𝐺 a Với đám cháy thử 1A b Với đám cháy thử 233B
Hình 4-1: Vùng làm việc của robot kiểm định bình chữa cháy
Kết quả mô phỏng hành trình làm việc ∆𝑦 và ∆𝑧 của bàn trượt 𝑂𝑦 và 𝑂𝑧 khi thực hiện quỹ đạo phun lên đám cháy thử 20A như Hình 4-2 Kết quả cho thấy, ∆𝑦