TỔNG QUAN
SƠ LƯỢC VỀ THÁP LÀM MÁT VÀ SỰ HÌNH THÀNH LỚP BÙN LẮNG
1.1 Sơ lược về tháp làm mát:
Hiện nay nhiều nhà máy, xí nghiệp dùng những bể chứa nước rất lớn để phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt Đối với các nhà máy sản xuất thép và nhà máy lọc dầu thì lưu lượng sử dụng nước công nghiệp lên đến hàng chục nghìn mét khối và có các đơn vị chuyên biệt hoạt động với ngân sách lớn chỉ tập trung vào quản lý nước công nghiệp Trong đó, nước được dùng để làm mát hay làm mát ở các nhà máy được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, có thể từ sông, hồ hoặc các nguồn khác và sẽ xuất hiện nhiều tạp chất như phù sa, đất sét, chất thải hữu cơ hoặc muối hoà tan thấp Hơn nữa, trong các hệ thống mà nước làm mát được đi qua các tháp làm mát và sau đó được tuần hoàn lại, các chất rắn trong không khí có thể bị cuốn vào trong nước khi nó đi qua tháp, và sau đó lắng đọng trong hệ thống theo cách tương tự như phù sa tự nhiên Các cặn phù sa này có thể ảnh hưởng đến hệ thống, xử lý nước trong tháp làm mát của bạn không chỉ là giữ cho hệ thống sạch sẽ Nó cũng ngăn ngừa sự ăn mòn và hình thành cáu cặn cũng như sự phát triển của vi sinh vật Nếu không được xử lý, vi khuẩn và tảo sẽ xâm nhập, dẫn đến sự ăn mòn do a xit vi khuẩn và nhiều vấn đề khác trong toàn bộ hệ thống của nhà máy
Hình 1.1 Tháp làm mát hay tháp giải nhiệt điển hình ở các nhà máy Đối với những nhà máy có sử dụng các thiết bị lò hơi, turbine, Pump trong quá trình vận hành, các thiết bị này sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn, nếu không được làm mát kịp thời sẽ ảnh hưởng lớn đến sự vận hành của hệ thống và sự hoạt động của thiết bị Tháp làm mát là một hệ thống nước tuần hoàn được sử dụng để giảm nhiệt độ của dòng nước bằng cách trích nhiệt từ nước và thải ra khí quyển Tháp làm mát (hình
1.1) [1] tận dụng sự bay hơi nhờ đó nước được bay hơi vào không khí và thải ra khí quyển Kết quả là, phần nước còn lại được làm mát đáng kể Tháp làm mát có thể làm giảm nhiệt độ của nước thấp hơn so với các thiết bị chỉ sử dụng không khí để loại bỏ nhiệt, sử dụng tháp làm mát mang lại hiệu quả cao hơn về mặt năng lượng và chi phí
Tháp làm mát được thiết kế và xây dựng dưới nhiều dạng khác nhau, tuy nhiên nếu dựa vào nguyên lý làm việc thì tháp làm mát thuộc hai loại sau đây
Tháp làm mát đối lưu tự nhiên (hình 1.2) hay còn gọi là tháp làm mát hypecbol sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí môi trường xung quanh và không khí nóng hơn trong tháp [1] Khi không khí nóng chuyển dịch lên phía trên trong tháp (do không khí nóng tăng), luồng không khí mát mới đi vào tháp qua bộ phận khí vào ở đáy tháp Không cần sử dụng quạt và không có sự luân chuyển của không khí nóng có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất nhờ sơ đồ bố trí của tháp Vỏ tháp chủ yếu làm bằng bê tông, cao khoảng 200 m Những tháp làm mát này thường chỉ dùng cho nhu cầu nhiệt lớn vì kết cấu bằng bê tông lớn đắt tiền a) b)
Hình 1.2 Tháp làm mát dạng đối lưu tự nhiên a) Cấu tạo bên trong; b) Vỏ tháp bên ngoài
Tháp làm mát đối lưu cơ học (hình 1.3) có các quạt lớn để hút khí cưỡng bức trong nước lưu thông [1] Nước chảy xuống dưới trên bề mặt các khối đệm, làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước và không khí giúp tối đa hoá quá trình truyền nhiệt giữa nước và không khí Tỉ lệ làm mát của tháp đối lưu cơ học phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác nhau như đường kính quạt và tốc độ hoạt động, khối đệm trở lực của
Tháp đối lưu cơ học hiện nay sẵn có với dải công suất rất rộng Tháp có thể được xây tại nhà máy hoặc cánh đồng – ví dụ như các tháp bằng bê tông chỉ được xây ở cánh đồng Rất nhiều tháp được xây dựng theo cách có thể hoạt động cùng nhau để đạt được công suất mong muốn Vì vậy rất nhiều tháp làm mát được nối với nhau gồm từ hai tháp riêng lẻ trở lên, gọi là “ô” Số lượng ô, các tháp nhiều ô có thể theo hàng, vuông hoặc tròn phụ thuộc vào hình dạng của ô và tuỳ theo phần lấy khí vào được đặt ở bên cạnh hay đáy của ô a) b)
Hình 1.3 Tháp làm mát đối lưu cưỡng bức a) Cơ cấu bên trong; b) Phần vỏ tháp nhìn bên ngoài
Về kết cấu, tháp làm mát bao gồm thân tháp, bể chứa nước làm mát khối đệm, tấm chắn nước, cửa khí vào, vòi và quạt
Thân tháp: Thân tháp chiếm gần như toàn bộ bộ kích thước tháp là kết cấu gồm các cột có tác dụng như khung dầm, bệ đỡ để lắp động cơ, quạt và các bộ phận khác
Khối đệm: Khối đệm (hình 1.4)có tác dụng hỗ trợ trao đổi nhiệt nhờ tăng tiếp xúc giữa nước và không khí Chủ yếu có 2 loại khối đệm sau đây:
Khối đệm dạng phun: nước rơi trên các thanh chắn nằm ngang và liên tiếp bắn toé thành những giọt nhở hơn, đồng thời làm ướt bề mặt khối đệm hối đệm dạng phun bằng nhựa giúp tăng trao đổi nhiệt tốt hơn
Khối đệm màng: bao gồm các tấm màng nhựa mỏng đặt sát nhau, nước sẽ rơi trên đó, tạo ra một lớp màng mỏng tiếp xúc với không khí Bề mặt này có thể phẳng, nhăn, rỗ tổ ong hoặc các loại khác Loại màng của khối đệm này hiệu quả hơn và tạo ra mức trao đổi nhiệt tương tự với lưu lượng nhỏ hơn so với khối đệm dạng phun a) b)
Hình 1.4 Khối đệm dạng phun (a) và khối đệm dạng màng (b)
Bể chứa nước làm mát: Bể nước làm mát là nơi nhận nguồn nước cấp, hoá chất xử lý vi sinh, xử lý độ pH nên còn được gọi là bể cân bằng thường được thiết kế ở đáy tháp để nhận dòng nước hồi lưu chảy xuống qua khối đệm trong tháp Đối với các thiết kế đối lưu ngược dòng, nước ở đáy khối đệm được nối với một vành đai đóng vai trò như bể nước lạnh Quạt hút được lắp dưới khối đệm để hút khí từ dưới lên Với thiết kế này, tháp được lắp thêm chân, giúp dễ lắp quạt và động cơ
Tấm chắn nước Thiết bị này thu những giọt nước kẹt trong dòng không khí, nếu không chúng sẽ bị mất vào khí quyển
Bộ phận khí vào: Đây là bộ phận lấy khí vào tháp Bộ phận này có thể chiếm toàn bộ một phía của tháp (thiết kế dòng chảy ngang) hoặc đặt phía dưới một phía hoặc dưới đáy tháp (thiết kế dòng ngược)
Cửa không khí vào: Thông thường, các tháp dòng ngang có cửa lấy khí vào
Mục đích của các cửa này là cân bằng lưu lượng khí vào khối đệm và giữ lại nước trong tháp Rất nhiều thiết kế tháp ngược dòng không cần cửa lấy khí
Vòi phun: Vòi phun nước để làm ướt khối đệm Phân phối nước đồng đều ở phần trên của khối đệm là cần thiết để đạt được độ ướt thích hợp của bề mặt khối đệm Vòi có thể được cố định hoặc phun theo hình vuông hoặc tròn, hoặc vòi có thể là một bộ phận của dây chuyền quay như thường gặp ở một số tháp giản nhiệt đối lưu ngang
THÔNG SỐ VẬN HÀNH VÀ THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA BỂ CHỨA NƯỚC THÁP LÀM MÁT NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU
Cũng như đa số các nhà máy trong ngành dầu khí, Nhà Máy Đạm Cà Mau cũng vận hành tháp làm mát, đó là hệ thống làm mát hở, giải nhiệt cho bộ ngưng tụ hơi (surface condenser); giải nhiệt cho nước fresh thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
Hệ thống nước fresh giải nhiệt cho các thiết bị trong Nhà máy đế đảm bảo lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của các thiết bị này được giải phóng, nếu không sẻ dẫn đến tình trạng mất kiểm soát nhiệt độ, một số thiết bị khi nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép có khả năng tự ngắt hoạt động (trip), khi đó sẻ ảnh hưởng đến sự hoạt động của toàn bộ các thiết bị khác trong nhà máy, một số thiết bị khác không có bộ phận trip mà vẫn hoạt động ở tình trạng nhiệt tăng cao thì có thể dẫn đến sự phá huỷ các chi tiết bên trong thiết bị
Hình 1.11 Tháp làm mát của xưởng phụ trợ Nhà máy Đạm Cà Mau
Nước đầu vào được lấy từ nước sông (3 bơm đầu vào - Intake water pump công suất 1200 m 3 /h) qua hệ thống lọc rồi vào bể chứa (basin) Tại đây, nước được xử lý bằng các loại hoá chất như: biocide, javen, acid,… để chống cáu cặn và ăn mòn thiết bị Nước trong bể basin sẻ được 4 bơm ly tâm (cooling water pump) bơm đi làm mát các thiết bị Sau khi làm mát nước được hồi trở lại qua trao đổi nhiệt dạng tấm E21201A-H sau đó được đưa lên tháp qua các tấm nhựa để chia dòng và rơi tự do ở độ cao 12 m rơi xuống bể Basin Phía trên đỉnh tháp có 8 quạt hút E21101E-H tạo một luồng khí chạy từ phía dưới tháp lên đỉnh tháp ngược chiều với các dòng nước rơi xuống bể basin và lấy đi nhiệt lượng của nước Đây cũng là một phương pháp trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy khác
2.2 Các thiết bị chính và chỉ tiêu các nguồn nước: Để nguồn nước làm mát đạt các chỉ tiêu về độ pH, chỉ tiêu vi sinh, hiệu quả làm mát của nước đi làm mát thì hệ thống cần các thiết bị chính và chỉ tiêu các nguồn nước như sau [4]:
Bảng 1.2 Các thiết bị chính của hệ thống làm mát Nhà máy Đạm Cà Mau
Stt Tên thiết bị Ký hiệu Số lượng Ghi chú
3 Bơm nước ngoài hang rào P97001A~C 3 1200 m 3 /h
6 Bể nước sông làm mát T21101 1 9022 m 3
10 Hệ thống hóa chất chống cáu cặn
11 Hệ thống hóa chất diệt vi sinh
Z21101 3 Hiện tại không sử dụng
12 Hệ thống hóa chất Acid sunphuric
13 Hệ thống hóa chất chống ăn mòn
14 Hệ thống shock Javen 1 Tùy theo tình hình thực tế
Bảng 1.3 Chỉ tiêu chất lượng nước sông đầu vào:
Chỉ tiêu Giá trị Đơn vị Biện pháp kiểm soát Áp suất làm việc 3 bar Ghi log sheet
Nhiệt độ làm việc 31 0 C Kiểm soát khi bất thường pH 6.4 – 7.7 Phân tích hằng ngày Độ dẫn 5275,4𝑁 nên cụm bánh xích đã thiết kế đủ khả năng đẩy bùn
Hình 27 Cơ cấu di chuyển của robot hút bùn
Về phía cụm hút, cũng vì tiêu chí đặt ra là không được phá hủy mặt nền nhưng phải đảm bảo đánh tơi được lớp bùn đặc và dọn sạch mặt nền, chính điều này sẽ chia cụm đầu hút ra làm hai dạng, thứ nhất robot hút thô, với đặc tính kích thước lớn và đầu hút có thể đánh tơi lớp bùn, đồng thời hút lượng bùn lớn phía trên sẽ sử dụng cơ cấu trục vít nhưng không được chạm mặt hồ vì điều này sẽ gây phá hủy bề mặt Tiếp theo đó, robot hút tinh sẽ dùng chổi mềm và đầu hút phía trước để dọn lớp bùn còn đọng lại trên mặt hồ nhằm đảm bảo độ sạch bề mặt đáy trước khi nghiệm thu a) b)
Hình 2.3 Bánh vít và chổi a) Bánh vít; b) Chổi
Liên quan đến cụm đầu hút, do thiết kế trục vít làm ra cần đảm bảo không chạm mặt sàn nên ở 2 đầu trục, vì vậy việc lắp thêm bánh xe đồng tâm với trục với đường kính lớn hơn đường kính bao của trục vít giúp cho khi di chuyển, bánh xe luôn chạm mặt nền trước khi trục vít chạm đáy hồ là cần thiết
Còn đối với cụm chổi, để đảm bảo lượng bùn quét được sẽ lùa vào giữa tâm hút ở giữa robot, lông chổi hình chữ V được lựa chọn với lông chổi xoắn ngược chiều nhau từ hai đầu vào giữa như cách lùa bùn của trục vít [5]
Công suất để di chuyển bùn (MHP) [7]:
𝐶𝑃: khối lượng bùn trong trục vít (𝑙𝑏𝑠/ℎ)
𝑀𝐹: hệ số cản của bùn
Tra bảng và chọn lại công cản để di chuyển bùn:
Hình 2.4 Công suất cản của bùn
Vậy hệ số 𝑀𝐻𝑃 sau khi tra bảng là 0,8𝐻𝑃
Công suất tổng của trục vít:
Tổng công suất trục vít được xác định theo công thức:
Tổng moment xoắn cho trục vít là: 𝑇 = 9550.𝑃
Cảm biến Đường tín hiệu Đường nguồn
Các thành phần của hệ thống điện: a Van
Van 4/3 DSG-03 NSX Yuken (12V, 24V, hoặc 100V) Áp suất: 120 bar
Lưu lượng: 66.67 l/ph b Contactor và relay:
Contactor LS GMC – 32 đóng ngắt mạch điện chính
Contactor LS GMC – 22 đóng ngắt mạch điện với nguồn thuỷ lực
Rờ le MY4_MY4N_Omron
Thông số LS GMC – 32 LS GMC – 22 Điện áp hoạt động 220𝑉, 24𝑉, 380𝑉 220𝑉, 24𝑉, 380𝑉
- Điện áp hoạt động 5 - 24VDC
- Dòng tiêu thụ lớn nhất 80mA
- Tần số đáp ứng; 100kHz
- Số xung trên một vòng quay: 1000 d PLC
PLC MITSUBISHI FX3G, Module FX3U-4AD
Thông số các thiết bị điều khiển
Bảng 2.3 Thông số các thiết bị điều khiển
Thiết bị Số lượng Dòng điện cực đại Điện áp đầu vào Tổng cộng
Driver bơm Driver động cơ chạy đai cao su 1 Driver xi lanh điện 1 Driver xi lanh điện 2 Driver động cơ chạy chổi Mạch đệm 2
Bơm Động cơ chạy đai cao su 1
Driver động cơ chạy đai cao su 2 Động cơ chạy đai cao su 2 Xi lanh điện 1 Xi lanh điện 2 Động cơ chạy chổi
Mạch đệm 1 Mạch đệm 3 Mạch đệm 4 Mạch đệm 5 Mạch đệm 6
Encoder động cơ chạy đai cao su 1 Encoder động cơ chạy đai cao su 2 Biến trở xi lanh điện 1 Biến trở xi lanh điện 2
Bảng 2.4 Nguồn cấp cho robot hút bùn
STT Bộ phận Công suất Điện áp vào Dòng vào Điện áp ra
2 Dẫn động xích, xilanh và chổi 2 KW 200-240VAC
3 Encorder và vi điều khiển 4,53W 100-264VAC
4 Driver điều khiển bơm 3 KW 48 VDC 80 A 5 VDC 35mA HEB48401X
5 Driver điều khiển chổi 400 W 24 VDC 25A n = 0 – 3000 v/ph ZPLD.C20-
6 Driver điều khiển xích 750 W 28VDC 35A n = 0 – 3000 v/ph EV-
Driver điều khiển xi lanh nâng hạ
2.3 Giải pháp dọn bùn cho bể chứa nước làm mát Nhà máy Đạm Cà Mau:
Do đặc điểm kết cấu của bể chứa nước làm mát có tường cao 5 m bao kín và có hệ thống cột chống đỡ phần thân tháp làm mát nên robot không thể di chuyển một cách tự do để hút bùn trong bể Để đạt hiệu quả tối ưu, ta chia toàn bộ diện tích đáy bể của tháp làm mát ra thành những vùng nhỏ hơn là những khu vực dọn bùn hình chữ nhật được giới hạn bởi các chân cột của tháp như hình bên dưới Yêu cầu bùn phải được bơm ra ngoài qua tường cao hơn đáy bể là 4 m tới điểm tập kết phía sau hồ nên ta tận dụng kết cấu của hồ có sẵn tường và cột để lắp các đầu chờ Các đầu chờ này sẻ kết nối với đầu ra của robot để chuyển bùn ra ngoài Robot đi trong mỗi vùng này để hút bùn, sau khi hết quỹ đạo của một vùng diện tích đó thì công nhân vận hành sẻ chuyển đổi ống nối, điều khiển robot qua vùng tiếp theo để tiếp tục công việc cho tới khi hoàn thành
Về điều khiển sử dụng GPS để xác định toạ độ của robot để xác định đúng khoảng cách và vận tốc di chuyển của robot, cần chuyển đổi tín hiệu từ tọa độ GPS sang hệ toạ độ Descartes nhờ vào la bàn số để theo dõi và hiệu chỉnh quỹ đạo của robot trong suốt quá trình thực hiện công việc
Hình 2.6 Bể chứa nước làm lát Nhà máy Đạm Cà Mau
2.4 Sa đồ cho bể chứa nước tháp làm mát Nhà máy Đạm cà Mau:
Xây dựng sa đồ (quỹ đạo):
Việc xây dựng sa đồ hay quỹ đạo cho robot nhằm đảm bảo tính hiệu quả về thời gian và công suất dọn bùn đồng thời đảm bảo an toàn cho kết cấu bể tức là robot không va chạm với cột và tường, robot tránh được 3 hố sâu là đầu vào các bơm nước đi làm mát ở phần trước bể Theo kết cấu bể ta dựng thành
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Robot di động bánh xích là một trong những loại robot có nhiều tính năng vượt trội, Loại robot này có tiết diện tiếp xúc với mặt đất lớn mang lại lợi thế trong những môi trường trơn trượt, bề mặt di chuyển gồ ghề Xe bánh xích được sáng chế lần đầu tiên vào năm 1770 bởi Richard L Edgeworth và được hoàn thiện cho đến nay [12] Trên cơ sở đó, mô hình động học điều khiển cho robot hút bùn với góc lái của robot được điều khiển tương tự như bánh dẫn vi sai tức là bằng cách điều khiển tốc độ khác nhau cho bánh xích bên trái và bánh xích bên phải
Mặc dù có nhiều lợi thế về khả năng cơ động nhưng robot bánh xích thường có nguy cơ bị trượt theo hướng dọc và hướng ngang Đặc biệt khi phải di chuyển trong đáy bể tháp làm mát, các chướng ngại vật là kết cấu của bể như: tường, cột, hố sâu là những mối nguy cho robot trong vận hành Chính vì thế mà việc lập mô hình động học điều khiển cho robot và thuật toán bám sát quỹ đạo đã cho là một yếu tố quan trọng mang lại hiệu quả và an toàn cho thiết bị.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Hệ trục toạ độ 𝐹: {𝑋, 𝑌, 𝜑} là hệ trục toạ độ cố định trên mặt phẳng chuyển động như hình bên dưới:
Hình 3.1 Hệ toạ độ và mô hình động học của robot
Trong đó: Điểm 𝐶: Trọng tâm robot Điểm 𝑅: Điểm dò line
𝑠 𝑠𝑙 , 𝑠 𝑠𝑟 : Độ trượt trái và phải
𝑒 1 , 𝑒 2 : các sai số dò vị trí (𝑚𝑚),
𝑒 3 : sai số dò đường theo góc quay (°)
Với r là bán kính bánh xe dẫn động, 𝜔 𝑟 là vận tốc góc, độ trượt của bánh xích trái 𝑠 𝑠𝑙 và độ trượt của bánh xích phải 𝑠 𝑠𝑟 [10]:
Với 𝑏: Khoảng cách hai dãy xích (𝑚)
Với vận tốc quay bánh trái và phải 𝜔 𝑙 , 𝜔 𝑟 được tính từ các công thức:
Với vận tốc thực của robot tính theo công thức [11]:
Mô hình động học của robot hai bánh xích di chuyển trên mặt phẳng [10]:
𝑏[𝜔 𝑟 (1 − 𝑠 𝑠𝑟 ) − 𝜔 𝑙 (1 − 𝑠 𝑠𝑙 )] (3.10) (3.10) Để đưa mô hình từ điểm dò line 𝐶 đến điểm mong muốn 𝑅 lập phương trình sai số:
] (3.11) Động học sai số của mô hình:
Với 𝐿 = √(𝐼/𝑚), 𝐼 là moment quán tính của mô hình (𝑘𝑔𝑚 2 ), 𝑚 là khối lượng của robot (𝑘𝑔)
Hệ đạt trạng thái ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov:
Với 𝑘 1 , 𝑘 2 , 𝑘 3 là các hệ số điều khiển mang giá trị dương
2.2 Định vị và điều khiển cho robot đi theo quỹ đạo:
Sử dụng thiết bị GPS để xác định toạ độ thực tế của Robot, để xác định đúng khoảng cách và vận tốc di chuyển của robot, trong hệ toạ độ Descartes ta dùng cảm biến la bàn số, Encoder thu tính hiệu tốc độ từ hai bánh xích qua bộ điều khiển để điều khiển robot đi theo sa đồ đã lập Sơ đồ khối các thiết bị điều khiển như sau:
Hình 3.2 Sơ đồ khối các thành phần điều khiển robot hút bùn
Sử dụng thiết bị GNSS C099 – F9P để xác định vị trí của Robot GNSS C099-F9P được tích hợp với chip ZED-F9P kết hợp với RTK để khảo sát độ chính xác của thiết bị GPS này bằng cách tính khoảng cách của một điểm từ đường dẫn được xác định trước C099-F9P cho phép đánh giá hiệu quả về ZED-F9P, mô-đun định vị độ chính xác cáo U-Blox Mô-đun ZED-F9P cung cấp định vị GNSS nhiều băng tần và cho người dùng Bộ thu GPS hỗ trợ RTK, được gọi là “rover”, được cài đặt trên Robot hút bùn hoặc các máy tự hành khác Mạng GPS-RTK cũng bao gồm bộ thu đứng yên, được gọi là trạm “base”, và liên kết vô tuyến giữa trạm base và rover
Các thông số chình của C099-F9P như sau:
Bảng 3.1 Các thông số chính của thiết bị GPS C099-F9P
Power supply 2.1 mm plug 6 V-12 V DC, USB connection or
USB Micro USB port for GNSS data and power suppl
Receiver type 184-channel u-blox F9 engine
GPS L1C/A L2C, GLO L1OF L2OF, GAL E1B/C E5b, BDS B1I B2I, QZSS L1C/A L1S L2C, SBAS L1C/A
Nav update rate RTK up to 20 Hz1
EXTINT input for wakeup RTK fix status
GEOFENCE status Timepulse Configurable: 0.25 Hz to 10 MHz
Protocols NMEA, UBX binary, RTCM v 3.3, SPARTN v 2.0 Supply voltage 2.7 V to 3.6 V
Power consumption 68 mA at 3.0 V (continuous)
Sử dụng cảm biến la bàn số HMC5883L
Cảm biến la bàn số HMC5883L có kích thước nhỏ gọn sử dụng giao tiếp I2C, được dùng để đo từ trường của trái đất nhằm xác định phương hướng với độ chính xác lên đến 1 hoặc 2 độ, cảm biến có cách đo riêng biệt cho từng trục và có thể kết hợp lại để tính toán 3D
Thông số của cảm biến la bàn số:
Bảng 3.2 Thông số của cảm biến la bàn số Đặc tính Conditions Min Typ Max Units
VDD Referenced to AGND VDDIO Referenced to DGND
Idle Mode Measurement Mode (7.5 Hz ODR;
No measurement average, MA1:MA0 = 00) VDD = 2.5V, VDDIO = 1.8V (Dual Supply)
Field Range Full scale (FS) -8 +8 gauss
VDD=3.0V, GN=0, No measurement average, Standard Deviation 100 samples
(See typical performance graphs below)
Linearity ±2.0 gauss input range 0.1 ±% FS
Hysteresis ±2.0 gauss input range ±25 ppm
Test Conditions: Cross field 0.5 gauss, Happlied = ±3 gauss ±0.2% %FS/gauss
Continuous Measurment Mode Single Measurement Mode
From receiving command to data ready
Ready for I2C commands Analog Circuit Ready for Measurements
All gain/dynamic range settings ±5 %
I 2 C Rate Controlled by I 2 C Master 400 kHz
Hysteresis of Schmitt trigger inputs on SCL and SDA - Fall
- Chọn bộ điều khiển, Arduino Uno R3 có đầy đủ ngoại vi để giao tiếp với các module GNSS C099 – F9P, cảm biến la bàn Số HMC5883L, encoder
- Bộ điều khiển sử dụng board Arduino Uno R3 với vi điều khiển Atmega328 (8bit) sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz
- Arduino Uno co tổng cộng có 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin) Có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board
Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển
Bảng 3.3 Thông số thiết bị điều khiển
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
2.3 Thuật toán điều khiển Robot:
Chọn thuật toán điều khiển Để điều khiển robot sử dụng thuật toán theo đuổi thuần túy - Pure Pursuit [14] là một thuật toán theo dõi chuyển động bằng cách tính toán độ cong để di chuyển robot từ vị trí hiện tại của nó đến vị trí mục tiêu Nó tính toán lệnh vận tốc góc để di chuyển robot từ vị trí hiện tại của nó để đến một số điểm nhìn về phía trước của robot Sau đó, thuật toán di chuyển điểm nhìn trước trên đường đi dựa trên vị trí hiện tại của robot cho đến điểm cuối cùng của đường đi Tất cả các điểm của thuật toán là để chọn mục tiêu có vị trí cách xe trước một khoảng trên đường đi
Phương pháp tiếp cận chính của thuật toán Pure Pursuit là phương pháp xác định độ cong sẽ đưa robot đến điểm mục tiêu Điểm mục tiêu này là một điểm trên đường đi của robot (path) cách robot một khoảng, khi đó thuật toán sẽ kết nối điểm hiện tại và điểm mục tiêu bằng một cung
Hình 3.6 Mô tả hình học thuật toán theo đuổi thuần tuý
Với điểm (x, y) là tiêu điểm nằm trên quỹ đạo đã định (path), cách điểm gốc toạ độ một khoảng l Mục tiêu của thuật toán Pure Pursuit là tìm độ cong cung nối từ điểm gốc đến điểm (x, y) Theo mô tả hình học ở hình 3.6 ta có:
Trong thuật toán theo đuổi thuần tuý, độ dài tiêu điểm l được đặt trước, và khoảng cách ngang u (của robot) đến tiêu điểm Khoảng cách này được mô tả và tính toán ở hình 3.7
Hình 3.7 Mô tả khoảng cách ngang của robot đên tiêu điểm Áp dụng phương trình Điểm – dốc (Point – Slope) [15] để tìm quỹ đạo robot:
Chuyển phương trình về dạng: ax + by + c = 0 (3.22)
Trong đó: a = - tan(); b = 1; c = tan() (x r - y r ) Áp dụng công thức khoảng cách đường thẳng, ta có:
Thay các thông số và tọa độ của tiêu điểm, ta được:
Trong đó: u: khoảng cách ngang của robot so với tiêu điểm
(x l , y l ): tọa độ tiêu điểm + Tính toán độ cong của cung tròn đánh lái
+ Tính toán vận tốc tham chiếu mục tiêu bánh xe trái và bánh xe phải
Trọng tâm của robot tách rời về mặt hình học và cách điểm mục tiêu một đoạn l Điểm mục tiêu (x, y) được ràng buộc trên đường đi, thuật toán tính toán độ cong của cung nối điểm gốc với điểm mục tiêu có độ dài dây cung l
Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot đi theo line (quỹ đạo)
Việc điều khiển robot bám theo quỹ đạo cho trước được thực hiện lần lược các bước sau:
- Khởi tạo quỹ đạo tham chiếu, xác định điểm đầu, điểm cuối của quỹ đạo Trong bước này từ các toạ độ tham chiếu cho trước, quỹ đạo sẽ được xác định bằng cách nối các điểm tham chiếu cho trước, sau đó tiến hành chia nhỏ các vector tham chiếu nhỏ hơn tướng ứng với các phần tử có trong quỹ đạo Xác định điểm trên quỹ đạo có khoảng cách gần Robot nhất Các bước tiếp theo là chuyển điểm đến về hệ toạ độ của robot bằng GPS và
Compass sensor, tính toán đường cong để nội suy vận tốc góc robot, cập nhật vị trí hiện tại của robot Như đường line hay quỹ đạo của robot hút bùn ở hình 3.9 thị quỹ đạo này được chia thành các điểm tham chiếu với khoảng cách giữa các điểm là 0.02m tương ứng với vận tốc tham chiếu sơ bộ 0.2m/s và bán kính quay 0.5m
Hình 3.9 Quỹ đạo robot trên hệ toạ độ tương đối
Sử dụng cảm biến la bàn số xác định góc lệch của robot so với hướng Bắc Do tín hiệu nhận được từ cảm biến thực tế là tọa độ GPS của robot , để xác định đúng khoảng cách và vận tốc di chuyển của robot, cần chuyển đổi tín hiệu từ tọa độ GPS sang hệ tọa độ Descartes với góc lệch ban đầu là góc của la bàn số
Trong đó có các thông số cần xác định như sau:
Xác định khoảng cách của robot khi biết tọa độ đầu và cuối d , theo công thức [13] như sau:
Trong đó: φlà vĩ độ, λ là kinh độ, Δλ là đường đi ngắn nhất, R là bán kính trái đất, Δψ = ln (tan (π / 4 + φ 2/2 ) / tan (π / 4 + φ 1/2 )) chênh lệch quỹ đạo dự kiến Xác định hệ số góc θ θ = atan2 (Δλ, Δψ) (3.28)
Trong đó: φ là vĩ độ e, λ là kinh độ , Δλ là đường đi ngắn nhất (