Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Điều khiển robot leo bên ngoài ống xúc tác lò reformer

 Mục 1.1 Giới thiệu sơ lược tổng quan về đề tài, dựa trên các đối tượng cụ thể để xây dựng robot và tổng quan về robot leo bên ngoài đường ống  Mục 1.2 Giới thiệu về các loại robot leo

TỔNG QUAN

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1.1 Đối tượng ống lò xúc tác reformer tại Nhà máy Đạm Cà Mau

Reforming sử dụng hơi nước để tạo ra metan là một phương pháp sản xuất khí tổng hợp bằng phản ứng của hydrocacbon với nước Thông thường khí tự nhiên là nguyên liệu Mục đích chính của công nghệ này là sản xuất hydro (Hình 1.1) Phản ứng được biểu diễn bằng cân bằng này: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ Quá trình phản ứng này là một phản ứng tỏa nhiệt mạnh

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát quá trình Reformer khí tự nhiên [1]

Chức năng của lò Reformer trong quá trình sản xuất Đạm tại Nhà máy Đạm Cà

Mau là dùng cho việc chuyển hóa khí Natural Gas, Steam và không khí thành nguyên liệu đầu vào cho phản ứng tổng hợp Trong đó, sơ đồ nguyên lý quy trình về công nghệ cho quá trình Reforming khí tự nhiên đầu vào diễn ra tại lò Reformer sơ cấp và thứ cấp được mô tả như trong Hình 1.2, kèm theo đó hình ảnh thực tế của quá trình này này ở Hình 1.3

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Reformer sơ cấp và thứ cấp tại Nhà máy Đạm Cà Mau

Hình 1.3 Hình ảnh thực tế Reformer sơ cấp và thứ cấp tại Nhà máy Đạm Cà

Về cấu trúc của lò, một bản vẽ kết cấu của lò Reformer sơ cấp được trình bày chi tiết trong Hình 1.4 Cơ bản, lò có 02 buồng đốt vận hành song song (nằm giữa 02 tường lò AB và CD (Hình 1.4), mỗi tường có 90 đầu đốt, hay còn được gọi là bunner

(6 hàng x 15 đầu đốt) Tổng cộng với 150 ống xúc tác dài 13 m

Hình 1.4 Bản vẽ chi tiết kết cấu lò Reformer sơ cấp tại Nhà máy Đạm Cà Mau

Các đường ống xúc tác trong lò Reformer tại Nhà máy đạm Cà Mau với kết cấu thẳng đứng và dài 13m đường kính là 152mm, được thiết kế cạnh nhau với khoảng cách là 100mm (Hình 1.5 và Hình 1.6)

Hình 1.5 Hình ảnh thực tế đường ống xúc tác trong lò Reformer Sơ cấp (nhìn từ ngoài vào)

Hình 1.6 Hình ảnh các ống xúc tại trong lò Reformer Sơ cấp (nhìn từ trên xuống) 1.1.2 Robot leo đường ống

Các lò Reformer là rất quan trọng đối với nhiều quy trình trong các nhà máy lọc dầu và hóa chất, được sử dụng trong sản xuất khí tổng hợp, amoniac, metanol, axit axetic và các hóa chất khác Bởi vì mức độ phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của ống cải cách, các mô hình dự báo tuổi thọ hiện tại là rất hạn chế và cung cấp các ước tính thận trọng [2] Hơn thế nữa, thiết kế vận hành cho đường ống là đảm bảo để tình trạng hoạt động đạt được tuổi thọ thiết kế Tuy nhiên, trong thực tế, kinh nghiệm cho thấy tuổi thọ thực tế ngắn hơn nhiều so với thiết kế một và sự không thể đoán trước của việc vỡ ống cải cách tạo ra tổn thất kinh tế cao [3] Tương tự, các hệ thống kiểm tra hiện tại không có thể phát hiện và định lượng một cách đáng tin cậy các hiện trạng hư hỏng có trong ống

Do đó, một số công cụ có được phát triển để tạo ra các cuộc kiểm tra đáng tin cậy và dự đoán cuộc sống thực tế Những sự phát triển mới dựa trên hệ thống kiểm tra, mô hình phân tích và hệ thống dựa trên kinh nghiệm, hiểu biết về bản chất của lò

MSHV: 1870228 5 luôn cần thiết kế Thông thường, các phương pháp để thực hiện kiểm tra và đánh giá các hiện tượng lão hóa của đường ống xúc tác này này như chất thấm thuốc nhuộm, chụp X quang, laser, siêu âm và dòng điện xoáy [4]

Một mô hình với hệ thống các phương pháp để phân tích đã được phát triển dựa trên các mối quan hệ giữa đặc tính/trạng thái của ống và biểu hiệu có được từ các quan sát và đo đạc đã được liên kết, để tính toán mức độ biến dạng, hư hỏng và lão hóa Cùng với đó, hệ thống phân tích này cũng được xây dựng kết hợp dựa trên kinh nghiệm phân tích hàng loạt các số liệu từ tập cơ sở dữ liệu chính bao gồm các thuộc tính vật liệu, dữ liệu lịch sử, tiêu chuẩn liên quan, kết quả kiểm tra, báo cáo tình trạng trong quá trình vận hành nhà máy và các đánh giá trước đó [5] Do vậy, để đáp ứng độ chính xác cho các kết quả kết luận đánh giá đầu ra trong quá trình đo đạc phân tích hiện trạng của đường ống xúc tác trong lò đóng vai trò hết sức quan trọng và cần thiết

Hình 1.7 (a) Robot HSI GROUP, INC Canada [5], (b) Robot for automatic reformer tube inspection (Air Liquide, Estarreja-Portugal) [7]

Thực tế, ta có thể thấy được trong quá trình bảo dưỡng, việc tu bổ sửa chữa tường/thành lò và kiểm tra, đánh giá tình trạng lão hóa, suy hao của đường ống xúc tác trong lò tại Nhà máy Đạm Cà Mau (Hình 1.5 và Hình 1.6), thông thường cần đến việc lắp đặt các giàn giáo để người thao tác trèo lên kiểm tra và đo đạc với các thiết bị cầm tay, hoặc cũng có thể áp dụng các thiết bị robot để leo bám trên đường ống để

MSHV: 1870228 6 kiểm tra (Hình 1.7a và Hình 1.7b), tuy nhiên thông thường các dịch vụ kiểm tra này được cung cấp bởi Châu Âu (các công ty dịch vụ như Hscan, LEO,…) với chi phí rất cao, đồng thời cũng như mất rất nhiều thời gian để thực hiện, do quá trình vận chuyển thiết bị và kỹ sư vận hành về Nhà máy.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong thời gian gần đây, các đề tài liên quan đến việc điều khiển robot để kiểm tra thiết bị dạng dây cáp, cột trụ, đường ống, mà trong đó đề tài robot leo cột, trụ hay đường ống tại Việt Nam cũng được quan tâm và nghiên cứu Trong đó, hai nghiên cứu nổi bật cho chủ đề nghiên cứu này là đề tài nghiên cứu “Thiết kế robot leo trụ và điều khiển” của tác giả Nguyễn Văn Mến trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện năm 2015 trong tài liệu [8] và đề tài luận văn Thạc sĩ

“Nghiên cứu, thiết kế robot leo trụ” của tác giả Nguyễn Thành Trung thực hiện năm

Kết quả nghiên cứu cho thấy, robot sử dụng ba bánh xe để di chuyển trên trụ được thiết kế và chế tạo như tại Hình 1.8 [8] bởi tác giả Nguyễn Văn Mến, robot này với khả năng leo bám được trên trụ và di chuyển lên/xuống; và đồng thời ba động cơ này, cũng phải được điều khiển đồng bộ về tốc độ cũng, theo giải thuật được đề xuất có sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft như tại Hình 1.9, đó chính là là mục tiêu trong nghiên cứu này

Hình 1.8 Mô hình robot leo trụ đèn của tác giả N.V.Mến [8]

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft [8]

Bên cạnh đó, một đề tài của tác giả Nguyễn Thành Trung trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, đã thực hiện thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập

Một hệ thống tạo lực nén với nhiệm vụ giữ robot di chuyển trên trụ và một hệ thống truyền động bằng bánh xe để robot di chuyển trên trụ Cơ cấu cơ khí được thiết kế bằng 1 khung với ba bộ nén đặt lệch nhau một góc 120 0 C, tạo ra một mặt phẳng vuông góc với trục và việc phân tích tính toán lực sẽ đơn giản hơn Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng để điều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách của lò xo, giúp ổn định lực nén và giữ robot ổn định trên trụ Bộ điều khiển PID thứ 2 sẽ điều khiển, ổn định tốc độ robot di chuyển trên trụ Các kết quả thực nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điều khiển của robot đã cho thấy robot leo được trên các trụ tròn, trụ côn (xem Hình 1.10)

Thông qua quá trình tìm hiểu và khảo lược tài liệu về các nghiên cứu trong nước cho thấy, phần lớn các đề tài robot có dạng leo trụ đứng được thiết kế và xây dựng cho việc leo các cột trụ đèn trong không gian rộng Tuy nhiên, đối với giới hạn kích thước trong lò Reformer tại nhà máy, một robot có thể đáp ứng được khả năng vận hành trong điều kiện môi trường này là hoàn toàn chưa có trong nước

Hình 1.10 Mô hình robot leo cột của tác giả N.T.Trung (a) Mặt bằng, (b) Mặt bên [9]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các robot là một trong những yếu tố quan trọng cho sự phát triển kinh tế và xã hội của con người Hiện nay, hình dạng của robot bao gồm rất nhiều hình thức, trong đó mobile robot bao gồm có nền tảng bánh xe, robot tay máy, robot cơ thể có chân, robot sinh học giống động vật, v.v

Tất cả những robot này đều đóng góp theo nhiều khía cạnh trong việc cải thiện đời sống con người, công nghiệp, nông nghiệp, kỹ thuật và xã hội Lợi ích của việc sử dụng robot di động tự động và thông minh (có bánh xe hoặc có chân) trong các ứng dụng trong công nghiệp, quân sự, y tế, hỗ trợ và dịch vụ là rất nhiều, và tác động tích cực của chúng trong xã hội hiện đại đang không ngừng gia tăng [10] Một số loại robot sau đây có với các bức ảnh có liên quan được bao gồm:

 Mobile robot (có tay máy hoặc không có tay máy) trong nhà máy và công nghiệp,

 Mobile robot trong xã hội (cứu hộ, hướng dẫn, bệnh viện),

 Mobile robot cho dịch vụ gia đình (dọn dẹp, các dịch vụ khác),

 Mobile robot hỗ trợ (xe lăn tự lái, robot người phục vụ di động, hỗ trợ cho người khuyết tật,v.v ),

 Robot điều khiển viễn thông từ xa (tay máy hỗ trợ phẫu thuật, dò thám)

 Các ứng dụng mobile robot khác

Trong các loại mobile robot vừa kể trên thì robot bám đường ống mà nhóm nghiên cứu thực hiện là một loại mobile robot có bánh xe, chưa có thiết kế tay máy trên đó ứng dụng trong cong nghiệp, robot được thiết lập các camera và cảm biến để kiểm tra ngoại quan vách tường lò và đường ống xúc tác Về phương pháp điều khiển và các cơ cấu dẫn động cho các loại robot này thường khá đa dạng

Hình 1.11 (a) Hệ thống robot được xây dựng và phát triển (b) Sơ đồ giải thuật điều khiển robot [11]

Trong đó, có thể kể đến như dạng robot di động Robot di động và Internet of

Thing để theo dõi người lớn tuổi ở tài liệu [11] Trong đó, tác giả P.R.Pinheiro đã đề xuất phát triển mẫu robot di động được tích hợp với hệ thống giám sát IoT đóng một vai trò chính trong hệ thống, robot có thể di chuyển ban đầu bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID để duy trì khoảng cách xác định trước 30 cm so với tường, đồng thời áp dụng thuật toán Wall-Follow, có thể tạo bản đồ môi trường và ma trận đầu vào để tìm kiếm đường dẫn, theo chiều rộng ngắn nhất, hỗ trợ thoát ra khỏi môi trường phòng kín Giao tiếp giữa mô-đun trung tâm, các bộ phận phụ trợ và máy chủ được thực hiện

MSHV: 1870228 10 một cách hiệu quả và có khả năng gửi và trả lời các tin nhắn tạm thời liên quan đến việc phát hiện sớm sự cố rơi có thể xảy ra bởi người lớn tuổi như ở Hình 1.11

Ngoài ra, một báo cáo nghiên cứu về việc bằng cách sử dụng máy ảnh USB làm cảm biến vị trí tác động lý xử hình ảnh điều khiển AGV theo dạng vòng kín (Hình

1.12a) ở tài liệu [12] Tác giả D.P Oliveira đã đề xuất đánh giá việc sử dụng webcam và chương trình xử lý ảnh OpenCV để làm cảm biến trong vòng điều khiển tốc độ, vị trí / đường dẫn cho AGV và cũng đánh giá tác động của độ phân giải hình ảnh, các thông số xử lý hình ảnh và tốc độ khung hình trên giây đối với phản hồi điều khiển, việc triển khai dựa trên bộ điều khiển PID cho các động cơ (Hình 1.12b)

Hình 1.12 (a) Giải thuật điều khiển (b) Sơ đồ mô tả cấu trúc điều khiển AGV

 Các loại robot leo bám kiểm tra đánh giá thiết bị

Hình 1.13 Phân loại cơ bản một số loại robot có khả năng leo bám ống, cáp, trụ Để có thể thiết kế hình dáng, kết cấu của robot, trước tiên ta sẽ khảo sát tình hình nghiên cứu robot này trên thế giới và trong nước Trên thế giới, robot kiểm tra đường ống nói chung và ống xúc tác nói riêng cũng đã có một quá trình phát triển nhất định, dựa trên đặc điểm di chuyển ta có thể phân thành các loại cơ bản cụ thể về kết cấu cơ khí được trình bày như ở Hình 1.13 bên trên, trong đó bao gồm:

- Magnetic type: là loại đường ống dùng bánh xe có trợ lực bám lên đường ống bằng từ tính;

- Wheel type: robot sử dụng bánh xe, phần tiếp xúc bánh xe với ống tùy môi trường được thiết kế phù hợp, chủ yếu robot này chỉ dùng cho đường ống nằm ngang Đối với đường ống thẳng đứng có thêm bộ phận kẹp tăng độ bám của bánh xe lên đường ống như lò xo;

- Crawler type: hay còn gọi là Caterpillar style robot tương tự như loại robot dùng bánh di chuyển thì ở dây có thể dùng xích hay đai để mở rộng kích thước bánh xe, đồng thời thêm vào các thiết bị ngoại vi

MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU

Hình 1.16 Tổng quan cấu trúc cho thiết kế một hệ thống robot

Mục tiêu của đề tài luận văn nghiên thiết kế phần điều khiển robot leo bên ngoài đường ống xúc tác gắn liền với một ứng dụng thực tiễn mà trong đó trọng tâm là việc điều khiển được robot an toàn, ổn định, đảm bảo đúng các chức năng hỗ trợ vận hành trong công tác quan sát kiểm tra đường ống, thành lò Một mô tả tổng quan cho việc thiết kế một hệ thống robot với cấu trúc vào ra được thể hiện qua Hình 1.16

Trong đó, đề tài là một phần nhiệm vụ phối hợp đề tài “Nghiên cứu thiết kế robot kiểm tra mặt ngoài đường ống xúc tác” của tác giả Nguyễn Thanh Hải, đảm nhiệm phần kết cấu cơ khí Tiếp nối các kết quả trên, nhiệm vụ cụ thể đối với đề tài điều khiển robot được xây dựng và phát triển như sau: Đối với thành phần ngõ vào:

 Khảo sát, tính toán và lựa chọn được hệ thống camera đảm bảo băng thông tốc độ, truyền nhận dữ liệu hình ảnh,

 Thiết kế bố trí hệ thống cảm biến (cảm biến để thu thập dữ liệu tốc độ, trạng thái hoạt động robot) và khảo sát các loại cảm biến cho giai đoạn phát triển tiếp theo của công trình nghiên cứu (bao gồm các loại cảm biến để đo độ dày, độ dão, phát hiện vết nứt trên đường ống,…) Đối với thành phần xử lý trung tâm:

 Tính toán và lựa chọn bộ vi xử lý trung tâm với nhiệm vụ đảm bảo các chức năng điều khiển giải thuật cho robot di chuyển bám trên đường ống

 Tính toán và lựa chọn driver để điều khiển cơ cấu chấp hành là động cơ

 Xây dựng giải thuật điều kiều khiển robot bám tốc độ tự động và dừng tại vị trí mong muốn, đảm bảo các yếu tố an toàn

 Thiết kế giao diện người dùng dễ sử dụng, để hỗ trợ người vận hành giao tiếp tương tác điều khiển robot dễ dàng Đối với thành phần cơ cấu chấp hành

 Tính toán và lựa chọn động cơ đảm bảo công suất, moment và khối lượng phù hợp cho việc áp dụng các phương pháp giải thuật điều khiển robot

 Tính toán và lựa chọn nguồn điện an toàn đảm bảo cung cấp năng lượng cho robot hoạt động

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Cấu trúc đường ống lò Reformer và các cấu trúc đặc biệt của Lò, cũng như vách tường lò để thiết lập đầu bài kỹ thuật cho robot

 Các loại cơ cấu dẫn động đảm công suất và moment để nâng robot di chuyển lên xuống

 Các cảm biến và hệ thống camera thu thập dữ liệu hình ảnh

 Các giải thuật, chiến lược điều khiển cho robot di chuyển và lập trình cho robot di chuyển trên đường ống

 Các giải thuật chương trình thu thập dữ liệu hình ảnh

 Các giao diện thiết kế để điều khiển robot

 Tính toán lý thuyết làm cơ sở cho các thiết kế robot, chương trình điều khiển, thu thập dữ liệu hoạt động cửa robot, hình ảnh quan sát

 Áp dụng và kiểm tra cho robot bám và di chuyển thực tế trên đường ống sa bàn tương tự có sẵn tại nhà máy

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CÁC KHẢO SÁT THỰC TIỄN TẠI ỐNG XÚC TÁC LÒ REFORMER NHÀ MÁY

Với mục tiêu đảm bảo tính thực tiễn áp dụng thực tế cho việc thiết kế robot, nhóm nghiên cứu khảo sát thực tiễn nhằm xây dựng đầu bài kỹ thuật cho đề tài thiết kế robot có khả năng di chuyển, bám trên đường ống xúc tác của lò gia nhiệt primary reformer, tại Nhà máy Đạm Cà Mau (PVCFC) Đồng thời, robot này cũng có thể tải thêm một số thiết bị đo để thực hiện một số nhiệm vụ thu thập hình ảnh để đánh giá các cấu trúc bề mặt của đường ống và thành/vách lò Để đảm bảo đạt được mục tiêu kể trên, nhóm nghiên cứu xác định việc thực hiện xây dựng đầu bài kỹ thuật cho robot là một công việc cần thiết

Do đó, quá trình xây dựng và thiết kế sẽ được nhóm nghiên cứu tham gia thực hiện khảo sát thực tế hiện trạng để đo đạc, ghi nhận các thông số kỹ thuật về đường ống lò, vách lò và môi trường điều kiện hoạt động bên trong lò (Hình 2.1), để thiết kế

MSHV: 1870228 17 robot đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về chức năng mục tiêu đã đề cập, yếu tố về mặt cơ khí, về điện – điện tử và điều khiển

Hình 2.1 Nhóm nghiên cứu khảo sát thực tế, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đầu bài kỹ thuật 2.1.1 Hiện trạng công tác kiểm tra đánh giá đường ống xác tác và tường lò

Việc kiểm tra đánh giá cần tùy theo thời gian dừng máy có thể cần chuẩn bị các công tác như cô lập công nghệ, kiểm tra các yếu tố an toàn như nồng độ oxy, kiểm tra nhiệt độ, trước khi vào bên trọng kiểm tra ngoại quan Ngoài ra, trong cần phải quan sát và kiểm tra kỹ các vị trí phía trên của tường lò, burber block cũng như ống xúc tác, việc này cần phải lắp giàn giáo, giám sát an toàn trong quá trình cán bộ kỹ thuật kiểm tra trên cao để phòng tránh các rủi ro làm việc trên cao

Hiện tại, theo phương thức bảo dưỡng đang áp dụng hệ thống đường ống xúc tác và tường lò cụm reformer có kế hoạch kiểm tra định kỳ theo nội dung như ở Bảng

Bảng 2.1 Bảng đánh giá nội dung kỹ thuật và kế hoạch kiểm tra định kỳ đường ống lò Reformer

Số lượng Vị trí Tần suất kiểm tra Nội dung kiểm tra Ống xúc tác Đường kính:

Kiểm tra ngoại quan (visual check):

Chuyển màu sắc Tình trạng bề mặt Cong vênh, nứt, phồng Ống xúc tác Đường kính:

Giống kiểm tra hàng năm và kiểm tra chiều dày ống, kiểm tra độ dão ống, nứt, phồng, dão

Kiểm tra ngoại quan (visual check):

Chuyển màu sắc Tình trạng bề mặt Tình trạng nứt, sửa chữa gạch Đặc thù công tác bảo dưỡng Nhà máy Đạm Cà Mau là bảo dưỡng dựa trên lịch dừng cấp khí của chủ mỏ Repsol Thời gian dừng dao động từ 07 ngày đến 14 ngày hàng năm, với khoảng thời gian ngắn như vậy việc tiết kiểm thời gian chuẩn bị là hết sức cần thiết để dành thời gian cho công tác bảo dưỡng sửa chữa

Cụ thể hơn, đối với công tác kiểm tra đường ống thường được Nhà máy cho phép tập trung thực hiện trong khoảng 02 ngày để tối ưu nguồn cung ứng hỗ trợ thiết bị, nhân lực và các hoạt động bảo dưỡng khác Từ đầu bài đó, kết hợp với tổng số lượng ống cần kiểm tra (xem Bảng 2.1) Ta có được thời gian yêu cầu thực hiện trên một ống được tính bằng công thức cho bởi: TMPT = TMan / ∑Tube

TMPT là tổng thời gian tối thiểu cho phép để thực hiện kiểm tra trên 1 ống đường ống xúc tác

TMan = 36 giờ, là tổng thời gian bảo dưỡng tối đa, thông thường cho phép thực hiện kiểm tra đường ống lò, tương ứng với 2 ngày, mỗi ngày có 18 giờ làm việc (*)

(*) Quá trình bảo dưỡng nhà máy cho phép tăng cường tối đa thời gian làm việc

Tube = 180 ống là tổng số ống cần khảo sát tại nhà mày

Qua đó, ta có thể tính được cụ thể TMPT = 6 phút là tổng thời thời gian tối thiểu cho thực hiện kiểm tra trên 1 ống đường ống xúc tác

Kế đến, từ giá trị TMPT , cũng như cùng với các thông số còn lại trong quá trình thực hiện vận hành robot, ta có: TMPT = Tsetup + Tup + Tdown + Tmove

Trong đó, giá trị và ý nghĩa của các tham số được trình bày cụ thể trong Bảng

Bảng 2.2 Thông số giá trị các thời gian vận hành robot trên một đường ống xúc tác

Ký hiệu Ý nghĩa Giá trị mục tiêu Đơn vị

Thời gian thiết lập lắp đặt, đấu nối hệ thống cơ điện – điện tử cho robot 2 Phút

Tup Thời gian robot di chuyển đi lên 2 Phút

Tdown Thời gian robot di chuyển đi xuống 1 Phút

Thời gian di chuyển robot lần lượt sang các ống khác nhau 1 Phút

Thời gian thực hiện vận hành kiểm tra trên một đường ống xúc tác 6 Phút

Cuối cùng, từ các giá trị Tup và Tdown cùng với các chiều dài mỗi ống cần thực hiện khảo sát, kiểm tra là Ltube = 12 mét (xem Bảng 2.1 và Bảng 2.3, chiều cao thực tế là gần 14.5 mét, tuy nhiên phần chiều cao người đứng tới và phần chiều cao nóc trần lò được camera quan sát bao phủ, nên được trừ ra khoảng 2.5 mét )

 Vận tốc robot đi lên được tính bởi: Vup = Ltube / Tup = 12 / 2 = 6 mét/phút

 Vận tốc robot đi lên được tính bởi: Vup = Ltube / Tdown = 12 / 1 = 12 mét/phút

2.1.2 Một số yêu cầu kỹ thuật của robot

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế cấu trúc khoảng cách đường ống bên trong lò priamiry reformer tại Nhà máy Đạm Cà Mau Một số yếu tố, nội dung nghiên cứu cho đầu bài kỹ thuật chính là xác định tổng quát các thông số kỹ thuật của robot dự kiến bao gồm các thông số sau (một số khảo sát được minh họa như ở Hình 2.2)

1 Kích thước (Ngang x Dài x Cao)

3 Đường kính cáp / ống áp dụng

6 Phạm vi chướng ngại vật có thể leo lên

8 Giao tiếp cho Đo lường & Kiểm soát:

 Ống đo lường & kiểm tra: Dữ liệu để đo lường

 Robot theo dõi & điều khiển: Lệnh di chuyển (vị trí hoặc điểm đặt vận tốc)

9 Thời gian thiết lập Robot / ống

11 Khoảng cách có thể kiểm tra

Hình 2.3 (a) Một hình ảnh thực tế của các đường ống trong lò xúc tác; (b) Tập ảnh tất cả đường ống xúc tác tại buồng B lò xúc tác Reformer, năm 2019 (tại

Nhà máy Đạm Cà Mau) Một số hình ảnh cụ thể về tình trạng thực tế các đường ống xúc tác tại lò được nhóm nghiên cứu thu thập và trình bày ở Hình 2.3 Từ đó, ta có thể thấy được, đường ống xúc tác tại lò là dạng ống thẳng liên tục từ dưới mặt đất lên đến buồng bức xạ với độ cao khoảng 13 mét Cùng với đó, các chướng ngại vật như các vật cản, các bỏng rộp, hay phình to bất thường trên đường ống là chưa có ghi nhận đáng kể nào

Trong các 11 nội dung vừa kể trên, ở đặc điểm thứ “Phạm vi chướng ngại vật có thể leo lên”, được nhóm nghiên cứu hướng đến chính là khả năng cơ chế thích nghi của robot đối với các đường ống có kích thước khác nhau tránh một số trường hợp đường ống phình to trong quá trình bị giãn nở Tuy nhiên đặc diểm này được nhóm nghiên cứu đưa ra xem xét và thiết kế để nhắm đến mục đích nhiều hơn cho việc mở rộng ứng dụng trên nhiều đối tượng lò khác nhau, có thể kể đến như lò hơi)

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHO ROBOT

Khi nói đến động cơ điện, có rất nhiều loại và danh mục để lựa chọn Hình 2.5 mô tả một quy trình ra quyết định cơ bản có thể được sử dụng để chọn động cơ nào phù hợp cho một nhiệm vụ, sơ đồ này được nghiên cứu và trích dẫn từ tài liệu [15]

Sơ đồ này có thể giúp nhóm nghiên cứu đánh giá ban đầu, nhưng nó không phải là phân tích chi tiết của các loại động cơ điện cho ứng dụng Trong các phần nội dung tiếp theo chương sau sẽ cung cấp các thông tin chi tiết hơn để đánh giá và lựa chọn một loại động cơ phù hợp cho việc thiết kế và chế tạo robot, mà cụ thể là robot di chuyển bám bên ngoài đường ống Ngoài ra, loại trừ được một số một số loại động cơ không phù hợp với quy trình ra quyết định này Hơn nữa, nếu bất kỳ động cơ nào

MSHV: 1870228 26 được kết nối với bộ mã hóa hoặc cảm biến vị trí, góc của nó có thể được đo và điều khiển được

Hình 2.5 Lưu đồ tổng quát cho việc lựa chọn động cơ Một cách tổng quát, động cơ điện có thể được phân loại theo bản chất của công suất đầu vào Động cơ DC nhận nguồn DC (dòng điện một chiều), chẳng hạn như từ pin hoặc bộ điều chỉnh nguồn điện áp/dòng điện cung cấp Động cơ xoay chiều nhận nguồn điện xoay chiều (dòng điện xoay chiều), một pha hoặc ba pha.

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ DỘNG CƠ

2.3.1 Đặc tính của các loại động cơ điện đối với ứng dụng điều khiển robot trong nghiên cứu

Như đã trình bày ở phần trước, để lựa chọn động cơ phù hợp cho một ứng dụng robot theo lưu trình ở Hình 2.6 và các đặc tính cơ bản của động cơ được khảo sát trong nghiên cứu này Dựa theo đó, nhóm nghiên cứu cũng xác định loại ứng dụng của robot trong nghiên cứu là dạng robot di chuyển kiểm tra thiết bị Do đó, động cơ thiết kế cho robot, không cần điều khiển một góc quay chính xác như các loại robot cánh tay hay các máy CNC, mà các tiêu chí để lựa chọn động cơ cần quan tâm ưu tiên chủ yếu đến việc:

 Điều khiển tốc độ ổn định

 Kích thước nhỏ gọn và khối lượng nhẹ

 Đảm bảo công suất và moment để mang vác các thiết bị cảm biến, camera và tải trọng của chính bản thân robot trong quá trình leo bám trên đường ống là cơ sở

Vì vậy, loại động cơ điện một chiều DC được lựa chọn để tối ưu cho mục tiêu kích thước, khối lượng và moment cho cơ cấu chấp hành của robot đảm bảo di chuyển bám trên đường

Hình 2.6 Kết quả chiến lược lựa chọn động cơ cho Robot [15]

2.3.2 Động cơ điện một chiều và phương pháp điều khiển

Có hai loại động cơ DC thường được sử dụng: Động cơ có chổi than và động cơ không chổi than (hoặc động cơ BLDC) Như tên gọi của chúng, động cơ có chổi than DC có chổi than, được sử dụng để chuyển hướng động cơ khiến nó quay Động cơ không chổi than thay thế chức năng chuyển mạch cơ học bằng điều khiển điện tử

Trong nhiều ứng dụng, có thể sử dụng động cơ DC có chổi than hoặc không chổi than Chúng hoạt động dựa trên các nguyên tắc giống nhau về lực hút và lực đẩy giữa cuộn dây và nam châm vĩnh cửu Cả hai đều có những ưu điểm và nhược điểm có thể khiến phải cân nhắc lựa chọn cái này hơn cái kia, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng

2.3.2.1 Động cơ điện có chổi than

Hình 2.7 DC Brushed Motor [16] Động cơ điện một chiều sử dụng cuộn dây quấn để tạo ra từ trường Trong động cơ có chổi than, các cuộn dây này có thể quay tự do để dẫn động trục - chúng là một phần của động cơ được gọi là “rôto” Thông thường các cuộn dây được quấn quanh lõi sắt, mặc dù cũng có những động cơ có chổi than "không lõi", trong đó cuộn dây là tự hỗ trợ

Phần cố định của động cơ được gọi là “stator” Nam châm vĩnh cửu được sử dụng để cung cấp một từ trường tĩnh Thông thường các nam châm này được định vị trên bề mặt bên trong của stato, bên ngoài của rôto (Hình 2.8)

Hình 2.8 Cấu trúc phần điện từ trường bên trong động cơ chổi than [16]

MSHV: 1870228 29 Để tạo ra mômen xoắn làm cho rôto quay, từ trường của rôto cần quay liên tục, để từ trường hút và đẩy từ trường cố định của stato Để làm cho trường quay, một công tắc điện trượt được sử dụng Công tắc bao gồm cổ góp, thường là một tiếp điểm phân đoạn được gắn vào rôto và chổi quét cố định được gắn vào stato

Khi rôto quay, các bộ cuộn dây rôto khác nhau được đóng cắt liên tục bởi cổ góp Điều này làm cho các cuộn dây của rôto liên tục bị hút và đẩy khỏi các nam châm cố định của stato, làm cho rôto quay Vì có một số ma sát cơ học giữa chổi than và cổ góp - và vì nó là tiếp điểm điện nên thường không thể bôi trơn - có sự mài mòn cơ học của chổi than và cổ góp trong suốt thời gian sử dụng của động cơ Sự hao mòn này cuối cùng sẽ đến một điểm mà động cơ không còn hoạt động nữa Nhiều động cơ có chổi than - đặc biệt là những động cơ lớn - có chổi than có thể thay thế, thường được làm bằng carbon, được thiết kế để duy trì tiếp xúc tốt khi mài mòn

Những động cơ này cần được bảo dưỡng định kỳ Ngay cả với chổi than có thể thay thế, cuối cùng cổ góp cũng mòn đến mức động cơ phải được thay thế Để điều khiển động cơ có chổi than, điện áp một chiều được đặt qua chổi điện, dòng điện chạy qua các cuộn dây rôto để làm cho động cơ quay Trong trường hợp chỉ cần quay theo một hướng và không cần điều khiển tốc độ hoặc mô-men xoắn, không cần thiết bị điện tử truyền động nào cho động cơ có chổi than Trong các ứng dụng như thế này, điện áp một chiều chỉ được bật và tắt để làm cho động cơ chạy hoặc dừng Điều này là điển hình trong các ứng dụng chi phí thấp như đồ chơi có động cơ Nếu cần đảo chiều, nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng công tắc hai cực (Hình 2.9)

Hình 2.9 Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều có chổi than thông qua mạch cầu H [16]

MSHV: 1870228 30 Để tạo điều kiện kiểm soát tốc độ, mô-men xoắn và hướng, một “cầu H” bao gồm các công tắc điện tử - bóng bán dẫn, IGBT hoặc MOSFET - được sử dụng để cho phép động cơ được điều khiển theo một trong hai hướng Điều này cho phép điện áp được đặt vào động cơ ở cả hai cực, làm cho động cơ quay theo các hướng ngược nhau Tốc độ hoặc mô-men xoắn của động cơ có thể được điều khiển bằng độ rộng xung điều biến một trong các công tắc

2.3.2.2 Động cơ không chổi than BLDC

Hình 2.10 Minh họa về động cơ không chổi than [16] Động cơ DC không chổi than hoạt động dựa trên nguyên tắc hút và đẩy từ tính giống như động cơ chổi than (Hình 2.10), nhưng chúng được cấu tạo có sự khác biệt ở một số điểm như sau

 Thay vì một cổ góp cơ học và chổi than, từ trường của stato được quay bằng cách sử dụng cổ góp điện tử Điều này yêu cầu sử dụng thiết bị điện tử điều khiển tích cực Trong động cơ không chổi than, rôto có gắn các nam châm vĩnh cửu và stato có các cuộn dây

 Động cơ không chổi than có thể được cấu tạo với rôto ở bên trong, như được minh họa ở trên, hoặc với rôto ở bên ngoài cuộn dây (đôi khi được gọi là động cơ “chạy ngoài”), loại này thông thường được sử dụng cho việc chế tạo các bánh xe điện

 Số lượng cuộn dây được sử dụng trong động cơ không chổi than được gọi là số pha Mặc dù động cơ không chổi than có thể được cấu tạo với

MSHV: 1870228 31 số lượng pha khác nhau, nhưng động cơ không chổi than ba pha là loại phổ biến nhất

Hình 2.11 Đấu nối cuộn dây của động cơ [16]

GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID [19]

2.4.1 Tổng quan về giải thuật PID và bộ điều khiển PID lý tưởng

2.4.1.1 Thuật toán cơ bản Để bắt đầu, khái niệm cho bộ điều khiển PID được tóm tắt các tính năng chính của bộ điều khiển PID thông qua công thức kinh điển của thuật toán PID được mô tả như sau :

Trong đó y, là biến quá trình đo được, r là biến tham chiếu, u là tín hiệu điều khiển và e là sai số điều khiển (e = ysp - y) Biến tham chiếu thường được gọi là điểm

MSHV: 1870228 37 đặt Do đó, tín hiệu điều khiển là tổng của ba thành phần: thành phần P (tỷ lệ với sai số), thành phần I (tỷ lệ với tích phân của sai số) và thành phần D (tỷ lệ với đạo hàm của sai số) Các tham số của bộ điều khiển là độ lợi tỷ lệ K, thời gian tích phân Ti và thời gian đạo hàm Td Phần tích phân, tỷ lệ và đạo hàm có thể được hiểu là các tác động điều khiển dựa trên quá khứ, hiện tại và tương lai như được minh họa trong

2.4.1.2 Ảnh hưởng của tác động theo tỷ lệ, tích phân và đạo hàm Điều khiển tỷ lệ được minh họa trong Hình 2.19 Bộ điều khiển được cho bởi

(2.1) với Ti = ∞ và Td = 0 Hình vẽ cho thấy luôn có sai số trạng thái ổn định trong điều khiển tỷ lệ Sai số sẽ giảm khi tăng độ lợi, nhưng xu hướng dao động cũng sẽ tăng lên Hình 6.2 minh họa các tác động của việc cộng tích phân

Hình 2.16 Ảnh hưởng của thành phần K lên đáp ứng của hệ thống

Cường độ của tác động tích phân tăng lên khi giảm thời gian tích phân Ti Hình cho thấy lỗi trạng thái ổn định biến mất khi sử dụng tác động tích phân Xu hướng dao động cũng tăng khi giảm Ti Các thuộc tính của tác động đạo hàm được minh họa trong Hình 2.17

Hình 2.17 minh họa các tác động của việc thêm tác động đạo hàm Các tham số

K và Ti được chọn để hệ thống vòng kín là dao động Giảm xóc tăng khi tăng thời gian đạo hàm, nhưng lại giảm khi thời gian đạo hàm trở nên quá lớn Nhớ lại rằng tác động đạo hàm có thể được hiểu là cung cấp dự đoán bằng phép ngoại suy tuyến tính theo thời gian Td Sử dụng cách giải thích này, có thể dễ dàng hiểu rằng tác động đạo

MSHV: 1870228 38 hàm không giúp ích gì nếu thời gian dự đoán Td quá lớn Trong hình 2.17 chu kỳ dao động là khoảng 6 s đối với hệ không có đạo hàm hoạt động Các tác động đạo hàm không còn hiệu lực khi Td lớn hơn 1s (một phần sáu của chu kỳ) Cũng nhận thấy rằng chu kỳ của dao động tăng khi tăng thời gian đạo hàm

Hình 2.17 Ảnh hưởng của thành phần I lên đáp ứng của hệ thống

Quy tắc Ziegler – Nichols để Điều chỉnh Bộ điều khiển PID Ziegler và Nichols đề xuất các quy tắc để xác định các giá trị của thời gian tích phân độ lợi tỷ lệ và thời gian đạo hàm dựa trên các đặc tính đáp ứng nhất thời của một cây nhất định Việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID hoặc điều chỉnh bộ điều khiển PID có thể được thực hiện bởi các kỹ sư tại chỗ bằng các thí nghiệm trên nhà máy Nhiều quy tắc điều chỉnh cho bộ điều khiển PID đã được đề xuất kể từ đề xuất Ziegler – Nichols

Phương pháp này đôi khi cũng có sẵn trong tài liệu và từ các nhà sản xuất bộ điều khiển Có hai phương pháp được gọi là quy tắc điều chỉnh Ziegler – Nichols: phương pháp thứ nhất và phương pháp thứ hai Nội dung trong tài liệu cũng sẽ trình bày ngắn gọn về hai phương pháp này

Trong phương pháp thứ nhất, đáp ứng thu được bằng thực nghiệm của đối tượng điều khiển đối với đầu vào đơn vị bước, như thể hiện trong Hình 2.18 Nếu đối tượng điều khiển không liên quan đến (các) cực tích phân hoặc cực liên hợp phức hợp ưu thế, thì đường cong phản ứng bậc đơn vị như vậy có thể có dạng hình chữ S, như được thể hiện trong Hình 2.18 Phương pháp này áp dụng nếu phản hồi đối với đầu vào bước biểu thị một đường cong hình chữ S Các đường cong đáp ứng bước như vậy có thể được tạo ra bằng thực nghiệm hoặc từ mô phỏng động của đối tượng điều khiển Đường cong hình chữ S có thể được đặc trưng bởi hai hằng số, thời gian trễ L và hằng số thời gian T Thời gian trễ và hằng số thời gian được xác định bằng cách vẽ một đường tiếp tuyến tại điểm uốn của đường cong hình chữ S và xác định các giao điểm của tiếp tuyến đường thẳng với trục thời gian và đường thẳng c(t) = K, như trong 2.18

Hình 2.18 Quy tắc điều chỉnh Ziegler – Nichols dựa trên phản ứng từng bước của đối tượng điều khiển (Phương pháp đầu tiên) Đường cong hình chữ S có thể được đặc trưng bởi hai hằng số, thời gian trễ L và thời gian không đổi T Thời gian trễ và hằng số thời gian được xác định bằng cách vẽ một đường tiếp tuyến tại điểm uốn của đường cong hình chữ S và xác định các giao điểm của đường tiếp tuyến với trục thời gian và đường thẳng c(t) = K, như Hình

2.18 Khi đó, hàm truyền C(s)/U(s) có thể được xấp xỉ bởi một hệ thống bậc nhất như sau:

Do đó, bộ điều khiển PID có cực tại gốc và số không kép tại s = -1 / L,

Bảng 2.5 Bảng giá trị các thông số của bộ điều khiển PID trường hợp 1

Kiểu điều khiển Kp Ti Td

Trong phương pháp thứ hai, đầu tiên chúng ta đặt Ti = ∞ và Td = 0 Chỉ sử dụng tác động điều khiển tỷ lệ (xem Hình 2.19), tăng K, từ 0 đến giá trị tới hạn Kcr mà đầu ra biểu thị dao động liên tục ( Nếu đầu ra không thể hiện dao động bền vững với bất kỳ giá trị nào K, thì phương pháp này không áp dụng.) Do đó, độ lợi tới hạn

Kc và PC chu kỳ tương ứng, được xác định bằng thực nghiệm (xem Hình 2.19)

Ziegler và Nichols đề xuất rằng đặt các giá trị của các tham số Kcr, Ti và Td theo công thức hiển thị trong Bảng 2.6 bên dưới

Hình 2.19 Đáp ứng hệ điều khiển vòng kín dao động với chu kỳ Pcr

Bảng 2.6 Bảng giá trị các thông số của bộ điều khiển PID trường hợp 2

Kiểu điều khiển Kp Ti Td

PID 0.6 K cr 0.5 P cr 0.125 P cr cr cr cr 2 c cr cr

Do đó, bộ điều khiển PID có một cực tại gốc và đôi số không tại s =-4/Pcr Lưu ý rằng nếu hệ thống có một mô hình toán học đã biết (chẳng hạn như hàm truyền), thì chúng ta có thể sử dụng phương pháp quỹ đạo nghiệm số để tìm độ lợi tới hạn Kc và tần số của dao động duy trì wcr Có thể tìm thấy các giá trị này từ các điểm giao nhau của các nhánh gốc quỹ đạo với trục jw Rõ ràng, nếu nhánh quỹ đạo nghiệm số không vượt qua trục jw, phương pháp này không áp dụng

Một điểm đáng lưu ý, quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols (và các quy tắc điều chỉnh khác được trình bày trong tài liệu) đã được sử dụng rộng rãi để điều chỉnh bộ điều khiển PID trong hệ thống điều khiển quá trình nơi mà động lực học của thực vật không được biết chính xác Trong nhiều năm, các quy tắc điều chỉnh như vậy được chứng minh là rất hữu ích Tất nhiên, các quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols có thể được áp dụng cho đối tượng điều khiển động lực học của ai đã biết Nếu biết động thái của đối tượng điều khiển, nhiều phân tích và Các phương pháp tiếp cận đồ họa để thiết kế

2.4.2 Giải thuật bộ điều khiển PID số cho ứng dụng công nghiệp [21]

Các thuật toán được mô tả cho đến nay được gọi là thuật toán vị trí vì đầu ra của thuật toán là biến điều khiển Trong một số trường hợp nhất định, hệ thống điều khiển được bố trí sao cho tín hiệu điều khiển được điều khiển trực tiếp bởi bộ tích hợp, ví dụ, động cơ Khi đó, việc sắp xếp thuật toán theo cách tự nhiên mà nó đưa ra vận tốc của biến điều khiển là điều tự nhiên Biến điều khiển sau đó thu được bằng cách tích phân vận tốc của nó Một thuật toán thuộc loại này được gọi là thuật toán PID vận tốc

Hình 2.20 Mô hình điều khiển số [21]

CÁC HỆ THỐNG VISION

Mục đích của phần này nhằm xác định số lượng camera cần thiết và vị trí bố trí các camera để thu được hình ảnh phục vụ cho việc đánh giá chất lượng ống và kiểm tra vết nứt, tuy nhiên vẫn đảm bảo cho hệ thống gọn nhẹ về kích thước cũng như khối lượng

Bên cạnh đó, camera cần có thể đảm bảo ghi hình được trong cả điều kiện ánh sáng tốt và điều kiện không có ánh sáng Vì vậy, cần cân nhắc lựa chọn các camera có khả năng vận hành vào ban đêm hoặc các camera có hỗ trợ IR – hồng ngoại

 Ưu điểm: Đảm bảo được quá trình vận hành ổn định, có thể khả năng tùy chỉnh tốt

 Nhược điểm: Cồng kềnh, các thành phần phụ trợ đi theo có khối lượng lớn Loại có đi kèm tính năng hồng ngoại thường có chi phí rất cao

Hình 2.22 Một ví dụ về camera công nghiệp [22]

+ Camera nút áo, micro camera (Hình 2.23):

 Ưu điểm: kích thước cực kì nhỏ gọn Độ phân giải tốt

 Nhược điểm: chụp thiếu sáng kém, chất lượng hình ảnh không tốt bằng camera công ngiệp

Hình 2.23 Một ví dụ về camera cút áo (micro) [23]

+ Camera giao tiếp cho các vi điều khiển nhúng, hệ thống máy tính nhúng

 Ưu điểm: Giá thành tương tối rẻ, lấy dữ liệu thô, mã nguồn mở hỗ trợ cho người kỹ sư lập trình tùy biến tốt

 Nhược điểm: khả năng chống chịu yếu, nhạy cảm với môi trường, đặc biệt các tính năng hỗ trợ xử lý trong môi trường ánh sáng cũng còn hạn chế

Hình 2.24 Hình ảnh minh họa về camera giao tiếp với hệ thống nhúng [24]

 Ưu điểm: Độ phân giải tốt, góc nhìn lớn, có hỗ trợ IR trong khoảng 10m-

20m, 30m-60m và có thể lên đến 80m

 Nhược điểm: nặng hơn micro camera và camera công nghiệm vì có thêm lớp vỏ bảo vệ các ảnh hưởng từ môi trường, cung cấp thêm một số tính năng mạnh mẽ đảm bảo trong môi trường điều kiện ánh sáng yếu

Hình 2.25 Một ví dụ về Camera CCTV [25] Để phân tích so sánh và đánh giá các phương án lựa chọn loại camera áp dụng cho robot được nhóm nghiên cứu thực hiện thông qua một Bảng 2.7 đánh giá ước lượng như bên dưới ở :

Bảng 2.7 Bảng so sánh đánh giá các yếu tố đặc tính kỹ thuật trên các loại camera

CCTV Đảm bảo độ phân giải +++ + ++ ++ Độ ổn định +++ - + ++

Vận hành tốt trong môi trường thiếu sáng +++ + + +++

Khả năng xử lý và lập trình nhúng tùy biến ++ ++ +++ ++

Khả năng mở rộng kết nối các camera thành hệ thống ++ - + +++

Lựa chọn phương án: Dựa trên các khảo sát và phân tích đánh giá trên Vì cần phải đảm bảo camera có khă năng ghi hình tốt ở điều kiện thiếu sáng, với khối lượng không quá lớn Camera CCTV sẽ được lựa chọn và được tiến hành gỡ bỏ các lớp bảo vệ không cần thiết để giảm khối lượng camera.

Bộ lọc Kalman rời rạc

2.6.1 Mô tả của bộ lọc Kalman

Phần này trình bày này một cách tiếp cận thực tế về việc cách triển khai bộ lọc

Kalman trong hệ thống một chiều, nó được dựa trên các lý thuyết xác suất bao gồm tần suất, giá trị trung bình, phương sai và độ lệch chuẩn (phần chi tiết các lý thuyết này có thể tham khảo ở [26])

Mục đích của bộ lọc Kalman là ước lượng một biến chưa biết x tại thời điểm k Biểu thức cho x tại thời điểm k có thể được viết như sau:

1 1 1 k k k k x  Ax   Bu   w  (1.13) Ở đây, x k và x k  1 !!! là một biểu thức của trạng thái cho thời gian k và k-1, tương ứng, u k  1 là một điều khiển đầu vào tùy ý, cho thời gian k-1 và w k  1 là một biểu thức của nhiễu quá trình tại thời điểm k-1 Cả x, u và w đều là vectơ và A và B là ma trận đã biết Tuy nhiên, không thể quan sát hay đo lường được Đây là trong đặc điểm vị trí được quan sát dưới dạng z k , được cho bởi: k k k z  Hx  v (1.14) Ồ! là số đo, z k là trạng thái và v k là nhiễu đo lường Ngoài ra, tất cả các vectơ tại thời điểm k, với H là một ma trận đã biết Do vậy, việc xác định x k là điểm mà chúng

MSHV: 1870228 49 ta cần quan tâm đến, nhưng vì điều này luôn bị ảnh hưởng bởi nhiễu, nên chỉ có thể quan sát phép đo z k Đáng chú ý hơn x k là một quá trình được gọi là quá trình Markov, vì nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái trước đó x k  1 và không phải là điều kiện hiện tại z k đồng thời cũng là một quá trình Markov nơi nó chỉ phụ thuộc vào x k Điều này có thể được thể hiện như sau:

∣ (1.15) Đây là đọc x k được xuất phát từ x k  1 , được đưa ra x k  2 với (2.15) là một biểu thức của một ẩn được gọi là quá trình Markov thì x k không thể được quan sát Hình 2.26 minh họa nguyên tắc đằng sau chuỗi Markov ẩn cho bộ lọc Kalman

Hình 2.26 Minh họa chuỗi Markov ẩn cho bộ lọc Kalman [26]

Nhiễu quá trình w và nhiễu đo lường v đều độc lập vectơ ngẫu nhiên phân phối chuẩn với giỏ trị trung bỡnh à bằng 0:

Qua đó có thể thấy rằng x k xuất phát từ x k  1 , phải được phân phối chuẩn với giá trị trung bình và phương sai sau:

 k k 1  ~ N  k 1 k 1 ,  p x x ∣  Ax   Bu  Q (1.17) Tương tự, đối với z k phụ thuộc từ , như sau:

Trong đó p chỉ ra hàm mật độ của x k và z k Kế đến, Q và R lần lượt là ma trận hiệp phương sai của quá trình và phép đo Trong đó ma trận hiệp phương sai được cho bởi tương ứng:

Vỡ giỏ trị trung bỡnh à cho cả hai biểu thức đều bằng 0, chỳng cú thể được viết lại thành:

Trong đó T chỉ ra ma trận chuyển vị Nếu xử lý trong trong một chiều, các vectơ chuyển vị w T và v T tương ứng giống như vectơ w và w Biểu thức có thể được viết lại như sau nếu một vectơ làm việc với hệ một chiều:

Ta có, cov( , ) Var( ) X X  X , giá trị hiệp phương sai bằng với phương sai Do đó, nhiễu quá trình và nhiễu đo lường đối với hệ thống một chiều được đưa ra bởi phương sai của quá trình và nhiễu đo lường, tương ứng:

Một đặc điểm quan trọng khác của chuỗi quá trình Markov là, nếu bằng cách nào đó biết các trạng thái trước đó, ta có thể tính toán xác suất của một quan sát nhất định trong tương lai Do đó, ta có thể dự đoán trạng thái của hệ thống trong tương lai từ các trạng thái trước đó Về mặt lý thuyết, ta sẽ không chỉ có thể tính toán trạng thái của hệ thống là gì, mà còn có thể dự đoán nó có khả năng xảy ra như thế nào trong tương lai

2.6.2 Các ý nghĩa tham số cho bộ lọc Kalman

Từ công thức (2.13) và (2.14), ta có thể viết lại như sau

Những thuật ngữ này có thể được sử dụng trong tất cả các tình huống có thể được liệt kê là một hệ thống tuyến tính Ví dụ, điều này có thể là rằng một người muốn một rất chính xác ước tính vị trí của một tên lửa từ tốc độ tên lửa và gia tốc

Trong trường hợp này, người ta đã cần tính toán ma trận để có thể chuyển đổi từ tương ứng m s và m 2 s

Tuy nhiên, các tham số này có thể được đơn giản hóa, nếu ước lượng mong muốn có cùng thứ nguyên với nó đầu vào được sử dụng Do đó, các ma trận A, B và

H có thể được bỏ qua và Q và R có thể được thay thế bằng phương sai của quá trình và nhiễu đo tương ứng, như được nhắc đến ở (2.22) Qua đó, triển khai có thể được viết lại thành sau đây nếu ta tính toán các tham số theo sau:

P   K P  (1.28) Ở đây x ˆ k  cho biết ước lượng của x đầu tiên, tức là trước khi đo, tại thời điểm k, trong khi x ˆ k  1 chỉ ra ước tính cho x từ lần quan sát cuối cùng u là một đầu vào điều khiển bổ sung và do đó (2.24) có thể được bỏ qua nếu đây không phải là trường hợp đã sử dụng Lưu ý rằng nếu 6.6 không được bao gồm, x ˆ k  được thay thế bởi x ˆ k  1 trong phương trình (2.27)

P k  là một biểu thức của phương sai sai số ước tính trước khi đo Do đó, điều này được đưa ra bởi tổng của phương sai lỗi trước đó P k  1 và phương sai của nhiễu quá trình Var (w)

K k thường sử dụng phổ biến được cho là một biểu thức về mức độ ta có thể dựa vào phép đo sắp tới tại thời điểm k Đây còn được gọi là "Kalman Gain" Ta thấy rằng nếu phương sai của nhiễu đo Var (v) lớn thì đầu vào không có trọng số nhiều, ngược lại nếu nó rất nhỏ, nó có trọng số cao hơn, thì K k lớn hơn ˆ k x là giá trị ước tính của x k Do đó, giá trị này bằng với tổng của giá trị ước lượng tiên nghiệm x ˆ k  và kết quả tính toán của K k , cũng như sự khác biệt giữa đầu vào z k và x ˆ k 

P k là một biểu thức của phương sai sai ước tính trạng thái tiên nghiệm (dựa trên trạng thái thực tế và ước lượng trạng thái tiếp theo), tức là sau các phép đo, tại thời điểm k

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT

PHÂN TÍCH MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ CHO ROBOT

TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ CHO ROBOT Để giải quyết bài toán thiết kế giải thuật điều khiển tốc độ và vị trí cho hệ dẫn động của robot, tác giả thực hiện các bước như sau :

 Đầu tiên, đối với giải thuật điều khiển tốc độ động cơ: Việc phân tích tính toán và khảo sát bài toán động học cho robot (từ cơ sở thiết kế cơ khí sẵn có của đồng tác giả ở tài liệu [27], phần cơ khí (thiết kế tổng thể, kích thước, khối lượng, các cơ cấu bánh xe,…) đã được xác định, cũng cố định cho các tính toán Kết quả mục tiêu đưa ra được giá trị moment tối thiểu đáp ứng để di chuyển robot bám và đi lên đường ống Từ moment tối thiểu này, làm cơ sở cho việc tính toán lựa chọn động cơ phù hợp

 Tiếp đó, đối với giải thuật điều khiển vị trí cho robot: Tác giả dựa trên đặc tính của hệ truyền động robot đưa ra một số phương án lựa chọn giải thuật để điều khiển robot bám trên đường ống tại một ví trí cố định

3.1.1 Phân tích bài toán động học cơ bản cho robot Đầu tiên để tính toán moment và công suất cần thiết cho động cơ truyền động di chuyển bánh xe robot, ta thiết lập các vấn đề như sau:

 Phân tích lực tổng thể trên cơ cấu các bánh xe robot

 Phân tích lực tác động lên khung robot

 Phân tích moment từ động cơ cung cấp cho hệ

3.1.1.1 Tính toán lực dẫn động cho robot

Hình 3.1 Hình vẽ phân tích lực tổng thể robot bám và di chuyển trên trụ Đầu tiên, xét toàn bộ cơ cấu Robot lực tổng thể robot bám và di chuyển trên trụ như tại Hình 3.1, bên trên với moment quán tính tính cho dạng bánh xe côn:

3.1.1.2 Phân tích chuyển động robot di chuyển đi lên ống

Bánh dẫn động là bánh 1 và bánh 2:

- A: Khoảng cách từ trọng tâm G đến điểm O chính giữa Robot

- H: Khoảng cách từ bánh 1 đến bánh 3; bánh 2 đến bánh 4

- 4 ma sát nghỉ Fms1; Fms2; Fms3; Fms4

Hình 3.2 Xét bánh xe chủ động (màu cam) và bị động (màu xanh)

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 1 :

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 2 :

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 3:

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 4:

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 1:

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 2: ms2 2 2 1 ms2 2 2 2 m s2 2

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 3: ms3 3 3 3 ms 2 2 2 2

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 4: ms4 4 4 4 m

Thay 𝐹ms từ (2.18) và (2.19) vào (2.13) và (2.14), ta có:

- Các phản lực từ bánh xe truyền đến khung xe theo phương ngang:

- Các phản lực từ bánh xe truyền đến khung xe theo phương thẳng đứng:

- Trọng lượng khung xe: P=Mg

Hình 3.3 Hình vẽ phân tích lực lên khung xe Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho khung xe:

Thay các giá trị Q - Q + Q - Q vào ta có:

 Công suất động cơ 1 cần cung cấp:

 Công suất động cơ 2 cần cung cấp:

Tên bộ phận Thông số Giá trị

Khối lượng thân xe M 10 kg

Khối lượng bánh xe 4 x m Mỗi cụm bánh 0.5kg

Khoảng cách 2 bánh xe 2 bên

Khoảng cách 2 cụm bánh xe

Mô men quán tính bánh xe I = mR1 2 2.76x10 -4 kg.m 2

Thông số đầu vào của xe

Thời gian tăng tốc mong muốn 2 s

Vận tốc lớn nhất của xe (𝑣max) 6 m/ min = 0.1m/s

Gia tốc lớn nhất của xe (a) 0.05 m/s 2

Tốc độ góc lớn nhất của bánh xe (ω) 2.128 rad/s = 20 vòng/ phút

Gia tốc góc lớn nhất của bánh xe (𝛾) 1.06 rad/s 2

Khối lượng bánh xe (m) 0,25 kg

.Nhận xét: Ở cơ cấu này, 2 động cơ làm việc song song và bổ trợ cho nhau Vì vậy, nếu xem như 2 động cơ này phải chịu lượng tải cho nhau, ta xem  1  2

Công suất lúc xe vận hành với vận tốc không đổi   1  2  5.995

Thông số yêu cầu của động cơ lúc đi lên Chọn hệ số an toàn là 2 để đảm báo nghiêm ngặt về khả năng leo lên khi có tải của Robot Đặc điểm Thông số

Công suất động cơ 1 lớn nhất 6.41Wx2 = 12.820 W

Moment lớn nhất 3.012Nm x2 = 6.024Nm

Moment để xe chuyển động đều 2 996.m x 2 = 5.992 N.m

Số vòng quay của động cơ 20vòng/phút

3.1.1.3 Phân tích chuyển động Robot di chuyển đi xuống ống

Bánh dẫn động là bánh 1 và bánh 2

A: Khoảng cách từ trọng tâm G đến điểm O chính giữa Robot

H: Khoảng cách từ bánh 1 đến bánh 3; bánh 2 đến bánh 4

4 ma sát nghỉ Fms1; Fms2; Fms3; Fms4

Hình 3.4 Xét bánh xe chủ động và bị động Moment quán tính bánh xe côn:  1 2  2

10  Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 1 :

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 2 :

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 3 :

Cân bằng moment quanh tâm bánh xe 4 : ms4 ms4

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 1:

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 2: ms2 2 2 1 ms2 2 2 2

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 3:

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho bánh xe 4: ms4 4 4 4 ms4 4 4 4

Thay 𝐹ms từ (2.25) (2.26) vào (2.21) (2.22), ta có:

Hình 3.5 Mô hình hóa khung xe

Các phản lực từ bánh xe truyền đến khung xe theo phương ngang: N1;N2;N3;N4

Các phản lực từ bánh xe truyền đến khung xe theo phương thẳng đứng:

Trọng lượng khung xe: P=Mg

Phương trình định luật 2 Newton theo phương thẳng đứng cho khung xe:

Từ (2.27) và (2.28) rút Q3 và Q4 ra thay vào (2.31) ta được

Công suất động cơ 1 cần cung cấp:

Công suất động cơ 1 cần cung cấp:

Tên Thông số Giá trị

Khối lượng thân xe M 10 kg

Khối lượng bánh xe 4 x m Mỗi bánh 0.25kg

Bán kính bánh xe R 0.1 m Đường kính ống D 0.15 m

Khoảng cách 2 cụm bánh xe

Khoảng cách trọng tâm xe đến điểm chính giữa xe

Mô men quán tính bánh xe I = mR 2 2.76x10 -4 kg.m 2

Thông số đầu vào của xe

Thời gian tăng tốc mong muốn 2s

Vận tốc lớn nhất của xe (𝑣max) 6 m/ min = 0.1m/s

Gia tốc lớn nhất của xe (a) 0.05 m/s 2

Tốc độ góc lớn nhất của bánh xe (ω) 2.128 rad/s = 20 vòng/ phút

Gia tốc góc lớn nhất của bánh xe (𝛾) 1.06 rad/s 2

Khối lượng bánh xe (m) 0,25 kg

Hệ số an toàn 1,3 Ở 2 động cơ:   1  2  5.503Nm

Nhận xét: Ở cơ cấu này, 2 động cơ làm việc song song và bổ trợ cho nhau Vì vậy, nếu xem như 2 động cơ này phải chịu lượng tải cho nhau, ta xem  1  2

Công suất lúc xe vận hành với vận tốc không đổi

Công suất lúc xe vận hành với vận tốc không đổi  1  2  5.503Nm

Thông số yêu cầu của động cơ lúc đi lên Chọn hệ số an toàn là 2 để đảm báo nghiêm ngặt về khả năng leo xuống khi có tải của Robot

Moment lúc gia tốc để leo xuống 2.752Nm x2 = 5.504Nm

Moment để xe chuyển động đều 2 996.m x 2 = 5.992 N.m

Số vòng quay của động cơ 20 vòng/phút

3.1.1.4 Nhận xét, đánh giá:về tốc độ của robot

Như vậy, dựa trên các phân tích động học ở phần trên xét trên hệ robot ta có thể thấy việc điều khiển tốc độ của robot chính là điều khiển tốc độ trên 02 bánh xe chủ động bên dưới việc di chuyển robot đi lên hoặc đi xuống và 02 bánh xe này được để cung cấp moment bởi 02 động cơ cần có công suất tối thiểu ở mỗi động cơ là:

6.708W, moment tối thiểu ở mỗi động cơ để khởi động là 3.1521 N.m

3.1.2 Giải thuật điều khiển vị trí cho robot

Dựa trên các phân tích mô hình từ phần trên đã trình bày, Để robot dừng lại bám tại một vị trí bất kỳ trên đường ống, dựa trên thiết kế khung cơ khí và các phân tích có được từ đồng tác giả, các giải thuật điều khiển vị trí cho robot cũng được đề xuất lần lượt như sau:

 Phương án 1: Cung cấp một moment xoắn cung cấp lên động cơ để duy trì tốc độ trên động cơ, truyền động đến bánh xe giúp robot bám tại ví trí đặt và điều khiển vòng kín chống lại trọng lực của robot

MSHV: 1870228 66 Ơ phương án này tồn tại một nhược điểm là hệ thống robot khi di chuyển lên cao, khối lượng dây mang vác theo càng lớn, cũng chính là biến số, nên tham số mô hình luôn thay đổi liên tục Điều này, dẫn đến việc mô hình hệ thống dễ dàng dễ bị dao động nếu giải thuật điều khiển vòng kín không đáp ứng tốt mà cụ thể là tham số PID trong bộ điều khiển Mà nếu có tối ưu được thì hệ thống cũng vẫn luôn biến thiên, hết sức phức tạp

 Phương án 2: Điều khiển moment hãm để dừng giữ chặt động cơ tại một vị trí Phương án này điều khiển vòng hở dạng on/off thông qua việc so sánh vị trí đặt và vị trí hiện tại Nếu vị trí hiện tại của robot lớn hơn hoặc bằng vị trí đặt, một tín hiệu kích lên driver động cơ BLDC để hãm moment động cơ lại tạo ra ma sát nghỉ để cân bằng với tổng hợp lực của ∑(Trọng lực của robot và lực ép lò xo)

Hình 3.6 Mô tả, phân tích lực tác động (a) trường hợp robot đi lên, (b) trường hợp robot đi xuống

Hình 3.7 Lực ép lò xo tác động lên robot Dựa theo mô hình vật lý phía trên Hình 3.7, để robot dừng lại đúng vị trí, động cần cung cấp moment :

Với a và 𝛾 là gia tốc để robot phanh lại

Với thời gian phanh mong muốn là 0.5s, gia tốc phanh lúc này là a = 0.2m/s 2 và 𝛾 = 4.26 rad/s 2 Thay vào biểu thức trên ta tính lại được: 𝜏 = 𝜏 + 𝜏 = 5.65

Khi robot dừng lại, ta cần một moment bằng với moment khi robot chuyển động đều để giữ trạng thái phanh này: 𝜏 + 𝜏 = 5.53 Nm

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU HÌNH ẢNH

Xác định cách bố trí và số lượng camera quan sát ống xúc tác

Yêu cầu: Camera có khả năng ghi lại 100% hình ảnh vỏ ngoài của ống , số lượng đảm bảo tính gọn nhẹ tối đa

 Phương án 2 camera (xem Hình 3.8):

Hình 3.8 Phương án 2 camera Ưu điểm: Hệ thống gọn nhẹ

Nhược điểm: xuất hiện vùng tối trên ống , độ bao phủ camera từ 90-95%

 Phương án 3 camera (xem Hình 3.9):

MSHV: 1870228 70 Ưu điểm: Hệ thống vẫn đảm bảo tính gọn nhẹ, độ bao phủ camera đạt 100%

Nhược điểm: số lượng camera lớn

Lựa chọn phương án: Phương án là 2 camera để đảm bảo hệ thống gọn nhẹ Độ bao phủ là 95% đảm bảo được việc theo dõi tình trạng ống xúc tác

 Xác định số lượng và cách bố trí camera quan sát tường lò

Vì vị trí tường lò khá là thuận tiện cho việc quan sát đẩy đủ 100% bề mặt, vì vậy phương án 2 camera là tối ưu.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN CHO ROBOT

Mục tiêu thiết kế mạch điện-điện tửđiều khiển của robot được xây dựng đảm bảo gắn liền với các yếu tố như sau:

 Mục tiêu giao tiếp giữa robot với máy tính trung tâm o Phương án đề xuất: Sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560

 Mục tiêu giao tiếp giữa tay cầm điều khiển và máy tính o Phương án đề xuất: Sử dụng vi điều khiển Arudino Uno

 Mục tiêu điều khiển 02 động cơ BLDC 41 Watt o Phương án đề xuất: Sử dụng 02 driver để giao tiếp vào ra với đầu vào là giá trị xung hoặc analog để điều khiển đầu ra là 3 cuộn dây pha trên động cơ BLDC có hồi tiếp cảm biến Hall để điều khiển phanh

 Mục tiêu thu thập các dữ liệu trạng thái để giám sát và điều khiển robot o Phương án đề xuất: Sử dụng Encoder để đo tốc độ động cơ và MPU để lấy tín hiệu góc lệch của robt

 Mục tiêu kết nối nhanh thông qua các dây cắm, phục vụ cho việc ứng dụng lắp ráp robot trong thời gian nhanh nhất o Phương án đề xuất: Sử dụng các jack đầu nối nhanh để thiết lập các

Hình 3.10 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống mạch điện tử điều khiển robot Để thiết kế giải thuật điều khiển, một tóm tắt tổng quan về phần cứng điện tử bao gồm các sơ đồ kết nối dây, giao tiếp và bảng I/O wiring (thiết lập chân vào ra) trên thiết bị lập trình như Hình 3.10 bên trên

Một cách tổng quát, dựa theo sơ đồ ở trên, ta có thể thấy có 2 khu vực điều khiển trong hệ thống là Robot di chuyển bám trên đường ống và một tram điều khiển dưới mặt đất

 Đối với hệ thống robot di chuyển các thành phần điều khiển bao trung tâm (tác giả thiết kế thành một hộp điều khiển, như Hình 3.11 và Hình 3.12) Trong đó, bao gồm: o Vi điều khiển Arduino Mega2560: có chức năng như một bộ điều khiển trung tâm cho robot thu nhận dữ liệu từ cảm biến, giao tiếp với máy tính dưới mặt đất và tính toán, xử lý điều khiển xuất tín hiệu ngõ ra điều khiển động cơ

MSHV: 1870228 72 o Driver điều khiển động cơ BLDC, cơ chế điều khiển dòng cấp cho động cơ thông qua dạng xung hình thang (đã được trình bày ở muc 2.3.2) Khi đó, đầu vào điều khiển của driver là giá trị điện áp từ 0 đến 5 Voltage được cấp từ vi điều khiển o Mạch lọc thông thấp, tác giả sử dụng Opamp LM358 làm linh kiện chính để thiết lập chuyển đổi DAC từ xung PWM o Các cảm biến được kết nối trực tiếp với mạch điều khiển trung tâm bao gồm cảm biến encoder để đo vị trí và tốc độ của robot thông qua tín hiệu xung, cảm biến MPU-9250 dùng để đo độ nghiêng của robot so với đường ống

Hình 3.11 Kích thước tổng thể của hộp điều khiển trung tâm

 Đối với hệ thống nguồn cấp và an toàn o Hệ thống bao gồm nguồn cấp 120W (24VDC/10A) của Omron đảm bảo công suất nguồn duy trì hoạt động cho 2 động cơ o Hệ thống an toàn bao gồm 2 nút ấn dừng khẩn (tiếp điểm thường đóng) và một nút ấn nhả (tiếp điểm thường hở) tác động vào chân phanh động cơ trên Driver

 Đối với hệ thống trạm điều khiển trung tâm mặt đất bao gồm o Một vi xử lý Arduino Uno dùng để nhận dữ liệu gửi từ tay bấm và xủ lý trung gian để đưa vào máy tính xử lý cho hệ thống ở chế độ điều khiển Man, cũng như chuyển đổi Mode

Hình 3.12 Hộp điều khiển trung tâm trên robot o Mạch Điều Khiển Động Cơ Brushless với cảm biến Hall 380W: Điện áp đầu ra điều khiển động cơ 6-50V, đây là một mạch điều khiển động cơ không chổi than được tích hợp chiết áp điều chỉnh tốc độ bằng tay Driver có thiết kế nhỏ gọn, cung cấp công suất lên đến 380W thông thường đucợ sử dụng cho các ứng dụng DIY với động cơ không chổi than để chế tạo máy mài, máy cắt

MSHV: 1870228 74 từ động cơ không chổi than, hoặc là các dao phay trục Z trên các máy CNC

Các thông số kỹ thuật chi tiết của động cơ được liệt kê lần lượt bên dưới:

 Phạm vi điện áp hoạt động: 6-50VDC

 Có chức năng bảo vệ quá dòng

 Tốc độ quay cao nhất: 10000 ~ 15000 vòng/phút

Hình 3.13 Sơ đồ đấu nối và các chân chức năng trên driver cho động cơ BLDC

Một số mô tả các chân chức năng trên driver bao gồm:

1 Chân MA MB MC kết nối với động cơ

2 Chân VCC GND cung cấp điện chính (cung cấp điện DC cho động cơ)

3 Chân 5V GND Bo mạch chủ đi kèm với nguồn điện 5V

4 Chân 0 -5V: Đầu vào tín hiệu điều khiển tốc độ điều khiển tốc độ (chiết áp tích hợp để điều khiển tốc độ trên bo mạch cũng có thể được kết nối với số lượng tương tự 0-5V để hỗ trợ điều khiển tốc độ đầu vào)

5 Điều khiển chuyển hướng: điều khiển chuyển tiếp và đảo ngược (hiệu quả ở mức cao, có thể kết nối công tắc bên ngoài)

6 Ha Hb Hc 5V GND: Tín hiệu lần lượt cảm biến Hall và đầu vào nguồn cung cấp cho cảm biến

7 Ngõ ra tín hiệu xung tốc độ SC (chưa hỗ trợ ở version này)

Trong đó, bộ điều khiển này cho phép điều khiển tốc độ động cơ bởi IC chức năng cung cấp từ EOM (nhà cung cấp sản xuất phụ tùng gốc, thường đặt tại Trung

Quốc) Các IC này được nhúng sẵn các firmware cứng để tối ưu chi phí và việc điều khiển dễ dàng hơn đối với các ứng dụng với yêu cầu không quá nghiêm ngặt về tốc độ, thường là các ứng dụng với việc điều chỉnh tốc độ bằng tay, như máy công cụ khoan/cắt/mài

Như vậy, có thể thấy driver được lựa chọn cho ứng dụng là loại driver có dạng

ESC (Electronic Speed Controller) bao gồm thành phần các MOSFET bán dẫn công suất, và một IC chức năng để điều chỉnh tốc độ (tốc độ tối đa khoảng 10000 rpm) tỷ lệ với chuẩn điện áp đầu vào cung cấp vào thông qua chiết áp để cung cấp điện áp từ

0 – 5 Voltage hoặc chuẩn điều chế độ rộng xung PWM với tần số 50 – 20KHz

Tuy nhiên, do đặc tính thiết kế từ cơ khí, việc điều khiển tốc độ robot không được quyết định duy nhất bởi tốc độ động cơ (thành phần đầu) mà tốc độ robot còn thông qua một loại các hệ thống dẫn động đến bánh xe robot (thành phần cuối)

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT AN TOÀN CHO

ROBOT Để thiết kế giải thuật điều khiển cho robot, một số các chức năng điều khiển cơ bản được nhóm nghiên cứu đánh giá và đề xuất, từ các chức năng chính đó, tác giả thực hiện nghiên cứu phân tích và triển khai thiết kế các giải thuật điều khiển tương ứng để đáp ứng nhu cầu điều khiển thực tế cho robot (Xem Hình 3.14)

Hình 3.14 Các chức năng chính mà nhóm nghiên cứu đề xuất xây dựng cho robot Hình 3.15 mô tả tổng quát giải thuật tổng quan cho hệ thống điều khiển Robot được đề xuất Trong đó, hiải thuật điều khiển giải quyết các vấn đề yêu cầu đến việc điều khiển tốc độ của động cơ, thông qua việc cấp xung PWM [0, 255] ứng với độ rộng chu kỳ xung từ [0, 100]% và giá trị xung này được thực hiện chuyển đổi DAC dựa trên mạch lọc thông thấp để chuyển đổi thành giá trị Analog [0, 5] Voltage (chi tiết ở Hình 3.8) ở trên) Khi đó, driver sẽ có nhiệm vụ điều tốc động cơ theo tỉ lệ Qua đó phần điều khiển tốc độ sẽ được giải quyết ở phần mềm thông qua hai chế độ Man và Auto sẽ tác động vào các bộ selection (bản chất ở đây là lệnh so sánh if và lựa chọn phù hợp) Cụ thể hơn,

Khi ở chế độ Man, bộ selection 2 sẽ lựa chọn giá trị tốc độ hiện thời của robot làm giá trị tham chiếu cho bộ điều khiển PID (tracking mode) và giá trị tốc độ điều khiển động cơ được lấy trực tiếp từ máy tính gửi lên vi điều khiển (trên robot), mà không lấy giá trị tính toán tốc độ điều khiển từ bộ điều khiển PID Tuy nhiên, giá trị tốc độ từ máy tính sẽ làm cơ sở (lưu lại tại mỗi chu kỳ tính) giá trị khởi tạo cho bộ điều khiển PID số khi được kích hoạt sang chế độ Auto,

Ngược lại, khi ở chế độ Auto, ngõ ra tinh toán tốc độ ở bộ điều khiển PID được lựa chọn điều khiển đối tượng động cơ, điểm đáng chú ý ở bộ điều khiển PID này là loại điều khiển số và tốc độ tăng/giảm dần được sử dụng phổ biến trong công nghiệp

(được lập trình theo công thức 2.12), việc này hạn chế sự dao động của hệ thống khi chuyển đổi giữa hai chế độ Manual và Auto

Ngoài ra, một cơ chế điều khiển on/off thông thường cũng cho phép hệ thống phát hiện vị trí cần dừng lại thông qua việc so sánh cao độ cài đặt của robot so với giá trị cao độ hiện tại kể kích dừng phanh robot tạm thời và chờ lệnh cho phép "ACK" của người dùng để reset hệ thống tiếp tục hoạt động (Hình 3.15)

Hình 3.15 Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển cho Robot

3.4.1 Giao diện điều khiển ở chế độ Manual Ở chế độ Manual người dùng có 2 chức năng điều khiển tốc độ bằng tay thông qua tay bấm (Xem hình mô tả chi tiết chức năng của tay bấm ở Hình 3.16) hoặc giao diện người dùng điều khiển tốc độ vòng hở, thông qua việc điều chỉnh thủ công và chủ động bởi người vận hành bằng tay cầm điều khiển hoặc kéo thanh trượt trên robot

Hình 3.16 Các phím chức năng trên tay cầm Điều khiển

Cụ thể hơn, ở chế độ này maual này, các chức năng điều khiển robot được trình bày lần lượt như sau: Robot được điều khiển tốc độ vòng hở, thông qua việc điều chỉnh thủ công và chủ động bởi người vận hành bằng tay cầm điều khiển hoặc kéo thanh trượt trên robot lần lượt như ở Hình 3.17 (a) và Hình 3.17 (b), tùy chỉnh trên giao diện làm giá trị ưu tiên

Hình 3.17 Minh họa chức năng điều khiển chế độ Manual (a) Trên giao diện người dùng (b) trên tay cầm Tuy nhiên chẳng những thiết kế chỉ điều chỉnh tốc độ ghi lên hệ thống một cách thông thường, mà tác giả còn thiết kế thêm một chức năng hỗ trợ trên tay bấm cho tính năng này tạm gọi là chức năng điều khiển (Cruise) và chức năng điều khiển

Nhằm thống nhất các khái niệm về giải thuật điều khiển bao trùm cho các chức năng điều khiển, mà tác giả thiết kế trong luận văn nghiên cứu này, một số định nghĩa các chế độ điều khiển cho robot được làm rõ như sau:

 Đối với chức năng điều khiển Cruise, chế độ này hỗ trợ ghi nhớ giá trị tốc động mà robot đang có, tức là khi tăng hoặc giảm joystick tốc độ di chuyển của robot sẽ tăng cộng dồn dần hoặc giảm trừ dồn dần, khi trả joystick về trạng thái giữa tốc độ vẫn được giữ nguyên (Hình 3.18)

Hình 3.18 Điều khiển Manual trên tay cầm ở chế độ Cruise

 Đối với chức năng Pedal, chế độ này cho phép người dùng tăng và giảm tốc độ không giữ, tức là khi tăng joystick từ vị trí (Hình 3.19)

Hình 3.19 Điều khiển Manual trên tay cầm ở chế độ Pedal

3.4.2 Giải thuật điều khiển di chuyển tốc độ tự động Đối với chế độ Auto, người điều khiển nhập tốc độ trực tiếp vào ô giá trị Speed

Setpoint trên giao diện (Hình 3.20) Tuy nhiên lưu ý lúc này, nút Auto trên giao diện hoặc tay cầm (bấm phím x), phải được chuyển sang Auto mode, chế độ sẽ được kích hoạt, bộ điều khiển PID sẽ điều khiển robot bám theo tốc độ đã được đặt Nếu không, giá trị Setpoint này luôn được tracking theo giá trị mà robot đang di chuyển

Hình 3.20 Thiết lập chức năng bám tốc độ tự động 3.4.3 Giao diện cho chức năng điều khiển vị trí

Mô tả: điều khiển vị trí cho robot được thiết lập thông qua màn hình vận hành trên giao diện người dùng, bằng cách nhập giá trị ở vị trí Height set, tuy nhiên giá trị này được thiết lập giới hạn cảnh báo không được vượt quá giá trị chiều cao của đường ống (thiết lập đơn giản ở phần properties của text box, trong chương trình lập trình trên C#), như trong Hình 3.21

Qua đó, giá trị của vị trí chiều cao được lưu trữ và so sánh liên tục với giá trị chiều cao thực tại của robot trong quá trình vận hành, nếu chiều cao tức thời của robot cao hơn hoặc bằng chiều cao đã cài đặt sẽ kích hoạt chức năng dừng ở chân phanh trên driver

Hình 3.21 Thiết lập vị trí cho dừng cho robot

Ngoài ra, một Bảng mô tả chức các chức năng tương ứng với đầu vào/ra thiết lập và tác động vào robot được trình bày chi tiết trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Bảng mô tả chi tiết cho các chức năng điều khiển của robot

STT Chức năng Đầu vào Đầu ra

- Tay cầm điều khiển (nút nhấn đa hướng hay còn gọi là joytick

- Giao diện máy tính (thanh trượt Điều khiển tốc độ động cơ tùy chình mong muốn của người vận hành, khi giá trị

- Nhập giá trị cài đặt tốc độ mong muốn vào giao diện

- Chuyển chế độ trực tiếp bằng nút nhấn trên giao diện hoặc phím ""X" trên tay cầm

Kích hoạt chế độ điều khiển PID, và xuất tín hiệu ngõ ra tính toán từ bộ điều khiển ra Driver điều khiển Robot

3 Điều khiển giữ vị trí trên đường ống

- Nhập giá trị cài đặt cao độ mong muốn vào giao diện

Khi cao độ robot lớn hơn cao độ cài đặt, robot được kích

"Trip" để tạm dừng robot, người dùng được cảnh báo và thoát chế độ khóa qua phím "ACK"/"RESET" trên giao diện

Thiết lập, lập trình trực tiếp trên Arduino và nạp vào chương trình nhúng cho vi điều khiển

Vì đối với tính năng này, nhóm nghiên cứu mong muốn khi sản phẩm hoạt động thực tế hoặc

Kích hoạt dừng robot khi cao độ robot vượt quá cao độ giới hạn (chiều cao của đường ống trừ đi khoảng an toàn 0,5 đến 1 mét), người dùng được cảnh báo và thoát chế độ khóa qua phím

MSHV: 1870228 84 thương mại thì phần này chính là firmware của sản phẩm

"ACK"/"RESET" trên giao diện

3.4.4 Cơ chế an toàn cho robot

THIẾT KẾ GIẢI THUẬT TRUYỀN NHẬN CÁC DỮ LIỆU VỀ BỘ XỬ LÝ

LÝ TRUNG TÂM DƯỚI MẶT ĐẤT

Hình 3.22 Cấu trúc các gói dữ liệu truyền nhận từ Robot về trung tâm điều khiển Một sơ đồ bản vẽ tổng quan cấu trúc các gói dữ liệu được thiết kế truyền nhận cho tất cả các dữ liệu từ Robot về trung tâm điều khiển và ngược lại được minh họa ở Hình 3.22 bên trên, các gói dữ liệu này được truyền nhận nhằm đảm bảo ứng dụng điều khiển robot, và thu thập các dữ liệu theo thời gian thực Qua đó, ta có thể thấy có hai loại giao thức được sử dụng trong thiết kế giao tiếp giữa Robot và trạm điều khiển trung tâm dưới mặt đất bao gồm :

3.5.1.1 Giao tiếp truyền thông nối tiếp dữ liệu robot

Về cơ bản, giao tiếp serial luôn sẵn có trên máy tính có độ tương thích cao, dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển thông qua các chip diver USB-UART với tốc độ baund (truyền nhận cao, có thể hỗ trợ lên đến hơn 900Kbs)

Giao tiếp này trong thiết kế robot, được nghiên cứu ứng dụng cho việc truyền nhận các dữ liệu điều khiển robot bao gồm: tốc độ di chuyển của robot; chiều cao; độ lớn tín hiệu cung cấp, cũng như hướng điều khiển, dựa trên giao thức RS232 truyền thông nối tiếp, trong nghiên cứu ứng dụng này,

Tác giả sử dụng giải thuật mã hóa các dữ liệu theo dạng gói tin bao gồm các biến trạng thái điều khiển robot theo dạng tuần tự và phân tách với nhau bởi các dạng chữ cái lần lượt trong bản chữ cái Aphabet "A", "B", "C",… trong bảng Mã ASCII

(chi tiết tại tài liệu tham khảo [28]), các ký tự này là duy nhất so với các ký số mà các biến dữ liệu được quy đổi để truyền nhận, điều này đảm bảo không bị sai lệch dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu (Hình 3.23)

Hình 3.23 Tổng quan cấu trúc giải thuật mã hóa dữ liệu

Sau đó ở thiết bị nhận, một quá trình phân tách mã hóa dữ liệu để tìm vị trí các ký tự "A", "B", "C",… để xử lý phân cắt và lọc ra các giá trị dữ liệu điều khiển robot hoặc nhận được từ cảm biển mang ý nghĩa ở giữa các ký tự và lưu các biến giá trị này lại cho giải thuật chương trình chính tiếp theo

Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ Robot gửi về trạm mặt đất, trong đó bao gồm các dữ liệu thông số, cũng như trạng thái điều khiển của robot được bố trí mã hóa về dạng mã ASCII, lần lượt cấu trúc theo thứ tự lần lượt như tại Hình 3.24 và đoạn chương trình thực thi cho nguyên lý giải thuật này được thể hiện tại

Ngoài ra một trình bày về chi tiết ý nghĩa các biến trong gói Serial 1 (Data Robot

Sent) cũng được thể hiện trong Bảng 3.1

Hình 3.24 Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ Robot gửi về trạm mặt đất

Bảng 3.3 Đoạn chương trình nhúng thực thi mã hóa truyền dữ liệu từ Robot về trạm mặt đất

Serial.print(vRobotEst,1); Serial.print('A');

Serial.print(int(u)); Serial.print('B');

Serial.print(roll,1); Serial.print('C');

Serial.print(height,2); Serial.print('D');

Serial.print(Auto); Serial.print('E');

Serial.print(vSet,1); Serial.print('F');

Bảng 3.4 Bảng mô tả chi tiết ý nghĩa các biến trong gói Serial 1 (Data Robot

Biến dữ liệu mã hóa

Kiểu dữ liệu Ý nghĩa Giá trị thực tế

Ghi chú vRobot Float (số thực)

Tốc độ thực tế của robot

[0, 5] Đã được lọc nhiễu nhanh qua bộ lọc Kalman cơ bản

ControlSignal Uint (số nguyên dương) Độ rộng xung PWM đang điều khiển robot

[0, 255] Tương ứng với công suất ghi ra driver điều khiển động cơ đang hoạt động, biến số này nhằm giúp người điều khiển quan sát trên GUI trong

Giá trị độ / góc nghiêng so với trục

Sử dụng hệ trục tọa độ Roll trong MPU

Auto Bool (số nhị phân)

Chế độ robot đang hoạt động

1: Chế độ Auto vSet Float (số thực)

Tốc độ cài đặt cho robot ở chế độ tự động

/n Ký tự chuỗi đặc biệt

Ký tự này đánh dấu cho việc kết thúc một chuỗi dữ liệu được gửi đi

Null Phục vụ cho việc giải mã một gói tin truyền nhận

Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ trạm mặt đất gửi đến Robot để điều khiển, trong đó bao gồm các dữ liệu thông số, cũng như trạng thái điều khiển của robot được bố trí mã hóa về dạng ASCII, lần lượt cấu trúc theo thứ tự lần lượt như tại Hình 3.25 và chi tiết được trình bày trong Bảng 3.5 về ý nghĩa các biến trong gói Serial 1 (Data Robot

Hình 3.25 Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ trạm mặt đất gửi đến Robot

Bảng 3.5 Đoạn chương trình chính thực thi giải thuật mã hóa dữ liệu gửi từ trạm mặt đất đến robot serialPort1.Write(dir + "A" + power + "B" + Auto + "C" + vSet + "D" + "#");

Bảng 3.6 Bảng mô tả chi tiết ý nghĩa các biến trong gói Serial 1 (Data Robot

Biến dữ liệu mã hóa

Kiểu dữ liệu Ý nghĩa Giá trị thực tế

Ghi chú dirRobot bool Tốc độ thực tế của robot

[0, 5] Đã được lọc nhiễu nhanh DirRobot "A" Power "B" Auto "C" vSet "D" "\n"

MSHV: 1870228 89 qua bộ lọc Kalman cơ bản

Power Uint (số nguyên dương) Độ rộng xung PWM ở chế độ

[0, 255] tương ứng với công suất ghi ra driver điều khiển động cơ đang hoạt động

Auto Int (số nguyên) Chế độ robot đang hoạt động

1: Chế độ Auto vSet Float (số thực) Tốc độ cài đặt cho robot ở chế độ tự động

# Ký tự chuỗi đặc biệt

Ký tự này đánh dấu cho việc kết thúc một chuỗi dữ liệu được gửi đi

"#" Phục vụ cho việc giải mã một gói tin truyền nhận

Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ bộ thu nhận dữ liệu không dây liên kết với tay cầm điều khiển, gói dữ liệu này nhằm hỗ trợ người dùng trong chế độ Manual điều khiển tốc độ của rbot, trong đó bao gồm các dữ liệu thông số, giá trị analog của joystick đọc được để tính toán quy đổi ra giá tri điều khiển trên giao diện, thay đổi chế độ hoạt động Man-Aut cho robot, chế độ điều khiển trong Manual và phím ấn để nhanh chóng trở về giá trị điều khiển 0 để dừng robot, được bố trí mã hóa về dạng ASCII, lần lượt cấu trúc theo thứ tự lần lượt như tại Hình 3.26 và chi tiết được trình bày trong Bảng

3.8 về ý nghĩa các biến trong gói Serial 1 (Data Robot Sent)

Hình 3.26 Cấu trúc mã hóa dữ liệu từ trạm mặt đất gửi đến Robot

Bảng 3.7 Đoạn chương trình nhúng thực thi xử lý mã hóadữ liệu từ tay cầm gửi về máy tính

Serial.print(ctrlVal); Serial.print('A');

Serial.print(Auto); Serial.print('B');

Serial.print(ctrlMode); Serial.print('C');

Serial.print(reZero); Serial.print('D');

Bảng 3.8 Bảng chi tiết ý nghĩa các biến trong gói Serial 2 (Data Controller Sent)

Biến dữ liệu mã hóa

Kiểu dữ liệu Ý nghĩa Giá trị thực tế

Ghi chú ctrlVal int (số nguyên) Tốc độ thực tế của robot

[-255, 255] Đã được lọc nhiễu nhanh qua bộ lọc Kalman cơ bản

Auto Int (số nguyên) Chế độ robot đang hoạt động

1: Chế độ Auto ctrlMode Bool (số nhị phân)

Chế độ điều khiển tay cầm ở chế độ Manual

0 hoặc 1 0: joytick tăng giảm giá trị điều khiển tốc độ và ghi nhớ (giống với chế độ cruise trên ô-tô)

1: tang giảm tốc độ không ghi nhớ, từ 0 đến 100% (giống với chế độ tang giảm pedal trên ô-tô)

MSHV: 1870228 91 reZero Bool (số nhị phân)

Reset nhanh lại giá trị điều khiển

0 hoặc 1 Khi giá trị điều khiển là 0, robot được kích dừng

 Cuối cùng kết quả của việc mã hóa/ truyền nhận dữ liệu được ghi lại và hiển thị trên GUI như tại Hình 3.27

Hình 3.27 Kết quả ghi/ nhận dữ liệu từ giao diện gửi đến Robot khi bắt đầu chương trình, sau khi mở cổng COM để giao tiếp 3.5.1.2 Giao tiếp truyền thông Ethernet thông qua cáp mạng RJ45 cho POE truyền dữ liệu hình ảnh:

 Giao tiếp này trong thiết kế robot, được ứng dụng cho việc truyền nhận dữ liệu hình ảnh, video từ các camera kiểm tra đường ống liên tục

 Giải pháp POE hoạt động bằng cách dùng cable RJ45 kết nối với cổng kết nối để cung cấp điện năng cho các thiết bị camera Nếu cáp mạng có 8 lõi thì chỉ cần 4 lõi để truyền tải mạng và 4 lõi còn lại có chức năng cung cấp nguồn điện Trong quá trình POE cung cấp năng lượng cho các thiết bị,

IEEE80 2.3af sẽ có 2 loại là cung cấp điện năng nhàn rỗi và cung cấp dữ liệu

Cách thức hoạt động PoE

 Các dây cáp mạng, như Cat 5e và Cat 6, bao gồm 8 dây được sắp xếp thành

4 cặp xoắn Trong Ethernet 10 và 100BASE-T, hai trong số các cặp này được sử dụng để gửi thông tin và chúng được gọi là cặp dữ liệu Hai cặp còn lại không được sử dụng và được gọi là các cặp dự phòng (Gigabit Ethernet sử dụng tất cả 4 cặp)

 Bởi vì dòng điện chạy trong một vòng lặp, 2 dây dẫn được yêu cầu để cung cấp năng lượng qua cáp POE coi mỗi cặp là một dây dẫn duy nhất và có thể sử dụng 2 cặp dữ liệu hoặc 2 cặp dự phòng để mang dòng điện

 POE được đưa vào cáp ở điện áp trong khoảng từ 44 đến 57V DC và thường sử dụng 48V Điện áp tương đối cao này cho phép truyền tải điện hiệu quả dọc theo cáp, trong khi vẫn đủ thấp để được coi là an toàn

 Điện áp này an toàn cho người dùng, nhưng nó vẫn có thể làm hỏng thiết bị chưa được thiết kế để nhận POE Do đó, trước khi POE switch hoặc midspan

(được gọi là PSE, hay Power Sourcing Equipment) có thể cấp nguồn cho camera IP được kết nối hoặc thiết bị khác (được gọi là PD, hay Powered

Device - thiết bị được cấp nguồn), nó phải thực hiện quy trình phát hiện chữ ký

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÊN ROBOT

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG CHO ROBOT

4.1.1 Tiêu chí lựa chọn động cơ

Từ thông số tiêu chí cho việc lựa động cơ đã tính toán có được ở mục 3.1 bên trên, các tiêu chí để lựa chọn động cơ dẫn động với các thông số quan tâm bao gồm khối lượng, công suất, tốc độ, moment cũng nhóm nghiên cứu được xem xét và trình bày cụ thể như sau :

- Có Moment lớn hơn dựa trên việc tính toán ở phần 3.1 là 3.1521 N.m

- Hoạt động bền bỉ, phù hợp với môi trường công nghiệp

- Có thể lắp hộp số phù hợp để gia tăng thêm moment xoán, phù hợp với đặc tính của Robot leo ống

Cùng với các phân tích có được suy xét từ các ưu khuyết điểm của các loại động cơ DC mà cụ thể là động cơ có chổi than và không chổi than và không có chổi than, ta có thể thấy được động cơ không chổi than (BLDC) có ưu điểm vượt trội hơn so với

MSHV: 1870228 95 động cơ có chổi than ở ứng dụng điều khiển robot trong nghiên cứu này Do vậy,

BLDC được lựa chọn để làm cơ cấu dẫn động cho robot thay vì động cơ có chổi than thông thường

Tuy nhiên khi lựa chọn BLDC sẽ đối mặt một số thách thức như sau: chi phí sẽ cao hơn so với động cơ có chổi than, nhưng ở điểm này, để tính ứng dụng cho các hoạt động thực tế, nên sẽ được phần nào bỏ qua, tiếp đến là việc điều khiển động cơ

BLDC có tính chất tương đối phức tạp hơn, nên việc lựa chọn một driver phù hợp cho chiến lược điều khiển tốc độ/vị trí cũng được quan tâm nghiên cứu kỹ hơn (sẽ trình bày cụ thể ở phần sau)

Kế đó, khi lựa chọn được loại động cơ BLDC, tác giả sẽ tiếp tục phân tích và tính toan lựa chọn cụ thể hơn ở phần tiếp theo

4.1.2 Phương pháp lựa chọn động cơ

Hình 4.1 Phân loại đặc điểm động cơ không chổi than

Bảng 4.1 Bảng phân tích các đặc điểm ưu và nhược điểm của các loại dộng cơ

BLDC Đặc điểm Loại động cơ Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá

MSHV: 1870228 96 Đặc điểm động cơ

Tốc độ rất nhanh nhanh thường phù hợp cho các ứng dụng máy bay bốn cánh

Tốc độ giảm theo tỉ lệ hộp số

Tốc độ chậm giảm theo tỷ lệ hộp số

Có sẵn Diver tích hợp

(build-in) Được hỗ trợ nhiều chức năng và theo tiêu chuẩn công nghệp

Các loại động cơ này có khối lượng rất nặng cồng kềnh

Hỗ trợ nhiều tính năng điều khiển vòng kín, vòng hở, tốc độ, vị trí thông qua các giao tiếp

Loại Driver điều khiển tốc độ thông thường

Chỉ điều khiển vòng hở, hỗ trợ tốc độ ngõ ra dựa vào điện áp cung cấp ngõ vào điều khiển

Có thể kết hợp với vi điều khiển để điều khiển vòng kín và linh hoạt cho các ứng dụng nghiên cứu

Ghi chú : (1) Phù hợp, (2) Không phù hợp cho ứng dụng dẫn động và điều khiển robot Để đáp ứng các yêu cầu nêu trên, nghiên cứu đã khảo sát, lựa chọn để sử dụng động cơ BLDC của hãng Dunkermotoren BG42x15 loại thương mại có sẵn (do rất

MSHV: 1870228 97 nhiều hãng cho người dùng costumize các thông số động cơ theo yêu cầu) với các thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 4.2 Bảng thông số kỹ thuật động cơ Dunkermotoren BG42x15 sử dụng trong nghiên cứu

Thông số Giá trị Đơn vị

Loại động cơ Động cơ không chổi than Điện áp hoạt động 24 V

Tốc độ định mức 3630 vòng/ phút

Tốc độ không tải 4390 vòng/ phút

Tốc độ qua hộp số định mức 36 vòng/ phút

Khối lượng động cơ 360 gram

Hình 4.2 Động cơ Dunkermotoren bg42x15 [30]

Hình 4.3 Cấu trúc của động cơ hãng Dunkermotoren được dựng sẵn thương mại trên thị trường [30]

Bên cạnh đó, ta chọn hộp số của hãng Dunkermotoren đi kèm với động cơ, dựa theo yêu cầu đề bài, hộp số hành tinh PLG42S với tỉ số truyền 100:1 là phù hợp

Thông số kỹ thuật PLG42S:

- Số lớp bánh răng hành tình: 3

- Hiệu suất làm việc tối đa: 73%

- Tải dọc ống có thể chịu được tối đa: 150N

- Tải hướng tâm chịu được tối đa: 250N

Hình 4.5 Hình ảnh thực tế động cơ Dunkermotoren BG42x15

Hình 4.6 Đường đặc tính động cơ Dunkermotoren BG42x15 (chưa qua hộp số

Qua hình trên, ta có thể thấy động cơ đáp ứng rất rốt với đặc trưng của Robot leo ống : Cần Moment lớn, tốc độ vừa phải Robot có thể đạt moment lớn nhất khi qua hộp giảm tốc 1L100 là gần 75Nm và hoạt động với hiệu suất cao nhất ở tốc độ gần 38 vòng/phút và Moment 11Nm với dòng định mức là 2.24A Tốc độ định mức là 3700 vòng/ phút khi chưa đi qua hộp giảm tốc

Dựa vào thông số đã nêu, có thể thấy động cơ đã chọn có moment và tốc độ lớn hơn so với mô hình đã tính toán Tuy nhiên, vì thông số trên là thông số chỉ là thông số đo tại trục động cơ Trên thực tế, hệ thống truyền động bao gồm một hộp số giảm tốc hành tinh có hiệu suất 70% và đi qua hộp số bánh răng côn Vì vậy ta cần chọn một động cơ có thông số hoạt động lớn hơn mức đã tính toán từ 2 đến 3 lần để đảm bảo chắc chắn rằng Robot sẽ đủ moment để leo lên trụ theo đầu bài đã nêu ra

4.1.3 Phương án truyền động cho Robot

Yêu cầu: Phương án truyền động cần phải đảm bảo khả năng truyền được các tải lớn để Robot có thể leo lên trụ được Bên cạnh đó, Phương án truyền động cần phải đảm bảo được sự cân đối trọng tâm của Robot

 Phương án truyền động bằng Pulley và dây đai

+ Ưu điểm: Khả năng truyền đi tải lớn

+ Nhược điểm: chiếm nhiều không gian làm việc trong Robot, cần thiết bị căng dây đai sau 1 thời gian làm việc

 Phương án truyền động bằng bánh rang côn:

+ Ưu điểm: Cho phép đặt dọc động cơ lại, qua hệ thống bánh răng côn để truyền động đến trục bánh Robot; Chịu tải lớn; có thể hoạt động ở cường độ cao nếu được bôi trơn đầy đủ

+ Nhược điểm: Độ ăn khớp cần được tính toán kỹ nếu không sẽ gây hỏng hóc, mài mòn nhanh chóng; Cần hộp số để chưa hệ bánh răng

Lựa chọn phương án: Dựa trên khả năng hoạt động với cường độ cao cũng như đảm bảo trọng tâm Robot được cân bằng, ta chọn phương án bánh rang côn được bố trí như sau:

Hình 4.7 Phương án sử dụng bánh răng côn để truyền động

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN NGUỒN ĐIỆN CUNG CẤP ĐÁP ỨNG CHUẨN AN TOÀN

Mục tiêu cảu phần thiết kế nguồn trong nghiên cứu này nhằm tính toán ra một giá trị công suất nguồn của robot Từ giá trị công suất này là một trong các cơ sở quan trọng cho việc tiến hành tính toán và lựa chọn loại nguồn phù hợp sử dụng đảm bảo duy trì cho robot hoạt động ổn định trong toàn bộ quá trình hoạt động của robot

Trong đó, về loại nguồn sử dụng cho robot có thể xem xét bao gồm các loại nguồn cung cấp để hoạt động các tính năng cụ thể cho robot được liệt kê như sau:

 Nguồn điện cung cấp công suất cho động cơ

 Nguồn điện cung cấp cho hệ thống điều khiển (vi điều khiển, driver, cảm biến encoder và MPU)

 Nguồn điện cung cấp cho hệ thống camera

Về phương án cấp nguồn DC cho robot di động, thông thường có 2 phương án thông dụng là sử dụng nguồn là:

 Sử dụng nguồn pin sạc mang theo

Nguồn pin thường được ưu tiên vì robot là hệ di động cần tính linh hoạt, cơ động và thẩm mỹ của robot Trong một báo cáo gần đây, nhóm nghiên cứu cũng đã xem xét và tính toán để có được công suất cần thiết và loại pin với công suất là 108Wh cho mỗi viên Pin nặng 1Kg, duy trì cho robot hoạt động trong khoảng 1,5 giờ (Pin của Makita)

Tuy nhiên, trong ứng dụng nghiên cứu robot này có các điểm kỹ thuật đặc thù để cho giai đoạn phát triển hướng ứng dụng công nghiệp để mang thêm các cảm biến đo độ dày, độ dão đường ống (được trình bày cụ thể trong phần cảm biến), nên phải cung cấp thêm cho nó các đường ống nước và khí nén để làm sạch bề mặt đường ống

(vấn đề này nhóm nghiên cứu cũng đã tìm hiểu và nghiên cứu các robot tương tự trên thế giới) Nên khi đã cấp dây dẫn thì việc sử dụng thêm các dây cấp khí và nước thì các dây còn lại cũng có thể dựa trên đó để kết nối thành một hệ thống dây chung

Hình 4.8 Thiết kế giải pháp hệ thống cấp nguồn cho robot hiện tại

Do đó, phương án cấp nguồn cho robot được đề xuất trong ứng dụng này là sử dụng cấp nguồn có dây để cung cấp nguồn ổn định đảm bảo thời gian hoạt động liên tục cho robot

Tính toán công suất tính nguồn cho robot

 Nguồn điện cung cấp công suất cho động cơ

Vậy bộ nguồn cần thiết để cung cấp cho 2 động cơ BLDC Dunkermotoren

BG42x15 là 82W với công suất mỗi động cơ là 41 Woat Do vậy, bộ nguồn 24V-10A với công suất 240W để đảm bảo hệ số an toàn cho hệ thống sau khi nhân với giá trị thiết kế với hệ số lên 1,5 lần

 Nguồn điện cung cấp cho mạch điều khiển

Control MCU Encoder MPU 2* Driver

P  là công suất của vi điều khiển Arduino Mega 2560 [31]

P  là công suất của bộ cảm biến encoder quang

P  là công suất của bộ cảm biến góc nghiêng, gia tốc chuyển động

P  là công suất của bộ mạch Driver điều tốc động cơ BLDC

Vậy tổng cộng công suất nguồn cần thiết cho hệ thống điều khiển robot là 1,61

Woat Do đó, ta có thể thấy nguồn cung cấp từ USB có thể cung cấp là 2,5Woat vì vậy hoàn toàn có thể đáp ứng tốt cho các mạch xử lý hoạt động ổng định Ngoài ra, một loại dây USB 2.0 có tích hợp chip khuếch đại với chiều dài dây là 20m, cũng được nghiên cứu áp dụng cho ứng dụng tại nhà để robot có thể di chuyển trên đường ống cao khoảng 13m độ suy hao sụt áp là không đáng kể, đường truyền tín hiệu vẫn đảm, các yếu tố được đưa ra cân nhắc và áp dung kiểm chứng thực tế tại chương sau

• Nguồn điện cung cấp cho hệ thống camera giám sát Đối với hệ thống này, nguồn điện được cung cấp hiện tại là loại nguồn AC 220 để nghiên cứu đánh giá hệ thống, về sau nhóm nghiên cứu sẽ thay đổi chuyển sang nguồn DC 48 Voltge để an toàn và đồng bộ hệ thống

Qua đó, có thể thấy rằng phương án cấp nguồn hiện tại cho Robot vẫn còn tồn tại một số đề chưa được tối ưu để đảm bảo tính khả thi khi áp dụng thực tế Vì thế, một bản thiết kế để phát triển và giải quyết các vấn đề này cũng được nhóm nghiên cứu tính đến và thiết kế như tại Hình 4.7 Trong đó, một số yếu tố để ứng dụng thực tế được xem xét và áp dụng như,

 Hộp chống cháy nổ sẽ được sử dụng để chứa các bộ nguồn công nghiệp,

 Các đầu nối AC sẽ sử dụng phích cắm chống cháy nổ công nghiệp

 Các đầu nối sẽ sử dụng các loại chống cháy nổ (cable gland) công nghiệp

 Các jack cắm DC nhỏ để kết nối dây điện động cơ và cảm biến vào hộp điều khiển cũng được thay thế bởi các đầu cắm nhanh chống nước, cháy nổ

Hình 4.9 Thiết kế giải pháp hệ thống cấp nguồn cho robot dự kiến triển khai trong thực tế

TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ LẬP TRÌNH CHO ROBOT

Thành phần lập trình điều khiển được xem như "bộ não’ của robot, nó được kết nối với các cảm biến và thiết bị truyền động khác nhau của robot Các cảm biến là đầu vào của phần lập trình và đầu ra của robot được thực hiện bằng các bộ truyền động

Bộ não của robot có nhiệm vụ đọc dữ liệu từ các cảm biến, thực hiện các tính toán khác nhau trên dữ liệu cảm biến và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu Các quyết định do bộ não robot đưa ra có thể được thực hiện bằng các bộ truyền động khác nhau

Vì vậy trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu cũng đưa ra các khảo sát về thành phần xử lý trung tâm cho robot để lựa chọn thiết bị lập trình phù hợp với ứng dụng điều khiển robot như ở Hình 4.10 bên dưới,

Hình 4.10 Các thiết bị lập trình có thể sử dụng cho robot

Bộ điều khiển khả trình PLC Ưu điểm o Sử dụng phổ biến trong công nghiệp o Độ ổn định và chống nhiễu tốt

Nhược điểm o Kích thước tương đối cồng kềnh, khó khăn cho việc thiết kế và sử dụng lên một hệ robot di chuyển o Giá thành rất cao, Đánh giá chung o Phù hợp cho việc điều khiển các cánh tay robot trong công nghiệp đòi hỏi tính tuần tự o Giá thành cao ảnh hưởng lớn đến chi phí giá thành tổng thể robot o Các giao tiếp (I2C, SPI, UART, ) ít được hỗ trợ, tuy nhiên trên robot di động thường được tích hợp các loại cảm biến có giao tiếp này

Máy tính nhúng Ưu điểm o Bộ xử lý tốc độ rất cao (hàng chục GHz) o Có thể gắn thêm các camera để xử lý ảnh

Nhược điểm o Dễ nhiễu trong quá trình hoạt động o Giá thành cao Đánh giá chung o Phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ xử lý cao, chẳng hạn như xử lý ảnh tại vị trí trực tiếp o Tuy nhiên trong ứng dụng của nghiên cứu sử dụng đến 4 camera, việc xử lý khá cồng kềnh về mặt thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Do vậy, một phương án ứng dụng hệ camera công nghiệp sử dụng POE đã được đề xuất trước đó để giải quyết các vấn đề này

Vi điều khiển Ưu điểm o Thông dụng cho các ứng dụng portal (mang đi) dễ dàng tương thích với các loại robot di chuyển

MSHV: 1870228 107 o Lập trình dễ dàng và linh hoạt o Giá thành rẻ o Phù hợp với ứng dụng cho việc xây dựng một hệ thống có tính tương thích cao Nhược điểm o Độ tin cậy ở mức trung bình o Tốc độ xử lý ở mức trung bình và o Có thể nhiễu trong quá trình hoạt động o Tuy nhiên có thể chống nhiễu cho thiết bị Để tính toán lựa chọn loại vi điều khiển phù hợp, ta cần quan tâm đến một số tiêu chí về thông số kỹ thuật cơ bản của vi điều khiển như sau

 Kích thước của bus dữ liệu : Theo kích thước bus dữ liệu của vi điều khiển, các bộ điều khiển được phân loại là 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit, v.v

Ví dụ, CPU bên trong vi điều khiển 8 bit có thể xử lý 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Kích thước bus dữ liệu càng nhiều thì độ chính xác càng tốt

 Tần số xung nhịp tối đa : Đây là tốc độ tối đa của CPU bên trong vi điều khiển Giá trị tốc độ càng lớn thì bộ điều khiển càng tốt Đơn vị tốc độ của bộ điều khiển thường được đề cập bằng cách sử dụng MegaHertz

(MHz) Thông thường, tốc độ của vi điều khiển dao động từ 8MHz đến

 Kích thước bộ nhớ chương trình / Bộ nhớ flash : Đây là dung lượng lưu trữ của bộ vi điều khiển để lưu trữ một chương trình Nếu bộ điều khiển có nhiều dung lượng hơn, bạn có thể lưu trữ các chương trình lớn

Thông thường, kích thước của bộ nhớ được biểu thị bằng KiloByte

Thông thường, phạm vi của bộ nhớ flash là từ 4k byte đến 2M byte

 Kích thước của RAM : Đây là kích thước của RAM bên trong vi điều khiển Phạm vi kích thước RAM sẽ từ 1k đến 1M Byte

 Số lượng chân I / O : Các chân trong vi điều khiển có thể được cấu hình cho các mục đích khác nhau Một trong những mục đích chính của các

MSHV: 1870228 108 chân là hoạt động như một chân Đầu vào / Đầu ra, nghĩa là bộ điều khiển có thể phát hiện xem chân đó có nhận được xung kỹ thuật số (CAO /

THẤP) hay không Nó cũng có thể hoạt động như đầu ra nghĩa là bạn có thể đặt điện áp của chân cắm ở mức THẤP hoặc CAO Thông thường chúng ta có thể sử dụng hầu hết các chân của vi điều khiển làm chân I /

O Nếu bạn xem qua biểu dữ liệu của từng bộ vi điều khiển, bạn có thể tìm thấy thông số kỹ thuật này

 Điện áp hoạt động : Hầu hết các bộ vi điều khiển chỉ có thể chấp nhận một dải điện áp làm nguồn điện Điện áp thấp hơn hoặc cao hơn điện áp hoạt động có thể làm hỏng bộ điều khiển

 Loại giao diện (hỗ trợ giao tiếp) : Đây là các giao thức giao tiếp khác nhau mà bạn có thể sử dụng để giao diện vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi khác Một số giao thức truyền thông phổ biến là I2C , SPI ,

Kế đến, một giá trị thông số quan trọng cho ứng dụng điều khiển số đó chính là tần số lấy mẫu cho hệ thống Nếu tính toán và có được thông tin về tần số (hay chu kỳ) lấy mẫu tối thiểu này, ta có thể lựa chọn được tốc độ xử lý tối thiểu mà vi điều khiển cần thiết hỗ trợ để thiết kế cho ứng dụng robot Đầu tiên, ta có tốc độ dự kiến di chuyển của robot trng bình là 5m/phút, cùng với đó một encoder 100 ppr (xung trên vòng) được gắn lên bánh xe có đường kính trung bình là 9,2 cm Vì thế, độ tốc độ, hay tần số tối đa mà các xung từ encoder đưa về cho vi xử lý được tính như sau:

Như vậy 1 vòng bánh xe robot di chuyển được 0,289 mét với 100 xung Vì vậy, số xung trên 1 giây, là tần số giao động tối thiểu của hệ bằng:

Theo định lý lấy mẫu Nyquist–Shannon được sử dụng rộng rài, thông dụng trong lĩnh vực lý thuyết thông tin, đặc biệt là trong viễn thông và xử lý tín hiệu cho bởi

Qua đó, ta có thể thấy đối với tác vụ đọc xung Encoder để đo tốc độ của robot vi chiếm khoảng khoảng 50Hz xử lý của vi điều

Ngoài ra, thông qua các tác vụ tính toán, chức năng khác để giao tiếp bao gồm

I2C, UART-serial và tính toán PID, lọc dữ liệu, xử lý dữ liệu cũng được ước lượng như sau

 Giao tiếp I2C (Mode chuẩn) 100kps ước lượng chiếm tối đa 300Hz

 Giao tiếp serial 115200 kps ước lượng chiếm tối đa 300Hz

 Chức năng xử lý tính toán ước lượng 150 Hz

 Chức năng lọc dữ liệu ước lượng 150 Hz

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG

Một giao diện người dùng được nhóm nghiên cứu thiết kế trên nền tảng

Windows Form trên Visual Studio

Windowns Forms là thuật ngữ mô tả một ứng dụng được viết dùng NET

FrameWorrk và có giao diện người dùng Windows Forms (màn hình windows)

Mỗi màn hình windows cung cấp một giao diện giúp người dùng giao tiếp với ứng dụng Giao diện này được gọi là giao diện đồ họa (GUI) của ứng dụng

Hình 4.14 Giao diện người dung được thiết kế trên WinForm C#

Hình 4.15 Chương trình lập trình cho giao diện trên WinForm C#

Hình 4.16 Tổng quan các thành phần chính trên giao diện

Về chức năng điều khiển trên giao diện, nhóm tác giả chia nhỏ module để thiết kế bao gồm 4 phần chính (chi tiết được đánh dấu trên Hình bên dưới), tương ứng với 4 chức năng cơ bản được liệt kê như sau:

1 Đối với Phần (1), Group "Data Acquistion" trong giao diện ở Hình 4.17: phần này cho phép hiển thị

 Các giá trị tốc độ của robot theo thời gian thực lên giao diện Trong đó, có một nút "Scroll"/"Swap", phím này cho phép thay đổi chế độ xem đồ thị o Chế độ "SCROLL" đồ thị cho phép xem toàn bộ thời gian chạy robot o Chế độ "SWAP" đồ thị cuộn theo mỗi 30 giây và thiết lập lại màn hình mới o Trạng thái chiều cao của robot trong quá trình vận hành

Hình 4.17 Nhóm chức năng thu thập dữ liệu trên GUI

2 Đối với Phần (2), Group "Real-time Data" trong giao diện ở Hình 4.18 có 2 chức năng bao gồm hiển thị và điều khiển:

 Đối với chức năng hiển thị cho phép thể hiện các giá trị tức thời theo thời gian thực của robot, Trong đó bao gồm: o Góc nghiêng tức thời của Robot, lấy từ cảm biến MPU (đơn vị góc 0 nghiêng) o Giá trị độ lớn tín hiệu điều khiển tức thời robot phản hồi về, hiển thị lên kim kế (đơn vị % power) o Giá trị tốc độ tức thời của robot được phản hồi về đo được từ encoder và hiển hiển thị lên kim kế (dạng Gauge, đơn vị mét/phút) o Đối với chức năng điều khiển Chức năng nhập giá trị trong chế độ Auto

 Tại ô textbox (hộp nhập/hiển thị ký tự) "Speed Setpoint" cho phép người dùng thiết lập cài đặt giá trị tốc độ di chuyển chuyển tự động cho robot trong chế độ điều khiển Auto

 Tại ô textbox (hộp nhập/hiển thị ký tự) "Height Set" cho phép người dùng thiết lập cài đặt giá trị cao độ di chuyển

MSHV: 1870228 116 đến vị trí cài đặt và dừng lại, cho đến khi người dùng bấm

"ACK" để thoát ra Chức năng nhập lựa chọn (nút ấn bấm nhả) và thanh cuộn

Hình 4.18 Nhóm chức năng hiển thị dữ liệu thời gian thực và điều khiển trên

 Đối với Phần (3), Group "Comport Setting" trong giao diện ở Hình 4.7 có 2 chức năng đảm bảo cho việc kết nối các cổng COM serial giao tiếp giữa máy tính với robot và tay cầm với mới tính Trong đó bao gồm o Một cổng COM được dùng cho thiết lập giao tiếp máy tính với robot, có tốc độ BaundRate mặc định là 115200 bps o Một cổng COM thiết lập giao tiếp tay cầm với máy tính, có tốc độ BaundRate mặc định là 9600 bps

Hình 4.19 Nhóm chức năng kết nối với vi điều khiển robot và thu nhận tay cầm điều khiển trên GUI

 Phần (4), Group "Visual" trong giao diện ở Hình 4.19 có 2 chức năng đảm đảm bảo hiển thị stream (truyền phát trực tiếp) các dữ liệu hình ảnh thu nhận từ 04 camera về giao diện trên máy tính

Hình 4.20 Nhóm chức năng hiển thị dữ liệu hình ảnh truyền nhận trực tiếp từ các camera về robot Chức năng cảnh báo người dùng, đối với việc robot vượt quá giới hạn đã cài đặt trước được thiết kế và lập trình thông qua giao diện như trong Hình 4.20 Khi đó, trong trường hợp robot đang di chuyển trong phạm vị giới hạn cài đặt biến “limit status” được set lên 1 (true), ngược lại khi robot vượt khỏi phạm vi cài đặt biến này sẽ được reset về về 0, và robot lập tức được dừng lại Để robot tiếp tục thực hiện di chuyển, người dùng phải bấm chọn vào nút ACK trên giao diện để reset interlock

(khóa hệ thống) để tiếp tục điều khiển robot Cụ thể trong Hình 4.20a, với giá trị cài đặt cho cao độ giới hạn là 1.8m, khi robot còn đang ở vị trí 1.79m biến này, biến

Limit_status vẫn ở mức cao (true); Tuy nhiên, khi robot di chuyển lên vượt quá giá trị 1.8m, có thể thấy lập tực biến Limit_status được trả về 0 và robot dừng lại, đồng

MSHV: 1870228 118 thời trên giao diện cũng hiển thị biểu tượng cảnh báo cho người dùng chú ý (Hình

4.20b) Về sau, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển để đưa ra các âm thanh, tín hiệu cảnh báo giúp cho hệ thống hoàn thiện và an toàn hơn

Hình 4.21 (a) Giao diện cảnh báo người dùng khi robot vượt quá giới hạn cao độ cài đặt (a) trong phạm vị giới hạn cài đặt, (b) vượt quá giới hạn cài đặt

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN

 Yếu tố hoạt động trong môi trường điều kiện thiếu ánh sáng

Tại các hệ thống ghi hình ở điều kiện thiếu sáng, IR Led hay Led hồng ngoại đã trở thành một phương án khả thi để hỗ trợ cho hệ thống camera hoạt động trong các điều kiện ánh sáng kém IR led bản chất là một loại diot được sử dụng vật liệu để tạo ra ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng nằm ở vùng mắt người không nhìn thấy

Trong ứng dụng thiết bị camera thông thường, các ánh sáng từ vùng hồng ngoại này làm suy giảm chất lượng hình ảnh, làm các màu sắc bị sai lệch Để tránh tình trạng này, người ta thường sử dụng các bộ lọc hồng ngoại để cải thiện vấn đề này Ở các thiết bị CCTV, để có thể quan sát được ở điều kiện thiếu sáng, công nghệ thường được sử dụng là trên camera sẽ có các số lượng các IR Led chiếu vào khu vực cần quan sát Các sensor của camera CCTV sẽ lọc sóng quang, chỉ lấy các sóng hồng ngoại đã được khuếch đại lên nhờ các đèn IR Leds Nhờ đó, camera hồng ngoại có thể hoạt động ngay cả khi độ sáng là 0 lux

Tuy nhiên, có một thông số nữa chúng ta cần quan tâm đó là khoảng cách hoạt động của camera hồng ngoại và khoảng hoạt động hiệu quả Các camera trên thị trường có tầm hồng ngoại hoạt động lên đến 20-30 mét Tuy nhiên, nếu đặt vật thể quá gần camera hồng ngoại thì cường độ ánh sáng hồng ngoại từ các IR led tập trung lớn tại vật, từ đó khiến cho vật thể đặt trước camera bị cháy sáng Ngươc lại, nếu đặt quá xa camera hồng ngoại, các IR led không thể chiếu sáng đến vật thể, từ đó khiến cho vật bị tối và khó nhìn

 Yếu tố độ phân giải cần thiết để phát hiện các vết nứt Độ phân giải cần thiết camera được tính toán thiết kế dựa trên yêu cầu về việc quan sát được các vết nứt trên tường lò, phục vụ cho việc kiểm tra và phát hiện vết nứt Cụ thể trong đó, nhóm nghiên cứu thực hiện thông qua việc tính toán kích thước của khung hình thu được thông qua các đặc trưng kỹ thuật của camera CCTV và kích thước của vết nứt Đối với các loại camera CCTV thông thường có độ quan sát rộng khoảng hơn

80 0 Do đó, một sơ đồ thể hiện khoảng cách của camera trên robot so với vị trí tường lò cần khảo sát hình ảnh vết nứt điển hình, được thiết lập và tính toán dựa trên đó

Kết quả thu được kích thước khung ảnh thể hiện như ở Hình 4.21 Kích thước một khung hình ảnh với chiều dài x chiều rộng là 708 x 398 mm Từ đó, một vết nứt điển hình có thể thấy trong khung hình ảnh này có kích thước, chiều dài khoảng từ 8mm cho đến 15mm và chiều rộng là 100mm

Hình 4.22 Sơ đồ khoảng cách của camera trên robot so với vị trí tường lò cần khảo sát hình ảnh Ngoài ra, một camera CCTV thông thường được cung cấp các chuẩn chất lượng hình ảnh từ thấp đến cao lần lượt là HD (High Definition) và Full HD, tương ứng với độ phân giải là 720 x 1080 pixel hoặc 1080 x 1920 pixel Điều này, cung cấp các dữ liệu ban đầu để ước lượng được độ phân giải tối thiểu cho một vết nứt thông thường có thể thu thập và xử lý được từ camera CCTV, khi đó:

 Kích thước vết nứt là : Sc = 8 x 100 mm

 Kích thước khung ảnh là: Sf = 708 x 398 mm

 Độ phân giải tối thiểu của khung ảnh khi sử dụng camera CCTV là:

Qua đó, độ phân giải tối thiểu của một vết nứt khi sử dụng camera CCTV thu thập và có thể xử lý được là 15 x 180 pixel Đối với độ phân giải này, mắt thường hoàn toàn có thể quan sát được các hiển thị hình ảnh thu được từ camera, tiền đề cho việc sử dụng các giải thuật xử lý ảnh về sau để tự động nhận dạng vết nứt

Một thí nghiệm để khảo sát trên hệ thống camera CCTV cũng được nhóm nghiên cứu thực nghiệm ở phần tiếp theo (ở Hình 4.22 và Hình 4.24)

Hình 4.23 Hình ảnh cho thấy kích thước các vết nứt trên tường lò

Một mô tả chi tiết cho thấy các thông số kỹ thuật của camera CCTV dùng cho việc thu thập hình ảnh để kiểm tra các vết nứt được mô tả bên dưới, đảm bảo cho các yếu tố quang học và cảm biến trên camera của robot, có thể đáp ứng được các yếu tố về ánh sáng:

Trong đó, các thông số camera đucợ trình bày cụ thể bên dưới : ã 1/2.9” 2Megapixel Sony NIR ã H.265+& H.264+ dual-stream encoding ã 25/30fps@1080P(1920ì1080) ã DWDR, Day/Night(ICR), 3DNR, AWB, AGC, BLC ã 3.6 mm fixed lens ã Max IR LEDs Length 30m

Hình 4.24 thể hiện phương pháp bố trí để kiểm tra, khảo sát độ phân giải của camera bằng cách thu thập các hình ảnh từ bản in màu của của dữ liệu hình ảnh các vết nứt trên tường Trong đó,

 Vị trí camera đặt cách các bản in khoảng 1 mét

 Chất lượng bản in ở mức trung bình (4800x1200 dpi)

Hình 4.24 Camera KBVision KX-A2011TN3 [35]

Hình 4.25 Bố trí khảo sát độ phân giải đảm bảo chất lượng hình ảnh thu thập từ camera

Kết quả thu được hình ảnh như ở Hình 4.23, kết quả này cho thấy các vết nứt được hiển thị rõ nét trên màn hình máy tính cá nhân có độ phân giải 1920 x1080 pixel, từ đó có thể quan sát bằng mắt thường

Hình 4.26 Ảnh chụp màn hình cho thấy chất lượng hình ảnh

Vì vậy, trên thực tế, các các camera này chỉ hoạt động tốt nhất ở khoảng cách nhỏ hơn 5 mét, lúc này các vật thể hiện ra rõ ràng với độ chi tiết tốt nhất Khoảng cách làm việc này cho phép ta tích hợp camera hồng ngoại vào robot để sử dụng bên trong tường lò nhà máy PVCFC

Trong nghiên cứu các hệ thống cảm biến được nhóm nghiên cứu thực hiện có hai loại áp dụng thực nghiệm ứng dụng trên robot nhằm và một số các cảm biến được nhóm tác giả nghiên đánh giá cho cho giai đoạn tiếp theo của đề tài, phục vụ cho việc khảo sát về chất lượng đường ống như : lập bảng đồ trạng thái ăn mòn, độ dão, độ võng, vết gãy nứt,… trên đường ống Trong đó, các loại hệ thống cảm biến bao gồm :

Thứ nhất, hệ thống các cảm biến cơ bản nhằm kiểm soát các tốc độ di chuyển và trạng thái của robot Và thứ hai, hệ thống các cảm biến cảm biến sử dụng cho khảo

THIẾT KẾ QUY TRÌNH VẬN HÀNH, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỰ CỐ CHO ROBOT

4.6.1 Quy trình kết nối phần cứng dây điện

Một quy trình mô tả cho quy trình vận hành thiết lập roobot được mô tả thông qua các bước lần lượt theo thứ tự như ở Bảng 4.3 bên dưới

Bảng 4.3 Quy trình thiết lập kết nối dây điện và tín hiệu cho robot

Bước Nội dung Hình ảnh minh họa

Thiết lập kết nối các dây cắm điều khiển, camera trên robot

- Sau khi hoàn thành việc lắp đặt về cơ khí

- Lưu ý về quy ước cách gọi động cơ như hình Trong đó, để dễ ghi nhớ nhanh: động cơ phải bên có hộp điều khiển, và động cơ trái bên không có hộp điều khiển (pre-initial)

1 - Thiết lặp, đấu nối dây nguồn (1a) và dây nút ấn phanh

- Kiểm tra lại sự tiếp xúc chắc chắn giữa các đầu nối (1a) (1b)

2 - Thiết lặp đấu/ cắm dây Usb điều khiển vào hộp điều khiển trên robot

- Kiểm tra lại sự tiếp xúc chắc chắn giữa các đầu nối

(cuộn dây) của từng motor vào đầu ra của hộp điều khiển, các dây cảm biến Hall vào đúng vị trí đầu nối theo màu, và cụm như sơ đồ ở Hình 3a và kết quả như ở

- Kiểm tra lại sự tiếp xúc chắc chắn giữa các đầu nối

3b được tác giả tách ra robot khỏi đường ống để viết hướng dẫn dễ nhìn Trong thực tế, các kết nối sẽ nằm sát vào thân

MSHV: 1870228 134 robot và đường ống, rút lại gọn gàng

4 Thiết lập kết nối các đầu cáp RJ45 cho từng camera

- Kiểm tra lại sự tiếp xúc chắc chắn giữa các đầu nối

5 Kết nối các đầu dây còn lại của 4 Camera về hộp xử lý hình ảnh

Tùy vào vị trí camera mà người dùng muốn hiển thị lên GUI theo thứ tự như ở 5d và cách bố trí came ra trên robot như tại hình 5c, mà thứ tự có thể thay đổi tùy ý người dùng (hình 5b)

Thiết lập các kết nối cho trạm điều khiển dưới đất

6 Kết nối USB trên robot đầu còn lại vào laptop/pc

7 Bật nguồn thiết bị tay bấm bằng cách gạt công tắc nguồn sang bên trái (Hình

7a) và kết nối thiết bị thu nhận tay cầm vào máy tính (Hình 7b) (7a) (7b)

4.6.2 Quy trình kết nối điều khiển và thu thập hình ảnh trên giao diện

(b) Một quy trình mô tả cho quy trình vận hành thiết lập về phần mềm roobot được mô tả chi tiết lần thông qua các bước lần lượt theo thứ tự như ở và thu được các kết quả hiển thị như ở Hình 4.33 bên dưới

(a) Hình 4.33 (a) Kết quả trên GUI sau khi kết nối thành công các ngõ vào ra trên robot, (b) Hướng dẫn quy trình kết nối phần mềm và

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH CHO ROBOT

GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

5.1.1 Giải thuật nhúng cho vi điều khiển trung tâm robot

Hình 5.1 trình bày chi tiết lưu đồ giải thuật lập trình cho hệ thống vi điều khiển nhúng trên robot để truyền nhận giao tiếp dữ liệu với trạm mặt đất và điều khiển robot Theo đó, giải thuật này đảm bảo cho robot hoạt động đúng các chức năng đã đề ra ban đầu Các chức năng bao gồm: điều khiển tốc độ (điều khiển Maunal và Auto dựa trên giải thuật PID), dừng phanh robot khi có lệnh dừng từ trạm mặt đất gửi đến

(giá trị 0 của biến power), thu thập xử lý tính toán và gửi các dữ liệu về trạng thái robot về trạm mặt đất Cùng với đó, các xử lý an toàn cũng được tích hợp và lập trình đảm bảo cho các sự cố mất kết nối hoặc vượt quá giới hạn đường ống (ở đây sẽ được cấu hình và nhúng trực tiếp vào robot, ví dụ khi khảo sát đường ống có chiều cao là

14 mét thì giá trị giới hạn sẽ được kỹ sư lập trình là 13,5 mét), đảm bảo robot không leo vượt quá giới hạn an toàn khi vận hành hoạt động

Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật lập trình cho vi điều khiển trên robot

5.1.2 Giải thuật nhúng cho vi điều khiển giao tiếp với tay cầm (controller)

Hình 5.2 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị phím bấm từ tay cầm và gửi về máy tính

Hình 5.2 trình bày chi tiết lưu đồ giải thuật lập trình cho hệ thống vi điều khiển nhúng cho bộ giao tiếp trung gian để lấy dữ liệu từ tay cầm điều khiển về máy tính trung tâm Về mặt chức năng, của bộ này tương đối đơn giản nên giải thuật đi kèm cũng đảm bảo tính năng trung gian nhận các giá trị phím bấm, kiểm tra, lưu lại và gửi về phần mềm giao diện trên máy tính xử lý các tác vụ tiếp theo

GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH TẠO GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG

Hình 5.3 Kết quả giao diện người dùng

1 Tại nhóm (1), Data Acquistion ở Hình 5.3 giao diện điều khiển trên máy tính, điểm giải thuật đáng lưu ý mà tác giả nghiên cứu thực hiện ở việc ứng dụng chương trình thư viện của ZedGraph Vẽ đồ thị theo thị theo thời gian thực từ vi điều khiển với mỗi chu kỳ vẽ (lấy điểm mẫu dự liệu là 100 mili giây và có khả năng tự scale dữ liệu theo trục y hoặc trục thời gian (được lựa chọn thông qua nút "Swap"/"Scroll"

Hình 5.4 Thanh công cụ vẽ đồ thị tốc độ và chiều cao robot, thanh công cụ đồng hồ kim Agauge

Ngoài ra trong đó, để hiển cao độ của robot, một công cụ thanh tiến độ chiều dọc cũng được add-in (nhúng them) và dự án Thanh công cụ vẽ đồ thị tốc độ và chiều cao robot, thanh công cụ đồng hồ kim Agauge như

2 Tại nhóm (2), Real-time data ở Hình 5.5 giao diện điều khiển trên máy tính, các điểm nghiên cứu giải thuật đáng chú ý có thể được kể đến bao gồm việc nghiên cứu ứng dụng một tool "AGauge", cho phép người lập trình viên thể hiện được tốc độ, giá trị của biến số lên đồng hồ số dạng kim (Gauge) với

Hình 5.5 Công cụ AGauge hỗ trợ hiển thị tốc độ lên đồng hồ dạng kim

Kế đó, giải thuật để tính toán giải mã cho việc lấy dữ liệu từ joytick analog với giá trị từ 0 đến 255, tương ứng khi joytick hạ xuống tối đa và đẩy lên tối đa, khi ở điểm giữa cân bằng, joytick có giá trị là 127 Từ đặc điểm kỹ thuật kể trên, một giải thuật để xử lý và chuyển đổi các giá trị joytick để điều khiển được thực thi như đoạn chương trình tại Phụ lục 03

Ngoài ra, một giải pháp để giải mã và phân cách các dữ liệu được thể hiển trong chương trình lập trình giao diện thông qua lệnh Substring để tìm vị trí các ký tự "A",

"B", C",… và cắt chuỗi để lấy ra các dữ liệu biến số cần tìm và lưu vào chương trình chính để xử lý cho các tác vụ tiếp theo.

GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU HÌNH ẢNH

Giải thuật chương trình thu thập, xử lý dữ liệu hình ảnh được thiết kế với mục tiêu đảm bảo đường truyền, băng thông cho dữ liệu camera siêng suốt liên tục trong quá trình vận hành hệ thống robot, kiểm tra đường ống, thiết bị, vách lò Trong đó, tác giả chia giải thuật mục tiêu tổng thể ra làm ra làm 2 phần để xử lý các tác vụ nhằm tối ưu các luồng dữ liệu bao gồm giải thuật ghi nhận hình ảnh và giải thuật phân luồng

5.3.1 Giải thuật thu thập và xử lý dữ liệu hình ảnh

Trước đây, để vận hành một thiết bị mạng như camera, router wifi, điện thoại

IP, ta cần kéo song song 2 đường dây: 1 đường dây điện để cấp nguồn và 1 đường dây mạng cấp internet cho thiết bị Với mỗi camera cần 2 đường dây như vậy sẽ làm tăng khối lượng dây trong hệ thống, từ đó làm tốn thêm không gian bên trong Robot và tăng khối lượng Robot Từ ý tưởng gộp 2 đường dây này lại qua một cổng RJ45 duy nhất, PoE được ra đời PoE là viết tắt của cụm từ Power Over Ethernet, nghĩa là cho phép cấp nguồn điện thông qua dây cáp mạng RJ45 được nối từ switch đến các thiết bị cắm dây mạng Switch Poe là thiết bị chia mạng cho phép cấp nguồn cho các thiết bị nhận mạng khác, cụ thể là IP camera (Hình 5.6)

Hình 5.6 Mô phỏng đường truyền của hệ thống camera có sử dụng PoE switch

Về thông số kỹ thuật cơ bản: Switch Poe có khối lượng nhẹ, đảm bảo đủ 4 RJ45 để kết nối với 4 camera IP; Có 2 port up link cổng để kết nối trực tiếp với máy tính và đầu đọc NVR để lưu lại các tín hiệu Các dây RJ45 đi theo đảm bảo chuẩn Cat 5e trở lên Tốc độ hỗ trợ tối thiểu 10/100Mbps Khối lượng nhỏ gọn đảm bảo đặt gọn gàng lên Robot

Dựa trên các thông số đã nêu, ta lựa chọn PoE S.M.A.R.T SW4K – PoE với các thông số như sau:

- Tốc độ cổng PoE Port: 10/100 Mbps – số lượng 2

- Tốc độ cổng Uplink Port: 10/100 Mbps

Theo đó, tổng quát giải thuật này được thiết lập cụ thể như sau:

 Các sensor hình ảnh ghi nhận các hình ảnh thu được từ tường lò và ống xúc tác, các dữ liệu hình ảnh này được nén lại theo chuẩn H264 và gửi đến PoE

 Tại PoE switch, đây là thiết bị có nhiệm vụ chuyển mạch, đóng vai trò trung tâm, các camera và máy tính sẽ được kết nối vào đây

 Khi máy tính yêu cầu truy cập vào 4 camera IP, switch sẽ thiết lập mạch ảo giữa hai cổng tương ứng mà không làm ảnh hưởng đến lưu thông cổng khác

Bên cạnh đó, switch nhận biết máy nào kết nó với cổng của nó bằng cách đọc địa chỉ MAC

 Sau khi kết nối với camera, ta cần phải nhập vào ID và mật khẩu camera để đảm bảo quá trình bảo mật

 Các camera được kết nối với máy tính, phần mềm GUI sẽ đọc từng frame ảnh một từ camera và tiến hành biểu diễn các frame đó lên GUI vận hành

- Việc việc vận hành 4 camera hoạt động cùng lúc có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý các frame hình của máy tính Cụ thể, 4 camera liên tục sinh ra 1 số lượng frame hình trên giây nhất định, tuy nhiên khả năng xử lý các frame hình này của máy tính là có hạn và phụ thuộc vào phần cứng máy tính Nếu máy tính không xử lý số lượng các frame hình cố định này từ camera kịp thời, các frame hình này sẽ bị nghẽn hoặc tràn các buffer Từ đó dẫn đến các tính trạng về giật hoặc delay khung hình, thậm chí là phần mềm vận hành Robot có thể bị tắt Để tránh tình trạng này, ta tiến hành phân luồng hoạt động cho 4 camera (xem Hình 5.7)

- Khi không phân luồng, mặc định máy tính sẽ để 1 luồng của vi xử lý đảm nhận một process tổng của chương trình, dẫn đến việc máy tính sẽ không xử lý kịp các frame truyền đến từ camera

- Theo đó, mỗi camera sẽ do 1 luồng của máy tính đảm nhận

- Quá trình phân luồng cần đảm bảo tính đồng bộ của các luồng đề các camera có thể hoạt động đồng bộ cùng nhau

Phần cứng CPU được tiến hành thực nghiệm như sau: Intel® Core™ i5-5200U, tần số turbo 2.70 GHz, số nhân 2, số luồng 4 Qua đó ta sẽ cho mỗi camera hoạt động trên một luồng Sau khi phân luồng, hiện tượng lag và delay không còn xảy ra ở tốc độ 15fps, độ phân giải hình ảnh HD

THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG

ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN DI CHUYỂN ROBOT

6.1.1 Điều khiển Robot theo chế độ Manual

Hình 6.2 Kết quả điều khiển Manual Kết quả điều khiển robot di chuyển đi lên và đi xuống dễ dàng thông qua tay cầm điều khiển và trên giao diện với tốc độ người vận hành tùy chỉnh (Hình 6.2)

Cùng với đó, các các giá trị biểu thị tốc độ, chiều cao, công suất điều khiển tốc độ robot, chiều chuyển động của robot cũng được hiển thị lên giao diện như Hình 6.3

(trường hợp robot đi lên) và Hình 6.4 (trường hợp robot di chuyển đi xuống) Thông

MSHV: 1870228 147 qua giao diện này giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và điều khiển robot di chuyển theo ý muốn

Hình 6.3 Kết quả điều khiển robot đi lên

Hình 6.4 Kết quả điều khiển robot đi xuống 6.1.2 Kết quả điều khiển robot tự động

Hình 6.5 Kết quả điều khiển giữ tốc tốc độ robot 4,0 mét/phút, chế độ tự động sử dụng bộ điều khiển PID

MSHV: 1870228 148 Đối với chế độ auto, người vận hành có thể thông qua giao diện điều khiển đặt giá trị setpoint tốc độ vào ô setpoint Lúc này, robot được điều khiển bám theo tốc độ đã cài đặt bằng giải thuật điều khiển PID Trong thực nghiệm ở Hình 6.5, giá trị tốc độ đặt là 4 mét/phút Có thể thấy đáp ứng robot được điều khiển bám theo giá trị đặt

Tuy nhiên, bộ điều khiển PID lúc này với các thông số lần lượt là Kp = 0,35 ; Ki 0,45 và Kd = 0,01 kết quả trên cho thấy chưa đáp ứng tốt còn xuất hiện vọt lố cao

Do đó, một quá trình để tinh chỉnh cho hệ thống với các phương pháp thực nghiệm đã được trình bày ở Chương 2 Khi đó, các tham số được tinh chỉnh lần lượt là Kp = 0,25 ; Ki = 0,6 và Kd = 0,01, với giá trị đặt tốc độ 6 mét/phút, thu được kết quả điều khiển có đáp ứng như ở Hình 6.6 Kết quả cho thấy độ vọt lố và sai số xác lập được cải thiện rõ rệt, tuy nhiên vẫn còn tồn tại sai số xác lập nhỏ Điều này, hoàn toàn có thể được giải quyết khi đường ống trong thực tế cao hơn, với khoảng di chuyển lớn và tăng Ki để robot có thời gian ổn định, điều khiển bám tốt tốc độ tốt hơn

Hình 6.6 Kết quả điều khiển giữ tốc tốc độ robot 6,0 mét/phút sử dụng PID, chế độ tự động sử dụng bộ điều khiển PID

ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ROBOT BÁM VỊ TRÍ

Hình 6.7 Kết quả điều khiển dừng robot tại một vị trí Để đánh giá khả năng dừng của robot trên đường ống, tác giả bố trí thực nghiệm sau khi ấn phanh trên tay cầm, có thể thấy robot dừng bám tại một vị trí bất kỳ trên

MSHV: 1870228 150 đường ống ổn định theo thời gian (khoảng thời gian có thể tiến đến vô cùng) như kết quả thu được ở Hình 6.7

Ngoài ra, chế độ dừng này cũng được áp dụng cho trường hợp robot đi đến vị trí cài đặt hoặc đến vị trí giới hạn của đường ống (không để trạm trần lò hoặc quá giới hạn mà người vận hành yêu cầu)

Thông qua các kết quả vừa trình bày, có thể thấy chức năng cho robot dừng bám lại một vị trí bất kỳ trong chế độ MAN hoặc AUTO được đáp ứng Trong đó, đối với chế độ/ chức năng MAN, điều này mục tiêu hướng đến trong quá trình vận hành thực tế khi người vận hành, thường là các chuyên gia về kiểm tra đánh giá thiết bị đường ống lò xúc tác, khi điều khiển di chuyển robot và thấy được các điểm bất thường có thể dừng lại để quan sát, nghiên cứu đánh giá kỹ hơn Còn đối với chức năng dừng ở chế độ AUTO, mở ra một bước cơ sở tiềm năng để dùng cho quá trình xử lý ảnh tự động về sau, khi mà các camera được áp dụng giải thuật xử lý ảnh phát hiện các vết nứt, trên tường lò, hay đường ống bị ăn mòn, robot sẽ dừng lại để chụp ảnh hoặc cảnh báo cho chuyên gia, hoặc người giám sát.

ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH THU THẬP HÌNH ẢNH ĐƯỜNG ỐNG TỪ CÁC CAMERA

ĐƯỜNG ỐNG TỪ CÁC CAMERA

Hình 6.8 Kết quả thực nghiệm thu thập hình ảnh từ camera (a) hình chụp robot đang di chuyển (b) trên giao diện người dùng (c)

Thông qua hệ thống camera được thiết kế trên robot các hình ảnh được truyền về máy tính liên tục theo thời gian thực (trực tuyến), qua đó ứng dụng này giúp người vận hành có thể vừa điều khiển, theo dõi chuyển động của robot vừa có thể quan sát đánh giá tình trạng của đường đống và các tường hai bên thành lò (Hình 6.8a và Hình

6.8b) Hình ảnh camera rõ nét, có thể thay đổi chế độ màu hoặc trắng đen

Kết này cho thấy, đối với chức năng thu thập hình ảnh được đảm bảo siêng suốt trong quá trình vận hành robot, các hình ảnh trên đường ống, tường lò được truyền về giao diện người dùng, với mục tiêu để cho các chuyên gia về kiểm tra thiết bị đường ống và tường lò đánh giá được chất lượng, tuổi thọ và mức độ hư hỏng của thiết bị khi ứng dụng thực tế trong quá trình bảo dưỡng Nhà máy

ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM AN TOÀN

Các đánh giá thực nghiệm an toàn được tác giả bố trí đối với các tải trọng lệch trái 1 kg (Hình 6.10), lệch phải 1 kg (Hình 6.11) và tải giữa 4kg ở Hình 6.12 Để đảm bảo cho quá trình áp dụng thực tế robot đủ công suất moment có thể mang vác theo tải trọng (các thiết bị cảm biến cũng như đoạn dây dẫn dài hơn, tải trọng lớn hơn)

Hình 6.9 Kết quả thử nghiệm tăng tải trọng 4 kg giữa robot

Hình 6.10 Kết quả thử nghiệm tăng tải trọng 1kg lệch phải

Hình 6.11 Kết quả thử nghiệm tăng tải trọng 1kg lệch trái

Thông qua thử nghiệm này, kết quả ban đầu cho thấy robot có thể mang thêm cải tải trọng ở các vị trí khác nhau, những vẫn có thể đảm bảo được các chức năng di

MSHV: 1870228 153 chuyển, dừng trên đường ống Điều này hứa hẹn khả quan cho việc tiếp tục các ứng dụng lên hệ thống thiết kế robot này, như mang thêm các module vệ sinh đường ống, các hệ thống cảm biến độ công nghệ và chính xác cao để đo độ dày, độ rão đường ống về sau

Video chi tiết kết quả được nhóm nghiên cứu đăng tải Youtube đường link bên dưới https://youtu.be/4ygNbCxdKys