Qua đề tài này, nhóm nghiên cứu mong muốn đóng góp một giảipháp thực tiễn, ứng dụng công nghệ vào công tác phòng cháy chữa cháy, từ đó góp phầnbảo vệ an toàn cho con người và tài sản,nội
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Sự tiến bộ công nghệ, đặc biệt trong tự động hóa và trí tuệ nhân tạo, đã mở ra nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy Cháy nổ gây thiệt hại lớn về con người và tài sản, vì vậy việc sử dụng robot trong chữa cháy là cần thiết để giảm rủi ro cho đội ngũ cứu hộ và nâng cao hiệu quả xử lý tình huống Đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32” hướng đến việc phát triển một robot tự động có khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy và dập lửa, với các cảm biến đo nhiệt độ và lửa, động cơ điều hướng, cùng hệ thống dập lửa tích hợp Nhóm nghiên cứu mong muốn đóng góp giải pháp thực tiễn, ứng dụng công nghệ vào phòng cháy chữa cháy, bảo vệ an toàn cho con người và tài sản, với nội dung nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, tích hợp cảm biến, lập trình điều khiển và đánh giá hiệu quả hoạt động của robot trong môi trường giả lập.
LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Trong bối cảnh cuộc sống hiện đại, sự gia tăng các vụ cháy nổ đang đặt ra nhiều thách thức cho con người và tài sản Các khu dân cư, nhà máy và khu công nghiệp là những địa điểm có nguy cơ cháy nổ cao, khiến việc tiếp cận để dập lửa trở nên khó khăn Do đó, cần có các giải pháp chữa cháy nhanh chóng, an toàn và hiệu quả Đặc biệt, trong những môi trường nguy hiểm, việc ứng dụng công nghệ vào công tác chữa cháy trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Nhóm đã chọn đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32” nhằm phát triển thiết bị tự động phát hiện và xử lý tình huống cháy nhỏ, hỗ trợ đội cứu hộ và giảm thiểu rủi ro cho con người Đề tài này không chỉ có tính thực tiễn cao mà còn ứng dụng kiến thức về điện tử, cơ khí, lập trình và tự động hóa để giải quyết vấn đề thực tế Đây cũng là cơ hội để nhóm tiếp cận công nghệ mới, nâng cao kỹ năng chuyên môn và góp phần vào công tác phòng cháy chữa cháy hiện đại.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Robot chữa cháy đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với nhiều thành tựu nổi bật trong những năm gần đây Các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc đã đầu tư đáng kể vào công nghệ này để nâng cao khả năng cứu hộ và đảm bảo an toàn cho con người Những robot chữa cháy hiện đại được trang bị cảm biến phát hiện lửa, nhiệt độ và khí gas, cho phép định vị chính xác vị trí cháy, từ đó thực hiện các phản ứng nhanh chóng và hiệu quả trong môi trường nguy hiểm.
Tại Việt Nam, nghiên cứu robot chữa cháy đang được chú trọng nhưng còn gặp nhiều hạn chế về tài chính, công nghệ và nhân lực Các đề tài chủ yếu tập trung vào thiết kế robot chữa cháy cơ bản với chức năng phát hiện lửa, phun nước hoặc chất chữa cháy, và di chuyển trong không gian hạn chế Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở giai đoạn thử nghiệm với các mô hình nhỏ hoặc trong phòng thí nghiệm.
Hình 1.1 Hình ảnh minh họa xe robot chữa cháy
Nhóm nghiên cứu với đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32” hướng đến phát triển một robot linh hoạt, tích hợp công nghệ cảm biến tiên tiến, đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả cho điều kiện thực tiễn tại Việt Nam Nghiên cứu này không chỉ nâng cao kiến thức và kỹ năng chuyên môn mà còn đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong công tác phòng cháy chữa cháy hiện nay.
MỤC TIÊU CỦA DỰ ÁN
Thiết kế hệ thống cơ khí của robot
Phát triển một robot tự động có khả năng phát hiện ngọn lửa trong không gian kín và dập tắt nó.
Sử dụng các cảm biến để định vị ngọn lửa và điều khiển robot di chuyển tới vị trí đó
Tích hợp cơ chế phun nước hoặc khí để dập tắt lửa.
MỤC ĐÍCH CỦA DỰ ÁN
Dự án “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32” nhằm phát triển một hệ thống robot tự động có khả năng phát hiện và dập tắt đám cháy nhỏ, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác phòng cháy chữa cháy Mục tiêu cụ thể của dự án là tạo ra một giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm bảo vệ an toàn cho cộng đồng.
Sử dụng robot trong các tình huống khẩn cấp giúp nâng cao an toàn cho con người bằng cách giảm thiểu nguy cơ cho lực lượng cứu hộ và cộng đồng Robot có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường cháy nổ và độc hại, nơi mà con người khó tiếp cận một cách an toàn.
Tăng cường hiệu quả dập lửa bằng cách thiết kế robot có khả năng phát hiện nhanh chóng nguồn nhiệt và lửa, giúp xử lý đám cháy ngay tại chỗ Điều này không chỉ hạn chế sự lan rộng của cháy mà còn giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn gây ra.
Thực hiện dự án là cơ hội quý báu để áp dụng kiến thức về cơ khí, lập trình, tự động hóa và điện tử vào sản phẩm thực tế, từ đó nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm cho nhóm nghiên cứu.
Khả năng phát triển công nghệ chữa cháy hiện đại đang mở ra cơ hội nghiên cứu và phát triển các robot chữa cháy linh hoạt và hiệu quả hơn Những robot này sẽ có khả năng hoạt động tốt trong những điều kiện cháy nổ phức tạp, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác cứu hộ và bảo vệ an toàn.
Đóng góp vào công tác phòng cháy chữa cháy hiện đại là việc hỗ trợ lực lượng cứu hỏa, nhằm nâng cao an toàn cho cộng đồng và bảo vệ tài sản Điều này hướng đến giải pháp bền vững và thông minh, góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng đời sống con người.
Dự án này mong muốn phát triển một sản phẩm có giá trị nghiên cứu, đồng thời có khả năng trở thành giải pháp hữu ích trong thực tế.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Robot chữa cháy và tự động
Hệ thống cảm biến phát hiện lửa và nhiệt độ
Hệ thống điều khiển và di chuyển của robot
Môi trường hoạt động của robot
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài thực hiện trên phạm vi vận dụng kiến thức lập trình nhúng, thiết bị điện tử để hoàn thiện hệ thống.
Robot được thiết kế nhằm phát hiện và dập tắt các đám cháy nhỏ trong môi trường mô phỏng, với trọng tâm là khả năng phát hiện lửa và nhiệt độ, cũng như di chuyển đến vị trí xảy ra cháy Dự án này không tập trung vào khả năng hoạt động trong các tình huống cháy lớn hoặc phức tạp.
Robot được thiết kế nhỏ gọn, lý tưởng cho môi trường trong nhà và các khu vực hạn chế Cấu trúc của robot có khả năng chịu nhiệt ở mức vừa phải, phù hợp cho các tình huống cháy mô phỏng.
Robot sẽ sử dụng cảm biến nhiệt, cảm biến lửa và cảm biến khoảng cách để phát hiện đám cháy và tránh va chạm Hệ thống điều khiển được lập trình để xử lý thông tin từ các cảm biến, giúp robot tự động điều hướng một cách hiệu quả.
Dự án sẽ tiến hành thử nghiệm robot trong các môi trường giả lập với điều kiện cháy được kiểm soát, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả Việc này không bao gồm thử nghiệm trong các tình huống nguy hiểm hoặc các đám cháy lớn ngoài thực tế.
Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện hạn chế về thời gian, tài chính và trang thiết bị, do đó các tính năng và công nghệ của robot sẽ được giới hạn ở mức cơ bản Mặc dù vậy, nghiên cứu vẫn đảm bảo tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của robot.
Phạm vi nghiên cứu nhằm đảm bảo rằng robot chữa cháy được phát triển trong dự án sẽ đạt được các mục tiêu cơ bản đã đề ra, từ đó đánh giá tính khả thi và tiềm năng phát triển của robot cho các dự án trong tương lai.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
Các phương pháp thiết kế này đảm bảo rằng robot chữa cháy đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, hoạt động hiệu quả và hoàn thành các mục tiêu dự án đã đề ra.
Phương pháp phân tích yêu cầu là bước quan trọng trong việc xác định các yêu cầu kỹ thuật và chức năng của robot Điều này bao gồm khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy và cơ chế dập lửa Từ những yêu cầu này, chúng ta có thể xây dựng các tiêu chí cần thiết để thiết kế và đánh giá hiệu quả của hệ thống robot.
Phương pháp thiết kế mô-đun cho robot bao gồm việc chia nhỏ thiết bị thành các mô-đun chức năng như hệ thống cơ khí, cảm biến, điều khiển và dập lửa Mỗi mô-đun được thiết kế độc lập, sau đó được tích hợp để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Phương pháp thiết kế 3D bằng phần mềm CAD, như SolidWorks và AutoCAD, cho phép tạo ra mô hình 3D của robot Việc này không chỉ tối ưu hóa cấu trúc mà còn cải thiện không gian bên trong robot, đảm bảo tính nhỏ gọn và linh hoạt trong quá trình di chuyển.
Để xây dựng một robot hiệu quả, việc lựa chọn linh kiện phù hợp cho hệ thống cơ khí và điện tử là rất quan trọng Các linh kiện cần thiết bao gồm cảm biến nhiệt, cảm biến lửa, động cơ và thiết bị dập lửa Quá trình lắp ráp từng bộ phận phải dựa trên bản thiết kế chi tiết, đảm bảo độ chính xác và an toàn trong hoạt động của robot.
Phương pháp lập trình và điều khiển robot sử dụng vi điều khiển như Arduino hoặc ESP32, tập trung vào việc điều khiển động cơ, xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh cơ chế dập lửa Quá trình lập trình được thực hiện theo phương pháp thử nghiệm và điều chỉnh để đảm bảo độ chính xác trong các chức năng điều khiển.
Phương pháp thử nghiệm và đánh giá robot bao gồm việc thực hiện các bài kiểm tra chức năng trong môi trường giả lập, tập trung vào khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy và dập lửa Qua đó, đánh giá hiệu quả và tính ổn định của robot sẽ giúp điều chỉnh và tối ưu hóa thiết kế khi cần thiết.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHỮA CHÁY
Nghiên cứu và phát minh Robot chữa cháy không chỉ nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian trong công tác chữa cháy, cứu nạn mà còn giảm thiểu nguy cơ cho lực lượng cứu hộ khi tiếp cận môi trường nguy hiểm và thực hiện nhiệm vụ rủi ro cao.
Hệ thống chữa cháy bằng Robot được thiết kế để thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng như phân tích và xác định vị trí đám cháy, tìm kiếm và cứu nạn, giám sát mối nguy hiểm, và đặc biệt là kiểm soát và dập tắt đám cháy Các hệ thống Robot chữa cháy cố định, bao gồm vòi phun nước và thiết bị báo cháy tự động, được triển khai tại những khu vực đông dân cư và có nguy cơ cao để nhanh chóng xử lý các tình huống cháy nổ Những hệ thống này thường có cấu trúc đơn giản, chủ yếu dựa vào cảm biến và được lắp đặt một cách cố định để đảm bảo hiệu quả trong việc bảo vệ an toàn.
Hệ thống chữa cháy di động bằng Robot là loại phương tiện điều khiển từ xa, được trang bị các công cụ chữa cháy như vòi phun nước và bọt Chúng có khả năng tiếp cận những khu vực nguy hiểm nhờ vào cảm biến, camera và công nghệ tiên tiến, giúp truyền thông tin để điều hướng từ xa Các chuyên gia đang thử nghiệm Robot trên không như máy bay không người lái để cải thiện khả năng ứng phó, trong khi Robot trong nhà có thể xử lý đám cháy ở khoảng cách gần.
Sau đây là một số Robot chữa cháy được ứng dụng trên thế giới:
Robot chữa cháy tự động trên tàu thủy được thiết kế với khả năng di chuyển qua các tầng không ổn định và sử dụng vòi nước cùng mở cửa để dập tắt đám cháy Với chiều cao 177cm, robot này tích hợp công nghệ hình ảnh nhiệt lập thể và cảm biến LIDAR để điều hướng hiệu quả trong không gian hẹp chứa nhiều chất cháy Mục tiêu là cho phép robot THOR hoạt động bán tự động với sự hỗ trợ của con người qua điều khiển từ xa Tuy nhiên, robot vẫn gặp một số hạn chế như tốc độ chậm và dễ bị hư hỏng bởi lửa và nước, những thách thức này đang được nghiên cứu để cải thiện khả năng dập tắt đám cháy nguy hiểm.
Hình 2.1 Robot THOR 2.Robot Thermite
Robot này được thiết kế giống như một chiếc xe tăng nhỏ, với khả năng bơm 1893 lít nước mỗi phút và điều khiển từ xa trong bán kính 400m Nặng khoảng 750kg, nó có thể hoạt động trong các tình huống nguy hiểm như cháy rừng Robot cũng có thể phun chất trung hòa đám cháy và được trang bị hệ thống làm mát ổn định bằng nước Mặc dù lưu lượng bơm chỉ bằng 1/3 so với xe chữa cháy, hiệu suất chữa cháy của nó vẫn tăng đáng kể Nhờ khả năng tiếp cận các khu vực nguy hiểm mà không gây nguy hiểm cho con người, robot này hứa hẹn sẽ là thiết bị tiềm năng trong công tác dập tắt cháy rừng trong tương lai.
Hình 2.2 Robot chữa cháy Thermit 3.Robot chữa cháy có hỗ trợ tuabin (TAF 20)
Robot này là một xe bánh xích sử dụng tuabin để phun nước thành màn sương lớn, giúp phủ rộng diện tích với lượng nước tiết kiệm Trong một số trường hợp, nước có thể được tập trung thành tia mạnh, phun tới 3.500 lít mỗi phút Người vận hành có thể điều khiển từ xa đến 500m, nhưng robot này vẫn bị giới hạn như các robot chữa cháy khác do cần kết nối với vòi nước.
Hình 2.3 Robot chữa cháy TAF 20
Robot Fire Ox là một trong những robot tự chở đầu tiên có khả năng mang theo két nước Thiết bị này được thiết kế để tiếp cận đám cháy đầu tiên, giúp ngăn chặn lửa, hỗ trợ tìm kiếm và cứu nạn, đồng thời có khả năng xử lý các vật liệu nguy hiểm.
Fire Ox là một thiết bị bán tự trị có khả năng điều khiển từ xa với khoảng cách lên đến 322km Với tính cơ động vượt trội, nó có thể hoạt động trong các tình huống nguy hiểm, giúp giảm thiểu thương vong và thời gian cứu hộ Fire Ox rất linh hoạt và có thể được sử dụng hiệu quả trong nhiều tình huống khẩn cấp, bao gồm cháy rừng và cháy công trình.
Hình 2.4 Robot chữa cháy Fire Ox.
Sự an toàn của lính chữa cháy và nạn nhân là ưu tiên hàng đầu, thúc đẩy sự phát triển của Robot chữa cháy Các chuyên gia và công ty công nghệ đang tích cực nghiên cứu và trao đổi để hiện thực hóa công nghệ tương lai Robot chữa cháy sẽ cách mạng hóa phương pháp chữa cháy truyền thống, nâng cao hiệu quả công tác và quan trọng nhất là giảm thiểu thiệt hại về người.
TÌM HIỂU VỀ ROBOT CHỮA CHÁY
Robot chữa cháy là thiết bị chuyên dụng nhằm phát hiện và dập tắt đám cháy, hỗ trợ lực lượng cứu hỏa và nâng cao an toàn trong các môi trường nguy hiểm.
Các robot chữa cháy được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường cháy nổ, nhằm giảm thiểu rủi ro và bảo vệ tài sản cũng như tính mạng con người Bài viết này cung cấp thông tin cơ bản về các loại robot chữa cháy, cấu trúc, tính năng chính và ứng dụng thực tế của chúng.
2.2.2 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của robot chữa cháy
Robot chữa cháy được phát triển để hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiệt độ cao và khói, với nhiệm vụ chính là phát hiện và dập tắt đám cháy Để thực hiện được chức năng này, robot chữa cháy được cấu tạo từ nhiều thành phần chuyên dụng và có cơ chế hoạt động riêng biệt.
Khung robot được thiết kế chắc chắn, thường sử dụng kim loại hoặc vật liệu chịu nhiệt cao, nhằm bảo vệ các linh kiện bên trong và đảm bảo robot di chuyển ổn định trong môi trường cháy.
Vỏ bảo vệ được trang bị lớp cách nhiệt, giúp bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi nhiệt độ cao và các điều kiện khắc nghiệt như khói và bụi.
Hệ thống cảm biến: Robot chữa cháy được trang bị nhiều cảm biến để đảm bảo khả năng phát hiện đám cháy và di chuyển an toàn:
Cảm biến nhiệt: Đo nhiệt độ để xác định nguồn nhiệt cao, nhận biết vị trí đám cháy.
Cảm biến lửa: Phát hiện ánh sáng hồng ngoại đặc trưng của ngọn lửa, cho phép robot nhận diện đám cháy một cách chính xác.
Cảm biến khí: Phát hiện các loại khí độc, như CO hoặc CO₂, để xác định đám cháy và giảm rủi ro cho các linh kiện.
Cảm biến khoảng cách: Sử dụng sóng siêu âm hoặc hồng ngoại để tránh va chạm với các vật thể trong quá trình di chuyển.
Vi điều khiển là trung tâm xử lý chính của robot, chịu trách nhiệm lập trình các lệnh và quyết định Nó thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và điều khiển các hành động của robot.
Phần mềm điều khiển robot đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu từ cảm biến, giúp ra lệnh cho robot di chuyển một cách chính xác Ngoài ra, phần mềm này còn kích hoạt hệ thống dập lửa khi cần thiết, đảm bảo an toàn trong các tình huống khẩn cấp.
Robot sử dụng động cơ bánh xe hoặc bánh xích để di chuyển linh hoạt trên các địa hình khó khăn Những động cơ này được lập trình tự động điều chỉnh hướng và tốc độ theo tín hiệu từ cảm biến.
Robot chữa cháy có thể được trang bị bánh xe hoặc bánh xích, cho phép chúng di chuyển linh hoạt trên bề mặt phẳng và vượt qua các chướng ngại vật trong môi trường phức tạp.
Robot chữa cháy có thể sử dụng nhiều phương pháp dập lửa khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu và môi trường làm việc:
Bơm phun nước là thiết bị mini kết hợp với bình chứa nước, được thiết kế để phun nước hiệu quả vào đám cháy Thiết bị này rất phù hợp cho việc xử lý các đám cháy trong không gian nhỏ hoặc khi cháy xảy ra ở các vật liệu thông thường.
Bọt chữa cháy: Sử dụng bình chứa bọt hoặc hóa chất để phun vào đám cháy, đặc biệt hiệu quả với cháy hóa chất hoặc cháy dầu.
Khí CO₂ và bột chữa cháy là những lựa chọn hiệu quả để dập lửa trong các khu vực nhạy cảm, vì chúng không để lại cặn và không gây hư hại cho thiết bị xung quanh.
TÌM HIỂU VỀ CÁC CÔNG NGHỆ
ESP32 là vi điều khiển 32-bit lõi kép Xtensa LX6, nổi bật với tốc độ xử lý cao và khả năng quản lý kết nối mạng hiệu quả Với tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, ESP32 cho phép thiết bị giao tiếp không dây một cách thuận tiện, đáp ứng tốt nhu cầu của các ứng dụng IoT Hơn nữa, ESP32 còn sở hữu nhiều tính năng ưu việt so với các vi điều khiển khác trong cùng phân khúc, bao gồm hỗ trợ đa dạng giao thức truyền thông và tính năng bảo mật nâng cao.
Hình 2.5 Hình Mạch vi điều khiển ESP32 Tích hợp Wi-Fi và Bluetooth
ESP32 tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth 4.2 (LE và Classic Bluetooth), giúp kết nối dễ dàng với các mạng không dây và thiết bị ngoại vi khác:
Wi-Fi 2.4GHz cho phép ESP32 kết nối với Internet hoặc tạo điểm phát Wi-Fi riêng, giúp dễ dàng trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác qua mạng.
Bluetooth Dual Mode cho phép ESP32 giao tiếp linh hoạt với nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm cả cảm biến Bluetooth Low Energy (BLE) và các thiết bị Bluetooth thông thường.
Khả năng xử lý mạnh mẽ
ESP32 được trang bị vi xử lý lõi kép Xtensa LX6 với tốc độ tối đa 240 MHz, cho phép xử lý các tác vụ phức tạp và thực hiện nhiều công việc đồng thời Bộ nhớ của ESP32 rất đa dạng và phong phú.
RAM: 520 KB SRAM nội, đáp ứng tốt các tác vụ yêu cầu tốc độ và dung lượng bộ nhớ trung bình.
Flash: Tích hợp sẵn bộ nhớ Flash, hỗ trợ bộ nhớ ngoài qua giao diện SPI.
Hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp
ESP32 có nhiều giao thức giao tiếp, giúp nó kết nối và trao đổi dữ liệu với nhiều loại cảm biến và thiết bị ngoại vi:
UART: Hỗ trợ giao tiếp nối tiếp, phù hợp để kết nối với các module hoặc vi điều khiển khác.
SPI và I²C là hai giao thức truyền thông tốc độ cao, thường được sử dụng để kết nối với các cảm biến và module, bao gồm màn hình OLED, cảm biến nhiệt độ, và cảm biến khoảng cách.
PWM: Hỗ trợ điều khiển động cơ, đèn LED hoặc các thiết bị khác với tín hiệu xung rộng.
ADC và DAC là hai công nghệ quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu, với ADC (Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số) giúp đọc dữ liệu từ các cảm biến analog như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, trong khi DAC (Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự) thực hiện chức năng ngược lại Những công nghệ này đáp ứng hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu xử lý tín hiệu tương tự.
Khả năng tiết kiệm năng lượng
ESP32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng tối ưu, phù hợp cho các ứng dụng IoT đòi hỏi tiêu thụ năng lượng thấp:
Giấc ngủ sâu và giấc ngủ nhẹ giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ khi thiết bị không hoạt động, từ đó tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng cần thời gian hoạt động lâu dài.
Bộ xử lý Ultra Low Power (ULP) cho phép ESP32 thực hiện các tác vụ đơn giản mà không cần kích hoạt CPU chính, giúp giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ điện năng.
ESP32 có các tính năng bảo mật nâng cao để bảo vệ dữ liệu và thiết bị:
AES, SHA và RSA: ESP32 hỗ trợ mã hóa AES, SHA và RSA, giúp tăng cường bảo mật cho dữ liệu trong quá trình truyền tải.
Secure Boot và Flash Encryption đảm bảo rằng chỉ firmware hợp lệ có thể khởi động, đồng thời dữ liệu trong bộ nhớ Flash luôn được mã hóa, từ đó nâng cao tính bảo mật cho thiết bị ESP32 được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống robot chữa cháy, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng hoạt động của các thiết bị cứu hỏa.
ESP32 là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống robot chữa cháy nhờ vào các tính năng mạnh mẽ, khả năng kết nối linh hoạt và hiệu suất xử lý cao.
ESP32 có khả năng thu thập và xử lý nhanh dữ liệu từ các cảm biến nhiệt, cảm biến lửa và cảm biến khí, giúp robot phát hiện đám cháy kịp thời Đồng thời, với công nghệ PWM và các giao thức giao tiếp, ESP32 cho phép điều khiển hiệu quả động cơ và hệ thống dập lửa của robot.
Giao tiếp không dây qua Wi-Fi và Bluetooth giúp robot truyền tải cảnh báo và thông tin tình trạng đám cháy đến các thiết bị điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả giám sát từ xa.
ESP32 có khả năng tiết kiệm năng lượng bằng cách chuyển sang chế độ tiết kiệm khi không hoạt động, rất phù hợp cho các ứng dụng cần duy trì hoạt động lâu dài mà không tiêu tốn nhiều năng lượng.
Tích hợp nhiều tính năng trong một vi điều khiển: ESP32 tích hợp Wi-Fi, Bluetooth, và nhiều giao thức giao tiếp, giảm thiểu linh kiện và chi phí.
Hiệu năng cao: Vi xử lý lõi kép với tốc độ cao giúp ESP32 xử lý nhanh các tác vụ phức tạp.
Giá thành hợp lý: ESP32 có chi phí tương đối thấp so với các vi điều khiển có cùng tính năng.
Mặc dù ESP32 có tốc độ xử lý nhanh, nhưng dung lượng RAM của nó vẫn hạn chế, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu bộ nhớ lớn.
ESP32 có khả năng chống nhiễu chưa cao, dẫn đến việc nó có thể bị ảnh hưởng trong môi trường điện từ mạnh Điều này có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị khi làm việc trong các điều kiện phức tạp.
NỘI DUNG THỰC HIỆN
ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH DRONE
Máy bay không người lái Drone hiện nay có 4 phân loại cơ bản:
+ Multirotor Drone: Drone có nhiều động cơ cánh quạt (Tricopter (3 rotors), Quadcopter (4 rotors), Hexacopter (6 rotors) ,Octocopter (8 rotors)).
+ Fixed Wing Drone: Drone có cánh bằng.
+ Single Rotor Helicopter: Drone dạng trực thăng
+ Hybird Drone: là Drone lai giữa Drone cánh quạt và Drone cánh bằng.
Bảng ưu nhược điểm từng loại drone:
Loại Drone Ưu Điểm Nhược Điểm
- Dễ tiếp cận, sử dụng
- Hoạt động trong khu vực chật hẹp, hạn chế.
- Thời gian hoạt động ngắn do phải hoạt động nhiều động cơ.
- Thời gian hoạt động lâu
- Vùng hoạt động rộng lớn
- Giá thành cao, nhiều rủi ro
- Vận hành phức tạp, phụ thuộc điều kiện thời tiết
- Cần Bãi đáp/ cất cánh
- Thời gian hoạt động lâu
- Độ an toàn, ổn định thấp
- Vận hành, bảo trì phức tạp, cần đạo tạo mới có thể sử dụng
- Cất / hạ cánh thẳng đứng
Nhóm em xin đề xuất mô hình drone theo cấu trúc QUADROCOPTER như sau:
NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC QUADROCOPTER
3.2.1 Lý thuyết điều khiển Quadrocopter
Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi cặp cánh bên phải và bên trái quay thuận chiều kim đồng hồ để cân bằng moment xoắn Tất cả bốn cánh quạt cần tạo ra lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh Góc xoay được điều khiển bằng cách điều chỉnh tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái, đảm bảo tổng lực đẩy vẫn không đổi.
Góc nghiêng (pitch) của Quadrocopter được điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ của hai cánh phía trước và phía sau, trong khi tổng lực đẩy vẫn giữ nguyên Đồng thời, góc lệch (yaw) được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh tốc độ của cặp cánh bên phải và bên trái so với tốc độ của cặp cánh phía trước và phía sau, đảm bảo rằng tổng lực đẩy từ bốn cánh vẫn không thay đổi, giúp Quadrocopter duy trì độ cao ổn định.
Hình 3.2.1 Nguyên lý điều khiển Quadrocopter
3.2.2 Nghiên Cứu lý thuyết chuyển động của Quadrocopter và xây dựng mô hình động lực học máy bay
Mô hình Quadrocopter hoạt động dựa trên sự chuyển động của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra, khiến vật thể bay lên cao Bằng cách điều chỉnh vận tốc của từng động cơ, hướng bay của Quadrocopter có thể được thay đổi linh hoạt.
Hình 3.2.2 Hình Nguyên Lý điều khiển Quadrocopter. Để mô tả các chuyển động của một khung cứng 6 bậc tự do cần 2 hệ quy chiếu:
● Hệ quy chiếu quán tính trái đất
● Hệ quy chiếu khung Quadrocopter
Sự định hướng Quadrocopter được biểu thị bởi 3 góc Euler qua ma trận xoay R (1)
(1) Lực sinh ra của các rotor:
Khi đó lực nâng cho cả khung máy bay là (2):
Phương trình mô tả gia tốc Quadrocopter(3):
Phương trình quan hệ giữa ma trận quán tính ,momen quay
M và momen quay hồi chuyển (4):
Momen quay hồi chuyển phụ thuộc vào vận tốc xoay và các đơn vị momen quay của các chuyển động như roll, pitch và yaw Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và ổn định của phương tiện trong không gian.
Và vận tốc góc i máy bay sẽ được tính(5):
Kết hợp (3)(4)(5) ta có phương trình (6):
3.2.3 Mô hình tính toán khí động học:
Tính toán khí động học mô tả tác động của cánh quạt khi quay trong không khí Các thông số quan trọng bao gồm lực đẩy TMT (N) của cánh quạt hướng lên, diện tích quạt S (m2) và mật độ không khí ρS (kg/m3) Dựa vào các thông số này, ta có thể xác định phương trình lực đẩy.
NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO QUADROCOPTER
Nhóm em đã thực hiện một so sánh giữa động cơ không chổi than và chổi than, trong đó chọn động cơ không chổi than cho Quadrocopter phục vụ quán coffee Động cơ không chổi than, hay còn gọi là động cơ DC (Brushless DC motor), là loại động cơ điện được điều khiển bằng điện tử, sử dụng nam châm điện để di chuyển rotor quanh stator Loại động cơ này sử dụng bộ điều khiển để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học một cách hiệu quả.
Động cơ BLDC (động cơ một chiều không chổi than) là loại động cơ đồng bộ, trong đó tốc độ của rotor tương đương với tốc độ từ trường Loại động cơ này được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp tự động, máy in, ô tô, thiết bị tiêu dùng, y tế và các thiết bị đo đạc.
Động cơ BLDC, tương tự như các động cơ đồng bộ thông thường, có các cuộn dây được bố trí lệch nhau 120 độ trong stator Rotor được gắn các nam châm cố định để tạo ra từ trường kích thích cho động cơ Điểm khác biệt nổi bật của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là yêu cầu sử dụng cảm biến vị trí rotor để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Stator bao gồm lõi sắt được cấu thành từ những lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện và dây quấn Cách quấn dây của động cơ BLDC khác biệt so với động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, điều này tạo ra sức phản điện động có dạng hình thang.
Rotor: Về cơ bản, rotor không khác so với những động cơ nam châm vĩnh cửu khác.
Cảm biến Hall là thiết bị quan trọng trong động cơ không chổi than (BLDC) để xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator Với đặc thù sức phản điện động hình thang, cấu hình điều khiển thông thường của động cơ BLDC cần sử dụng cảm biến Hall, được gắn trên stator thay vì rotor.
Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC dựa trên sự tương tác giữa từ trường do stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu trên rotor Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato, nó tạo ra cực từ hút các nam châm vĩnh cửu gần nhất với cực từ trái dấu Rotor sẽ tiếp tục quay khi dòng điện chuyển sang cuộn dây liền kề Việc cấp điện tuần tự cho từng cuộn dây sẽ khiến rotor quay theo hướng của từ trường quay.
Để tăng cường lực tương tác, cả hai cuộn dây sẽ được cấp điện đồng thời, với thứ tự chuyển tiếp được điều khiển bởi mạch điều khiển motor brushless Cần tính toán lực cản tĩnh dựa trên khối lượng chuyên chở và trạng thái đường đi, đồng thời xác định mô men động cơ cần thiết để vượt qua lực cản Công suất của động cơ khi có tải cũng cần được tính toán, và công suất tối ưu nên được chọn dựa trên các thông số lớn nhất theo yêu cầu Trong quá trình hoạt động, Drone phải chịu tác động từ nhiều lực bên ngoài, vì vậy để đảm bảo hiệu suất vận chuyển, nên chọn công suất lớn hơn so với tính toán ban đầu.
Để tính toán dòng điện cần thiết cho động cơ, trước tiên cần chọn thông số điện áp Nhóm em quyết định lựa chọn động cơ 1106 4200KV, được thiết kế cho drone có kích thước từ 85-120mm, mang lại sức mạnh và hiệu suất cao Động cơ này sử dụng nam châm vĩnh cửu, giúp giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện tương đối cao.
Tỷ lệ momen quán tính lớn (khả năng tăng gia tốc rất nhanh chóng).
Vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao.
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong một khoảng thời gian ngắn.
Hiệu quả của những động cơ thường chỉ đạt 70~75% trong khi hiệu suất của động cơ không chổi than có thể lên tới 90%.
Động cơ không chổi than có khả năng kiểm soát tốc độ tốt hơn, thích hợp cho những ứng dụng tốc độ cao (trên 10.000r/min).
Động cơ không chổi than sẽ giúp người dùng tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế bàn chải và vành trượt.
Luận văn lần này nhóm tác giá động cơ 1106 4200KV với:
Trọng lượng: 7.8g, với cánh quạt gấp 2.7 inch là 9.7g
Chiều dài trục đầu ra: 5MM
Khoảng cách lỗ cố định cánh quạt: 8.5MM, (M2) Khoảng cách lỗ lắp: 9 * 9mm, (M2) Chiều dài cáp động cơ: khoảng 8CM
Vòng bi: NSKN52 Nam châm
Sử dụng Cánh quạt: 2-5inch
Nhóm em sử dụng module HC-12 để thiết lập kết nối Serial giữa hai thiết bị qua sóng Bluetooth Một điểm nổi bật của module HC-12 là khả năng hoạt động ở hai chế độ: MASTER và SLAVE.
Mô-đun thu phát HC-12 có thiết kế nhỏ gọn với chân tín hiệu giao tiếp cơ bản và nút bấm để chuyển sang chế độ AT COMMAND Mạch được thiết kế để hoạt động với nguồn 3.3 VDC hoặc 5 VDC, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau như điều khiển thiết bị và robot RF.
Hình 3.3.3 Module Bluetooth thu phát HC-12
Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5 VDC.
Mức điện áp chân giao tiếp: TTL tương thích 3.3 VDC và 5 VDC.
Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA.
Baudrate UART có thể chọn được: 1200 – 115200.
Cấu hình hỗ trợ: Cổng nối tiếp Bluetooth (chính và phụ).
Giao thức Bluetooth: Thông số kỹ thuật Bluetooth v2.0 + EDR.
Tốc độ: Không đồng bộ: 2,1 Mbps (tối đa)/160 kbps.
PCB (Bảng mạch in) là một giải pháp hiệu quả cho việc kết nối các linh kiện điện tử mà không cần dây dẫn, giúp giảm độ phức tạp và nâng cao độ tin cậy so với các phương pháp truyền thống Với thiết kế nhiều lớp và không dẫn điện, PCB cho phép tích hợp nhiều linh kiện trên một bảng mạch duy nhất, điều này rất quan trọng để sản xuất các thiết bị điện tử hiện đại như TV, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và các bộ phận máy tính như card đồ họa và bo mạch chủ Hơn nữa, PCB có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của người dùng, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế và ứng dụng.
Nó cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Thiết bị y tế, máy móc công nghiệp, ngành công nghiệp ô tô, chiếu sáng…
- Có một số loại PCB được sử dụng để làm mạch Trong số các loại PCB này, tùy theo ứng dụng mà chọn loại PCB phù hợp.
● PCB đáy nhôm (aluminium backed PCB)
● PCB dẻo - cứng (flex-rigid PCB).
Rào đực đơn 40 chân thẳng có thể được cắt bằng kìm hoặc dao để đạt kích thước mong muốn Khoảng cách giữa các chân theo tiêu chuẩn là 0.1 inch (tương đương 2.54mm) Sản phẩm này có thể được sử dụng để kết nối với dây cắm TestBoard hoặc hàng rào cái.
Hình dạng lỗ cắm: Hình vuông.
Khoảng cách mỗi chân: 2.54mm (0.1 in).
Độ sâu của lỗ cắm: 11.5 mm.
Rào cái đơn chân thẳng dài (Female Pin Header) là một thành phần quan trọng trong thiết kế ghép tầng board mạch, giúp kết nối giữa hai board mạch với nhau một cách hiệu quả.
Loại: Rào cái (Female Pin header), chân dài.
Độ cao của phần nhựa đen: 8.5mm
Độ cao của chân kết nối: 11mm
Domino 2 Nối nguồn 2 chân -Terminal 2 KF128-2P được dùng để: kết cuối, nối các dây vào trong mạch Cố định dây bằng ốc vặn Có thể ghép nhiều cái với nhau Dùng làm cọc nguồn, trong các mạch điện tử.
Khoảng cách 2 chân là 5 mm, có ốc vặn.
Trở kháng tiếp xúc: 20 milliohm.
Tụ hóa sử dụng trong các mạch điện tử, ứng dụng lọc nguồn, san phẳng điện áp,…
3.3.8 Điện trở. Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác.
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH
Hình 3.4.1 Sơ đồ khối mô Hình
Nguồn cung cấp cho các khối:
Khối giao tiếp có nhiệm vụ thu phát tín hiệu WiFi ESP8266 qua máy tính, điện thoại.
3.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển
Hình 3.4.2 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển đã kết nối
Hình 3.4.3 Sử dụng phần mềm Altium để thiết kế sơ đồ bố trí mạch.
Hình 3.4.5 Bảng mạch thực tế.
Hình 3.4.6 Điều khiển bluetooth thông qua Serial.
LẮP RÁP VÀ KIỂM THỬ SẢN PHẨM
Nhóm em đã láp ráp theo đúng phương án tính toán độ ổn định đủ sử dụng để thành máy bay không người lái.
Hình 3.5.1 Drone sau khi lắp ráp
CÀI ĐẶT VÀ TRIỂN KHAI
MÔ HÌNH SAU KHI KẾT NỐI CÁC THIẾT BỊ
Hình 4.2.1 Drone sau khi kết nối dây tín hiệu
GIAO DIỆN WINFORM
Hình 4.4.1 Giao diện điều khiển winform