Proceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX

Proceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX

334 Trần Ngọc Bình, Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng VCM2012 Giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX thông qua ảnh bề mặt làm sạch A solution to control a NIX-sprayed manipulator via the image of cleaned surface Trần Ngọc Bình 1 , Vũ Quốc Huy 2 , Nguyễn Quang Hùng Viện Tự động hóa KTQS e-Mail: 1 binhtn1969@yahoo.com.vn, 2 maihuyvu@gmail.com Tóm tắt Bài báo trình bày giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX làm sạch bề mặt thông qua xử lý hình ảnh chụp từ camera, qua đó tự động xác định diện tích vùng cần làm sạch và xây dựng bộ tham số quỹ đạo vòi phun để điều khiển một tay máy chuyên dụng thay thế người công nhân trong việc tính toán quỹ đạo vòi phun nhằm tăng năng suất làm sạch. Abstract: This paper presents a solution to control a specialized manipulator by processing the picture of surface captured from a camera. Thanks to the camera area of cleaned surface and parameters of spray hose orbit are determined. These parameters are applied to control the manipulator on behalf of workers in computing the hose orbit to increase clean productivity. Ký hiệu Ký h i ệu Đơn v ị Ý ngh ĩa  Radian Góc gi ữa trục quang camera v à đư ờng vuông góc từ camera đến bề mặt cần làm sạch h m Kho ảng cách từ camera đến bề mặt làm sạch ∆x m Đ ộ dịch chuyển của v òi phun theo trục x ∆y m Đ ộ dịch chuuyển của v òi phun theo trục y Chữ viết tắt 2D Two dimension 1. Phần mở đầu Tay máy phun hạt NIX thực hiện thao tác của người công nhân trong quá trình phun hạt làm sạch lên bề mặt cần làm sạch trước khi sơn trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa tàu thủy. Đây là hệ tay máy tự động 5 bậc tự do được lắp đặt trong một cabin kín của hệ thống máy tự động làm sạch bề mặt (sử dụng công nghệ hạt NIX) và sơn thành vỏ tàu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường (hình vẽ H.1). Máy tự động làm sạch bề mặt [1] bao gồm một xe nâng làm nhiệm vụ nâng cabin 5 mặt kín áp sát vào bề mặt cần làm sạch. Mặt hở của cabin bao lấy bề mặt cần làm sạch. Cabin kín có hệ thống lọc bụi, chứa tay máy và được gắn một camera quan sát. Một vòi phun áp lực cao được gắn vào điểm cuối của tay máy. Xe nâng đưa cabin di chuyển áp vào thành tàu tạo ra một buồng phun kín. Quá trình làm sạch được thực hiện bằng cách điều khiển vòi phun đến các tọa độ cần làm sạch. Với diện tích làm sạch có hình dạng ngẫu nhiên, việc lập bảng tham số điều khiển tay máy thủ công mất rất nhiều thời gian vì vậy nhiệm vụ của camera là xác định được vị trí của vùng làm sạch, từ đó xác định quỹ đạo vòi phun để điều khiển tay máy thực hiện công việc trên nhằm tăng năng suất làm sạch cho hệ thống. H. 1 Máy tự động làm sạch bề mặt và sơn thành vỏ tàu 2. Xác định vị trí vùng làm sạch và quỹ đạo vòi phun 2.1 Xác định vị trí vùng làm sạch Việc xác định diện tích và đường biên cần làm sạch được thực hiện bằng phương pháp nhận dạng Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 335 Mã bài: 71 ảnh thông qua các phép xử lý ảnh cơ bản như tách biên, phân đoạn, đo đếm trên mặt phẳng 2D. Để xác định đường biên của mảng gỉ sét trên hình ảnh ta có thể thực hiện bằng nhiều thuật toán xử lý ảnh. Theo hình vẽ H.2 ta nhận thấy camera được gắn cố định ở góc của cabin kín nên khi cabin áp sát vào bề mặt cần làm sạch thì khoảng cách từ camera đến bề mặt là h xác định và không đổi. Góc nghiêng giữa trục quang camera với phương thẳng đứng là . Như ta đã biết khi camera đặt cách mặt phẳng đo một khoảng cách cố định và có tiêu cự cố định thì có thể chuyển đổi từ hình 2D thành hệ tọa độ 2D. Giá trị tọa độ tính toán được chính bằng tọa độ các điểm phía trong đường bao của vùng làm sạch và được tính bằng tọa độ các điểm ảnh trong khung hình mà camera chụp được. H. 2 Mô hình camera và tay máy trong cabin kín Do đặc tính hình ảnh của camera nên diện tích thực tế trên mặt phẳng đo tương ứng với mỗi điểm trên khung hình camera là khác nhau. Yêu cầu đặt ra là cần xây dựng công thức tính tọa độ thực dựa trên tọa độ điểm ảnh trên khung hình. Các tính toán ở đây được giả thiết coi tiêu cự f của camera nhỏ hơn nhiều lần khoảng cách h giữa camera và bề mặt cần làm sạch; bỏ qua các tham số quang sai, méo hình xuyên tâm. H. 3 Biểu diễn camera trong hệ tọa độ Giản đồ để tính tọa độ điểm ảnh được thể hiện trên hình vẽ H.3. Trong đó:  Điểm C là vị trí camera.  Đoạn CH là khoảng cách giữa camera và bề mặt cần làm sạch (h).  Đoạn CO là tiêu cự của camera đến mặt phẳng vuông góc với trục quang camera và cách một khoảng f chính là mặt phẳng của ảnh nhận được.  Mặt phẳng xOy là mặt phẳng ảnh do camera chụp.  Mặt phẳng x’O’ y’ là mặt phẳng bề mặt cần làm sạch.  Góc  là góc giữa trục quang camera và đường vuông góc từ camera đến bề mặt cần làm sạch, nó cũng chính là góc giữa mặt phẳng ảnh và mặt phẳng cần làm sạch. Để xác định một điểm A’( x a’ ,y a’ ) trên bề mặt cần làm sạch khi ta có điểm A(x a ,y a ) trên hình do camera chụp được thì ta phải thông qua số điểm ảnh của hình thu được tương ứng với vị trí thực tế khi ta chuyển hệ tọa độ từ tâm ảnh sang tâm trục quang của camera với mặt phẳng đó và khoảng cách h giữa camera và bề mặt cần làm sạch. Xét tam giác CHO’ ta có: ' ( ) ( ) HO CHtg htg a a   (1) Gọi góc hợp bởi CO và CY A là b thì: ( ) a A y OY arctg arctg f CO b   (2) 2 2 A a CY f y   (3) Xét tam giác CHY A’ ta có: ' ( ) ( ) A HY CHtg htg a b a b     (4) ' cos( ) cos( ) A CY CH h a b a b     (5) Từ đó ta có: ' ' ' ' ' ( ( ) ( )) A A a OY HY HO h tg tg y a b a      (6) ' ' ' A A A A AY CY AY CY  ' ' ' A A A a A AY CY AY x CY   (7) ' 2 2 .cos( ) a a a x f y x h a b    (8) Vậy tọa độ của điểm A’: ' ( ( ) ( )) a y h tg tg a b a    (9) ' 2 2 cos( ( )) a a a a x f y x y h arctg f a    (10) Đường biên của vùng làm sạch là tập hợp của các điểm A’. Căn cứ vào cách xác định tọa độ như trên ta hoàn toàn xác định được đường biên và diện tích của vùng làm sạch. 2.2 Xây dựng quỹ đạo vòi phun Trên hình vẽ H.4 là mô tả lược đồ quỹ đạo của vòi phun. Tay máy có nhiệm vụ điều khiển vị trí vòi phun tạo với tiếp tuyến của mặt phẳng làm sạch 336 Trần Ngọc Bình, Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng VCM2012 một góc θ = 45 0 . Vùng làm sạch S được giới hạn trong một quỹ đạo khép kín chính là đường biên được tách ra từ ảnh chụp của camera. Thực tế vùng cần làm sạch không phẳng. Tuy nhiên ta có thể chia nhỏ thành từng vùng phẳng. Để vòi phun làm sạch được hết diện tích S thì lần lượt phải đưa vòi quét hết mặt phẳng S với lượng dịch chuyển ∆y [1]. Tốc độ dịch chuyển của vòi phun ∆x là một thông số quyết định đến năng suất làm sạch và được đặt theo quy trình công nghệ. H. 4 Mô tả quỹ đạo của vòi phun trên vùng làm sạch Khi độ dịch chuyển ∆y đủ nhỏ thì việc chồng kín giữa hai lần phun hạt làm sạch và đảm bảo độ sạch bề mặt đồng đều và đường biên của vùng làm sạch thực tế sẽ gần với đường biên tách ra từ ảnh chụp của camera do việc quay đầu vòi phun theo góc nằm trong vùng làm sạch để mép của vùng làm sạch sẽ đủ mịn (không hình thành các vết có hình dạng răng cưa). 3. Xây dựng thuật toán điều khiển Để thực hiện được quá trình điều khiển vòi phun thông qua ảnh chụp từ camera cần thực hiện tách biên vùng làm sạch, tính toán độ dịch chuyển (quãng đường dịch chuyển) ngang của đầu vòi phun để xác định điểm bắt đầu và điểm kết thúc của một lần chạy máy. Tọa độ của điểm bắt đầu và quãng đường dịch chuyển của vòi được nạp vào bộ nhớ trong bộ điều khiển dưới dạng bảng dữ liệu tĩnh. Dựa vào các tính toán động lực học ngược cho tay máy [2], bộ điều khiển sẽ ra lệnh điều khiển đưa vòi phun quét lần lượt vùng làm sạch theo quỹ đạo dích-dắc như phân tích ở trên. 3.1 Xác định tọa độ điểm bắt đầu và quãng đường dịch chuyển của vòi phun Việc tách biên ảnh chụp từ camera cho ta biên dạng vùng làm sạch phẳng S. Coi Oxy là hệ tọa độ gắn với cabin có chứa tay máy và chiếu vùng làm sạch S lên mặt phẳng tọa độ đó. Hình ảnh vùng làm sạch sau khi tách biên và chiếu lên mặt phẳng Oxy như hình vẽ H.5. H. 5 Hình chiếu làm sạch S lên tọa độ gốc của tay máy và camera Như vậy điểm bắt đầu của vòi phun sẽ là điểm có tung độ gần gốc tọa độ nhất (điểm A). Tọa độ điểm A được xác định theo (9) và (10). Điểm tiếp theo vòi phun cần đến là B. Vòi phun di chuyển sang trái đến điểm B. Hoành độ của điểm B được xác định theo (10), còn tung độ bằng tung độ của điểm A. Quãng đường dịch chuyển từ A sang B là: B A AB x x   (11) Sau khi phun đến điểm B vòi phun dịch chuyển theo trục tung lượng dịch chuyển ∆y và di chuyển sang phải đến điểm C. Hoành độ điểm C được xác định theo (11), tung độ điểm C bằng tung độ điểm B cộng thêm lượng dịch chuyển ∆y. Quãng đường dịch chuyển từ B sang C được tính tương tự như quãng đường dịch chuyển từ A sang B. Quá trình tính toán tiếp tục cho đến điểm kết thúc Z. 3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán Thuật toán điều khiển vị trí vòi phun đã được phân tích ở mục 3.1 và được thể hiện trên hình vẽ H.6. Các bước thực hiện quá trình điều khiển vòi phun từ vị trí bắt đầu (điểm A) đến vị trí cuối cùng (điểm Z) có thể được tóm gọn như sau:  Bước 1: Chụp vùng làm sạch;  Bước 2: Xử lý ảnh vùng làm sạch để lấy đường biên;  Bước 3: Xác định vị trí bắt đầu của vòi phun;  Bước 4: Xác định các quãng đường dịch chuyển của vòi phun;  Bước 5: Nạp dữ liệu dưới dạng bảng tĩnh cho bộ điều khiển (bảng tĩnh có 40 hàng) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 337 Mã bài: 71 H. 6 Bảng dữ liệu và lưu đồ thuật toán 4. Kết quả thử nghiệm Kết quả được thử nghiệm với điều kiện thay đổi lượng dịch chuyển ∆y khác nhau. Kết quả này cũng được so sánh với kết quả của một công nhân thực hiện công việc làm sạch trên cùng một diện tích (hình vẽ H.7). Các chỉ tiêu so sánh bao gồm: chất lượng sạch và năng suất làm sạch. H. 7 Hình ảnh minh họa kiểm tra kết quả làm sạch Với hệ thống mô tả trên nếu điều khiển tay máy với thông số xác định qua tính toán bằng tay năng suất làm sạch chỉ đạt 6,5m 2 /h nhưng nhờ có camera năng suất làm sạch tăng lên gấp đôi (13m 2 /h) và cao hơn so với một người công nhân phun bằng tay (12m 2 /h) [3] trong khi chất lượng làm sạch tương đương Sa2.5 [4]. Ngoài ra với việc sử dụng camera thay cho mắt người nhìn đã khắc phục được tình trạng bụi trực tiếp chui vào bên trong người công nhân (mặc dù đã có bảo hộ lao động). 5. Kết luận Bài báo trình bày giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX nhờ hình ảnh nhận được từ camera gắn cố định trong cabin. Giải pháp giúp cho việc tự động điều khiển quá trình làm sạch nhằm tăng năng suất làm sạch, loại bỏ sự xâm nhập của hạt bụi lẫn vào trong người công nhân. Thuật toán điều khiển trên đã được cài đặt cho bộ điều khiển PLC điều khiển tay máy 5 bậc tự do làm sạch và sơn thành vỏ tàu tại nhà máy đóng tàu Phà Rừng. Tài liệu tham khảo [1] Báo cáo đề tài KC03.10/06-10, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tự động làm sạch bề mặt (Bằng công nghệ sử dụng hạt NIX) và sơn thành vỏ tàu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường”, Viện Tự động hóa KTQS, 2010. [2] Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”, Nhà xuất bản Khoa học – Kỹ thuật, 2006. [3] Phòng Khoa học-kỹ thuật, “Tiêu chuẩn năng suất làm việc trong một ca”, Nhà máy đóng tàu Phà Rừng, 2008. [4] Quy định về tiêu chuẩn sạch, Nhà máy đóng tàu Phà Rừng, 2008. Trần Ngọc Bình sinh năm 1969, tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội chuyên ngành Đo lường điều khiển tự động, học Thạc sỹ kỹ thuật tại Học viện KTQS năm 2005, nay đang làm NCS tại Viện KH-CN quân sự chuyên ngành “Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu”. ThS Trần Ngọc Bình công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP từ năm 1992, là nghiên cứu viên, trưởng phòng Giám sát và điều khiển từ xa. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống đo lường và điều khiển tự động, các hệ thống nhúng và hệ thống bắt bám. Nguyễn Quang Hùng sinh năm 1955, tốt nghiệp đại học kỹ thuật Budapest – Hungary năm 1981 ngành Đo lường – điều khiển, nhận bằng Tiến sỹ về ngành Đo lường – Điều khiển tại Hungary năm 1991, hiện là nghiên cứu viên cao cấp công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP, tham gia đào tạo NCS Tiến sỹ chuyên ngành “Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu” và chuyên ngành “Kỹ thuật điện tử” của Viện KH-CN quân sự - BQP. 338 Trần Ngọc Bình, Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng VCM2012 Vũ Quốc Huy sinh năm 1980, tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2003 chuyên ngành Tự động hóa, là nghiên cứu viên công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP từ năm 2003, hiện đang làm NCS tại Viện KH- CN quân sự-BQP chuyên ngành “Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu”. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống đo lường và điều khiển tự động, các hệ thống nhúng và hệ thống bắt bám. . Kết luận Bài báo trình bày giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX nhờ hình ảnh nhận được từ camera gắn cố định trong cabin. Giải pháp giúp cho việc tự động điều khiển quá trình làm sạch nhằm. Bình, Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng VCM2 012 Giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX thông qua ảnh bề mặt làm sạch A solution to control a NIX- sprayed manipulator via the image of. bày giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX làm sạch bề mặt thông qua xử lý hình ảnh chụp từ camera, qua đó tự động xác định diện tích vùng cần làm sạch và xây dựng bộ tham số quỹ đạo vòi phun