51
52
4.4.3. Điều khiển hệ thống PAL-TILT camera
53
4.4.4. Điều khiển nâng – hạ camera
Hình 4.7 : Giải thuật điều khiển cơ cấu hình bình hành nâng – hạ camera.
4.5. Phần thu th p tín hi u từ Video:
Tín hiệu đ ợc camera quan sát thu vềđ ợc hiển thị trực tiếp trên màn hình
54
4.6. S đ nguyên lý các m ch đi n
4.6.1. Mạch điều khiển Camera
Hình 4.8: Mạch điều khiển Camera.
Camera đ ợc gắn trên một cơ cấu cĩ 2 bậc tự do nên cĩ thể di chuyển linh hoạt tới mọi vị trí để quan sát dễ dàng hơn.
Hai bậc tự do là hai chuyển động quay do hai động cơ thực hiện đ ợc kết nối
vào chân M1, M2 và M3, M4 nh trong hình 4.9. Hai động cơ này đ ợc điều khiển bằng 2 rơle DC.
Khi cấp điện vào A2, rơle trạng thái m , dịng điện đi từ M1 qua động cơ về
M2, động cơ quay thuận.
Khi cấp điện vào A1, rơle đĩng, dịng điện từ M2qua động cơ về M1, động cơ quay nghịch.
55
4.6.2. Mạch điều khiển động cơ di chuyển
Hình 4.9: Mạch điều khiển động cơ.
Mạch này dùng để điểu khiển động cơ di chuyển, ta cĩ thể điều khiển robot di chuyển thẳng, qua trái, phải hoặcđi lùi.
- Khi A cĩ điện, rơle 3 đĩng nên hai động cơ quay cùng chiều,
- Khi B cĩ điện, rơle 3 đĩng, rơle 2 đĩng nên động cơ 1 quay chiều thuận và
động cơ 2 đảo chiều nghịch,
- Khi C cĩ điện, rơle 3 rơle 2 và rơle 1 đĩng nên động cơ 1 quay chiều nghịch và động cơ 2 quay chiều nghịch,
- Khi D cĩ điện, rơle 3và rơle 1đĩng nên động cơ 1 quay chiềunghịch và động cơ 2 quay chiều thuận.
56
4.6.3. Mạch điều khiển tốc độ động cơ
Hình 4.10: Mạch điều khiển tốc độ động cơ.
Khi ta điều chỉnh biến tr sẽ cấp tín hiệu analog vào chân GP1
Chân GP1 nhận tín hiệu cung cấp chovi điều khiển xử lý để xuất xung PWM chân GP2.
Xung PWM xuất ra làm đĩng ngắt opto PC817 làm đĩng ngắt IRF540, vì
vậy thay đổi tốc độ động cơ.
Điện áp hồi tiếp từ IRP540 (áp) đ a về so sánh với một giá trị điện áp cố định (cĩ thể chỉnh đ ợc) để xuất ra tín hiệu (out).
57
Chư ng 5 THỰC NGHIỆM
5.1. Mục đích thực nghiệm:
Mục đích chính c a thực nghiệm là để xác định đ ợc giới hạn làm việc c a
robot nh là mơi tr ng làm việc (m c n ớc so với lịng cống, tỉ lệ n ớc và bùn),
khả năng di chuyển v ợt ch ớng ngại vật, chất l ợng hình ảnh và kích th ớc đ ng ống mà robot quan sát hiệu quả nhất. Thơng qua đĩ làm rõ những u - nh ợc điểm tồn tại để khắc phục và hồn thiện robot.
Bảng 4: Đặc tính cơ khí c a robot giám sát đ ng ống n ớc thải
STT Đặc tính Mơ t 1 Cách di chuyển Bánh xe 2 Sốl ợng bánh xe 4 (bánh xe cao su) 3 Khối l ợng 35 kg 4 Kích th ớc (dài x rộng x cao) 510 x 252 x 300 mm 5 Khoảng di chuyển làm việc lớn nhất 30 m 6 Đ ng kính làm việc 350 ÷ 500 mm 7 Tốc độ robot 0 – 10 m/phút 8 Sốl ợng động cơ tạo chuyển động 2 9 Cơng suất động cơ 300 W
10 Khảnăng di chuyển c a robot Thẳng, lùi, quay phải và trái
11 CCD Camera
Quay trong bĩng tối 0,1 lux, cĩ thể chỉnh h ớng nhìn và chiều cao
camera
58
Hình 5.1: Mơ hình thực tế robot giám sát đường ống nước thải.
Sau khi chế tạo xong cả phần cơ khí (robot), phần điện – điều khiển (t điều khiển) và các cơ cấu nâng hạ, … robot giám sát đ ng ống n ớc thải (hình 5.1) cĩ đặc tính đ ợc trình bày trong bảng 4, ta tiến hành thực nghiệm nhằm kiểm tra lại các đặc tính, đánh giá kết quả giữa lý thuyết và thực tế để hồn thiện robot. Tùy theo từng đặc tính c a robot mà ta sử dụng các ph ơng pháp kiểm tra phù hợp
5.2. Thực nghiệm:
5.2.1. Về kích thước:
Robot cĩ chiều dài là 510mm, chiều ngang là 252mm và chiều cao tối thiểu
là 300mm. Ta cĩ thể thay đổi chiều cao c a robot tùy thuộc vào đ ng kính c a đ ng ống robot giám sát bằng cách nâng hạ cơ cấu hình bình hành để giúp camera quan sát rõ và ghi đ ợc hình ảnh nhiều gĩc độ trong lịng cống. Qua nhiều lần thử nghiệm với từng kích th ớc đ ng kính, ta điều chỉnh chiều cao c a robot để ghi đ ợc hình ảnh chất l ợng, kết quả đ ợc trình bày bảng 5.
Bảng 5: Chiều cao c a robot phù hợp với kích th ớc đ ng ống
STT Đ ng kính cống (mm) Chiều cao robot (mm)
1 350 300
2 400 330
3 450 360
59
5.2.2. Về cơng suất động cơ:
Nh ta đư tính tốn về tổng lực cản khi robot chuyển động ch ơng 2, do đĩ ta chọn cơng suất trên mỗi động cơ bộ phận di chuyển c a robot là 300W.
Với cơng suất này, robot cĩ thể di chuyển trên đoạn đ ng cĩ độ dốc 300nh
hình 5.1 Ta cĩ: 0 ms F P F (5.1) 0 404 cos30 ms N F F N (5.2)
Kết quả phân tích tính tốn cho ta thấy robot di chuyển dễ dàng trên đoạn đ ng cĩ độ dốc là 300 vì lực ma sát lúc này nhỏ hơn lực phát động c a hai động cơ. Tuy nhiên robot khơng thể di chuyển trong đ ng ống cĩ bùn cùng cĩ độ dốc nh trên vì lực ma sát tr ng hợp này ngồi ma sát giữa bánh xe và mặt đ ng cịn cĩ ma sát giữa bánh xe và bùn.
Hình 5.2: Robot di chuyểnvới độ dốc 300 .
5.2.3. Về tốc độ robot:
Nhiệm vụ chính c a robot là giám sát đ ng ống t c là camera làm nhiệm vụ quan sát và ghi hình ảnh bên trong đ ng ống trong quá trình robot di chuyển dọc theo cống, vì vậy robot phải di chuyển chậm với tốc độ trong khoảng 0 † 10 mét/phút. Tùy theo địa hình robot di chuyển (mơi tr ng cống hay cĩ ch ớng ngại vật), robot đ ợc điều chỉnh tốc độ phù hợp bằng các nút điều khiển từ t điều khiển.
60
Ng i nghiên c u tiến hành thí nghiệm nhiều lần nhiều mơi tr ng khác nhau tại đ ng ống cĩ đ ng kính 400 mm tại Open Lapvà đo vận tốc c a robot cĩ thể đạt đ ợc từng mơi tr ng khi cùng điều chỉnh tốc độ nh nhau.
F ms R R F (5.3) (a) (b) (c) (d) (e) (g)
Hình 5.3: Các mơi trường thựcnghiệm.
(a) –Mơi trường khơng nước; (b)- Mơi trường nước ít; (c) –Mơi trường nước nhiều; (d) –Mơi trường nước và cát; (e) –Mơi trường nước và bùn ít; (g) –Mơi trường nước và bùn nhiều.
- Đối với mơi tr ng n ớc (hình 5.3b và 5.3c) (µ = 10) robot cĩ thể chạy với vận tốc 1,5 m/s.
- Đối với mơi tr ng n ớc và cát (hình 5.3d) (µ = 15) robot cĩ thể chạy với vận tốc 1,2 m/s.
61
- Đối với mơi tr ng n ớc và bùn ít (hình 5.3e) (µ = 20) robot cĩ thể chạy với vận tốc 0,9 m/s.
- Đối với mơi tr ng n ớc và bùn nhiều (hình 5.3g) (µ = 30) robot cĩ thể chạy với vận tốc 0,7 m/s.
5.2.4. Về điều khiển robot:
Theo yêu cầu c a nhà ng dụng, robot đ ợc thiết kế mạch điều khiển để cĩ thể đi thẳng khi giám sát, đi chậm lại khi gặp những dấu hiệu khơng bình th ng hay lùi lại khi khơng v ợt qua đ ợc ch ớng ngại vật. Ngồi ra, robot đ ợc thiết kế để quay phải hay quay trái theo yêu cầu. Tuy nhiên, động cơ c a robot t ơng đối nhỏ nên khi quay sẽ cĩ hiện t ợng tr ợt bánh. Mặt khác robot chỉ di chuyển thẳng trong đ ng ống thẳng giữa hai hố ga nên ng i nghiên c u khơng yêu cầu cao việc robot phải quay phải hay trái mà khơng bị tr ợt.
5.3. Kết quả thực nghiệm
Lần thử nghiệm đầu tiên vào ngày 03 tháng 04 năm 2012 tại x ng Open Lab – tr ng Đại học S phạm Kỹ thuật Tp.HCM với robot giám sát đ ng ống n ớc thải version 1 (hình 5.4a) và thu đ ợc hình ảnh nh hình 5.4b. Quan sát hình ảnh thu đ ợc, ta nhận thấy mối giao c a hai đ ng ống nh ng ta khơng thấy đ ợc những h hỏng (nếu cĩ) tồn tại trong đ ng ống.
(a) (b)
Hình 5.4: Hình ảnh ở lần thử nghiệm I.
62
Lần thử nghiệm th hai là lần thử nghiệm đầu tiên c a robot version 1 (hình
5.5a) trong đ ng cống thực tế tại Việt Nam. Lần thực nghiệm này đ ợc thực hiện vào ngày 04 tháng 04 năm 2012 tại khu Cơng nghiệp Trảng Bàng tỉnh Tây Ninh và hình ảnh thu đ ợc là hình 5.5b. Hình ảnh thu đ ợc rõ nét, nh ng ng i nghiên c u khơng thể quan sát cụ thể từng vị trí nếu cĩ nghi ng xảy ra khuyết tật.
(a) (b)
Hình 5.5: Hình ảnh ở lần thử nghiệm II.
(a)Hình robot version 1, (b) Hình ảnh thu được ở lần thử nghiệm II
Lần thử nghiệm th ba đ ợc thực hiện tại đ ng cống cạnh Căn tin tr ng Đại học S phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày 26 tháng 04 năm 2012. Hình ảnh robot khơng thay đổi so với lần thử nghiệm tr ớc và hình ảnhthu đ ợc từ camera (hình 5.6).
63
Lần thử nghiệm th t vào ngày 18 tháng 05 năm 2012 tại khu Cơng nghiệp Trảng Bàng thuộc tỉnh Tây Ninh với mơ hình robot version 2 (hình 5.7a) với hình ảnh thu đ ợc nh hình 5.7b.
Với lần thử nghiệm này, robot cĩ thể quan sát rõ mọi gĩc độ trong đ ng ống và ng i nghiên c u cũng cĩ thể thực hiện lệnh phĩng to hình ảnh để quan sát rõ vị trí cống nghi ng cĩ khuyết tật.
(a) (b)
Hình 5.7: Hình ảnh ở lần thử nghiệm IV
(a)Hình robot version 2, (b) Hình ảnh thu được ở lần thử nghiệm IV
Lần thử nghiệm tiếp theo tại Đ ng cộng hịa - Xí nghiệp Thốt n ớc Bắc Nhiêu Lộc – Thị Nghè thuộc Cơng ty Thốt n ớc đơ thị TP – TPHCM vào ngày 20
tháng 06 năm 2012 với mơ hình robot hồn chỉnh (hình 5.8a), hình ảnh thu đ ợc từ
camera sắcnét nh hình 5.8b.
(a) (b)
Hình 5.8: Hình ảnh ở lần thử nghiệm V.
64
Sau khi hồn tất các thiết kế, ta tiến hành chế tạo rồi thực nghiệm nhiều lần để hiệu chỉnh nhằm đạt đ ợc kết quả theo yêu cầu. Sau đĩ ta cho thực nghiệmnhiều lần nhiều mơi tr ng khác nhau: chỉ cĩ n ớc (n ớc ngập 1/3 bánh xe), cĩ n ớc và cát (hổn hợp cát và n ớc ngập ngập ½ bánh xe), cĩ n ớc và bùn ít (20% bùn), cĩ n ớc và nhiều bùn (50% bùn), … để kiểm tra tính ổn định c a robot khi di chuyển trong đ ng ống thốt n ớc.
Ng i nghiên c u sử dụng đồng hồ đo để tính vận tốc c a xe, đo lực khi xe di chuyển bằng lực kế. Ng i nghiên c u cĩ biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc và tổng lực cản qua nhiều lần thử nghiệm (hình 5.9)
Dựa vào ph ơng trình:
F ms
R R F
Bảng 6: Tổng lực cản c a robot ng với vận tốc trong từng mơi tr ng: Vận tốc n ớc (µ = 10)Mơi tr ng Mơi tr ng n ớc và cát (µ = 15) Mơi tr ng n ớc và bùn ít (µ = 20) Mơi tr ng n ớc và bùn nhiều (µ = 30) 0 0 0 0 0 2 385 570 760 1130 4 500 720 950 1380 6 650 960 1260 1800 8 900 1300 1700 2300 10 1220 1740 2200 3100
65
Hình 5.9: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tổng lực cản với vận tốc và mơi trường thực nghiệm
Qua biểu đồ ta thấy, khi mơi tr ng chỉ cĩ n ớc t c là hệ số nhớt lúc này chỉ bằng 10 (µ = 10) hay mơi tr ng cĩ n ớc và cát, khi đĩ µ = 15 thì robot cĩ thể di
chuyển dễ dàng vì lực cản lúc này nhỏ hơn lực phát động c a động cơ. Cịn đối với mơi tr ng cĩ n ớc và bùn ít thì robot cĩ thể di chuyển đ ợc nh ng lúc này khĩ khăn, robot phải di chuyển chậm tuy nhiên khi robot di chuyển t c là robot đư đẩy một ít l ợng bùn về phía tr ớc nên th ng robot chỉ di chuyển đ ợc một đoạn đ ng ngắn khi mơi tr ng này. Mơi tr ng n ớc và bùn nhiều thì robot khơng di chuyển đ ợc vì lúc này lực cản robot quá lớn, lớn hơn nhiều lực phát động c a động cơ.
Hình ảnh thu đ ợc từ camera giám sát phụ thuộc vào c ng độ ánh sáng từng tr nghợp thực nghiệmvà gĩc m c a camera . Để đo đ ợc giá trị c a c ng độ ánh
sáng, ta sử dụng thiết bị đo c ng độ ánh sáng lux (hình 5.10). Thiết bị này cĩ ch c năng là chốt dữ liệu, xem giá trị lớn nhất và nhỏ nhất, tính giá trị trung bình nhiều điểm đo, tính giá trị trung bình theo th i gian. Gĩc quan sát cũng ảnh h ng khơng nhỏ đến chất l ợng hình ảnh camera thu đ ợc vì vậy ta cần điều chỉnh gĩc độ camera
để thu đ ợc hình ảnh rõ nét thơng qua các lần thực nghiệm. Ta khơng chọn gĩc quan sát c a camera lớn vìnĩ cĩ cơ cấu quay ngang, quay dọc và chế độ phĩng to (thu nhỏ).
Ta tiến hành thực nghệm với từng gĩc độ c a camera mơi tr ng chỉ cĩ n ớc, thay đổi c ng độ ánh sáng các đèn led, ghi lại hình ảnh và ta đo đ ợc khoảng cách
66
Hình 5.10: M á y đ o cư ờ n g đ ộ á n h s á ng Wa l k l a b L u x
Hình 5.11: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách camera quan sát rõ nhất với cường độ ánh sáng và gĩc mở camera
Biểu đồ (hình 5.11) cho thấy với cùng một c ng độ ánh sáng, ta thay đổi gĩc m camera thì khoảng cách camera thấy rõ sẽ thay đổi. Gĩc m càng nhỏ thì khoảng cách càng xa tuy nhiên lúc này phạm vi camera thấy khơng lớn. Mặt khác, nếu ta giữ nguyên gĩc m camera, chỉ thay đổi c ng độ ánh sáng sẽ cĩ kết quả là c ng độ ánh sáng càng lớn thì khoảng cách camera thấy rõ càng xa. Qua kết quả trên ta chọn ph ơng án gồm c ng độ ánh sáng lớn và gĩc m nhỏ để ta biết đ ợc đoạn đ ng phía tr ớc c a robot cĩ những ch ớng ngại gì đề ta lựa chọn cách di chuyển, cịn về
67
gĩc m nhỏ chỉ thấy đ ợc phạm vị hẹp nh ng camera cĩ chế độ quay ngang, quay dọc và phĩng to (thu nhỏ) nên việc giám sát khơng gặp tr ngại.
Hình 5.12: Hình ảnh các vị trí khác nhau bên trong đường ống thu được từ camera
68
Chư ng 6 KẾT LUẬN 6.1. K t lu n :
Sau khi trải qua nhiều lần thực nghiệm và cải tiến robot, robot giám sát đ ng
ống n ớc thải đư hồn thiện cơ bản về các kết cấu cơ khí, nguyên lý làm việc, hoạt
động và ph ơng th c điều khiển phù hợp với mơi tr ng làm việc trong đ ng ống
thốt n ớc. Cĩ thể tĩm tắt những gì đư làm đ ợc trong đề tài này nh sau:
- Một robot đ ợc thiết kế để sử dụng giám sát các đ ng ống thốt n ớc c a mạng l ới n ớc thải thành phố Hồ Chí Minh. Robot này cũng cĩ thể đ ợc sử dụng vào các đ ng ống khác nhau với đ ng kính khác nhau.
- Một hệ thống giám sát đ ợc thiết kếđể giám sát các đ ng ống n ớc thải cĩ
đ ng kính từ 0.3 – 0.5m.
- Một hệ thống điều khiển đơn giản đ ợc thiết kếđể điều khiển robot.
- Kết quả thử nghiệm cho thấy các bộđiều khiển cĩ hiệu quả cải thiện kiểm sốt chất l ợng. Điều này cĩ nghĩa rằng ph ơng pháp này cĩ thểđ ợc thực hiện và đáp ng