1. Cấu tạo chung:
- Để thực hiện các thao tác cơng nghệ trong q trình khử khuẩn phịng học, Robot sử dụng các thao tác chuyển động được thực hiện bằng các phương tiện như sau :
16
+ Động cơ: Động cơ DC 12V được điều khiển khởi động qua bo mạch
L293D, động cơ này này dùng để quay bánh xe . Trục động cơ nối với hộp giảm tốc tỉ số truyền 168:1.
+ Chiếu đèn : Đèn UV 220V được điều khiển bởi bộ cảm biến thông qua Raspberry Pi, đèn chiếu sẽ hoạt động khi bộ cảm biến không nhận thấy mối nguy hiểm xung quanh.
+ Quan sát : Camera Raspberry Pi được hoạt động đồng bộ theo
Raspberry Pi và truyền về người điều khiển tầm nhìn hình ảnh cần thiết. + Chuyển động : Bánh xe 360o được quay nhờ động cơ giảm tốc , bánh
xe này đưa robot di chuyển được linh hoạt đa góc mà khơng gặp khó khăn.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
- Bánh xe : bánh xe là đơn vị chuyển động chính, thiết kế bánh di chuyển 3600 , như vậy bánh xe sẽ linh hoạt điều chỉnh góc quay và di chuyển giúp Robot tối ưu thời gian.
- Cảm biến: là bộ phận điều khiển đèn chính, được thiết kế nhằm phát hiện sự xuất hiện của con người , ra tín hiệu on/off cho đèn để bảo vệ con người khỏi sự nguy hiểm của tia UV.
- Đèn UV: là bộ phận diệt vi khuẩn chính, đèn được bật thơng qua bộ cảm biến và chiếu lên bề mặt trong khoảng thời gian ngắn để diệt khuẩn.
- Raspberry Pi: bộ điều khiển chính của robot, nhận tín hiệu từ con người và điều phối các bộ phận khác.
- Aruidno và mạch con : bộ điều khiển hoạt động motor chính, nhận tín hiệu từ Raspberry Pi và hoạt động motor chạy.
- Camera: cung cấp tầm nhìn thực tế cho người điều khiển thông qua Raspberry Pi.
17
3. Danh sách các thao tác thực hiện đối với robot :
- Các thao tác được thực hiện theo trình tự nhằm đạt mục đích điều khiển, di chuyển , phát sáng đèn , diệt vi khuẩn , và kết thúc.
+ Kết nối : việc kết nối thực hiện bằng việc liên kết smart phone hoặc máy tính với raspberry pi. Có các thao tác sau :
Bảng 3.1: Danh sách thao tác robot
STT Thao Tác Ý Nghĩa Đơn Vị Thực
Hiện
Hoạt Động Mơ Hình
1 Cấp nguồn Cung cấp nguồn điện cho các thiết bị
CB đóng Đứng yên
2 Kết nối Kết nối giao tiếp giữa người điều khiển và robot
- Raspberry Pi - Smart Phone or Computer
Đứng yên
+ Di chuyển : robot di chuyển bằng việc điều khiển từ smart phone hoặc computer, Có các thao tác sau :
3 Quan Sát Cung cấp vị trí hiện tại và tầm nhìn cho robot
- Camera V2 - Raspberry Pi
Đứng yên
4 Điều khiển Ra lệnh cho bộ phận di chuyển thực hiện - Smartphone or computer - Raspberry Pi - Aruidno Đứng yên
5 Di chuyển Đưa robot tới vị trí cần thiết cho mục đích tiếp theo - Bo mạch L293D - 4 Motor JGB37- 520 Di chuyển quay bánh xe
+ Diệt virus : diệt virus bằng cách phát sáng đèn trong 1 khoảng thời gian ngắn, có các thao tác sau :
18 6 Quan sát Cung cấp tầm nhìn về khu vực thực hiện - Camera V2 - Raspberry Pi Quay 360
7 Quét mối nguy hiểm
Bảo vệ con người và vật nuôi khỏi tác hại của tia UV
- Cảm biến quét - Đèn UV
Đứng yên
8 Phát sáng đèn Diệt virus trên các bề mặt xung quanh bán kính 1M - Đèn UV - 3 cảm biến Đứng yên 4. Các hoạt động khác:
- Các hoạt động khác nhẳm nâng cao khả năng của robot với thực tế , có những hoạt động sau:
+ Bảo vệ: mang lại sự an toàn khi sử dụng robot, có các thao tác sau:
Bảng 3.2: Danh sách các thao tác khác của robot
STT Thao Tác Ý Nghĩa Đơn Vị Thực
Hiện
Xử Lí
1 Quét mối nguy hiểm
Nhận biết sự hiện diện của con người và vật nuôi
- Cảm biến quét - Phát hiện có hoặc không
2 Bảo vệ Ngăn ngừa tác hại của robot đến con người
- Đèn UV - Tắt đèn UV khi có con người và ngược lại
19
+ Cảnh báo: nhắc nhở người sử dụng về tình trạng hoạt động của robot, gồm các thao tác sau:
3 Nhận biết Luôn theo dõi hoạt động của robot
- Raspberry Pi - Đếm timer thời gian hoạt động của robot 4 Phát tín hiệu Gửi tín hiệu cho người
dùng - Raspberry Pi - Mỗi 30p hoạt động gửi tín hiệu ngừng hoạt động 5. Nguồn điện :
Bảng 3.3: Bảng thông tin nguồn điện
STT Thiết Bị Công suất Nguồn Điện
1 Đèn UV 50 cm2/10 s – 20 W AC 220V
2 Motor 1,68 m/phút – 35 RPM DC 12V
3 Raspberry Pi Pi 4 - 2GB Ram DC 5V
4 Adruino DC 5V
5 Mạch Control Motor Control 4 motor DC 12V
6 Bộ Cảm Biến 2000 W AC 180 - 220V
7 Camera V2 3280 x 24464
1080p30
20 Chương 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ I. Quy trình thiết kế : 1. Thiết kế mơ hình : Tính Tốn Khơng Gian Thiết Bị Lập Bảng Kinh Phí và Các Mốc Thời
Gian Thi Cơng Đo Kích Thước Thiết Bị Kiểm Tra Chất Lượng Sản Phẩm Chọn Kích Thước Khung Lựa Chọn Vật Liệu Thi Cơng
Cân chỉnh chi phí phù hợp với dự án Đ ảm b ảo C hấ t l ư ợ ng phù hợ p Đảm bảo Không gian tối
ưu
B1 B2 B3
B4 B5
B6
Sơ Đồ 4. 1: Sơ đồ quy trình thiết kế mơ hình
- Thời gian ước tính :
+ Từ 25/5/2021 đến 10/6/2021 cho B1, B2 + Từ 10/6/2021 đến 20/6/2021 cho B3, B4 + Từ 20/6/2021 đến 1/7/2021 cho B5, B6
2. Thiết kế hệ thống điều khiển :
Lựa Chọn Phương Thức Điều Khiển
Viết Code Cho Từng Bộ Phận
Kiểm Tra Hoạt Động Của Code
Kiểm Tra Tương Tác Của Các Thiết Bị Đánh Gía Độ Ổn Định và Phù Hợp Của Sản Phẩm Họạt Động Tổng Thể Hệ Thống Điều Khiển Đảm bảo code Hoạt động đủ chức năng Các bộ phận Hoạt động đồng bộ với nhau B1 B2 B3 B4 B5 B6
21
- Thời gian ước tính :
+ Từ 1/7/2021 đến 10/7/2021 cho B1, B2 + Từ 10/7/2021 đến 20/7/2021 cho B3, B4 + Từ 20/7/2021 đến 30/7/2021 cho B5, B6
II. Thiết kế mơ hình :
1. Tính tốn :
Bảng 4.1: Danh sách tính tốn thiết kế
Thiết bị Chiều cao Kích thước khác Hình dạng và
chiều
Đèn UV 58,9 cm Bán kính 12,7 mm Trụ , thẳng đứng
Ốp đáy robot 3 cm D = 37 cm Vuông
Ốp đỉnh robot 3 cm D = 37 cm Vuông
Thân robot 70 cm 4 trụ 3x3 cm Trụ, thẳng đứng
Ốp mặt thân 65 cm Ngang 40 cm Tấm chữ nhật
Chụp Trụ Đèn 4 cm Đường kính 34 cm Tấn trụ tròn
2. Chọn vật liệu :
- Khung robot: sử dụng nhơm định hình để làm khung robot mang lại sự chắc chắn và linh hoạt trong thiết kế :
22
- Mặt ốp thân: sử dụng nhôm tấm để bao quanh thân dễ dàng tháo lắp và nhẹ , giá thành rẻ :
- Gía đỡ Motor : sử dụng vật liệu kim loại dày , độ bền cao, chắc chắn
Hình 4. 2: Nhôm ốp thân robot
23
- Trụ đỡ đèn : sử dụng vật liệu thép chống rỉ , chắc chắn và dộ thẩm mĩ cao
3. Bảng giá vật liệu :
Bảng 4.2: Danh sách vật liệu thi công
Vật liệu Chất liệu Kích thước Số
lượng Gía thành Thành tiền Nhơm định hình Nhơm 3x3 cm x 1 m 8 150.000 1.200.000 Nhôm tấm Nhôm 40 x 65 cm 5 120.000 600.000 Gía đỡ motor Sắt 4 x 4 cm 4 25.000 100.000 Trụ Thép Thép R20 X 63 cm 1 100.000 100.000 Tán chữ T Inox Lỗ M3 30 15.000 450.000 Ke góc vng Gang 3 x 3 cm 20 15.000 300.000 Nắp giữ đèn Nhôm h=4 cm R=17 cm 1 100.000 100.000 Hình 4. 4: Trụ đỡ dèn
24
4.Hình ảnh bản vẽ thiết kế mơ phỏng :
- Hình ảnh 3D được dựng trên phần mềm AutoCad 3D. - Hình ảnh này được Render ra từ AutoCad 3D.
- Bản thiết kế đã được gán các vật liệu theo đúng thiế
25
III. Thiết kế hệ thống hoạt động:
1. Sơ đồ cấu hình tổng hệ thống : L298D L298D Apollo Camera FORWARD RORATE LEFT RORATE RIGHT BACKWARD Relay Relay Adruino UNO HC-05 Raspberry Pi 4 DC DC DC 12V AC 220V
26
2. Hệ thống di chuyển của robot: 2.1. Bánh xe: 2.1. Bánh xe:
- Sử dụng cặp bánh xe Mecanum L + R nhựa đường kính 60mm được sử dụng trong các thiết kế robot cỡ nhỏ với khả năng di chuyển linh hoạt theo nhiều hướng, bánh được làm bằng nhựa kết hợp với các bánh nhỏ bằng cao su cho độ ma sát cao chống trơn trượt, phù hợp với mọi môi trường thơng thống đến trật hẹp.
2.2. Bo mạch L298D:
- Điều khiển 4 động cơ gắn 2 cặp bánh xe bằng mạch Arduino uno R3 thơng qua mạch động cơ L293D.
Hình 4. 7: Bo mạch Aruidno UNO Hình 4. 6: Bánh xe 3600
27
- Sơ đồ nối mạch L298D với động cơ :
L298D IC1 IC3 IC2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 G N D Ar ef + - + - + - + - On/Off Motor
Sơ Đồ 4. 4: Sơ đố đấu nối Motor
2.3. Bo mạch Aruidno:
- Arduino uno R3 hiện là loại phổ biến và dễ sử dụng nhất trong các dịng arduino, tương thích với nhiều loại arduino motor shield.
- Arduino Motor Shield L293D với bộ thư viện tích hợp sẵn giúp cho việc điều khiển các loại motor DC, RC Servo, Step trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, Board có thể điều khiển 2 động cơ RC servo, 4 động cơ DC hoặc 2 động cơ Step đồng thời.
28
2.4. Mạch thu phát bluetooth HC-05:
- Mạch thu phát Bluetooth HC-05 chính hãng có thiết kế nhỏ gọn với khả
năng cấu hình để có thể sử dụng ở cả hai chế độ là Master / Slave, mạch có thể kết nối với máy tính hoặc Smartphone hỗ trợ chuẩn Bluetooth 2.0 + EDR, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot Bluetooth, điều khiển thiết bị qua Bluetooth,...
- Sơ đồ nối Aruidno với L298D và HC-05 :
+ Mạch L298D ghép với mạch Aruidno thành 1 khối theo chiều trong sơ đồ . Adruino UNO L298D IC1 IC3 IC2 A2 A4 A3 A1 A0 A5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 GND Aref V 1n GN D 5V 3.3 V Re se t Io re f 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 GND Aref On/Off On/Off HC -05 UP DOWN
Sơ Đồ 4. 5: Sơ đồ đấu nối mạch Aruidno và L298D, HC-05 Hình 4. 9: Mạch Bluetooth HC-05 Hình 4. 9: Mạch Bluetooth HC-05
29
3. Hệ thống đèn:
-Với mục tiêu diệt vi khuẩn nhanh, phạm vi chiếu sáng rộng, nhóm sử dụng 6 đèn UV, kết nối với nhau trên 1 lõi với mục tiêu chiếu sáng 360 độ.
3.1. Bộ cảm biến thông minh apollo:
- Có chức năng bảo vệ đóng ngắt nguồn đèn khi có người, động vật trong phạm vi hoạt động và chức năng bào vệ đèn.
- Điểm đặc biệt của sản phẩm:
+ Công suất tối đa của bộ điều khiển lên đến 2000 W. + Có thể thay đổi thời gian bật tắt.
+ Cấp nguồn cho bộ điều khiển sẽ delay 30 giây. Bật nguồn bộ điều khiển sẽ delay 30 giây, sau đó hoạt động liên tục trong 30 phút.
+ Trong q trình hoạt động nếu phát hiện có chuyển động đèn sẽ lập tức dừng hoạt động cho đến khi được khởi động lại.
Hình 4. 10: Cảm biến Apollo Hình 4. 11: Cảm biến Apollo
30
3.2. Bộ đèn Diệt Khuẩn Điện Quang ĐQ GLT8 UVC 20:
- Đặc điểm bộ đèn: + Bước sóng 253.7 nm
+ Chiếu tia UVC dùng để giết, làm bất hoại các vi sinh vật. + Sử dụng thủy tinh thạch anh.
+ Tuổi thọ lên đến 8000 h.
4. Hệ thống điều khiển:
- Sử dụng mạch Raspberry Pi 4, là một bo mạch được ví như máy tính thu nhỏ, rất nhiều chức năng, trong dự án này nhiệm vụ của raspi là kết nối với camera, kết nối bluetooth với arduino, điều khiển chức năng di chuyển, kết nối với 1 động cơ để đẩy cây đèn và kết nối với cảm biến apollo thông minh để điều khiển đèn.
- Sử dụng laptop để kết nối wifi với raspi trong robot, với cách này có thể điều khiển ở khoảng cách xa hơn so với bluetooth.
Hình 4. 12: Bóng đèn UV Điện Quang
31
- Giám sát hoạt động của robot theo camera hiển thị trên giao diện của raspi thông qua phần mềm VNC Viewer.
IV. Thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống:
1. Hệ thống di chuyển: - Lưu đồ thuật toán : - Lưu đồ thuật toán :
Bắt đầu
Khai báo thư viện Khai báo biến Khai báo thư viện
Forwar d Backw ard Rotate left Rotate right Stop
Tiến Lùi Quay trái Quay phải Dừng
Kiểm tra Đ S Đ Đ Đ Đ S S S S Kết thúc Hình 4. 14: Bo mạch Raspberry Pi 4 Hình 4. 15: Bo mạch Raspberry Pi 4
32
- Mã lệnh :
#include <AFMotor.h>
AF_DCMotor motor1(1); //Front Left Wheel AF_DCMotor motor2(2); //Back Left Wheel AF_DCMotor motor3(3); //Front Right Wheel AF_DCMotor motor4(4); //Back Right Wheel
String readString;
void setup() {
Serial.begin(9600);
motor1.setSpeed(250); //Set Motor Speed motor2.setSpeed(250); motor3.setSpeed(250); motor4.setSpeed(250); } void loop() { while(Serial.available()){ delay(50); char c=Serial.read(); readString+=c; } if(readString.length()>0){ Serial.println(readString);
if (readString =="FORWARD"){ // MOVE FORWARD motor1.run (FORWARD);
motor2.run (FORWARD); motor3.run (FORWARD);
33
motor4.run (FORWARD); }
if (readString =="BACKWARD"){ // MOVE BACKWARD motor1.run (BACKWARD);
motor2.run (BACKWARD); motor3.run (BACKWARD); motor4.run (BACKWARD); }
if (readString =="ROTATELEFT"){ // ROTATE LEFT SIDE motor1.run (BACKWARD);
motor2.run (BACKWARD); motor3.run (FORWARD); motor4.run (FORWARD); }
if (readString =="ROTATERIGHT"){ // ROTATE RIGHT SIDE motor1.run (FORWARD);
motor2.run (FORWARD); motor3.run (BACKWARD); motor4.run (BACKWARD); }
if (readString =="STOP"){ // STOP motor1.run (RELEASE); motor2.run (RELEASE); motor3.run (RELEASE); motor4.run (RELEASE); } readString=""; } }
34
2. Thiết kế app điều khiển:
- Có thể thiết kế phần mềm điều khiển sử dụng trên nền tảng hệ điều hành Android ở trang web MIT App Inventor:
- Cấu hình sẽ như sau:
Hình 4. 16: Thiết kế phần mềm trên web
Hình 4. 17: Thiết kế phần mềm trên web
Hình 4. 18: Phần mềm trên điện thoại
Hình 4. 19: Các thao tác trên phần mềm
35
- Trong cấu hình có 5 nút nhấn (4 nút di chuyển và 1 nút kết nối bluetooth) à 1 khung màn hình hiển thị camera, gồm các thao tác:
3. Hệ thống đèn: - Lưu đồ thuật toán:
Bắt đầu Cảm biến chuyển động Kết thúc Kết nối nguồn Đèn sáng 30 phút Đ S Nghỉ 2 phút Hình 4. 21: Các thao tác trên phần mềm
36
- Bộ điều khiển đèn thơng minh Apollo tích hợp cảm biến RADAR, SIG Mesh.
- Cơng suất tối đa lên tới 2000W thích hợp với nhiều đèn cùng lúc.
- Thích hợp với mọi khơng gian, tốc độ cao, ổn định, mang lại sự yên tâm khi dùng chung với đèn UVC.
- Thiết bị kết nối nguồn thông qua relay được điều khiển từ Raspberry Pi, chỉ khi có lệnh cấp nguồn, thì bộ điều khiển đèn thơng minh Apollo và đèn mới có thể hoạt động. Bộ đếm thời gian cho thời gian đèn hoạt động là 30 phút, mặc dù nhà sản xuất có nói rằng Apollo sẽ chỉ hoạt động liên tục trong 30 phút nhưng để chuẩn bị cho trường hợp lỗi, chương trình đếm thời gian thứ