Điểm khác nhau cơ bản của hai kiểu cấu trúc này đó là: Với kiểu nổi (Gimbal) thì các cảm biến bị thay đổi hướng theo đối tượng chuyển động; cịn trong kiểu gắn chặt (Strapdown) thì các cảm biến được gắn chặt với vật chuyển động, do đó sẽ khơng thay đổi trang thái chuyển động theo vật đó. Trên thực tế khối IMU có cấu trúc kiểu gắn chặt được sử dụng rộng rãi hơn bởi cấu trúc này đơn giản và có giá thành chế tạo thấp với độ chính xác có thể chấp nhận được.
Khi kết hợp các cảm biến vi cơ thành một cấu trúc tổng thể thì thường tạo ra sai số. Sai số mắc phải trong việc sử dụng các cảm biến vi cơ này có ở 2 cấp độ, cấp độ cảm biến và cấp độ nhóm cảm biến. Ở cấp độ cảm biến là sai số của từng cảm biến cấu tạo tên khối IMU, cịn ở cấp độ nhóm cảm biến là sai số tổ hợp của nhóm cảm biến với nhau
Nhược điểm của INS:
Có nhiều loại sai số trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán tính gây nên. Bảng 4.1 liệt kê một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và vận tốc góc.
Bảng 4.1 Một số lỗi gây ra bởi cảm biến quán tính
Những lỗi trong đo gia tốc và vận tốc góc sẽ dẫn tới các lỗi tăng dần khi xác định vị trí và vận tốc của vật thể bay (do việc lấy tích phân). Các lỗi tăng dần này được gọi là lỗi dẫn đường. Có thể nhận thấy chắc chắn rằng hệ thống dẫn đường qn tính khơng thể hoạt động tự trị được mà phải được kết hợp với một hệ thống khác.
4.3.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS (viết tắt của The Global Positioning System) là hệ thống định vị toàn cầu thực hiện bằng cách đo khoảng cách từ vị trí vật thể đến các vệ tinh đã biết, do vậy có thể xác định được vị trí vật thể. Đặc điểm của hệ thống này là tín hiệu khơng được liên tục và sai số của thơng tin khơng bị tích lũy theo thời gian, nhưng bị nhiều nguồn nhiễu bên ngoài tác động.
Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính: o Thành phần khơng gian bao gồm các vệ tinh. o Thành phần điều khiển là các trạm mặt đất.
o Thành phần sử dụng gồm có: người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS.
Nguyên nhân gây ra sai số của GPS:
Sai số của phương pháp đinh vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được cựu tổng thống Bill Clinton ra lệnh tắt):
o Dữ liệu Ephemeris o Đồng hồ vệ tinh o Trễ ở tầng điện ly o Trễ ở tầng đối lưu o Nhiễu đa đường o
Loại Gây nên sai số
Lỗi vị trí khi lắp đặt cảm biến Góc nghiêng, góc chúc và góc hướng
Độ lệch (offset) của cảm biến gia tốc Lối ra cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một
giá trị không đổi. Giá trị này lại thay đổi mỗi khi tắt / bật thiết bị.
Hiện tượng lệch và trôi của cảm biến vận tốc góc (do tác động của nhiệt độ)
Vật thể khơng chuyển động nhưng vẫn có vận tốc góc khơng đổi
Vai trị chính của GPS đó là cung cấp chính xác các thơng số vị trí và vận tốc của vật thể bay. GPS có thể được sử dụng để hỗ trợ cho các hệ thống dẫn đường khác mà tiêu biểu là sự kết hơp GPS/INS.
4.3.3 Hệ thống định vị dẫn đường tích hợp GPS/INS
Hệ thống dẫn đường qn tính INS có hai ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống khác là khả năng tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống INS là do các cảm biến qn tính gây ra. Chính vì thế trong những ứng dụng thời gian dài thì hệ thống INS thường sử dụng với các hệ thống hỗ trợ khác như hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS). Các hệ thống này hoạt động ổn định theo thời gian và vì thế cần tích hợp INS và các hệ thống hỗ trợ này. Sự kết hợp GPS/INS là lý tưởng nhất vì hai hệ thống này có khả năng bù trừ cho nhau hiệu quả.
Do đặc tính phi tuyến của mơ hình động học robot và đặc tính làm việc riêng biệt của từng cảm biến, nên cần sử dụng bộ lọc để mang lại hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp đầu ra bị nhiễu của cảm biến quán tính để ước lượng trạng thái của hệ thống khơng ổn định. Tín hiệu bị nhiễu từ các cảm biến qn tính và GPS bao gồm các thơng tin về vị trí, vận tốc, toạ độ. Những tác nhân làm hệ thống không ổn định là nhiễu do cảm biến, do người sử dụng và nhiễu do mơi trường (gió).
Cấu trúc này được gọi là cấu trúc GPS hỗ trợ INS [5] và các lỗi được xử lý theo kiểu vịng mở và vịng đóng như mơ tả trong hình.
Hình 4.5 Cấu trúc GPS/INS vịng kín
Từ những phân tích ở trên nhóm đưa mơ hình chi tiết cấu trúc hệ thống điều khiển tích hợp GPS/INS như Hình 4-6.
Trong cấu trúc này, tín hiệu cập nhật của hệ thống GPS được sử dụng để giới hạn sai số ngõ ra của mơ hình INS. Sai số đo lường của hệ thống GPS và INS được sử dụng làm ngõ vào của bộ lọc để ước tính sai số và hiệu chỉnh vận tốc, vị trí, tọa độ. Đối với phương pháp tích hợp này, giá trị cập nhật của GPS sẽ được xem như là chuẩn, các giá trị ước lượng vị trí, vận tốc và hướng ở ngõ ra được giới hạn sai số bởi giá trị cập nhật.
Lợi ích của phương thức này là hệ thống GPS có thể được coi như là một hộp đen. Bộ lọc định vị trở nên đơn giản hơn khi các thông tin về hệ thống GPS đã được xử lý ở khối khác. Tuy nhiên, nếu như bị mất GPS, GPS ngừng cung cấp thông tin và các thông tin bổ trợ cho khối GPS/INS cũng mất theo.
4.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU, THIẾT KẾ GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG KẾ GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG
Với yêu cầu điều khiển từ xa tại trung tâm điều khiển và thu thập dữ liệu hình ảnh thiết bị, các thông số từ cảm biến đo được gửi về trung tâm điều khiển, tạo môi trường tương tác trực quan giữa nhân viên vận hành tại trung tâm điều khiển. Từ yêu cầu đó ta phải xây dựng được phần mềm giám sát, điều khiển và giải pháp truyền thông để dữ liệu truyền nhận từ các lệnh đặt ở trung tâm điều khiển và dữ liệu gửi về từ robot một cách chính xác, tin cậy, bảo mật tránh lỗ hổng bên ngồi xâm nhập vào hệ thống truyền thơng của trạm.
Để giải quyết được vấn đề đó ta tiến hành lần lượt thực hiện: - Xây dựng mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu của Robot. - Xây dựng giải pháp truyền nhận dữ liệu
4.4.1 Xây dựng mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu
Từ yêu cầu về điều khiển robot bằng lệnh đặt và hiển thị hình ảnh gửi về từ camera của robot đến trung tâm điều khiển về tính chính xác, tin cậy, ổn định và bảo mật. Ta xây dựng được mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu của robot như hình 4.9 bên dưới.
Mơ hình gồm 3 phần:
TTĐK ROBOT GIÁM
SÁT PHÒNG ĐK
Hình 4.7 Mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu của Robot
Hoạt động của việc truyền nhận dữ liệu diễn ra như sau:
- Khi nhận thao tác di chuyển trên giao diện webserver trên màn hình máy tính
hoặc bằng tay cầm điều khiển tại trung tâm điều khiển, thơng qua kênh truyền camera có sẵn từ trung tâm điều khiển đến phịng điều khiển trạm. Tại đây máy tính server đặt tại trạm nhận lệnh điều khiển, xử lý và gửi đến Robot, khi nhận được lệnh điều khiển và nhận dữ liệu từ ngoại vi bo mạch điều khiển STM32 xử lý thông qua các thuật toán được thiết lập trước để đưa ra lệnh điều khiển phát xung điều khiển động cơ quay để Robot di chuyển theo đúng hướng người điều khiển mong muốn.
- Dữ liệu hình ảnh thiết bị, các thông số từ cảm biến đo được từ robot sẽ gửi đến máy tính Robot Control Server được đặt tại trạm biến áp. Dữ liệu sẽ được xử lý và lưu trữ trên máy tính này. Thực hiện xây dựng 01 webserver trên máy tính này để hiển thị dữ liệu, cũng như tích hợp các nút điều khiển trên webserver này. Tại Trung tâm điều khiển thơng qua kênh truyền thiết lập sẵn, máy tính giám sát sẽ truy cập vào webserver trên máy tính Robot Control Server để giám sát dữ liệu từ xa.
4.4.2 Xây dựng đường truyền dữ liệu, tín hiệu điều khiển
Từ mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu ở hình 4-8 ta tiến hành xây dựng chi tiết các giao thức truyền thông. Đối với việc truyền nhận dữ liệu, mạch điều khiển được thiết kế để có thể kết nối tất cả thiết bị ngoại vi trên Robot, bao gồm cả phần điều khiển nguồn cấp cho Robot.
Việc truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển STM32 với các thiết bị ngoại vi có trên Robot thơng qua giao tiếp UART dữ liệu đo được từ cảm biến tiệm cận và vị trí đo được bởi module GPS, dữ liệu từ module cảm biến 10DOF (Gia tốc kế, Con quay hồi chuyển, La bàn điện tử, Áp suất) thông qua giao tiếp I2C và dữ liệu yêu cầu từ máy chủ server qua cổng Ethernet kết nối thơng qua giao thức TCP/IP để vi điều khiển tính tốn xử lý thơng qua thuật tốn được lập trình để tính tốn phát xung PWM cho driver điều khiển động cơ chạy đến vị trí mong muốn.
Hình 4.8 Giao tiếp giữa vi điều khiển và thiết bị ngoại vi
Tín hiệu hình ảnh từ camera và tín hiệu điều khiển đến board mạch điều khiển STM32 được truyền thông không dây trên mạng Wireless LAN từ Router wifi đặt tại Robot với chế độ WISP (thiết lập mạng không dây bảo mật từ modem của ISP) đến modem wifi được cấu hình cùng lớp mạng VLAN hệ thống Camera giám sát tại trạm.
Robot được kết nối với trung tâm điều khiển qua kênh truyền có sẵn sử dụng giao thức truyền thông TCP/IP để điều khiển robot và xem trực tiếp hình ảnh từ dữ liệu Camera gửi về thơng qua giao diện webserver trên máy tính Robot Control Server đặt tại trạm biến áp.
4.5 KẾT LUẬN
Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm các giải pháp định vị dẫn đường hiện có, nhóm đề xuất sử dụng hệ thống định vị tích hợp GPS/INS để định vị dẫn đường cho robot. Đồng thời trong chương này cũng trình bày mơ hình điều khiển và thu thập dữ liệu, thiết kế giải pháp truyền thông của robot.
MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM 5.1 KIỂM NGHIỆM ĐỘNG HỌC
Để kiểm nghiệm lại các phương trình động học của robot đã xây dựng ở chương 2, trong chương 5 này sẽ xây dựng mơ hình mơ phỏng kiểm nghiệm động học cho robot sử dụng phần mềm SolidWorks kết hợp với Matlab Simulink. Robot sẽ được mô phỏng chuyển động theo nhiều quỹ đạo khác nhau từ đó đưa ra nhận xét.
5.1.1 Mơ hình mơ phỏng kiểm nghiệm
Hình 5.1 Sơ đồ khối mơ hình kiểm nghiệm động học
Sơ đồ bao gồm các khối chức năng:
o Khối quỹ đạo chuyển động (1): Thành lập một quỹ đạo mong muốn trên hệ tọa
độ Descartes.
o Khối mơ hình động học (2): Từ quỹ đạo đã có, sử dụng các phương trình động
học đã xây dựng ở chương 3 tính tốn ra các giá trị đặt (bài toán động học thuận). o Khối Robot Model (3): Mơ hình cơ khí được xây dựng dựa trên phần mềm
SolidWorks sau đó kết hợp với cơng cụ SimMechanics trong phần mềm Matlab. Thiết bị truyền động của robot (động cơ) nhận tín hiệu tính tốn thực hiện truyền động cho robot hoạt động theo quỹ đạo mong đợi.
o Mơ hình động học (6): Từ chuyển động thực tế thơng qua các phương trình
động học ngược xác định được các giá trị thực của robot.
o Khối quỹ đạo thực (5): hiển thị đồ thị biểu diễn các giá trị vị trí tính tốn được
So sánh hai quỹ đạo chuyển động và các thơng số để đánh giá kết quả tính tốn động học đã được xây dựng.
Từ sơ đồ hình 5.1, tiến hành xây dựng mơ hình kiểm nghiệm động học robot trên phần mềm Matlab như hình 5.2 để đánh giá quá trình hoạt động của robot. Chi tiết các khối thể hiện trong phần phụ lục.
Hình 5.2 Mơ hình mơ phỏng động học trong Simulink
5.1.2 Kết quả mơ phỏng
Phương trình xác định tín hiệu đặt dựa theo phương trình 3.14:
𝑅 = 𝒗𝑸 𝜙̇ = 𝑎 ( 𝑣𝑟 + 𝑣𝑙 𝑣𝑟 − 𝑣𝑙) 𝑣𝑟 ≥ 𝑣𝑙 (3.14) - Chuyển động thằng: o Giá trị đặt vl = vr = 1 m/s
o Vị trí ban đầu của robot: (x0; y0) = (0;0) o Hướng: θ = 0
Kết quả quỹ đạo chuyển động:
Hình 5.3 Kết quả mô phỏng chuyển động thẳng
Kết quả các giá trị về vị trí và hướng:
Kết quả đáp ứng về vận tốc của robot:
Hình 5.5 Kết quả đáp ứng vận tốc của robot
- Chuyển động quỹ đạo hình trịn:
Trong mơ phỏng kiểm nghiệm này, robot được thiết lập chuyển động theo quỹ đạo đường tròn như hình 5.3:
Hình 5.6 Quỹ đạo mong muốn
o Bán kính đường trịn R = 5
o Dựa vào phương trình 3.14 cho vl = 1 m/s, ta tính được vr = 517
483 m/s o Vị trí ban đầu của robot: (x0; y0) = (0;0)
o Hướng: θ = 0
Kết quả mô phỏng quỹ đạo chuyển động thu được:
Hình 5.7 Kết quả mơ phỏng quỹ đạo trịn
- Kết quả các giá trị về hướng và vị trí:
Hình 5.9 Đáp ứng về vận tốc của hệ thống
Nhận xét:
- Trong hai trường hợp quỹ đạo chuyển động khác nhau ta nhận thấy rằng mơ hình robot đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu chuyển động, với các tín hiệu vận tốc đặt khác nhau robot chuyển động với vận tốc bám theo giá trị đặt.
- Kết quả tính tốn quỹ đạo chuyển động của robot thơng qua các phương trình
động học (hiển thị trong đồ thị hình 5.4) đúng với quỹ đạo mong muốn. - Như vậy các phương trình động học ngược tính tốn ra giá trị điều khiển các
động cơ của robot và các phương trình tính tốn động học thuận xác định vị trí của robot đã được xây dựng chính xác.
5.2 KẾT LUẬN
Trên cơ sở mơ hình động học đã xây dựng ở chương 3, nhóm tiến hành xây dựng mơ hình mơ phỏng sử dụng phần mềm Matlab và SolidWoks. Thông qua kết quả mô phỏng cho thấy các phương trình động học đã xây dựng chính xác.
KẾT LUẬN CHUNG KẾT LUẬN
Nhằm đáp yêu cầu thiết yếu của hệ thống điện hiện đại và lưới điện thơng minh, sự an tồn và hoạt động ổn định của các thiết bị trạm biến áp, nhóm đề xuất phương án sử dụng robot tự hành để giám sát, quan sát trạng thái các thiết bị cũng như thu thập số liệu là một giải pháp rất hợp lý cho các trạm biến áp KNT. Nhóm em đã nghiên cứu, thiết kế mơ hình robot tự hành phục vụ công tác giám sát phục vụ mục tiêu tự động hóa trạm biến áp khơng người trực. Thông qua các nghiên cứu về các robot trong các trạm biến áp trên thế giới, thực tế tại trạm biến áp 110kV do Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế quản lý.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
✓ Thiết kế mơ hình robot tự hành phục vụ cơng tác giám sát tại trạm biến áp 110kV KNT.
✓ Xây dựng các giải pháp truyền nhận dữ liệu, định vị dẫn đường cho robot.
✓ Mô phỏng kiểm nghiệm động học cho robot.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Để tiếp tục hồn thiện và có thể đưa mơ hình robot vào vận hành thực tế giúp nâng cao mức độ tự động hóa trong các trạm biến áp cũng như giám sát tốt hơn, nhóm đề xuất