3.4.3 Module định vị GPS
Ăng-ten BT-300 GNSS là ăng-ten định vị vệ tinh đa tần số bốn sao với độ lợi cao, độ thu nhỏ, độ nhạy cao, khả năng tương thích đa hệ thống và độ tin cậy cao, có thể đáp ứng hiệu quả với thơng số kỹ thuật:
Hình 3.10 Hình ảnh module định vị GPS
3.4.4 Module ZED-F9P RTK GNSS
Modun ZED-F9P RTK GNSS độ chính xác cao u-blox F9 là bộ thu GNSS tích hợp RTK đa băng tần cung cấp độ chính xác đến từng centimet và tiết kiệm năng lượng.
Camera Zoom
Nhà sản xuất HIKVISION
Mã hiệu catalog SH-IB23TG0-I8
Nhiệt độ hoạt động -30 °C to + 60 °C (-22°F - +140ºF)
Nguồn cấp 12 VDC ± 25%
Công suất tiêu thụ 12VDC, 0.95A, max. 11.5W
Cấp bảo vệ IP67
Độ phân giải màn hình 1920 x 1080
Zoom Zoom quang 20x
Giao diện truyền thông
1 RJ45 10M/100M self-adaptive Ethernet port
Chuẩn giao tiếp TCP/IP, ICMP, HTTP, HTTPS, FTP,
DHCP, DNS, …
Kích thước ϕ105 x 299.7 mm (0 4.1x 11.8)
Vật liệu Metal
Hình 3.6 Hình ảnh thực tế của module ZED-F9P Bảng3.4 Thơng số kỹ thuật của module ZED-F9P
Chip U-Blox
Nguồn cấp DC 3.6 – 6 V, điển hình 5 V
Nhiệt độ hoạt động -40°C - 85°C
Tốc độ cập nhật 0.25 – 20 Hz, mặc định 1 Hz
Định dạng nhận GPS, Glonass, Bds, Galileo, Sbas,
Qzss
Mức dữ liệu Mức TTL
Hoạt động giới hạn Độ cao: ≤50.000 m
Vận tốc: ≤5 00 m/s
Cổng kết nối 2PCS 1.00mm 4 chân kết nối
1PPS Có thể định cấu hình 0,25 Hz đến
10 MHz, chu kỳ mặc định là 1s, mức cao kéo dài 100 ns)
3.4.5 Module cảm biến siêu âm
Để giúp cho Robot có khả năng tránh được vật cản xung quanh ta sử dụng cảm biến siêu âm chống nước DFRobot A02YYUW. Mô-đun xác định khoảng cách đến vật cản bằng cách đo thời gian trôi đi giữa việc gửi và nhận xung siêu âm. Cảm biến A02YYUW có đầu dị khép kín chống thấm nước và chống bụi, phù hợp với môi trường khắc nghiệt và ẩm ướt. Tất cả các đơn vị xử lý tín hiệu được tích hợp bên trong mơ-đun và giá trị khoảng cách được thu trực tiếp thông qua giao diện nối tiếp không đồng bộ. A02YYUW giao tiếp với máy chủ phía trên hoặc MCU khác với tốc độ băng tần 9600 bit/s giúp rút ngắn đáng kể các chu kỳ đang phát triển.
Bảng 3.5 Bảng thông số kỹ thuật của DFRobot A02YYUW
Dải điện áp hoạt động 3.3 - 5 V
Lớp chống thấm nước IP67
Dịng điện trung bình < 8 mA
Khoảng cách vùng mù 3 cm
Phạm vi phát hiện 3 - 450 cm
Thời gian phản hồi 100 ms
Nhiệt độ hoạt động -15 ~ 60ºC
Hình 3.11 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nối dây cảm biến
3.4.6 Module cảm biến 10DOF (Gia tốc kế, Con quay hồi chuyển, La bàn điện tử, Áp suất) Áp suất)
Để hổ trợ cho việc tự hành trong việc di chuyển tự động của robot trong trạm biến áp bằng cách sử dụng bộ cảm biến DFRoBot 10DOF tích hợp cảm biến gia tốc ADXL345, con quay hồi chuyển ITG3200, la bàn HMC5883L và cảm biến áp suất BMP085 để phát hiện những chuyển động xoay cũng như hướng góc nghiêng của robot để từ đó điều chỉnh cho robot di chuyển đúng với lệnh điều khiển mà người điều khiển mong muốn.
Bảng3.6 Bảng thông số kỹ thuật của DFRobot 10DOF
Dải điện áp hoạt động 3-8 V
Giao tiếp I2C
Hình 3.12 Module DFRobot 10DOF
3.4.7 Module BTS7960 điều khiển động cơ 43A
Để điều khiển động cơ truyền động cho robot di chuyển ta sử dụng module BTS7690 để điều khiển động cơ.
Bảng 3.7 Bảng thông số kỹ thuật của module BTS7960
Dải điện áp cơng suất 6 V-27 V
Dịng điện max 43A
Điện áp điều khiển 3.3 V-5 V
Sử dụng cặp chip BTS7960
Tần số 25kHz
3.4.8 Động cơ
Robot được trang bị 02 động cơ DC để truyền động cho hệ thống bánh đai giúp xe di chuyển.
Hình 3.14 Động cơ DC RS550
Bảng 3.8 Bảng thông số kỹ thuật của động cơ
Mã sản phẩm Union Motor-37GB3557-23.3
Nguồn điện DC 6 – 12V
Tốc độ 680-800 RPM
Dòng điện 0.95-1.25A
3.4.9 Module Router Wifi
Để truyền điều khiển camera, nhận dữ liệu từ camera và điều khiển robot thông qua wifi từ Outdoor wifi Access point ở phòng điều khiển trạm ta sử dụng Router Wifi với các thông số kỹ thuật:
Bảng 3.9 Bảng thông số kỹ thuật của Router Wifi
Nguồn điện 5 VDC/ 0.6A
Chuẩn kết nối IEEE 802.11b
IEEE 802.11n
Băng tần 2.4GHz
Tốc độ 2.4GHz IEEE 802.11N: Lên đến 300Mbps
Bảo mật WPA/ WPA2 – PSK
Hình 3.15 Router Wifi
3.4.10 Bo mạch giảm áp DC-DC Buck Mini 3A V2
Để cho Robot và Camera hoạt động ta phải cấp nguồn cho chúng, ở đây ta thấy mạch điều khiển và cảm biến của robot hoạt động thấp hơn nguồn cấp đầu vào 12VDC do đó ta cần phải giảm áp từ DC-DC để cho chúng hoạt động. Ở đây đề tài sử dụng bo mạch giảm áp DC-DC Buck Mini 3A với các thông số đáp ứng yêu cầu đề tài.
Bảng 3.10 Bảng thông số kỹ thuật của bo mạch DC-DC Buck Mini 3A
Điện áp đầu vào 4.75 ~ 23.5 VDC
Điện áp đầu ra 0.8 ~ 17 VDC (có thể điều chỉnh)
Thiết lập cố định 1.8, 2.5, 3.3, 5, 9, 12 VDC bằng Jumper
Dòng ra tối đa 3A
Hiệu suất chuyển đổi 97.5%
Kích thước 20 x 11 x 5 mm
3.4.11 Máy tính PC Mini NUC INTEL BOXNUC7CJYH2 R4S120
Nhóm thiết kế đã sử dụng 01 máy vi tính cho việc điều khiển và thu thập dữ liệu. Với máy tính đặt trên Robot, yêu cầu kích thước phải nhỏ gọn, tốc độ xử lý nhanh, điện năng tiêu thụ thấp và có đủ các cổng giao tiếp cần thiết cho các thiết bị ngoại vi.
Hình 3.17 PC Mini NUC INTEL BOXNUC7CJYH2
Bảng 3.11 Bảng thông số kỹ thuật PC Mini NUC INTEL BOXNUC7CJYH2
Công suất 10 W
Điện áp 12-19 VDC
CPU Intel Celeron J4005 (2.70 GHz/4MB/2 nhân, 2 luồng)
OS Windows 10, 64-bit
RAM DDR4 2400MHz tối đa 8GB
Kích thước 11.5 x 11.1 x 5.1 cm
3.5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch điều khiển Hình 3.18 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. Cổng Ethernet để kết giao với Control server qua giao thức TCP/IP. Mạch điều khiển nguồn cấp cho Camera (ngắt nguồn khi không được sử dụng), mạch giao tiếp với Driver điều khiển động cơ, mạch giao tiếp điều khiển PT cho Camera, mạch giao tiếp với các cảm biến: GPS, cảm biến tiệm cận thông qua giao tiếp UART, giao tiếp I2C với module cảm biến dò đường, la bàn số, gia tốc kế, con quay hồi chuyển, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm.
Hình 3.18 Cấu trúc mạch điều khiển
Chi tiết các khối được trình bày tại phụ lục.
3.6 KẾT LUẬN
Nội dung chương 3 đã trình bày chi tiết các yêu cầu về thiết kế robot. Trên cơ sở đó lựa chọn mơ hình thiết kế phù hợp để xây dựng mơ hình 3D khung cơ khí robot trên phần mềm SolidWorks. Thực hiện xây dựng các phương trình động học và động lực học của robot dựa trên thiết kế cơ khí. Đồng thời trong chương này cũng trình bày thiết kế phần điện cho robot, chi tiết các linh kiện và thông số kĩ thuật.
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU CHO ROBOT
4.1 GIỚI THIỆU
Thơng qua chương 3 nhóm đã trình bày chi tiết các phương án thiết kế phần cứng và đồng thời tính tốn động lực học của Robot tự hành giám sát trạm biến áp 110kV ở Phú Bài phục vụ cho công tác giám sát không người trực
Qua chương 4, nhóm sẽ tập trung lựa chọn phần mềm lập trình điều khiển, nghiên cứu phương pháp xác định trạng thái hoạt động của thiết bị trong trạm và xây dựng các thuật tốn và chương trình điều khiển phù hợp để Robot có thể di chuyển tự động hoặc điều khiển bằng tay đến tất cả các vị trí mong muốn trong trạm. Ngồi ra, từ các kết quả khảo sát thực tế các yêu cầu đặt ra, nhóm thực hiện đề tài sẽ nghiên cứu cũng như đề ra phương án thiết kế phần điều khiển, thu thập dữ liệu hình ảnh gửi về trung tâm điều khiển tạo môi trường tương tác trực quan giữa nhân viên vận hành tại trạm và tại trung tâm điều khiển
4.2 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Đề tài chọn giải pháp thiết kế bo mạch điều khiển dựa trên vi điều khiển MCU STM32F439VIT6 32-bit dịng ARM Cortex-M4 của hãng STMicroelectronics. Vì vậy, để lập trình cho vi điều khiển STM32 chúng ta sử dụng phần mềm STM32CubeIDE
STM32CubeIDE là một môi trường phát triển tích hợp. Dựa trên các giải pháp nguồn mở như Eclipse, GNU C/C++ toolchain. IDE này bao gồm các tính năng báo cáo biên dịch chương trình và các tính năng gỡ lỗi nâng cao. Đối với STM32CubeMX là một phần mềm hỗ trợ việc cấu hình các chức năng cho các dịng vi điều khiển STM32 thơng qua giao diện đồ họa và tạo ra code từ các cấu hình đó. Keil C IDE là một mơi trường phát triển tích hợp giúp chúng ta có thể viết code, compile, debugs, nạp chương trình xuống vi điều khiển.
Do việc sử dụng cả hai phần mềm STM32CubeMX + Keil C khiến người dùng cảm thấy bất tiện nên nhóm đề xuất việc sử dụng phần mềm lập trình điều khiển STM32CubeIDE tích hợp cả hai phần mềm STM32CubeMX và phần mềm Keil C IDE.
Hình 4.1 Giao diện chính của phần mềm STM32CubeIDE
Bên trong cây thư mục sẽ bao gồm:
• File.ioc: Là file để lựa chọn cấu hình chip STM32.
• File main.c: Là chương trình nhập code chính để lập trình.
Ngồi ra, cịn có một số biểu tượng chính như:
• : Build chương trình, kiểm tra xem có bug hay khơng.
• : Load chương trình xuống vi điều khiển.
• : Chế độ debug.
4.3 GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG
Để giải quyết bài toán định vị của Robot tự hành là xác định vị trí và hướng của Robot so với môi trường làm việc, các thông tin về vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động chính xác và ổn định do đó định vị cho Robot đóng vai trị làm tiền đề thực hiện các nhiệm vụ tiếp theo. Nhóm đề xuất áp dụng hệ thống định vị tích hợp GPS/INS trong việc định vị và điều khiển Robot thực hiện quỹ đạo chuyển động theo đúng yêu cầu điều khiển, hạn chế sai số theo thời gian.
Hệ thống định vị dẫn đường kết hợp GPS/INS có những ưu thế vượt trội về tốc độ xử lý và kích thước so với các hệ thống trước đó. Các cảm biến và chip GPS có thể được tích hợp chỉ trên một bản mạch nhỏ và xác định vị trí vật thể một cách chính xác với bộ lọc Kalman để ước lượng lỗi của INS nhằm cập nhập vị trí vật thể một cách chính xác hơn.
4.3.1 Hệ thống dẫn đường quán tính INS
INS (Inertial Navigation System) là hệ thống dẫn đường quán tính sử dụng cảm biến quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) đo vận tốc góc và gia tốc để tính tốn vị trí, tốc độ thay đổi vị trí của vật thể. Tuy nhiên sau một thời gian do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, dẫn đường quán tính sẽ xuất hiện sai lệch trong việc xác định vị trí nếu khơng có sự điều chỉnh
Các thành phần cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính:
𝐼𝑁𝑆 = 𝐼𝑀𝑈 + 𝑁𝑎𝑣𝑖𝑔𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑒𝑟
Trong đó:
- 𝐼𝑁𝑆 : Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System)
- 𝐼𝑀𝑈 (cịn gọi là IRU) (đơn vị đo qn tính) = Accelerometer + Gyroscope
- 𝑁𝑎𝑣𝑖𝑔𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑒𝑟: làm nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ tính tốn gia tốc
Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc, hoặc cũng có thể là 1 cảm biến gia tốc 3 chiều kết hợp với 3 cảm biến vận tốc góc. Các cảm biến vi cơ kết cấu hỗ trợ với nhau theo cấu trúc gắn liền (Hình 4.3a) hoặc theo cấu trúc nổi (Hình 4.3b), từ đó có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và tịnh tiến của vật thể
Hình 4.3 Các cấu trúc của khối IMU
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, còn 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