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
Cơng suất Điện áp CPU OS RAM Kích thước 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.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 36 KS. Cao Huy Đỗ
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.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 37 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực
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 khơng 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 mơi 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.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 38 KS. Cao Huy Đỗ
Hình 4.1 Giao diện chính của phần mềm STM32CubeIDE Bên trong cây thư mục sẽ bao gồm: 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.
Hình 4.2 Giao diện chính của phần mềm STM32CubeIDE
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 39 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV khơng người trực 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 mơi trường làm việc, các thơng 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:
= +
Trong đó:
- : Hệ thống dẫn đường qn tính (Inertial Navigation System)
- (còn gọi là IRU) (đơn vị đo quán tính) = Accelerometer + Gyroscope
- : làm nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ tính tốn gia tốc trọng trường và thực hiện các thuật tốn tích phân.
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 40 KS. Cao Huy Đỗ
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; còn 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 tính gây nên. Bảng 4.1 liệt
trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán kê một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và vận tốc góc. Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 41
KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV không người trực
Bảng 4.1 Một số lỗi gây ra bởi cảm biến quán tính
Loại
Lỗi vị trí khi lắp đặt cảm biến
Độ lệch (offset) của cảm biến gia tốc Hiện tượng lệch và trôi của cảm biến vận tốc góc (do tác động của nhiệt độ)
Nhiễu ngẫu nhiên
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 không 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 Máy thu (bao gồm cả phần mềm)
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 42 KS. Cao Huy Đỗ
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 quán 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 vòng mở và vịng đóng như mơ tả trong hình.
Hình 4.4 Cấu trúc GPS/INS vịng mở
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 43 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV khơng người trực
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.
Hình 4.6 Cấu trúc tích hợp GPS/INS vịng kín
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 44 KS. Cao Huy Đỗ
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, THIẾTKẾ 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 PHÒNG ĐK
TRẠM
ROBOT GIÁM SÁT
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Quốc Hùng Hướng dẫn: PGS.TS Lê Tiến Dũng 45 KS. Cao Huy Đỗ
Thiết kế robot tự hành phục vụ công tác giám sát trạm biến áp 110kV khơng người trực
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: 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, thông 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