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 thơng 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 PHỊNG 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, 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 STM32 xử lý thơng qua các thuật tốn 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 thơng 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 thông 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 thông 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 thơng của robot.
MƠ 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 công 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 thông 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 mô 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 mơ 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 trịn 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)
Kết quả mô phỏng quỹ đạo chuyển động thu được:
Hình 5.7 Kết quả mơ phỏng quỹ đạo tròn
- 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 hướng phát triển để tài như sau:
o Tiến hành lập trình thuật tốn, kiểm nghiệm trên mơ hình thực tế o Tiến hành thực nghiệm và đánh giá hiệu quả sử dụng
o Xây dựng thêm thuật toán cảnh báo pin yếu và tự động trở về trạm sạc
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] "Komoda, K., Yamagishi, T., Murai, T., & Sugimoto, K. (1988). Development of substation patrol robot, overhead distribution line works manipulator and underground cable conduit monitor robot. Robot, 64, 65-73.".
[2] “Nghiên cứu, chế tạo Robot giám sát phục vụ mục tiêu tự động hóa trạm biến áp không người trực” – TS. Nguyễn Hữu Hiếu, TS. Giáp Quang Huy, TS. Trương Thị Bích Thanh, TS. Hồ Phước Tiến, Th.S. Phạm Văn Kiên, KS. Trần Anh Tuấn, Khoa Điện, Trường Đại học Bách".
[3] Đ. Sơn, "Các giải pháp tự động hóa trạm biến áp 110kV Phú Bài," Luận văn Thạc
Sĩ, 2019.
[4] S. G. Tzafestas, "Introduction to Mobile Robot Control," in First Edition, 2014, pp. 45-109.
[5] Trần Đức Tân, Huỳnh Hữu Tuệ, Đại học Công Nghệ - ĐHQG HN, "Định vị dẫn đường thế kỷ 21," 2013.
PHỤ LỤC CÁC KHỐI CHỨC NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN
- Khối điều khiển nguồn cấp
- Khối điều khiển động cơ
CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MATLAB SIMULINK
- Cơ cấu truyền động (2 bánh xe):
- Kinematics Model: