BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH Project: Thermal imaging camera service for Unmanned Aerial Vehicle

BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH Project: Thermal imaging camera service for Unmanned Aerial Vehicle BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH Project: Thermal imaging camera service for Unmanned Aerial Vehicle

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO MÔN HỌC

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH

Project: Thermal imaging camera service for

Unmanned Aerial Vehicle

HOÀNG THANH TÙNG

hoangthanhtung2606@gmail.com

Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành Hệ thống Cơ điện tử thông minh

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Hồng Hải

Bộ môn: Cơ điện tử

Viện: Cơ khí

HÀ NỘI, 1/2021

Chữ ký của GVHD

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Camera ảnh nhiệt 1

1.2 Máy bay không người lái 1

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CAMERA NHIỆT 3

2.1 Công nghệ ảnh nhiệt 3

Quang phổ điện từ của bức xạ nhiệt 3

Độ nhạy nhiệt NETD 4

Infrared Thermography 4

2.2 Các loại Infrared Detectors 7

Cooled Infrared Detectors 7

Uncooled Infrared Detectors 8

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG 9

3.1 Lựa chọn module phần cứng 9

3.2 Thông số kỹ thuật phần cứng 9

Raspberry Pi 4 9

Raspberry Pi Camera Module V2 9

Flir Lepton 3.5 10

3.3 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống 10

Phát hiện đối tượng cần đo nhiệt độ 10

Đo nhiệt độ của đối tượng 10

Truyền dữ liệu về mặt đất 11

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống Camera ảnh nhiệt [2] 1

Hình 1.2: Một hình ảnh thu được từ camera nhiệt [2] 1

Hình 1.3: Một số loại máy bay không người lái [3] 2

Hình 2.1: Vùng quang phổ hồng ngoại và các vùng lân cận [4] 3

Hình 2.2: Sự ảnh hưởng của giá trị NETD đến việc đo nhiệt độ [5] 4

Hình 2.3: Phát xạ nhận được bởi camera nhiệt [6] 6

Hình 2.4: Camera Flir Neutrino LC sử dụng Cooled infrared detector 8

Hình 2.5: Camera Flir Boson 320 sử dụng Uncooled infrared detector 8

Hình 3.1: Sơ đồ kết nối module phần cứng 9

Hình 3.2: Phát hiện đối tượng cần đo nhiệt độ trên đường dây tải điện 10

Hình 3.3: Hình ảnh thu được từ camera nhiệt 11

Hình 3.4: Phương thức truyền hình ảnh và lệnh điều khiển 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Danh sách các module phần cứng được chọn 9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Camera ảnh nhiệt

Camera ảnh nhiệt hay còn gọi lại camera hồng ngoại (tên tiếng anh là thermographic camera, infrared camera hoặc thermal imaging camera) là một thiết bị có thể tạo ra một bức ảnh sử dụng phát xạ hồng ngoại, tương tự như một camera thường sử dụng ảnh sáng nhìn thấy để tạo nên ảnh Camera ảnh nhiệt sử dụng ảnh sáng hống ngoại với bước sóng từ 1000nm (1µm) đến 14000nm (14µm) Phương phát để thu thập và phatsn tích dữ liệu thu được tử cảm biến bên trong camera được gọi là thermargraphy [1]

Mỗi một đối tượng có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối (-273.15°C = 0 Kelvin) đề phát ra bức xạ điện tử từ bề mặt của nó, và cường độ của bức xạ này

tỷ lệ với nhiệt độ bên trong của nó Một phần nằm trong những bức xạ điện tử đó

là bức xạ hồng ngoại, cái mà có thể sử dụng để đô nhiệt độ vật thể Những bức xạ này đi xuyên qua không khí, với dự giúp đỡ của thấu kính (lens) thì các bức xạ hồng ngoại này được hội tụ vào một thành phần cảm biến, cái mà sau đó sẽ sinh

ra các tín hiệu điện tỷ lệ với bức xạ Tín hiệu điện được khuếch đại và đưa vào một mạch xử lý tín hiệu số (DSP) để chuyển thành các tín hiệu đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ của vật thể Các giá trị đo được sẻ được sử dụng để hiển thị hoặc được

sử dụng cho các nghiệp vụ xử lý tiếp theo [2]

Hình 1.1 Hệ thống Camera ảnh nhiệt [2]

Hình 1.2: Một hình ảnh thu được từ camera nhiệt [2]

1.2 Máy bay không người lái

Máy bay không người lái (tên tiếng anh là Unmanned Aerial Vehicle, hay thường gọi là Drone) là một máy bay không có phi công trên buồng lái Máy bay không người lái là một thành phần của một hệ thống bay không người lái Một hệ thống bay không người lái bao gồm một máy bay không người lái, một bộ điều khiển mặt đất và một hệ thống để giao tiếp giữa hai thanh phần này Các máy bay không người lái có thể hoạt động ở nhiều chế độ tự hành khác nhau, hoặc dưới sự điều khiển từ xa của một người vận hành dưới mặt đất, hoặc được điều khiển tự động bởi máy tính [3]

So với các nhóm máy bày khác, máy bay không người lái thường được sử dụng cho các nhiệm vụ đặt thù hoặc nguy hiểm với con người Mặc dù chúng khởi đầu chủ yếu trong những ứng dụng quân sự, nhưng việc sử dụng được mở rộng nhanh chóng tới thương mại, khoa học, giải trí, nông nghiệp và các ứng dụng khác như giám sát và bảo vệ, giao hàng, chụp ảnh trên không, kiểm tra cơ sở hạ tầng, … [3]

Hình 1.3: Một số loại máy bay không người lái [3]

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CAMERA NHIỆT 2.1 Công nghệ ảnh nhiệt

Quang phổ điện từ của bức xạ nhiệt

Chúng ta biết rằng, quang phổ bức xạ hay còn gọi là sóng ảnh sáng mà mắt chúng ta cảm thụ được qua voãng mạc chỉ là một phần nhỏ của một dải quang phổ lớn Người ta gọi dải quan phổ nhìn thấy được là quang phổ khả kiến Mỗi loại vật thể ngoài quang phổ khả kiến đều có những bức xạ quan phổ khác nhau

mà phần lớn chúng là vô hình với con người, mỗi loại có bước sóng duy nhất Bức xạ nhiệt là một trong số đó, có bước sóng dài hơn so với ánh sáng khả kiến,

và do đó thường không nhìn thấy được bằng mắt người Công nghệ ảnh nhiệt sử dụng dải quang phổ bức xạ nhiệt này để tái tạo hình ảnh dưới dải nhiệt mẫu

Hình 2.1: Vùng quang phổ hồng ngoại và các vùng lân cận [4]

Hình 2.1: Vùng quang phổ hồng ngoại và các vùng lân cận Hình 2.1, từ trái sang phải cho thấy quan phổ khả kiến (400nm đến 700nm) là quang phổ mà chúng ta

có thể nhìn thấy bằng mắt thường Các bước sóng dài hơn, chúng ta có vùng hồng ngoại bước sóng ngắn (SWIR) 0.8 µm đến 1.7 µm Liền kề quang phổ SWIR là dải hồng ngoại có bước sóng trung hình (MWIR), dải MWIR mở rộng kéo dài từ 1.7 µm đến 5 µm Dải MWIR được theo sau bởi một khoảng trống từ

5 µm đến 8 µm Khoảng này là do dự suy giảm khí quyển rất mạnh ở khu vực đó, các phần tử H2O và CO2 có xu hướng làm giảm đáng kể bức xạ hồng ngoại trong khu vực này Do đó, khoảng bước sóng này không hữu ích cho camera hồng ngoại Cuối cùng là vùng hồng ngoại bước sóng dài (LWIR) kèo dài từ 8

µm đến 14 µm Viedjc phần chia quang phổ trên là dựa vào độ nhạy quang phổ của các cảm biến trong camera hồng ngoại

Các camera ảnh nhiệt hống ngoại có các loại cảm biến phù hợp với các dải SWIR, MWIR và LWIR Mỗi một camera này có ứng dụng khác nhau Phần lớn các camera nhiệt được bán và sử dụng hiện nay hoạt động trong dài LWIR

Độ nhạy nhiệt NETD

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) là một đại lượng đánh giá cảm biến của camera nhiệt có thể phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ giữa các phát xạ hồng ngoại trong một bức ảnh tốt như thế nào Đơn vị đó của NETD là mili-Kelvin (mK), trong nhiều trường hợp có thể hiểu NETD là độ tương phản của ảnh nhiệt Trong một bức ảnh nhiệt càng nhiều nhiễu, thì giá trị NETD của bản biến càng cao [5]

Hình 2.2: Sự ảnh hưởng của giá trị NETD đến việc đo nhiệt độ [5]

Hình 2.2 biểu diễn hình ảnh thu được từ hai camera nhiệt của cùng một vật thể Camera thứ nhất có NETD là 60 mK, camera thứ hai có NETD là 80 mK Ta thấy vùng ảnh có nhiệt độ thấp bị nhiễu nhiều trong bức ảnh thu được từ camera

có NETD là 80 mK 20 mK tuy không khác biệt nhiều nhưng nó có khả năng ảnh hường rất lơn đến chất lượng ảnh nhiệt và độ chính xác của phép đo nhiệt độ

Infrared Thermography

Phát xạ hồng ngoại là năng lượng được phát ra từ bề mặt của một đối tượng có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối Bức xạ phát ra là môt hàm của nhiệt độ của vật liệu, nhiệt độ càng cao thì cường độ phát xạ hồng ngoại càng lớn

Những thành phần của tổng năng lượng phát xạ tương ứng với ba thông số đó là

độ hấp thụ, độ truyền dẫn và độ phản xạ của một vật thể Ba thống số này được

sử dụng để mô tả các hiện tượng: sự hấp thụ quang phổ  , sự phản xạ quang  phổ  và sự truyền dẫn quang phổ  Ba thống số trên có giá trị phụ thuộc bước sóng, nhưng tổng của chúng luôn luôn bằng 1

1

  

Trong trường hợp vật liệu mờ đục, thì PT 2.1 sẽ được rút gọn thành PT 2.2, toàn

bộ năng lượng nhận được sẽ hoặc là hấp thụ hoặc là phản xạ

1

Những vật liệu có thống số phản xạ và thông số truyền dẫn bằng không thì được gọi là blackbody Đối với blackbody ta có  1

Theo định luật Stefan-Boltzmann, ta có năng lượng phát xạ hồng ngoại của một blackbody được tính bằng PT 2.3

4

Trong đó,  là một hằng số

Thông số emissivity của một vật thể tương ứng với bước sóngđược định nghĩa

là tỷ số giữa năng lượng phát xạ của một vật thể và năng lượng phát xạ của một blackbody trong cùng một giá trị nhiệt độ (PT 2.4)

W







Năng lượng phát xạ của một vật thể thống thường chỉ là một phần của năng lượng phát xạ từ một blackbody Do đó thống số emissivity sẽ nằm trong khoảng (0, 1), và một vật thể thông thường có thông số emissivity là hằng số không phụ thuộc bước sóng được gọi là greybody







Thông số emissivity của một đối tượng thật không phải là một hằng số cũng như không phụ thuộc vào bước sóng, do đó chúng không thể được coi là greybodies Tuy nhiên, nó thường được giả sử trong một khoảng bước sóng nhỏ thì thống số emissivity được coi là hằng số Giả sử này được sử dụng để coi những vật thể thực như là những greybody, chúng được coi nhu vậy bời vì bản chất ta có thể tính giá trị trung bình của emissivity trong một khoảng bước sóng nhỏ [6]

Từ PT 2.3 và PT 2.5, ta thu được phương trình Stefan-Boltzmann cho greybody như sau:

4

Nếu tất cả năng lượng bức xạ chiếu đến một vật thể bị hấp thụ (không truyền dẫn hoặc phản xạ), thì giá trị độ hấp thụ bằng một Ở một nhiệt độ nhắt định, toàn bộ năng lượng hấp thụ được phải được tái bức xạ (phát ra), do đó thông số emissivity của một vật thể sẽ là một Từ đó ta có độ hấp thụ của một blackbody bằng với emissivity bằng một Thật vậy, theo định luật Kirchhoff , giá trị thông

số emissivity và độ hấp thụ là bằng nhau với bất kỳ nhiệt độ và bước sóng nào [6]

 

Từ PT 2.2 và PT 2.7, ta có PT 2.8

1

Để đo nhiệt độ của một đối tượng, ta tiến hành đo phát xạ hồng ngoại phát ra từ đối tượng và chuyển giá trị năng lượng ấy về giá trị nhiệt độ Tuy nhiên, không phải tất cả phát xạ nhận được đều đến từ đối tượng đích, để có thể đo được giá trị

nhiệt độ chính xác, các phát xạ đến từ những nguồn khác (như là các đối tượng xung quanh và từ không khí) phải được loại bỏ

Toàn bộ phát xạ nhận được bởi camera (W )tot đến từ ba nguồn: phát xạ của đối tượng đích ( Eobj), phát xạ của môi trường xung quanh được đối tượng phản xạ lại ( Erefl), phát xạ của không khí ( Eatm) [6]

Hình 2.3: Phát xạ nhận được bởi camera nhiệt [6]

Nguồn đầu tiền là phát xạ đến từ đối tượng đích Tuy nhiên không phải toàn bộ phát xạ phát ra từ đối tượng camera đều nhận được, bời vì sẽ có một phần năng lượng được hấp thụ bởi không khí Do đó, năng lượng phát xạ của đối tượng có thể biểu diễn bằng PT 2.10

4

obj obj atm obj

Greybody có thông số độ phản xạ lớn hơn không, do đó chúng sẽ phản xạ lại các năng lượng hồng ngoại phát ra từ các đối tượng xung quanh Thông số độ phản

xạ được tính từ emissivity như PT 2.8 Một phần của năng lượng phản xạ này cũng được hấp thụ bởi không khí, ta có công thức tính năng của thành phần thứ hai camera nhận được như PT 2.11

4

refl obj atm refl

Thành phần thứ ba là phát xạ hồng ngoại của không khí được tính như công thức

4

atm atm atm

Từ các phương trình PT 2.9, PT 2.10, PT 2.11 và PT 2.12 ta có công thức tính nhiệt độ của một đối tượng như sau:

4

obj

obj atm



PT 2.13

Để có thể áp dụng PT 2.12, ta cần biết trước các thông số: emissivity của đối tượng (obj), nhiệt độ phản xạ (T )refl , độ truyền dẫn của không khí (atm) và nhiệt độ của không khí (Tatm)

Độ truyền dẫn của không khí thường đươc tính toán dựa trên khoảng cách từ đối tượng đến camera và độ ẩm môi trường xung quanh Thông thường, giá trị này rất gần một Nhiệt độ của không khí có thể có được thông qua các cảm biến nhiệt

độ môi trường Tuy nhiên, emissivity của không khí (1atm) rất gần không, do

đó thành phần này ảnh hưởng rất ít đến việc đo nhiệt độ Mặt khác, thông số emissivity của đối tượng cần đo nhiệt độ lại ảnh hưởng rất lớn đến quá trình đo nhiệt độ nên giá trị này cần được đo đạt chính xác

2.2 Các loại Infrared Detectors

Camera nhiệt có thể được chia làm hai loại là: Cooled Infrared Detectors và Uncooled Infrared Detectors

Cooled Infrared Detectors

Cooled detectors là các loại cảm biến thường được đặt bên trong môi trường chân không và được làm lạnh Sự làm lạnh là cần thiết với hoạt động của các vật liệu bán dẫn Thông thường nhiệt độ hoạt động của loại bán dẫn này nằm trong khoảng từ 4 K đến dưới nhiệt độ phòng, tùy thuộc vào công nghệ cảm biến Hầu hết các loại cooled detectors hiện đại hoạt động trong khoảng từ 60 K đêbs 100 K (-213°C đến -173°C), phụ thuộc vào từng hoạt và mức độ hoạt động

Nếu không được làm lạnh, nhứng loại cảm biến này sẽ bị “mù” hoặc bị lóa bởi chính bức xạ của chúng Nhược điểm của loại detectors này là chi phí để sản xuất

và vận hành rất đắt đỏ Việc làm lạnh tốn nhiều năng lượng và thời gian

Các camera sửa dụng loại detector này cần có một vài phút để làm lạnh trước khi bắt đầu vận hành Các hệ thống làm lạnh được sử dụng phổ biến nhất là sử dụng bơm nhiệt điện, mặc dù không hiểu quả và khả năng làm lạnh còn hạn chế nhưng lại nhỏ gọn và tương đối đơn giản Để đạt được chất lượng ảnh cao hơn hoặc sử dụng cho các bức ảnh của các đối tượng có nhiệt độ thấp thì một hệ thống làm lạnh tốt hơn là điều cần thiết Mặc dù hệ thống làm lạnh có thể sẽ rất cồng kềnh

và đắt đỏ, nhưng các loại cooled infraded detector sẽ cho các các bức ảnh nhiệt

có chất lượng tốt hơn hẳn loại uncooled, thường đối với các loại đối tượng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng

Vật liệu được sử dụng cho Cooled Infrared Detector dựa trên một loạt các chất bán dẫn khe hẹp bao gồm indium antimonide (3-5 μm), indium arsenide, mercury cadmium telluride (MCT) (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm), lead sulfide, and lead selenide [1]

Hình 2.4: Camera Flir Neutrino LC sử dụng Cooled infrared detector

Uncooled Infrared Detectors

Uncooled thermal camera sử dụng một cảm biến hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh, hoặc một cảm biến ổn định ở nhiệt độ gần mới nhiệt đội môi trường xung quanh nhờ một thành phần ổn định nhiệt độ Các loại uncooled detector sử dụng cảm biến hoạt động bằng cách thay đổi điện trở, điện áp, dòng điện khi được làm nóng bằng các bức xạ hồng ngoại Các sự thay đổi này sau đó được đo đạt và so sánh với các giá trị tại nhiệt độ hoạt động của cảm biến

Uncooled infrared sensors có thể ổn định ở một nhiệt độ nhất định để giảm thiểu nhiễu cho ảnh, nhưng bởi vì chúng không cần được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp, do đó không cần tới những hệ thống làm lạnh cồng kềnh đắt đỏ, năng lượng tiêu thụ được giảm đi Điều này làm cho lại camera này có giá thành rẻ hơn và nhỏ gọn hơn Tuy nhiên, độ phân giải của chúng và chất lượng ảnh sẽ thấp hơn loại cooled detectors bởi vì sự khác biệt về công nghệ gia công và sự giới hạn của các công nghệ hiện tại Một uncooled thermal camera cần phải xử lý với nhiệt độ do chính nó phát ra

Vật liệu sản xuất Uncooled detectors hầu hết dựa trên pyroelectric và ferroelectric hoặc công nghệ microbolometer Vật liệu được sử dụng để tạo thành các pixel có đặc tính phụ thuộc nhiệt độ cao, cách nhiệt với môi trường và có thể đọc bằng tín hiệu điện

Hình 2.5: Camera Flir Boson 320 sử dụng Uncooled infrared detector