Proceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX

Proceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIXProceedings VCM 2012 44 giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX

Giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX

thông qua ảnh bề mặt làm sạch

A solution to control a NIX-sprayed manipulator via the image

of cleaned surface

Trần Ngọc Bình1, Vũ Quốc Huy2, Nguyễn Quang Hùng

Viện Tự động hóa KTQS e-Mail: 1 binhtn1969@yahoo.com.vn , 2 maihuyvu@gmail.com

Tóm tắt

Bài báo trình bày giải pháp điều khiển tay máy phun hạt NIX làm sạch bề mặt thông qua xử lý hình ảnh chụp từ camera, qua đó tự động xác định diện tích vùng cần làm sạch và xây dựng bộ tham số quỹ đạo vòi phun để điều khiển một tay máy chuyên dụng thay thế người công nhân trong việc tính toán quỹ đạo vòi phun nhằm tăng năng suất làm sạch

Abstract:

This paper presents a solution to control a specialized manipulator by processing the picture of surface captured from a camera Thanks to the camera area of cleaned surface and parameters of spray hose orbit are determined These parameters are applied to control the manipulator on behalf of workers in computing the hose orbit to increase clean productivity

Ký hiệu

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

 Radian Góc giữa trục quang camera và

đường vuông góc từ camera đến

bề mặt cần làm sạch

h m Khoảng cách từ camera đến bề

mặt làm sạch

∆x m Độ dịch chuyển của vòi phun

theo trục x

∆y m Độ dịch chuuyển của vòi phun

theo trục y

Chữ viết tắt

2D Two dimension

1 Phần mở đầu

Tay máy phun hạt NIX thực hiện thao tác của

người công nhân trong quá trình phun hạt làm sạch

lên bề mặt cần làm sạch trước khi sơn trong quá

trình bảo dưỡng sửa chữa tàu thủy Đây là hệ tay

máy tự động 5 bậc tự do được lắp đặt trong một

cabin kín của hệ thống máy tự động làm sạch bề

mặt (sử dụng công nghệ hạt NIX) và sơn thành vỏ

tàu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường (hình vẽ

H.1)

Máy tự động làm sạch bề mặt [1] bao gồm một xe

nâng làm nhiệm vụ nâng cabin 5 mặt kín áp sát

vào bề mặt cần làm sạch Mặt hở của cabin bao lấy

bề mặt cần làm sạch Cabin kín có hệ thống lọc bụi, chứa tay máy và được gắn một camera quan sát Một vòi phun áp lực cao được gắn vào điểm cuối của tay máy Xe nâng đưa cabin di chuyển áp vào thành tàu tạo ra một buồng phun kín

Quá trình làm sạch được thực hiện bằng cách điều khiển vòi phun đến các tọa độ cần làm sạch Với diện tích làm sạch có hình dạng ngẫu nhiên, việc lập bảng tham số điều khiển tay máy thủ công mất rất nhiều thời gian vì vậy nhiệm vụ của camera là xác định được vị trí của vùng làm sạch, từ đó xác định quỹ đạo vòi phun để điều khiển tay máy thực hiện công việc trên nhằm tăng năng suất làm sạch cho hệ thống

H 1 Máy tự động làm sạch bề mặt và sơn thành

vỏ tàu

2 Xác định vị trí vùng làm sạch và quỹ đạo vòi phun

2.1 Xác định vị trí vùng làm sạch

Việc xác định diện tích và đường biên cần làm sạch được thực hiện bằng phương pháp nhận dạng

ảnh thông qua các phép xử lý ảnh cơ bản như tách

biên, phân đoạn, đo đếm trên mặt phẳng 2D Để

xác định đường biên của mảng gỉ sét trên hình ảnh

ta có thể thực hiện bằng nhiều thuật toán xử lý

ảnh

Theo hình vẽ H.2 ta nhận thấy camera được gắn

cố định ở góc của cabin kín nên khi cabin áp sát

vào bề mặt cần làm sạch thì khoảng cách từ

camera đến bề mặt là h xác định và không đổi

Góc nghiêng giữa trục quang camera với phương

thẳng đứng là 

Như ta đã biết khi camera đặt cách mặt phẳng đo

một khoảng cách cố định và có tiêu cự cố định thì

có thể chuyển đổi từ hình 2D thành hệ tọa độ 2D

Giá trị tọa độ tính toán được chính bằng tọa độ các

điểm phía trong đường bao của vùng làm sạch và

được tính bằng tọa độ các điểm ảnh trong khung

hình mà camera chụp được

H 2 Mô hình camera và tay máy trong cabin kín

Do đặc tính hình ảnh của camera nên diện tích

thực tế trên mặt phẳng đo tương ứng với mỗi điểm

trên khung hình camera là khác nhau Yêu cầu đặt

ra là cần xây dựng công thức tính tọa độ thực dựa

trên tọa độ điểm ảnh trên khung hình Các tính

toán ở đây được giả thiết coi tiêu cự f của camera

nhỏ hơn nhiều lần khoảng cách h giữa camera và

bề mặt cần làm sạch; bỏ qua các tham số quang

sai, méo hình xuyên tâm

H 3 Biểu diễn camera trong hệ tọa độ

Giản đồ để tính tọa độ điểm ảnh được thể hiện trên

hình vẽ H.3 Trong đó:

 Điểm C là vị trí camera

 Đoạn CH là khoảng cách giữa camera và bề

mặt cần làm sạch (h)

 Đoạn CO là tiêu cự của camera đến mặt phẳng

 Mặt phẳng xOy là mặt phẳng ảnh do camera chụp

 Mặt phẳng x’O’ y’ là mặt phẳng bề mặt cần làm sạch

 Góc  là góc giữa trục quang camera và đường vuông góc từ camera đến bề mặt cần làm sạch, nó cũng chính là góc giữa mặt phẳng ảnh và mặt phẳng cần làm sạch

Để xác định một điểm A’( xa’ ,ya’) trên bề mặt cần làm sạch khi ta có điểm A(xa ,ya) trên hình do camera chụp được thì ta phải thông qua số điểm ảnh của hình thu được tương ứng với vị trí thực tế khi ta chuyển hệ tọa độ từ tâm ảnh sang tâm trục quang của camera với mặt phẳng đó và khoảng

cách h giữa camera và bề mặt cần làm sạch

Xét tam giác CHO’ ta có:

'

HO CHtg a htg a (1) Gọi góc hợp bởi CO và CYA là b thì:

OY

f CO

Xét tam giác CHYA’ ta có:

A

A

Từ đó ta có:

'

AY CY

A

AY CY

CY

'

.cos( )

a

x





Vậy tọa độ của điểm A’:

a

'

a

a

x

y

f a







Đường biên của vùng làm sạch là tập hợp của các điểm A’ Căn cứ vào cách xác định tọa độ như trên

ta hoàn toàn xác định được đường biên và diện tích của vùng làm sạch

2.2 Xây dựng quỹ đạo vòi phun

một góc θ = 450 Vùng làm sạch S được giới hạn

trong một quỹ đạo khép kín chính là đường biên

được tách ra từ ảnh chụp của camera

Thực tế vùng cần làm sạch không phẳng Tuy

nhiên ta có thể chia nhỏ thành từng vùng phẳng

Để vòi phun làm sạch được hết diện tích S thì lần

lượt phải đưa vòi quét hết mặt phẳng S với lượng

dịch chuyển ∆y [1] Tốc độ dịch chuyển của vòi

phun ∆x là một thông số quyết định đến năng suất

làm sạch và được đặt theo quy trình công nghệ

H 4 Mô tả quỹ đạo của vòi phun trên vùng làm

sạch

Khi độ dịch chuyển ∆y đủ nhỏ thì việc chồng kín

giữa hai lần phun hạt làm sạch và đảm bảo độ sạch

bề mặt đồng đều và đường biên của vùng làm sạch

thực tế sẽ gần với đường biên tách ra từ ảnh chụp

của camera do việc quay đầu vòi phun theo góc

nằm trong vùng làm sạch để mép của vùng làm

sạch sẽ đủ mịn (không hình thành các vết có hình

dạng răng cưa)

3 Xây dựng thuật toán điều khiển

Để thực hiện được quá trình điều khiển vòi phun

thông qua ảnh chụp từ camera cần thực hiện tách

biên vùng làm sạch, tính toán độ dịch chuyển

(quãng đường dịch chuyển) ngang của đầu vòi

phun để xác định điểm bắt đầu và điểm kết thúc

của một lần chạy máy Tọa độ của điểm bắt đầu và

quãng đường dịch chuyển của vòi được nạp vào bộ

nhớ trong bộ điều khiển dưới dạng bảng dữ liệu

tĩnh Dựa vào các tính toán động lực học ngược

cho tay máy [2], bộ điều khiển sẽ ra lệnh điều

khiển đưa vòi phun quét lần lượt vùng làm sạch

theo quỹ đạo dích-dắc như phân tích ở trên

3.1 Xác định tọa độ điểm bắt đầu và quãng

đường dịch chuyển của vòi phun

Việc tách biên ảnh chụp từ camera cho ta biên

dạng vùng làm sạch phẳng S Coi Oxy là hệ tọa độ

gắn với cabin có chứa tay máy và chiếu vùng làm

sạch S lên mặt phẳng tọa độ đó Hình ảnh vùng

làm sạch sau khi tách biên và chiếu lên mặt phẳng

Oxy như hình vẽ H.5

H 5 Hình chiếu làm sạch S lên tọa độ gốc của

tay máy và camera

Như vậy điểm bắt đầu của vòi phun sẽ là điểm có tung độ gần gốc tọa độ nhất (điểm A) Tọa độ điểm A được xác định theo (9) và (10)

Điểm tiếp theo vòi phun cần đến là B Vòi phun di chuyển sang trái đến điểm B Hoành độ của điểm

B được xác định theo (10), còn tung độ bằng tung

độ của điểm A Quãng đường dịch chuyển từ A sang B là:

Sau khi phun đến điểm B vòi phun dịch chuyển theo trục tung lượng dịch chuyển ∆y và di chuyển sang phải đến điểm C Hoành độ điểm C được xác định theo (11), tung độ điểm C bằng tung độ điểm

B cộng thêm lượng dịch chuyển ∆y Quãng đường dịch chuyển từ B sang C được tính tương tự như quãng đường dịch chuyển từ A sang B Quá trình tính toán tiếp tục cho đến điểm kết thúc Z

3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán

Thuật toán điều khiển vị trí vòi phun đã được phân

tích ở mục 3.1 và được thể hiện trên hình vẽ H.6

Các bước thực hiện quá trình điều khiển vòi phun

từ vị trí bắt đầu (điểm A) đến vị trí cuối cùng (điểm Z) có thể được tóm gọn như sau:

 Bước 1: Chụp vùng làm sạch;

 Bước 2: Xử lý ảnh vùng làm sạch để lấy đường biên;

 Bước 3: Xác định vị trí bắt đầu của vòi phun;

 Bước 4: Xác định các quãng đường dịch chuyển của vòi phun;

 Bước 5: Nạp dữ liệu dưới dạng bảng tĩnh cho

bộ điều khiển (bảng tĩnh có 40 hàng)

H 6 Bảng dữ liệu và lưu đồ thuật toán

4 Kết quả thử nghiệm

Kết quả được thử nghiệm với điều kiện thay đổi

lượng dịch chuyển ∆y khác nhau Kết quả này

cũng được so sánh với kết quả của một công nhân

thực hiện công việc làm sạch trên cùng một diện

tích (hình vẽ H.7) Các chỉ tiêu so sánh bao gồm:

chất lượng sạch và năng suất làm sạch

H 7 Hình ảnh minh họa kiểm tra kết quả làm

sạch

Với hệ thống mô tả trên nếu điều khiển tay máy

với thông số xác định qua tính toán bằng tay năng

suất làm sạch chỉ đạt 6,5m2/h nhưng nhờ có

camera năng suất làm sạch tăng lên gấp đôi

(13m2/h) và cao hơn so với một người công nhân

phun bằng tay (12m2/h) [3] trong khi chất lượng

làm sạch tương đương Sa2.5 [4] Ngoài ra với việc

sử dụng camera thay cho mắt người nhìn đã khắc

phục được tình trạng bụi trực tiếp chui vào bên

trong người công nhân (mặc dù đã có bảo hộ lao

động)

5 Kết luận

Bài báo trình bày giải pháp điều khiển tay máy

phun hạt NIX nhờ hình ảnh nhận được từ camera

năng suất làm sạch, loại bỏ sự xâm nhập của hạt bụi lẫn vào trong người công nhân Thuật toán điều khiển trên đã được cài đặt cho bộ điều khiển PLC điều khiển tay máy 5 bậc tự do làm sạch và sơn thành vỏ tàu tại nhà máy đóng tàu Phà Rừng

Tài liệu tham khảo

[1] Báo cáo đề tài KC03.10/06-10, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tự động làm sạch bề mặt (Bằng công nghệ sử dụng hạt NIX) và sơn thành vỏ tàu nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường”, Viện Tự động hóa KTQS, 2010 [2] Nguyễn Thiện Phúc, “Robot công nghiệp”, Nhà

xuất bản Khoa học – Kỹ thuật, 2006

[3] Phòng Khoa học-kỹ thuật, “Tiêu chuẩn năng suất làm việc trong một ca”, Nhà máy đóng tàu

Phà Rừng, 2008

[4] Quy định về tiêu chuẩn sạch, Nhà máy đóng tàu Phà Rừng, 2008

Trần Ngọc Bình sinh năm

1969, tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội chuyên ngành Đo lường điều khiển

tự động, học Thạc sỹ kỹ thuật tại Học viện KTQS năm

2005, nay đang làm NCS tại Viện KH-CN quân sự chuyên ngành “Lý thuyết điều khiển

và điều khiển tối ưu”

ThS Trần Ngọc Bình công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP từ năm

1992, là nghiên cứu viên, trưởng phòng Giám sát

và điều khiển từ xa Hướng nghiên cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống đo lường và điều khiển tự động, các hệ thống nhúng và hệ thống bắt bám

Nguyễn Quang Hùng sinh

năm 1955, tốt nghiệp đại học

kỹ thuật Budapest – Hungary năm 1981 ngành Đo lường – điều khiển, nhận bằng Tiến

sỹ về ngành Đo lường – Điều khiển tại Hungary năm 1991, hiện là nghiên cứu viên cao cấp công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP, tham gia đào tạo NCS Tiến sỹ chuyên ngành “Lý thuyết

Vũ Quốc Huy sinh năm

1980, tốt nghiệp Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2003 chuyên ngành Tự động hóa,

là nghiên cứu viên công tác tại Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CN quân sự-BQP từ năm 2003, hiện đang làm NCS tại Viện

KH-CN quân sự-BQP chuyên ngành “Lý thuyết điều

khiển và điều khiển tối ưu” Hướng nghiên cứu

chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống đo

lường và điều khiển tự động, các hệ thống nhúng

và hệ thống bắt bám