Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thử kín nước áp dụng cho nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái

Nội dung bài viết nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thử kín nước áp dụng cho nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết này.

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THỬ KÍN NƯỚC ÁP DỤNG CHO NHÓM TRANG THIẾT BỊ ĐI KÈM NGƯỜI NHÁI

Đặng Ngọc Tú, Nguyễn Trọng Thắng Trung tâm Giám định Chất lượng Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/BTTM/Bộ Quốc phòng Email: dangtu1707@gmail.com, nguyentrongthang1603@gmail.com

Tóm tắt:Trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày giải pháp thiết kế,

chế tạo thiết bị thử kín nước đến áp suất 0,7 MPa (tương đương áp

nước kết hợp kiểm tra khả năng hoạt động của các thiết bị hoạt động

trong môi trường nước dưới tác động của áp suất Thiết bị sử dụng

các cảm biến để đo áp suất và được vận hành thông qua máy tính

điều khiển Thiết bị giúp tiết kiệm chi phí, thời gian, nguồn nhân lực

trong việc tổ chức kiểm tra, đánh giá khả năng kín nước cũng như

khả năng hoạt động của các thiết bị trong môi trường biển thực tế;

góp phần giúp giám định viên, thử nghiệm viên đánh giá chính xác

chất lượng của nhóm vũ khí trang bị hoạt động trong môi trường

nước; giúp các đơn vị trong Bộ Quốc phòng trong việc khai thác,

đảm bảo kỹ thuật cũng như đảm bảo an toàn cho cán bộ, chiến sỹ khi

sử dụng nhóm vũ khí trang bị này khi làm nhiệm vụ

Từ khóa: Kín nước; Tự động; Cảm biến; LabVIEW

I GIỚITHIỆU Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo

lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng có chức năng nhiệm vụ

trọng tâm là giám định, thẩm định, thử nghiệm chất lượng vũ

khí trang bị kỹ thuật, sản phẩm hàng hóa quốc phòng mua

sắm, nhập khẩu trong cho các đơn vị trong Quân đội

Hiện nay Trung tâm Giám định Chất lượng nói riêng và đa

số các cơ sơ đo lường - chất lượng khác nói chung chưa có

thiết bị kiểm tra, thử nghiệm khả năng kín nước cho các trang

bị chuyên dụng hoạt động ở các độ sâu khác nhau trong môi

trường nước Đây lại là nhóm hàng hóa rất phổ biến mà các

đơn vị như Quân chủng Hải quân, Bộ Tư lệnh Cảnh sát biển,

Binh chủng Đặc công mua sắm, nhập khẩu trong các năm gần

đây

Các thiết bị thử kín nước của một số đơn vị trong Quân đội

còn thô sơ, được điều khiển bằng tay, không có chế độ

seft-test kiểm tra tính chính xác và ổn định của các đồng hồ hoặc

cảm biến đo áp suất, cơ chế an toàn và bảo vệ cho thiết bị còn

hạn chế, có kích thước và khối lượng cồng kềnh không thể cơ

động được và đặc biệt quan trọng là tính năng thử nghiệm

không đáp ứng được các yêu cầu của các trang bị kỹ thuật mua

sắm, nhập khẩu của các đơn vị Trong quá trình thử nghiệm

thực tế khả năng kín nước của các nhóm trang bị này ở điều

kiện thực tế ở cửa sông, ngoài biển phụ thuộc nhiều vào nhiều

yếu tố như: thời tiết, vị trí, độ sâu thực tế và đặc biệt là chi phí

phục vụ thử nghiệm rất cao do phải huy động tàu, thuyền và

số lượng nhân lực lớn

Vấn đề cấp thiết đặt ra đối với Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng là phải

có một hệ thống (thiết bị) tạo được áp suất môi trường nước với độ sâu tương ứng để thử nghiệm khả năng kín nước kết hợp kiểm tra khả năng hoạt động của nhóm các vũ khí, trang

bị kỹ thuật khi hoạt động ở môi trường này để đảm bảo đánh giá chính xác về chất lượng của vũ khí trang bị, góp phần giúp đơn vị trong việc khai thác, đảm bảo kỹ thuật cho vũ khí trang

bị cũng như an toàn cho cán bộ chiến sỹ khi sử dụng nhóm các

vũ khí trang bị kỹ thuật này khi làm nhiệm vụ

Xuất phát từ tất cả những vấn đề đã phân tích ở trên, nhóm tác giả đã thực hiện sáng kiến cải tiến kỹ thuật “Thiết kế, chế tạo Thiết bị thử kín nước đến áp suất 0,7 MPa tương đương áp suất ở độ sâu 71,38 mH2O tại 4 oC”

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Trong phần

II, chúng tôi miêu tả giải pháp kỹ thuật Phần III đưa ra sơ đồ khối, phần mềm điều khiển của thiết bị Phần IV cung cấp kết quả của các phép đo đã áp dụng chương trình đề xuất Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V

II GIẢIPHÁPKỸTHUẬT Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 tạo ra môi trường

áp suất nước đến 0,7 MPa (tương đương với áp suất ở độ sâu 71,38 mH2O tại 4 oC) để thử nghiệm khả năng kín nước kết hợp kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước dưới tác động của áp suất

Nguyên lý áp suất chất lỏng:

Áp suất thực tế trong môi trường chất lỏng tại điểm (t), có

độ sâu h1:

Ptương đối = ρ.g.h Trong đó:

ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng [kg/m3]

g : Gia tốc trọng trường [m/s2]

h : Chiều cao cột chất lỏng tính từ điểm (t) đến mặt thoáng [m]

Ta có khối lượng riêng của nước là 1.000 kg/m3 tại 4 oC, gia tốc trọng trường theo giá trị tiêu chuẩn bằng 9,8066 m/s2

Từ đó, ta có bảng tính toán giữa áp suất tương đối và độ sâu

trong môi trường nước tại 4 oC như sau:

TT Áp suất tương đối trong môi trường nước tại 4 Độ sâu cột nước o C tương ứng

1 0,1 MPa = 100.000 Pa 10,1972 m

2 0,2 MPa = 200.000 Pa 20,3944 m

3 0,3 MPa = 300.000 Pa 30,5916 m

4 0,4 MPa = 400.000 Pa 40,7888 m

5 0,5 MPa = 500.000 Pa 50,9860 m

6 0,6 MPa = 600.000 Pa 61,1832 m

7 0,7 MPa = 700.000 Pa 71,3804 m

Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 mô phỏng lại áp suất

tương đối trong môi trường nước để kiểm tra khả năng kín

nước của thiết bị trong bình thử nghiệm theo giải pháp như sau:

Theo định luật Pascal: Áp suất chất lỏng do ngoại lực tác

dụng lên mặt thoáng được truyền nguyên vẹn tới mọi điểm

trong lòng chất lỏng;

Vận dụng định luật Pascal, trong bình thử nghiệm của Thiết

bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 gồm có hai môi chất là nước

và không khí, khi nén phần khí ở trong bình làm tăng áp suất

khí trong bình đến P khí BTN, khi đó áp suất tại đáy bình sẽ được

xác định theo công thức:

P tại đáy BTN = P khí BTN + ρ1.g.h1

Trong đó:

ρ1 : Khối lượng riêng của chất lỏng trong bình thử nghiệm [kg/m3]

g : Gia tốc trọng trường [m/s2]

h1 : Chiều cao cột nước tính từ mặt thoáng đến đáy bình thử

nghiệm [m]

Áp suất tạo ra tại đáy bình thử nghiệm (P tại đáy BTN) của

Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 chính là áp suất tương

đối trong môi trường nước cần mô phỏng để kiểm tra khả năng

kín nước của các thiết bị

Môi chất sử dụng trong bình thử nghiệm của thiết bị thử kín

nước TKN-GĐCL-19 là nước tinh khiết (khối lượng riêng xấp

xỉ bằng 1.000 kg/m3 ) và không khí Cột nước tinh khiết trong

bình thử nghiệm cóchiều cao là 0,5 m và lấy gia tốc trọng

trường bằng 9,8066 m/s2 nên áp suất tạo ra của cột nước được

tính như sau:

Áp suất của cột nước trong bình thử nghiệm là rất nhỏ nên

có thể lấy xấp xỉ áp suất tại đáy bình thử nghiệm bằng áp suất

khí trong bình thử nghiệm:

Ptại đáy BTN ≈ Pkhí BTN

Để mô phỏng lại áp suất tương đối trong môi trường nước

trong bình thử nghiệm, Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19

sử dụng máy nén khí để tạo áp suất khí trong bình thử nghiệm

đến áp suất mong muốn, lắp ráp các cảm biến và đồng hồ đo

áp suất tương đối để đo áp suất trong bình thử nghiệm

Sử dụng ngôn ngữ lập trình Labview xây dựng phần mềm

thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu từ các cảm biến áp suất (sử

dụng các thuật toán bù độ lệch theo các hàm fit đã khảo sát),

kết hợp kỹ thuật vi xử lý giúp thiết bị hoạt động có độ ổn định

cao, đảm bảo tính chính xác cho phép đo áp suất đồng thời

điều khiển tự động quá trình tăng, giảm áp suất trong bình thử

nghiệm

III SƠĐỒKHỐI,CHẾĐỘHOẠTĐỘNG,PHẦNMỀM

ĐIỀUKHIỂN

1 Sơ đồ khối của thiết bị

V 2

V 1

V 4

V 5

S 1

P 1

P

S i

Ghi chú:

BT: Bình thử B: Nút chặn khí P: Máy nén khí

S i : Nút giảm thanh

S 1,2 : Cảm biến áp suất

S 1',2' : Cảm biến áp suất (tuỳ chọn thêm)

V 1 : Van an toàn

V 2 : Van thoát nước

V 3 : Van nạp/thoát khí

V 4,7 : Van điện từ 3/2

V 5 : Van một chiều khí nén

V 6 : Van điều áp

P 1 : Đồng hồ kim đo áp suất khí nén

BT

S 1'

V 3

V 7

B

V 6

1 2 1

2 3

S 2 S 2'

Hình 1 Sơ đồ khối bình thử nghiệm áp suất nước

Máy tính có chương trình điều khiển

12 VDC

24 VDC

220 VAC

12 VDC

Máy nén khí P Khởi động từ

220 V/50 Hz

Van điện từ 3/2

V 4 , V 7

Nguồn một chiều (+ 12 V, + 24 V)

Nguồn xoay chiều

220 V/50 Hz

10 bit

Hệ thống chuyển mạch Relay NO-NC

Vi xử lý

Bo mạch Arduino

ADC

Bo mạch Arduino

Ghi chú:

Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Nguồn cung cấp

Cảm biến áp suất

S 1 ,S 1' ,S 2 ,S 2'

LabVIEW Mức cao

Hình 2 Sơ đồ thiết bị - Phần điều khiển

Thiết bị bao gồm các khối cơ bản sau:

- Máy tính điều khiển;

- Vi mạch điều khiển, hệ thống van khí (được tích hợp trong vali kỹ thuật);

- Bình thử nghiệm;

- Máy nén khí

2 Chế độ hoạt động của thiết bị

Thiết bị có 03 chế độ làm việc được điều khiển từ phần

mềm được cài đặt trong máy tính:

- Chế độ tự kiểm tra Self-Test;

- Chế độ thử nghiệm thủ công Manual;

- Chế độ thử nghiệm tự động Auto

Đối tượng thử nghiệm (Equipment under Test - EUT) là các thiết bị hoạt động trong môi trường nước, cần đánh giá kiểm tra sự kín nước cũng như khả năng hoạt động trong môi

trường nước dưới tác động của áp suất

Các bước kiểm tra, thử nghiệm kín nước gồm 04 bước: Bước 1: Thử nghiệm viên kiểm tra EUT trước khi thử

nghiệm gồm: Kiểm tra ngoại quan, tình trạng bên ngoài (bao gồm sự kín khít của thiết bị); sau đó thông điện kiểm tra khả năng hoạt động của thiết bị (ghi lại các thông số kiểm tra nếu

cần thiết);

Bước 2: Thử nghiệm viên kiểm tra thiết bị thử kín nước

TKN-GĐCL-19 trước khi thử nghiệm bao gồm đánh giá khả năng hoạt động của toàn bộ thiết bị đồng bộ thuộc hệ thống,

tính chính xác của các cảm biến đo áp suất, khả năng điều

khiển của phần mềm (Chế độ Seft- Test);

Trước mỗi một lần thử, Chế độ Seft-Test có vai trò quan

trọng, đặc biệt đối với đặc thù thiết bị phải thường xuyên di

chuyển, chế độ này giúp thử nghiệm viên đánh giá nhanh khả

năng hoạt động của thiết bị, cụ thể như sau:

- Kiểm tra độ ổn định và tính chính xác của các cảm biến

đo áp suất: Các cảm biến được sử dụng đều phải đảm bảo độ

ổn định và độ chính xác Quá trình Seft-Test đưa ra đồ thị đặc

tuyến áp suất theo thời gian của các cảm biến, nhờ đó giúp thử

nghiệm viên đánh giá được tính ổn định của các cảm biến theo

thời gian (trường hợp đối chiếu đặc tuyến của các cảm biến,

một trong các cảm biến có giá trị tăng/giảm bất thường so với

các cảm biến khác thì thử nghiệm viên có thể đánh giá cảm

biến đó đang không bình thường so với các cảm biến khác)

Về độ chính xác của các cảm biến, thiết bị được trang bị một

đồng hồ kim đo áp suất, đảm bảo độ chính xác và có hiệu lực

kiểm định/hiệu chuẩn giúp thử nghiệm viên có thể đối chiếu

trực tiếp giá trị hiển thị trên các cảm biến và trên đồng hồ kim;

- Kiểm tra khả năng hoạt động của phần mềm điều khiển,

hoạt động của máy nén khí (bằng việc điều khiển bật/tắt máy

nén khí) và các thiết bị đồng bộ khác (kiểm tra việc đóng/mở

của các van điện từ khí nén 3/2, kiểm tra ngõ thoát khí )

Bước 3: Sau khi đã đánh giá được khả năng hoạt động của

thiết bị, thử nghiệm viên đưa EUT vào trong bình thử nghiệm,

vận hành thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 tạo áp suất

trong bình thử nghiệm thông qua phần mềm điều khiển được

cài đặt trong máy tính Thử nghiệm viên có thể chọn hai chế

độ thử nghiệm:

Thử nghiệm tự động Auto: Thử nghiệm viên thiết lập chu

trình tăng, giảm áp (mức áp suất thử nghiệm, thời gian thử

nghiệm, các bước tăng/giảm áp suất, thời gian nghỉ giữa các

bước tăng/giảm áp suất) trong bình thử nghiệm trên phần mềm

điều khiển Quá trình tăng, giảm áp trong bình thử nghiệm

được thực hiện hoàn toàn tự động bởi phần mềm điều khiển

theo chu trình đã định sẵn do thử nghiệm viên thiết lập

Thử nghiệm thủ công Manual: Đối với trường hợp thử

nghiệm phức tạp như các bước tăng/giảm áp, thời gian nghỉ

giữa các bước không tuân theo một quy luật tuần hoàn vì vậy

quá trình thử nghiệm tự động không thể đáp ứng được, do đó

chế độ thử nghiệm thủ công là cần thiết Khi đó, quá trình

tăng/giảm áp trong bình thử nghiệm được điều khiển bởi thử

nghiệm viên bằng các núm, nút mềm trên phần mềm điều

khiển;

Bước 4: Thử nghiệm viên kiểm tra EUT sau khi kết thúc

thử nghiệm, đánh giá lại khả năng hoạt động, sự kín khít của

thiết bị

Đối với mỗi EUT khác nhau thì phương pháp đánh giá,

kiểm tra khả năng hoạt động và sự kín khít của từng thiết bị sẽ

khác nhau

3 Phần mềm điều khiển

Trong mục này sẽ mô tả chi tiết về phần mềm điều khiển thiết bị với 3 chế độ hoạt động: Chế độ tự kiểm tra Self-Test, chế độ thử nghiệm thủ công Manual, chế độ thử nghiệm tự

động Auto Giao diện chính được chia ra làm 6 phần:

- Phần 1: Thông tin chung về phần mềm, nhóm tác giả

thực hiện;

- Phần 2: Thông tin về EUT: tên gọi, ký hiệu, số hiệu, hãng

sản xuất/đơn vị sản xuất, xuất xứ, năm sản xuất;

- Phần 3: Cấu hình phép thử bao gồm: Cấu hình lựa chọn cảm biến áp suất; chọn địa chỉ giao tiếp với Arduino; thiết lập mức áp suất thử (Plimit); địa chỉ file báo cáo mẫu;

- Phần 4: Chế độ tự kiểm tra thiết bị Self-Test, khi bấm vào nút thử trong mục này, phần mềm sẽ chuyển sang giao diện Self-Test (chi tiết xem mục 4.4.1) Sau khi Self-Test được thực hiện, chương trình sẽ về giao diện chính và tại mục

Self-Test sẽ có đồ thị áp suất như trong Hình 3;

- Phần 5: Chế độ thủ công/tự động Manual/Auto, khi bấm vào nút thử trong mục này, phần mềm sẽ chuyển sang giao diện Manual hoặc Auto (chi tiết xem mục 4.4.2 và mục 4.4.3) Kết thúc quá trình thử, chương trình sẽ về giao diện chính và

tại mục này sẽ có đồ thị áp suất như trong Hình 3;

- Phần 6: Phím LƯU&DỪNG có chức năng lập báo cáo

căn cứ theo các đồ thị thử nghiệm được tạo ra ở Phần 5 Sau

đó, kết thúc chương trình

Hình 3 Giao diện chính của phần mềm điều khiển

4 Lưu đồ thuật toán

Lưu đồ thuật toán được nêu trong Hình 4

Trong chế độ tự kiểm tra thiết bị Self-Test, các cảm biến

sẽ gửi tín hiệu liên tục về bo mạch Arduino qua các kênh A2, A3, A4, A5 (tương ứng với mỗi kênh là 1 cảm biến áp suất, thiết bị hỗ trợ tối đa 4 cảm biến – cấu hình tối thiểu là 1 cảm biến áp suất nước, 1 cảm biến áp suất khí; cấu hình tối đa là

2 cảm biến áp suất nước, 2 cảm biến áp suất khí), với tần số

15 lần lấy mẫu cho một lần hiển thị giá trị, giá trị điện áp thu thập từ cảm biến được tính trung bình, sau đó bằng thuật toán nội suy (theo công bố của nhà sản xuất cảm biến) phần mềm sẽ quy đổi từ giá trị điện áp sang giá trị áp suất Bơm khí vào bình để giá trị đo áp suất của các cảm biến nằm trong dải 0,4 MPa ± 10 %, duy trì độ ổn định áp suất trong bình trong khoảng 5 phút Vẽ đồ thị đặc tuyến áp suất theo thời

gian của các cảm biến, đối chiếu đường đặc tuyến của các

cảm biến với nhau để đánh giá tính ổn định của các cảm biến

Bắt đầu

- Nhập thông tin đối tượng thử nghiệm;

- Nhập giới hạn áp suất thử P lim ;

- Khai báo địa chỉ bo mạch Arduino;

- Khai báo thông tin các cảm biến: Lựa chọn số

lượng cảm biến sử dung, file hệ số bù;

- Cấu hình cho chế độ tự động: Bước tăng/giảm

P step ; thời gian nghỉ giữa các bước.

Tự kiểm tra

Self- Test

Thử nghiệm

thủ công

Thử nghiệm

tự động

Lưu trữ

Kết thúc

Đọc dữ liệu analog (1-5 V) thu thập từ các cảm biến qua 4 kênh A2, A3, A4, A5 của bo mạch Arduino

Lấy giá trị trung bình 15 lần lấy mẫu

từ các kênh A2, A3, A4, A5 Chuyển đổi từ sang áp suất (MPa)

Bù áp suất theo

bộ tham số áp suất được hiệu chuẩn

Lấy giá trị trung bình

đo áp suất

P tb

0,36 MPa <P tb

Mở van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Kích hoạt máy nén khí hoạt động*

0,44 MPa >P tb Ngắt máy

nén khí hoạt động*

Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Mở van xả thử*

Ngắt máy nén khí hoạt động*

Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Đóng van

xả khí từ bình thử*

Đóng van

xả khí từ bình thử*

Đếm thời Delta T

Delta T < 5 min

Dừng quá

Test, đưa

kết quả

Self-Test

dạng đồ

thị ra

trang bìa

của phần

mềm

Đúng

Sai

Đúng

Sai

Ghi chú:

* Thử nghiệm viên đóng/mở máy nén khí, các van điện bằng nút trên phần mềm;

** Số bước tăng/giảm áp suất, được tính N =Z(Plim /P step )

Đọc dữ liệu analog (1-5 V) thu thập từ các cảm biến qua 4 kênh A2, A3, A4, A5 của bo mạch Arduino

Đúng Sai

Lấy giá trị trung bình 15 lần lấy mẫu

từ các kênh A2, A3, A4, A5 Chuyển đổi từ sang áp suất (MPa)

Bù áp suất theo

bộ tham số áp suất được hiệu chuẩn

Lấy giá trị trung bình

đo áp suất

P tb

P lim < P tb

Mở van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Kích hoạt máy nén khí hoạt động*

1,03P lim > P tb Ngắt máy

nén khí hoạt động*

Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Mở van xả thử*

Ngắt máy nén khí hoạt động*

Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử*

Đóng van

xả khí từ bình thử*

Đóng van

xả khí từ bình thử*

Đếm thời gian thử Delta T’

Đúng

Đúng Sai

Sai

Sai

Sai Đúng

Đúng

Đúng

Nhấn “Dừng”

thủ công

Dừng và

lưu đồ thị

tạo áp suất

thử

Đúng Sai

Sai Đúng

Đúng

Sai

Sai

Xuất dữ liệu ra Báo

cáo thử nghiệm dạng

file word

Xác định số bước N** i:=1

i = N

Thực hiện chu trình

tăng áp đến các mức

iP step và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập

Sai

Thực hiện chu trình tăng áp đến mức P lim

và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập i:=i+1

i':=1

i' = N

Thực hiện chu trình

giảm áp đến các mức

i'P step và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập

i':=i'+1

Xả khí cho đến khi Ptb = 0,001 MPa Dừng và

lưu đồ thị tạo áp suất thử

Đúng

Hình 4 Lưu đồ thuật toán của chương trình

Trường hợp có một trong số các cảm biến đưa ra giá trị có

biến động lớn thì cần phải xem xét kỹ lưỡng lại cảm biến đó vì

rất có thể cảm biến đó gặp vấn đề Đối chiếu giá trị hiển thị

của các cảm biến với giá trị hiển thị trên đồng hồ chuẩn P đo

áp suất dạng kim để đánh giá độ chính xác của các cảm biến

đo áp suất Ở chế độ tự kiểm tra thiết bị Self Test, việc điều

khiển các thao tác bật/tắt máy nén khí, đóng/mở van điện từ

được thực hiện bởi thử nghiệm viên;

- Trong chế độ thủ công, quy trình thu thập dữ liệu từ cảm

biến đưa về xử lý tương tự như trong chế độ tự kiểm tra

Self-Test Ở chế độ thử này, việc điều khiển các thao tác bật/tắt

máy nén khí, đóng/mở van điện từ được thực hiện bởi thử

nghiệm viên;

- Trong chế độ tự động, quy trình thu thập dữ liệu từ cảm

biến đưa về xử lý tương tự như trong chế độ tự kiểm tra Self

Test và chế độ thủ công Ở chế độ thử này, việc điều khiển các

thao tác bật/tắt máy nén khí, đóng/mở van điện từ được thực

hiện bởi phần mềm So sánh giá trị Ptb với dải giá trị quy định

thử từ Plim đến Plim + 3 % Nếu Ptb nằm trong dải thì dừng việc

bơm khí vào bình thử, và duy trì áp suất trong khoảng thời gian đã được thiết lập trước khi thử, rồi tiến hành xả khí theo chu trình đã thiết lập ban đầu Nếu Ptb nằm ngoài dải nêu trên, thì phần mềm sẽ tự tối ưu điều chỉnh các van điện từ và máy nén khí như được nêu trong lưu đồ thuật toán

Chú ý:

- Như sơ đồ đã nêu ở Hình 1, thiết bị hỗ trợ tối đa 4 cảm biến áp suất đặt tại các vị trí khác nhau, trong đó tối đa là 2 vị trí đo áp suất khí (được ký hiệu là S1 và S1’), 2 vị trí đo áp suất nước (được ký hiệu là S2 và S2’) và tối thiểu là 1 vị trí đo áp suất khí (S1), 1 vị trí đo áp suất nước (S2) Trong chế độ thử thủ công và chế độ thử tự động, chỉ hiển thị 2 giá trị đo, 1 là giá trị đo áp suất nước và 1 là giá trị đo áp suất khí, khi đó nếu

có nhóm cảm biến (nhóm đo áp suất nước và nhóm đo áp suất khí) có 2 cảm biến thì giá trị hiển thị là giá trị trung bình cộng của 2 cảm biến, nếu có nhóm nào chỉ có 1 cảm biến thì giá trị hiển thị là giá trị của riêng cảm biến đó

- Giá trị Ptb là giá trị được lấy theo trung bình cộng của các cảm biến đo áp suất khí hoặc nước (việc lựa chọn lấy áp suất khí hay áp suất nước làm căn cứ so sánh tuỳ thuộc vào thử nghiệm viên và có thể đặt được trong phần thiết lập của phần mềm; ở chế độ mặc định Ptb lấy căn cứ theo áp suất trung bình khí) Trường hợp chỉ có 1 cảm biến đo áp suất thì Ptb là giá trị hiển thị của cảm biến áp suất đó

5 Chế độ kiểm tra Self-Test

Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ tự kiểm tra Self-Test được mô tả trong Hình 5 và Hình 6 Góc bên trái gồm có 3 phím mềm để điều khiển quá trình tăng/giảm áp suất; phía dưới vị trí 3 phím mềm là phím “Dừng thử” để kết thúc quá trình tự kiểm tra Self-Test Ở giữa là 4 đồng hồ hiển thị giá trị áp suất, ở vị trí trên là 2 đồng hồ đo áp suất khí và ở

vị trí dưới là 2 đồng hồ đo áp suất nước Bên trong các đồng

hồ kim có 1 đồng hồ hiển thị số với giá trị hiển thị đến 3 số sau dấu phảy Ngoài cùng bên phải là đồ thị thể hiện đường đặc tuyến áp suất (MPa) theo thời gian (s) Với đồ thị này, thử nghiệm viên có thể dễ dàng quan sát đồng thời tối đa 4 kênh tín hiệu đo áp suất và đánh giá được độ ổn định của các kênh

đo áp suất

Hình 5 Giao diện người dùng chế độ tự kiểm tra Self-Test

Hình 6 Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ tự kiểm tra Self-Test

6 Chế độ thử nghiệm thủ công

Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ thử

nghiệm thủ công được mô tả trong Hình 7 và Hình 8 Giao

diện trong phần thử nghiệm thủ công tương tự như trong phần

tự kiểm tra Self-Test Có một số điểm khác như sau:

- Xuất hiện thêm cột độ sâu nước được quy đổi tương

đương từ đại lượng áp suất Thang đo của cột độ sâu nước đến

80 m;

- Có 2 đồng hồ đo giá trị áp suất Ở vị trí trên là đồng hồ

đo áp suất khí, trong trường hợp sử dụng 2 cảm biến, giá trị

hiển thị trong đồng hồ sẽ là giá trị trung bình của 2 cảm biến

Ở vị trí dưới là đồng hồ đo áp suất nước, tương tự như đồng

hồ đo áp suất khí, trong trường hợp sử dụng 2 cảm biến, giá trị

hiển thị trong đồng hồ sẽ là giá trị trung bình của 2 cảm biến

Dải đo của các đồng hồ được thiết lập đến 1 MPa

Hình 7 Giao diện người dùng chế độ thử nghiệm thủ công

Hình 8 Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ thử

nghiệm thủ công

7 Chế độ thử nghiệm tự động

Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ thử nghiệm tự động được mô tả trong Hình 9 và Hình 10 Tương

tự như giao diện bên chế độ kiểm tra thủ công Trong giao diện chế độ kiểm tra tự động, các phím mềm điều khiển không xuất hiện vì các quá trình tăng/giảm áp đã được thiết lập tự động Chỉ còn lại phím “Dừng thử”, sử dụng khi đang trong quá trình thử gặp một sự cố nào đó mà cần tắt chương trình khẩn cấp

Hình 9 Giao diện người dùng chế độ thử nghiệm tự động

Hình 10 Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ thử

nghiệm tự động

8 Phần lưu trữ dữ liệu thử nghiệm

Kết thúc quá trình thử nghiệm, phần mềm điều khiển sẽ xuất báo cáo thử nghiệm dưới dạng file word, thuận lợi cho việc lưu trữ và in ấn

IV KẾTQUẢ Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 đã được kiểm định

an toàn và kiểm tra kỹ thuật đo lường, kết quả kiểm tra đáp ứng được các yêu cầu theo quy định

Hiệu quả đã đạt được của sáng kiến cải tiến kỹ thuật:

- Giải quyết được vấn đề về thử nghiệm khả năng kín nước cũng như khả năng làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước đến 70 m, chủ yếu là nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái

- Tiết kiệm kinh tế, thời gian, nguồn nhân lực, đảm bảo an toàn trong việc tổ chức triển khai nghiệm thu, kiểm tra khả năng kín nước cũng như khả năng hoạt động của các thiết bị trong môi trường nước

- Góp phần giúp giám định viên, thử nghiệm viên đánh giá chính xác chất lượng của nhóm vũ khí trang bị hoạt động trong môi trường nước; giúp đơn vị trong việc khai thác, đảm bảo kỹ thuật cũng như an toàn cho cán bộ, chiến sỹ khi sử dụng nhóm vũ khí trang bị này khi làm nhiệm vụ

Hình 11 – Hình ảnh thực tế của thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19

V KẾT LUẬN Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 đang trong quá trình hoàn thiện hơn và hiện đã được áp dụng trong công tác kiểm tra, giám định, thử nghiệm chất lượng tại Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng Thiết bị đã giải quyết được vấn đề thử nghiệm khả năng kín nước cũng như khả năng làm việc của các thiết

bị hoạt động trong môi trường nước đến 70 m, chủ yếu là nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái

Sáng kiến đã được Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng đánh giá cao và được đề xuất đưa vào sản xuất để trang bị cho các đơn vị trong Quân đội

Giám Sát Định Vị, Bản Đồ Hóa và Điều Hướng Cho Robot Tự Hành Đa Hướng Sử

Dụng Hệ Điều Hành Lập Trình ROS

Ngô Mạnh Tiến 1 , Nguyễn Mạnh Cường 2 , Hà Thị Kim Duyên 3 , Phan Sỹ Thuần 4 , Nguyễn Ngọc Hải 5 , Trần Văn

Hoàng 6 , Nguyễn Văn Dũng 7 1,2 Viện Vật Lý- Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; 3,4,5,6 ĐH Công nghiệp Hà Nội; 7 CĐN Công nghệ cao Hà Nội Email: 1nmtien@iop.vast.ac.vn, 2manhcuong313.ng@gmail.com 3ha.duyen@haui.edu.vn, 4phansythuan1998@gmail.com,

5ngochai23101998@gmail.com, 6Paulhoang98.tvh@gmail.com, 7dungnv@hht.edu.vn

(SLAM - Simultaneous Localization and Mapping) và điều

hướng (Navigation) cho chuyển động của robot tự hành đa

hướng trên nền tảng hệ điều hành lập trình cho robot - ROS

(Robot Operating System) Mô hình robot tự hành sử dụng

trong bài báo là mô hình Robot Omni 4 bánh, với bộ xử lý hiệu

năng cao Jetson TX2 làm nhiệm vụ xử lý trung tâm kết hợp với

Astra camera Kết quả giám sát bản đồ, định vị và điều hướng

robot được xây dựng dựa trên dữ liệu thu được từ depth

camera và Laser Scan (Lindar) trong quá trình chuyển động

của robot được tiến hành bằng mô phỏng dựa trên phần mềm

GAZEBO, giám sát trên phần mềm RVIZ của ROS và thực

nghiệm thực tế Các kết quả đạt được cho thấy hiệu quả trong

hướng nghiên cứu sử dụng ROS cho việc điều khiển và giám

sát robot tự hành, xe tự lái cũng như phát triển các hệ thống

robot thông minh

Keywords - ROS, GAZEBO, RVIZ, SLAM, Omni Robot,

Navigation

I GIỚITHIỆU Trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp lần thứ tư, nhu

cầu sử dụng robot cho công việc phức tạp thay thế cho con

người càng lớn, một robot tự hành là một hệ tự trị, có khả

năng lấy thông tin về môi trường của nó và làm việc trong

một thời gian dài mà không có sự can thiệp của con người

và để tránh các tình huống có hại cho môi trường hoặc chính

nó

Nghiên cứu, chế tạo và phát triển các robot tự hành, xe tự

hành không người lái đang là một hướng nghiên cứu tập

trung của các nhà khoa học, công nghệ trên thế giới Với

việc phát triển nhanh của công nghệ xử lý tốc độ cao cũng

như lưu trữ data dung lượng lớn, cộng với khả năng kết nối

vạn vật, các robot tự hành, xe tự hành ngày càng trở lên

thông minh hơn Dựa trên các công cụ phần cứng mạnh,

robot giờ đây ứng dụng nhiều các hệ cảm biến mắt máy

(camera 3D), cảm biến quét laser, Lindar, IMU, và đặc biệt

là ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào việc nhận dạng, nhận biết,

và điều hướng thông qua các cảm biến đó Với các công cụ,

phần mềm lập trình truyền thống, việc xử lý đa tác vụ, nhiều

loại dữ liệu và dung lượng cao như thế là rất khó khăn, và

ROS là hệ điều hành lập trình chuyên dụng cho robot giải

quyết được vấn đề này ROS hiện nay được sử dụng rộng rãi

và gần như là tối ưu cho việc xây dựng hệ thống điều khiển

cho các loại robot, robot tự hành, và xe tự lái trên thế giới

như [1], [2] và [3]

Trong quá trình thiết kế lập trình điều khiển cho robot tự

hành thì việc mô phỏng là rất quan trọng để tiến hành thử

nghiệm các hoạt động của phần mềm, hoạt động, các hệ

thống truyền động, di chuyển cũng như hành vi của robot để tối ưu thiết kế Đó cũng là một vấn đề khó khăn mà người chế tạo, thiết kế điều khiển robot tự hành gặp phải, nhưng nhờ có ROS mà vấn đề này trở nên đơn giản hơn

ROS đã tích hợp các phần mềm hỗ trợ GAZEBO và RVIZ cho phép mô phỏng và giám sát quá trình hoạt động của robot Bên cạnh đó, môi trường xung quanh cũng có thể thay đổi phục vụ cho việc thử nghiệm ở môi trường khác nhau Nhờ đó chúng ta có thể trực tiếp giám sát những hoạt động và thích nghi của robot với sự thay đổi môi trường

Đã có một số công trình công bố liên quan đến ứng dụng ROS trong việc bản đồ hóa, điều hướng cho robot tự hành [4], [5] Việc ứng dụng ROS vào các bài toán điều khiển, giám sát robot, robot tự hành, xe tự lái [6], [7] hiện đang được một số Viện nghiên cứu, trường Đại học triển khai tập trung SLAM là nhiệm vụ quan trọng, quyết định đến chất lượng của robot, xe tự hành [2], [9], [12] Đây là phương pháp cho phép định vị, tạo bản đồ với những vật cản xung quanh trong môi trường không xác định thông qua dữ liệu nhận từ cảm biến như Lidar, Camera, IMU Việc ứng dụng ROS cho SLAM cho robot tự hành [10], [11] các công bố dựa trên robot có sẵn và kết quả cũng rất khả quan

Trong bài báo này trình bày về thiết kế phần cứng và mô hình 3D của một robot sử dụng Omni 4 bánh và tiến hành xây dựng bản đồ, định vị và điều hướng robot trên mô hình

đó Trong phần II, cấu trúc phần cứng mô hình thực tế của robot được xây dựng hoàn chỉnh để tiến hành thực nghiệm Trong phần III, là quá trình triển khai mô phỏng và chạy thực nghiệm robot SLAM, điều hướng và lấy bản đồ địa hình thực

tế trên ROS với hai phần mềm chính GAZEBO và RVIZ Cuối cùng, các kết luận về các kết quả nghiên cứu được đưa trong phần IV, V

II CẤU TRÚC PHẦN CỨNG ROBOT

A Cấu trúc cơ khí truyền động Omni robot với 4 bánh xe đa hướng cách nhau 900 về góc Các trục tọa độ được gắn vào các bánh xe omni đa hướng cụ thể như trong hình H1:

H 1 Omni Robot 4 bánh và mẫu bánh Omni và cấu trúc bánh

Omni đa hướng

Bánh xe Omni còn có tên gọi là bánh xe Mecanum, nó

được chế tạo bằng cách thêm các bánh xe nhỏ dọc theo chu

vi của bánh chính (như trên H.1) Do đó bánh xe Omni có

thể trượt dọc theo trục của động cơ và trượt theo chiều

ngang (phụ thuộc vào chuyển động của các bánh còn lại)

Kết hợp hai chuyển động này (cộng vector) thì bánh Omni

có thể di chuyển theo mọi hướng trong khi vẫn giữ được

hướng của đầu robot không đổi trong quá trình di chuyển

Bánh xe Omni đã trở lên rất thông dụng trong robot tự hành

vì nó cho phép robot di chuyển ngay đến một vị trí trên mặt

phẳng mà không phải quay trước Hơn nữa, chuyển động

tịnh tiến dọc theo một quỹ đạo thẳng có thể kết hợp với

chuyển động quay làm cho robot di chuyển tới vị trí mong

muốn với góc định hướng chính xác

H 2 Thiết kế cơ khí của Omni Robot bốn bánh

H 3 Mô tả cách di chuyển của robot

B Cấu trúc bộ phận điều khiển

Cấu trúc phần cứng được sử dụng:

+ Máy tính nhúng Jetson-TX2 với cai trò xử lý trung tâm, là

bộ xử lý hiệu năng cao chuyên dụng cho các xử lý trí tuệ

nhận tạo (AI), Deep Learning, nó thu tập các tín hiệu từ các

cảm biến, astra camera, Lindar, IMU và xử lý và gửi các tín

hiệu đặt cho mạch điều khiển

+ Astra camera có độ phân giải hình ảnh RGB lên đến 1280

x 720 @ 30 khung hình / giây, độ sâu hình ảnh Res lên đến

640 x 480 @ 30 khung hình / giây sẽ được sử dụng như mắt của robot để thu hình ảnh từ môi trường một cách rõ nét và chân thực nhất, sau đó sẽ được xây dựng thành bản đồ ảo + RPLindar là bộ quét laser, kết hợp với Camera 3D Astra

sẽ đưa về tín hiệu GAZEBO và RVIZ dựng bản đồ 2D và 3D địa hình hoạt động của robot

+ Mạch điều khiển STM32 sẽ là bộ phận nhận tín hiệu điều khiển từ Jetson-Tx2 rồi trực tiếp điều khiển tín hiệu đến mạch cầu MOSFET

+ Mạch cầu H sử dụng các MOSFET là mạch công suất điều khiển các động cơ servo 4 bánh di chuyển

+ Modul bluetooth để thu tín hiệu điều khiển từ điện thoại di động khi muốn điều khiển trực tiếp

H 4 Sơ đồ cấu trúc phần cứng

III HỆ ĐIỀU HÀNH LẬP TRÌNH CHO ROBOT ROS ROS là một hệ điều hành chuyên dụng để lập trình và điều khiển robot được nghiên cứu và phát triển tại đại học Stantford từ năm 2007 ROS bao gồm các công cụ, thư viện khổng lồ và cho phép sử dụng nhiều loại ngôn ngữ lập trình như C++, python giúp người dùng dễ dàng triển khai, xây dựng sản phẩm của mình

H 5 cấu trúc chương trình của ROS

Cấu trúc của ROS được phát triển thông qua các node, các node được đóng gói trong các packages khác nhau theo từng nhiệm vụ Hoạt động giao tiếp giữa các node dưới dạng chủ

đề, tin nhắn, dịch vụ được minh họa trong H.5

A SLAM

SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) là công nghệ để xây dựng bản đồ môi trường ứng dụng trong công

nghệ xe tự hành SLAM xây dựng bản đồ bằng cách thu

nhận tín hiệu của các cảm biến gắn trên robot như Lidar,

Camera, IMU và ước tính tư thế bằng các phương pháp bộ

lọc Kalman, bản địa hóa Markov, bản địa hóa Monte Carlo

Để thực hiện SLAM, chúng tôi sử dụng gói Hector slam

cho omni robot Bằng việc thu các dữ liệu từ RPLidar, Astra

camera và chyển đổi Deep to Laser với cấu trúc các phần

như H.6

H 6 Sơ đồ tín hiệu xây dựng bản đồ, định vị và điều hướng

robot

B.GAZEBO and RVIZ

Gazebo là một công cụ mạnh mẽ của ROS giúp người thiết

kế có thể tạo ra mô hình mô phỏng của cả robot cũng như

môi trường Việc này sẽ làm đơn giản hóa việc thử nghiệm

trong quá trình thiết kế robot Tuy nhiên để tạo ra một mô

hình robot và môi trường trong ROS chúng ta sẽ cần URDF

(Universal Robotic Decreption Format) URDF là một định

dạng tệp XML được sử dụng để có thể mô phỏng tất cả yếu

tố của một robot như cảm biến, camera, khớp nối…vv Để

robot hoạt động hiệu quả và chính xác, cần bổ xung các yếu

tố như ma sát, tư thế, quán tính và một số thuộc tính khác

[3] Việc thêm những yếu tố này giúp tệp URDF tương thích

với định dạng SDF (định dạng mô phỏng) của ROS Sau đó,

UDRF sẽ được chuyển sang định dạng SDF thông qua

GAZEBO Vậy nên GAZEBO hoàn toàn có thể mô phỏng

toàn bộ mô hình robot cũng như môi trường một cách hoàn

chỉnh

RVIZ là phần mềm hữu ích giúp giám sát trực tiếp, trực

quan ba chiều của các loại dữ liệu cảm biến và hoạt động

của robot RVIZ truy xuất được các tín hiệu được cung cấp

trong ROS, chẳng hạn như quét laser, IMU, GPS và hình

ảnh camera 3D Nó cũng sử dụng thông tin từ thư viện TF

để hiển thị các dữ liệu cảm biến trong khung tọa độ chung,

hiển thị trên không gian 3 chiều Trực quan hóa tất cả dữ

liệu của bạn trong cùng một ứng dụng không chỉ xem được

hết các thông tin mà còn cho phép bạn nhanh chóng xem

những gì robot của bạn nhìn thấy và xác định các vấn đề

như sai lệch cảm biến hoặc mô hình robot không chính xác

Việc hiển thị dữ liệu của cảm biến, laser, Camera 3D để trực

quan hóa khoảng cách từ cảm biến của Cảm biến khoảng

cách Laser (Laser scan) đến chướng ngại vật, dữ liệu đám

mây điểm (Point Cloud) của khoảng cách 3D cảm biến như RealSense, Kinect hoặc Astra camera, giá trị hình ảnh thu được từ máy ảnh mà không phải phát triển nhiều phần mềm riêng biệt Bằng cách hình dung những gì robot đang nhìn thấy, suy nghĩ và làm, người dùng dễ dàng phát triển và gỡ lỗi hệ thống cho robot và bộ điều khiển

IV KẾTQUẢ Trong phần thực nghiệm, chúng tôi thực nghiệm robot hoạt động trong một khu vực không biết trước Mục đích là để robot thực hiện điều hướng trong khu vực này đồng thời thu thập dữ liệu từ môi trường thông qua camera để từ đó xây dựng bản đồ hóa

ROS là công cụ được chúng tôi sử dụng trong việc xây dựng hệ thống điều hành robot ROS giúp người sử dụng dễ dàng kiểm soát robot và nhận nhiều thông tin cùng một lúc, đơn giản hóa việc lập trình, kết nối các bộ phận của robot với nhau Không những thế, trong ROS có những công cụ

hỗ trợ mạnh mẽ như GAZEBO, RVIZ giúp người dùng có thể mô phỏng hay giám sát robot

A Kết quả mô phỏng

H 7 Hình ảnh robot mô phỏng trên GAZEBO

Robot model được xây dựng dưới dạng tệp URDF là một định dạng tệp XML

H 8 Môi trường mô phỏng

Môi trường mô phỏng được xây dựng dựa trên môi

trường thực tế - 1 góc sảnh A2 viện Hàn Lâm Khoa Học

Việt Nam

H 9 Góc nhìn khác của môi trường mô phỏng

H 10 Hình ảnh robot trên Rviz thu được từ mô phỏng

H 11 Hình ảnh giám sát robot qua Rviz

Việc giám sát qua Rviz giúp người điều khiển dễ dàng

thấy dữ liệu robot thu được từ môi trường (H.11), đơn giản

hóa việc phát hiện và sửa lỗi

Đường màu đỏ chính là vật cản mà robot phát hiện khi

quét Scan Khu vực màu xám là khu vực trống mà robot có

thể di chuyển đến đó

B Kết quả thực nghiệm

Sau khi tiến hành mô phỏng và thu được kết quả khả

quan, chúng tôi tiến hành thiết kế robot thực nghiệm Điều

khiển robot trong môi trường không cho trước để xây dựng bản đồ địa hóa

H 12 Phối cảnh mô hình thực nghiệm robot

H 13 Mô hình xây dựng thực tế

H 14 Hình ảnh sảnh nhà A2 viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam

được lấy dữ liệu xây dựng bản đồ địa hóa