Tuy nhiên, robot ngày nay còn được ứng dụng trong nhiều công việc nguy hiểm độc hại khác nhau như các lọai robot cứu hộ, chữa cháy, quân sự, giám sát đường cống … Một ứng dụng cũng đã tr
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN
MÃ SỐ: SV2012-47
THUỘC NHÓM NGÀNH: KỸ THUẬT
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH
NGƯỜI CHỦ TRÌ: LÊ QUANG ĐẠO
NGƯỜI THAM GIA: NGUYỄN NGỌC AN
VŨ NGỌC TUYỂN ĐƠN VỊ: KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
TP HỒ CHÍ MINH – 11/2012
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CAMERA QUAN SÁT CHO ROBOT GIÁM SÁT ĐƯỜNG ỐNG THOÁT NƯỚC
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền khoa học kỹ thuật, khái niệm Robot từ khi xuất hiện lần đầu tiên năm 1920 trong vở kịch của Karel Čapek đã trở nên quen thuộc trong đời sống của con người Trong những thời kỳ phát triển ban đầu, phần lớn robot dùng để thay thế cho con người trong những công việc nặng nhọc trong công nghiệp Tuy nhiên, robot ngày nay còn được ứng dụng trong nhiều công việc nguy hiểm độc hại khác nhau như các lọai robot cứu hộ, chữa cháy, quân sự, giám sát đường cống … Một ứng dụng cũng đã trở nên dần phổ biến trong sự phát triển của các lọai robot nói trên là robot giám sát đường cống (sewer inspection robot)
Hiện nay tình hình ngập lụt vào mùa mưa ở TP Hồ Chí Minh nói riêng cũng như tại một số
đô thị lớn tại Việt Nam nói chung đã đặt ra một bài tóan lớn cho các nhà quản lý đô thị Thực trạng tình hình của các đọan cống ngầm hiện nay đang trong tình trạng như thế nào là một câu hỏi mà các nhà quản lý cần phải trả lời được để có thể đưa ra các giải pháp phù hợp nhất
Để có cơ sở dữ liệu về các đọan cống ngầm này việc chỉ sử dụng con người gần như là không thể, đặc biệt là đối với các đọan cống có đường kính 400-600mm mà những đọan cống này là tương đối nhiều Vì những lý do nêu trên, nên nhóm quyết định làm đề tài về robot giám sát đường cống
Phần lớn các robot giám sát đường cống hiện nay được sử dụng tại các nước là không phù hợp với điều kiện cống ở Việt Nam, hơn nữa chi phí vận hành và bảo trì tương đối cao, hơn nữa với quy mô của đồ án Truyền động thủy khí, nhóm tập trung thiết kế cơ khí cho robot giám sát đường cống nhằm tạo ra thiết kế cơ khí robot có khả năng di chuyển dễ dàng trong đường cống ở Việt Nam và phù hợp để phát triển các chức năng tự động cho robot
Thủ Đức, 26/11/2012
Trang 4MỤC LỤC
Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ trang 3
I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU trang 3
II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC trang 5 III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI trang 7
Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ trang 8
I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI trang 8
II NỘI DUNG trang 9
1 Truyền thông và chuẩn RS-485 trang 9
2 Thiết kế mạch điện trang 14
3 Lập trình điều khiển trang 18
Phần 3: KẾT LUẬN trang 20
Tài liệu tham khảo trang 22
Trang 5Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:
1/ Hiện trạng đường cống ở Việt Nam
Hiện nay, tình hình đô thị hóa đang diễn ra nhanh, kênh rạch và các vùng trũng bị san lấp dành cho xây dựng đô thị, quy hoạch về tiêu thoát nước không theo kịp với tốc độ phát triển của thành phố, vì vậy vấn đề ngập úng đang là bài toán bức xúc và nan giải của thành phố Thống kê của Bộ Xây dựng cho thấy: Hệ thống thoát nước tại các đô thị ở Việt Nam hiện bị xuống cấp rất nghiêm trọng, chỉ đáp ứng được 60% nhu cầu thoát nước Tình trạng úng ngập thường xuyên xảy ra trong thời gian dài, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đời sống nhân dân Hầu hết hệ thống thoát nước của các đô thị Việt Nam hiện tại được xây dựng từ nhiều năm trước, không được duy tu, bảo dưỡng thường xuyên Bên cạnh đó, ý thức của người dân về việc đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước trong khi xây dựng mới các công trình chưa được chú trọng, thậm chí nhiều công trình xây dựng do lấn chiếm đất công đã xây
đè lên hệ thống thoát nước, gây hư hỏng
Hình 1: Tình trạng ngập lụt vào mùa mưa Với thực trạng như trên, trong các năm gần đây các nhà quy họach và quản lý đã có nhiều kế hoạch lắp đặt và xây mới nhiều đoạn cống Tuy nhiên, trong năm vừa rồi và cả năm
Trang 6nay, một loạt các vụ hố tử thần xảy ra trên nhiều tuyến đường ở Sài Gòn nói riêng và nhiều nơi nói chung Các kết quả điều tra cũng cho thấy các vụ hố tử thần có liên quan đến chất lượng thi công đường cống phía bên dưới Vậy có một tỷ lệ không nhỏ các đường cống ngầm
ở Việt Nam hiện đang ở trong tình trạng hoặc quá cũ kỹ, xuống cấp hoặc chất lượng thi công không đảm bảo
Hình 2: Một tai nạn do hố tử thần gây ra 2/ Ý nghĩa của đề tài
Với tình trạng các đường cống ngầm nêu trên, việc các nhà quản lý nắm bắt được thực trạng của các đường cống mà mình quản lý là một vấn đề vô cùng cần thiết Nhu cầu đó, đặt
ra vấn đề là làm thế nào để có thể giám sát các đường cống ngầm Theo thống kê, 80% đường ống có đường kính nhỏ hơn 80 cm, con người khó có khả năng thâm nhập vào trong được Hơn nữa, điều kiện môi trường bên trong đường cống là vô cùng khắc nghiệt đối với sức khỏe con người
Từ đó, nhu cầu tạo ra một thiết bị thay thế con người trong công tác thu thập dữ liệu trong lòng cống trở nên vô cùng quan trọng
Trang 7II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Khái niệm robot giám sát đường cống (sewer inspection robot) không còn là điều qúa
xa lạ trên thế giới Các robot giám sát đường cống trên thế giới đã xuất hiện và phát triển từ hơn 1 thập niên trở lại đây Tuy nhiên ở Việt Nam, robot giám sát đường cống vẫn còn là một vấn đề tương đối mới mẻ
Một công trình nghiên cứu của Đức là robot KARO được tài trợ bởi Bộ Giáo Dục và Nghiên Cứu Liên Bang Đức (Federal Ministry of Education and Research-BMBF)
Hình 3: KARO trong phòng thí nghiệm Các nhà khoa học Nhật Bản cũng có những nghiên cứu và vấn đề này và đưa ra các mẫu thiết kế của riêng mình Đó là robot có cấu tạo độc đáo KANTARO
Hình 4: Ảnh thực tế của KANTARO
Trang 8Robot giám sát đường cống gần đây nhất có mặt tại Việt Nam vào năm 2003 là robot khảo sát đường ống của công ty TNHH một thành viên thoát nước đô thị TP Hồ Chí Minh Robot được trang bị 2 camera riêng biệt: camera 1 quay ngang và quay nghiêng, camerra 2 quay ngang, nghiêng và phóng đại
+ Camerra 1 có thể quay 315o và cho phép quay ngang cơ học 280o và 313o quang học
+ Camerra 2 có thể quay 360o và cho phép quay cơ học 285o với phép quay ngang
331o
Hình 3: Robot giám sát đường cống của công ty cấp thoát nước TP HCM Vào năm 2003,Cty Cấp Thoát Nước Hải Phòng cũng lần đầu tiên ứng dụng robot vào khảo sát đường ống thực thế đây là dự án khảo sát hê ̣ thống thoát nước của Hải Phòng, thực hiê ̣n bằng vốn vay của Ngân Hàng Thế Giới (World Bank) Đơn vi ̣ trực tiếp thi công là công
ty PER AARSLEFF (PAA) của Đan Ma ̣ch, công nghê ̣ được ứng du ̣ng là CCTV (Closed Circuit Television)
Trang 9Hình 4: Robot có tên triton chuẩn bị khảo sát đường ống tại Hải Phòng
III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
Các robot trên tuy làm việc hiệu quả, hiện đại Tuy nhiên chúng vẫn là các robot được sản xuất bởi các công ty nước ngoài với giá khá đắt (vd: 4 tỷ đồng cho robot của công ty Cấp thoát nước TP HCM) Hơn nữa, việc sử dụng các hệ thống này cũng phụ thuộc vào công ty nước ngoài, ví dụ như robot của công ty cấp thoát nước TP HCM mỗi lần hư hỏng phải đưa
ra nước ngoài sữa chữa Vì thế, số lượng robot dùng vào công tác giám sát đường cống (cả thành phố Sài Gòn chỉ có 1 hệ thống) là rất ít cho nên năng suất giám sát rất thấp Các thiết
kế robot của nước ngoài cũng được xây dựng dựa trên điều kiện đường cống của nước họ, cho nên có thể không phù hợp với điều kiện thực tế ở ta
Trang 10Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Từ nhu cầu thực tế của công tác giám sát đường cống, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật đã nghiên cứu và chế tạo robot giám sát đường cống Robot có khả năng di chuyển trong đường cống có kích thước 300-600mm, được trang bị một camera CCD để quan sát và ghi hình trong lòng cống
Giám sát Trung tâm điều khiển
Lỗ người chui
Ống nước
Hình 5: Hệ thống robot giám sát đường cống
Hình 6: Robot giám sát đường cống ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM
Robot được trang bị hai động cơ 24V-50W, truyền động bằng xích cho hai bánh xe hai bên giúp robot di chuyển Camera 1/3" SONY Color CCD được trang bị các led hồng ngoại giúp camera quan sát được trong điều kiện thiếu ánh sáng trong lòng cống Hệ thống
Trang 11pan-tilt gồm hai trục xoay nối tiếp nhau giúp camera quay được các hướng và quan sát các vị trí trong lòng cống Chiều pan được 360o, Chiều tilt được 120o Ngoài ra, còn có một hệ thống nâng hạ giúp thay đổi chiều cao của camera tùy vào từng kích cỡ cống khác nhau Nội dung của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cho robot
II NỘI DUNG
II.1 TRUYỀN THÔNG VÀ CHUẨN RS-485
a/ Một số khái niệm cơ bản
Truyền song song và nối tiếp:
Truyền song song: các bit dữ liệu sẽ được truyền đi đồng thời Chỉ dùng trong các khoảng cách ngắn và đòi hỏi tốc độ truyền nhận cao VD: trong các bus nội máy tính
Truyền nối tiếp: các bit dữ liệu sẽ được truyền đi từng bit một
Hình 7: Truyền thông nối tiếp và truyền thông song song
Truyền đơn công, song công, và bán song công:
Truyền đơn công (simplex): các thiết bị trong mạng chỉ có thể là thiết
bị gửi hoặc thiết bị nhận
Truyền song công (full-duplex): các thiết bị trong mạng vừa là thiết bị gửi hoặc thiết bị nhận
Truyền bán song công (half-duplex): các thiết bị trong mạng vừa là thiết bị gửi vừa là thiết bị nhận nhưng trong 1 thời điểm nó chỉ có thể
là thiết bị gửi hoặc thiết bị nhận
Trang 12Hình 8: Truyền nhận đơn công, song công và bán công
Một số loại cáp dùng trong truyền nhận dữ liệu:
Cáp xoắn đôi (twisted pair cable) gồm nhiều cặp dây đồng xoắn lại với nhau nhằm chống phát xạ nhiễu điện từ Do giá thành thấp nên cáp xoắn được dùng rất rộng rãi
Cáp đồng trục (coaxial cable): là loại cáp điện với một lõi dẫn điện được bọc lại bởi một lớp điện môi không dẫn điện, chung quanh quấn thêm một lớp bện kim loại, ngoài cùng lại có vỏ bọc cách điện Từ đồng trục đến từ việc tất cả các lớp cáp đều dùng chung một trục hình học Cáp đồng trục được nhà toán học và kỹ sư người Anh Oliver Heaviside phát minh năm 1880
Cáp quang (optical fibre): dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt bằng đường kính của một sợi tóc Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao (đây là tốc độ truyền dữ liệu, phân biệt với tốc độ tín hiệu) và truyền xa hơn
Hình 9: Một số loại cáp dùng trong truyền thông công nghiệp
Trang 13Giao thức: trong thực tế cuộc sống, khi giao tiếp con người đặt ra ngôn ngữ để truyền
đạt thông tin và đảm bảo mọi người có hiểu thông tin mà người khác truyền đạt Tương tự
như vậy trong truyền thông công nghiệp các thiết bị khi truyền nhận tín hiệu cũng cần tuân
thủ những quy tắc, thủ tục nhất định để có thể hiểu nhau Việc tuân thủ các quy tắc, thủ tục
đó gọi là giao thức
b/Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
Giao thức UART là một giao thức truyền nhận nối tiếp không đồng bộ Nghĩa là tín
hiệu sẽ được truyền đi từng bit một và không có một tín hiệu riêng phục vụ việc đồng bộ hóa
truyền nhận dữ liệu giữa hai thiết bị Dựa vào bit start và thời gian truyền nhận đã đặt trước
(baud rate) bên thu sẽ tự điều chỉnh để đồng bộ với bên gửi
Khung truyền của giao thức UART: Một byte được gửi đi bắt đầu bởi một bit start
mức thấp, sau đó là các bit dữ liệu (ở đây là 8 bit ứng với 1 byte), tiếp theo là 1 parity bit và
cuối cùng là 1 hoặc 2 bit stop mức cao Ở trạng thái nghỉ, cáp truyền dữ liệu sẽ ở trạng thái
mức cao Điều này xuất phát từ truyền thống từ thời điện tín (telegraphy), khi không truyền
dữ liệu dây ở trạng thái mức cao để báo rằng đường dây ko bị đứt
Hình 10: Khung truyền của giao thức UART UART thường được dùng để giao tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính thông qua
cổng truyền thông nối tiếp của máy tính (COM) Hiện nay, giao thức UART được tích hợp
rộng rãi vào các vi điều khiển ví dụ như họ PIC16F
Vì đây là một giao thức truyền thông thông dụng, được tích hợp rộng rãi trên vi điều
khiển cho nên việc điều khiển thiết bị thông qua máy tính là tương đối thuận lợi
c/ Chuẩn giao tiếp RS-232 và RS-485
c.1/Chuẩn RS-232
RS-232 là một chuẩn giao tiếp phổ biến của máy tính với các thiết bị ngoại vi bên
ngoài Các máy tính cá nhân thường có hai cổng theo chuẩn RS-232 (cổng COM), nếu muốn
có nhiều cổng COM hơn ta có thể dùng các card mở rộng
Truyền thông dữ liệu qua RS-232 thông qua 3 dây: TX, RX, GND Sự truyền và nhận
dữ iệu là độc lập với nhau thông qua hai chân riêng biệt, TX dành cho truyền RX dành cho
nhận
Chuẩn RS-232 định nghĩa mức điện áp tương ứng với mức logic 1 và mức logic 0 như sau Các mức điện áp -3-15 Volts tương ứng với mức logic 1, 315 Volts tương ứng với
Trang 14mức logic 0 Mức điện áp -33 Volts là không hợp lệ Chuẩn RS-232 cũng định ra mức điện
áp cực đại có thể dùng lên đến 25 Volts Bởi vì mức điện áp của chuẩn RS-232 lớn hơn rất nhiều so với mức điện áp của các thiết bị như vi điều khiển hoặc IC số (sử dụng mức logic theo chuẩn TTL 5V) cho nên việc giao tiếp đòi hỏi phải có một thiết bị chuyển đổi mức tín hiệu Để thực hiện việc chuyển đổi mức điện áp này IC MAX232 được sử dụng tương đối phổ biến
Hình 11: So sánh mức điện áp giữa chuẩn TTL và chuẩn RS-232 Qua các đặc điểm trên ta thấy được việc kết hợp giao thức UART và chuẩn truyền thông RS-232 là rất phù hợp để điều khiển robot thông qua máy tính Tuy nhiên, chuẩn RS-
232 có một nhược điềm là chiều dài đường truyền ngắn Chuẩn RS-232 có đề cập đến tầm xa của đường truyền là 50 feet (~15m) ứng với điện dung ký sinh trên đường dây là 2500 pF trong khi robot cần có tầm hoạt động khoảng từ 50150m
c.2/Chuẩn RS-485
RS-485 là một chuẩn truyền thông nối tiếp bán song công (half –duplex) theo phương thức vi sai Nghĩa là mức logic là so sánh điện áp giữa hai dây truyền dẫn với nhau, khác với chuẩn RS-232 điện áp của dây tín hiệu được so với dây mass chung Nhờ truyền theo phương thức vi sai cho nên tầm truyền của chuẩn RS-485 rất xa, vì nếu có sự sụt áp trên đường truyền thì sự sụt áp xảy ra cho cả hai dây, còn ta đọc tín hiệu là đọc điện áp giữa hai dây đó Nếu Vab > 200mV ta coi như logic 1 được truyền còn nếu Vab < -200mV thì logic 0 đươc truyền Chuẩn RS-485 có thể truyền dữ liệu xa tới 4000 feet (~1200m) với tốc độ lên đến 100 kbps
Trang 15Hình 12: Truyền nhận một byte theo giao thức UART và chuẩn RS-485
Công nghệ truyền RS-485 thì dể xử lý Lắp đặt cáp xoắn kép (Twisted Pair cable)
không cần kiến thức chuyên gia Kiến trúc Bus cho phép thêm và lấy đi các trạm mà không làm ảnh hưởng đến các trạm khác Những mở rộng sau này không làm ảnh hưởng đến các trạm đang hoạt động
Một đặc điểm quan trọng của chuẩn RS-485 là nó có thể kết nối đến 32 thiết bị trong một cấu trúc bus nên có thể tạo thành một mạng cục bộ Để có khả năng như vậy, ngõ ra của thiết bị RS-485 có 3 trạng thái Các trạm ở trạng thái không hoạt động sẽ ở trạng thái tổng trở cao để ko ảnh hưởng đến các trạm hoạt động
Hình 13: Cấu trúc của một mạng RS-485 theo cấu trúc bus
Từ các đặc điểm nêu trên, ta thấy rằng chuẩn RS-485 có khả năng truyền tải tín hiệu
đi xa, hỗ trợ nhiều thiết bị trên 1 bus, dễ lắp đặt, bảo trì và dùng ít dây dẫn Việc sử dụng
chuẩn RS-485 theo giao thức UART để điều khiển robot giám sát đường cống bằng máy tính cho thấy nhiều ưu điểm và giải quyết được các nhược điểm của chuẩn RS-232
