Luận văn Thiết kế chế tạo robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm sau khi ép

mô hình robot được xây dựng và trải qua các thực nghiệm trong các dạng ống khác nhau. Robot có thể di chuyển linh hoạt và đáp ứng tốt các yêu cầu. 1.3 Nhận xét chung  Nhận xét Nhìn chung có nhiều phương pháp để robot di chuyển bên trong đường ống. Các nghiên cứu đã cho ta thấy được ưu khuyết điểm của từng cơ cấu robot cho từng loại đường ống khác nhau. Và tùy thuộc vào các mục đích riêng mà sẽ có các cơ cấu di chuyển phù hợp.  Định hướng đầu đề Robot kiểm tra cọc bê tông ly tâm phải đáp ứng được các yêu cầu như di chuyển bên trong một đường ống thẳng đứng, bám tốt vào thành ống, hướng di chuyển của robot phải song song với đường tâm của cọc và phải kiểm tra được các yêu cầu về chất lượng của cọc bê tông ly tâm sau khi ép ( phụ lục 1). Nên việc cần 33 làm trong thiết kế cơ cấu robot là phải đảm bảo các yêu cầu đặt ra. Dựa vào các nghiên cứu về robot di chuyển trong đường ống trên thế giới ở ta sẽ đưa ra một số phương án thiết kế phù hợp với ứng dụng của đề bài. Phương án thiết kế tối ưu là phải đơn giản, hiệu quả, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật, từ đó tiến hành thiết kế và chế tạo.  Phương án thiết kế Phương án Sơ đồ Phương pháp di chuyển 1 Dựa trên sự ma sát vào thành ống và co rút thân để di chuyển. 2 Gồm 3 bánh xích đặt lệch nhau 120 độ, ép sát vào thành ống. 34 3 Robot gồm 2 phần. Phần 1 xoay tròn tạo lực đẩy, phần 2 giúp robot cản chuyển động xoay tròn. 4 Robot gồm 2 cơ cấu thích nghi, mỗi cơ cấu gồm 3 bánh xe đặt lệch nhau 120 độ. Các bánh xe được truyền động bằng động cơ. 5 Cũng giống với phương án (4). Nhưng phương án này robot di chuyển xuống bằng trọng lực, di chuyển lên trên nhờ ròng rọc kéo. 35 6 Robot gồm có thân và các tay máy, các tay máy bám vào thành ống và di chuyển. 36 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Các yêu cầu thiết kế  Bám tốt vào bề mặt thành cọc bê tông  Có thể thích nghi với các kích thước đường ống trong phạm vi hoạt động 2.2 Sơ đồ nguyên lý Ở chương 1 ta đã chọn được phương án thiết kế phù hợp. Tiếp theo ta sẽ tiến hành thiết kế các chi tiết cho robot. Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý robot (1) Vít điều chỉnh cơ cấu bánh xe, (2) Cơ cấu cân bằng robot (3) Thân cọc bê tông, (4) Bánh xe bị động (5) Con trượt, (6) Ròng rọc Giải thích Robot gồm 2 cơ cấu cân bằng, mỗi cơ cấu gồm 3 nhánh và đặt lệch nhau 120 độ, mỗi nhánh được gắn 1 bánh xe bị động. Cơ cấu cân bằng này giống với nguyên tắc làm việc của kẹp 3 chấu trong máy tiện. Với nguyên tắc này mỗi 1 cơ cấu sẽ cho 37 ta một điểm cân bằng, vì vậy chỉ cần 2 cơ cấu đã giúp cho robot được cân bằng và đường tâm của robot sẽ song song với tâm của cọc bê tông. Con trượt (5) có tác dụng đẩy cơ cấu cân bằng bung ra hay thu lại. Các bánh xe chỉ đóng vai trò bám vào thành cọc và lăn theo robot khi di chuyển. Cuối cùng là bộ phận kéo, thả robot (6) bộ phận này giúp robot di chuyển lên xuống khi kiểm tra cọc. Nguyên lý hoạt động Robot có nguyên tắc làm việc rất đơn giản. Khi đưa robot vào trong cọc bê tông, cơ cấu cân bằng robot (2) sẽ bung ra và áp sát các bánh xe vào thành trong của cọc. Khi áp sát vào thành trong của cọc, 2 cơ cấu cân bằng robot sẽ bung đều 3 bánh xe theo 3 hướng nên giúp robot được cân bằng, lúc này robot di chuyển lên hay xuống nhờ vào bộ phận thả dây (6) đặt bên trên cọc bê tông. 2.2 Thiết kế 2.2.1 Thiết kế 3D  Khung robot 1 2 3 Hình 2.2 Khung robot (1) Cụm động cơ, (2) Cụm cơ cấu bung bánh xe (3) Cụm cảm biến nước và camera 38 Hình 2.3 Cụm động cơ (1) Khung gắn động cơ, (2) Động cơ (3) Khớp nối động cơ và trục vít Hình 2.4 Cụm cơ cấu bung bánh xe của robot (1) Phần Khung, (2) Đai ốc (3) Trục vít, (4) Tấm cố định cơ cấu bung bánh xe 39 Hình 2.5 Cụm cảm biến, camera (1) Phần khung, (2) Vị trí camera, (3) Cảm biến nước  Cơ cấu bung 4 1 52 3 Hình 2.6 Cơ cấu bung bánh xe của robot (1) Tấm thân cố định của cơ cấu bung (2) Các bánh xe bị động của robot (3) Trục vít truyền động 40 (4) Trục vít truyền chuyển động cho đai ốc (5) Đai ốc truyền chuyển động cho cơ cấu bung bánh xe Robot gồm có 2 cơ cấu bung và 1 cơ cấu gồm có 3 nhánh, mỗi nhánh được lắp 1 bánh xe bị động. Các nhánh có kích thước bằng nhau và được đặt lệch nhau 120 độ. Cơ cấu được bung ra hay thu lại là nhờ vào trục vít truyền chuyển động đến đai ốc và tác động vào khớp trượt của cơ cấu bung. Hình 2.7 Bánh xe của robot Bánh xe của robot không có tác dụng truyền động cho robot di chuyển. Các bánh xe chỉ tiếp xúc và lăn theo thành trong cọc bê tông. Vì vậy yêu cầu khi thiết kế bánh xe là chỉ cần tiếp xúc tốt, không bị trượt khi di chuyển. Bánh xe được làm bằng nhôm, vỏ bằng cao su sẽ giúp robot bám tốt và di chuyển ít rung động hơn trên bề mặt thành cọc bê tông. Bảng vẽ 2d các chi tiết robot (Phụ lục 1.4). 41 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG LỰC TÁC DỤNG 3.1 Mô phỏng các chi tiết của robot Dùng phần mềm Ansys để tiến hành các mô phỏng về tác dụng của lực lên bề mặt của từng chi tiết. Chủ yếu tập trung vào biến dạng và ứng suất tại các vị trí chịu lực. Qua thử nghiệm tính chịu lực của robot trong điều kiện thực tế khi bám vào thành cọc bê tông thì lực tác dụng lớn nhất lên bánh xe là 30N. Nên các mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết được chọn là 50N để đảm bảo độ bền cho robot. Vật liệu nhôm hợp kim được chọn để thiết kế robot vì nhôm dễ gia công chế tạo, trọng lượng nhẹ và phù hợp với điều kiện môi trường làm việc.  Các bước tiến hành mô phỏng a) Chọn môđun phân tích b) Thiết lập vật liệu mô phỏng c) Tiến hành xây dựng mô hình hoặc đưa chi tiết vào phần mềm d) Chia lưới và cài đặt hệ thống đơn vị e) Thiết lập các lực và đặt các ràng buộc vào chi tiết (lực tác dụng chọn là 5kg) f) Tiến hành mô phỏng và xử lý kết quả ứng suất, chuyển vị của chi tiết  Thông số vật liệu nhôm hợp kim Bảng 3.1 Thông số hằng số vật liệu Tỉ trọng 2.77e-006 kg mm^-3 Hệ số giãn nở 2.3e-005 C^-1 Nhiệt dung riêng 8.75e+005 mJ kg^-1 C^-1 Bảng 3.2 Thông số độ bền kéo Độ bền kéo (Mpa) 280 Bảng 3.3 Thông số độ bền nén Bền nén (Mpa) 280 42 Bảng 3.4 Thông số ứng suất Ứng suất động MPa Chu kỳ Tỉ lệ 275.8 1700 -1 241.3 5000 -1 206.8 34000 -1 172.4 1.4e+005 -1 137.9 8.e+005 -1 117.2 2.4e+006 -1 89.63 5.5e+007 -1 82.74 1.e+008 -1 170.6 50000 -0.5 139.6 3.5e+005 -0.5 108.6 3.7e+006 -0.5 87.91 1.4e+007 -0.5 77.57 5.e+007 -0.5 72.39 1.e+008 -0.5 144.8 50000 0 120.7 1.9e+005 0 103.4 1.3e+006 0 93.08 4.4e+006 0 86.18 1.2e+007 0 72.39 1.e+008 0 74.12 3.e+005 0.5 70.67 1.5e+006 0.5 66.36 1.2e+007 0.5 62.05 1.e+008 0.5 43 3.2 Tấm cố định cơ cấu bung Hình 3.1 Vị trí tấm cố định cơ cấu bung Hình 3.2 Nhập các thông số cho chi tiết  Chuyển vị Hình 3.3 Mô phỏng biến dạng tấm cố định cơ cấu bung 44  Ứng suất Hình 3.4 Mô phỏng ứng suất tấm cố định cơ cấu bung  Kết quả mô phỏng Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng tấm cố định Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 7.8007e-004 MPa Giá trị lớn nhất 1.0623e-006 mm 1.092e-002 MPa Nhận xét: Sau khi tiến hành mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết kết quả cho thấy được các giá trị ứng suất và chuyển vị của chi tiết là rất nhỏ. Chuyển vị lớn nhất là 1.0623e-006 (mm), ứng suất lớn nhất là 1.092e-002 (Mpa). 3.3 Thanh bung bánh xe Hình 3.5 Vị trí thanh bung bánh xe 45  Đặt các thông số cho chi tiết Hình 3.6 Nhập các thông số của chi tiết vào Ansys  Chuyển vị Hình 3.7 Chuyển vị của thanh bung bánh xe  Ứng suất Hình 3.8 Mô phỏng ứng suất của thanh bung bánh xe 46  Kết quả mô phỏng Bảng 3.6 Kết quả mô phỏng thanh bung bánh xe Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 1.9044e-003 MPa Giá trị lớn nhất 1.1836e-005 mm 0.10657 MPa Nhận xét: Sau khi tiến hành mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết kết quả cho thấy được các giá trị ứng suất và chuyển vị của chi tiết là rất nhỏ. Chuyển vị lớn nhất là 1.1836e-005 (mm), ứng suất lớn nhất là 0.10657 (Mpa). 3.4 Thanh đẩy cơ cấu bung 3 Hình 3.9 Vị trí thanh đẩy cơ cấu bung  Đặt các thông số cho chi tiết Hình 3.10 Nhập các thông số của chi tiết 47  Chuyển vị Hình 3.11 Mô phỏng chuyển vị của thanh đẩy cơ cấu bung  Ứng suất Hình 3.12 Mô phỏng ứng suất thanh đẩy cơ cấu bung  Kết quả mô phỏng Bảng 3.7 Kết quả mô phỏng thanh đẩy Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 3.3069e-005 MPa Giá trị lớn nhất 6.559e-005 mm 0.95116 MPa Nhận xét: Sau khi tiến hành mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết kết quả cho thấy được các giá trị ứng suất và chuyển vị của chi tiết là rất nhỏ. Chuyển vị lớn nhất là 6.559e-005 (mm), ứng suất lớn nhất là 0.95116 (Mpa). 48 3.5 Thanh sườn đứng cơ cấu bung Hình 3.13 Vị trí của thanh sườn đứng cơ cấu bung  Đặt các thông số cho chi tiết Hình 3.14 Đặt thông số thanh sườn đứng  Chuyển vị Hình 3.15 Mô phỏng chuyển vị trên thanh sườn đứng 49  Ứng suất Hình 3.16 Mô phỏng ứng suất sinh ra trên thanh sườn đứng  Kết quả mô phỏng Bảng 3.8 Kết quả mô phỏng thanh sườn đứng Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 6.8142e-006 MPa Giá trị lớn nhất 2.6676e-005 mm 0.32234 MPa Nhận xét: Sau khi tiến hành mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết kết quả cho thấy được các giá trị ứng suất và chuyển vị của chi tiết là rất nhỏ. Chuyển vị lớn nhất là 2.667e-005 (mm), ứng suất lớn nhất là 0.32234 (Mpa). 3.6 Mặt bích dưới của robot 5 Hình 3.17 Vị trí mặt bích trên robot 50  Đặt các thông số cho chi tiết Hình 3.18 Đặt các thông số cho mặt bích  Chuyển vị Hình 3.19 Mô phỏng chuyển vị của mặt bích  Ứng suất Hình 3.20 Mô phỏng ứng suất khi lực tác dụng vào mặt bích 51  Kết quả mô phỏng Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng mặt bích dưới Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 2.7331e-007 MPa Giá trị lớn nhất 1.8356e-005 mm 0.30179 MPa Nhận xét: Sau khi tiến hành mô phỏng lực tác dụng lên chi tiết kết quả cho thấy được các giá trị ứng suất và chuyển vị của chi tiết là rất nhỏ. Chuyển vị lớn nhất là 1.8356e-005 (mm), ứng suất lớn nhất là 0.30179 (Mpa). 3.7 Mô phỏng lực tác dụng lên toàn khung robot  Đặt các thông số mô phỏng Hình 3.21 Đặt các thông số mô phỏng trên robot Bảng 3.10 Thông số lực tác dụng Tên Gối tựa Lực (1,2,3,4,5,6) Hình học (Geometry) 3 Mặt (Faces) 1 Face Definition Loại Gối tựa Force Giá trị 50. N (ramped) 52 Hình 3.22 Thông số lực tác dụng lên bánh xe robot Giải thích: Mô phỏng gồm 6 lực tác dụng lên 6 bánh xe của robot. Từ đó các lực sẽ truyền và phân bố lực cho tất cả các chi tiết bên trong robot. Sau khi mô phỏng sẽ cho được kết quả chuyển vị, ứng suất của từng chi tiết. Bảng 3.11 Thông số các chi tiết mô phỏng Tên Part 1 Part 2 Part 3 Part 4 Part 5 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy)) Thuộc tính Khối lượng 0.13296 kg 0.38364 kg 1.3922e-003 kg 9.5143e- 003 kg Moment quán tính Ip1 1085.2 kg·mm² 546.01 kg·mm² 0.18556 kg·mm² 0.61171 kg·mm² Moment quán tính Ip2 3.1121 kg·mm² 1087.9 kg·mm² 0.18556 kg·mm² 1.0642 kg·mm² Moment quán tính Ip3 1085.2 kg·mm² 545.94 kg·mm² 2.7426e-003 kg·mm² 0.6115 kg·mm² 53 Tên Part 6 Part 7 Part 8 Part 9 Part 10 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy)) Thuộc tính Khối lượng 9.5143e-003 kg 8.1615e-002 kg Moment quán tính Ip1 0.61171 kg·mm² 20.224 kg·mm² Moment quán tính Ip2 1.0642 kg·mm² 39.011 kg·mm² Moment quán tính Ip3 0.6115 kg·mm² 20.224 kg·mm² Tên Part 11 Part 12 Part 13 Part 14 Part 15 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy)) Thuộc tính Khối lượng 8.1615e-002 kg 4.1834e-002 kg Moment quán tính Ip1 20.224 kg·mm² 56.89 kg·mm² Moment quán tính Ip2 39.011 kg·mm² 57.036 kg·mm² Moment quán tính Ip3 20.224 kg·mm² 0.86894 kg·mm² Tên Part 16 Part 17 Part 18 Part 19 Part 20 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy) Thuộc tính Khối lượng 4.1834e-002 kg 5.4232e-002 kg Moment quán tính Ip1 56.89 kg·mm² 81.297 kg·mm² Moment quán tính Ip2 57.036 kg·mm² 2.5146 kg·mm² Moment quán tính Ip3 0.86894 kg·mm² 80.578 kg·mm² 54 Tên Part 21 Part 22 Part 23 Part 24 Part 25 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy) Thuộc tính Thể tính 19578 mm³ 43803 mm³ Khối lượng 5.4232e-002 kg 0.12133 kg Moment quán tính Ip1 81.297 kg·mm² 196.24 kg·mm² Moment quán tính Ip2 2.5146 kg·mm² 7.7385 kg·mm² Moment quán tính Ip3 80.578 kg·mm² 200.64 kg·mm² Tên Part 26 Part 27 Part 28 Part 29 Part 30 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy) Thuộc tính Khối lượng 0.12133 kg Moment quán tính Ip1 196.24 kg·mm² Moment quán tính Ip2 7.7385 kg·mm² Moment quán tính Ip3 200.64 kg·mm² Tên Part 31 Part 32 Part 33 Vật liệu Loại vật liệu Nhôm hợp kim (Aluminum Alloy) Thuộc tính Khối lượng 1.2697e-002 kg 0.75307 kg Moment quán tính Ip1 1.3075 kg·mm² 1143.7 kg·mm² Moment quán tính Ip2 2.3851 kg·mm² 2258.7 kg·mm² Moment quán tính Ip3 1.3075 kg·mm² 1143.4 kg·mm² 55  Chuyển vị Hình 3.23 Mô phỏng chuyển vị của robot khi lực tác dụng  Ứng suất Hình 3.24 Mô phỏng ứng suất sinh ra khi tác dụng lực 56  Kết quả Bảng 3.12 Kết quả mô phỏng khung robot Tên Chuyển vị Ứng suất Kết quả Giá trị nhỏ nhất 0. mm 0. MPa Giá trị lớn nhất 0.27437 mm 21.867 MPa Giá trị nhỏ nhất trên chi tiết Part 1 Giá trị lớn nhất trên chi tiết Part 7 Part 20  Nhận xét chung Sau khi mô phỏng lực tác dụng lên tất cả các chi tiết trên robot kết quả cho thấy chuyển vị lớn nhất trên chi tiết thanh đẩy cơ cấu bung là 0.27437 mm. Ứng suất tập trung lớn nhất là 21.867 Mpa. Ứng suất và chuyển vị trên robot là rất nhỏ so với giới hạn kéo nén của chi tiết. Do cơ cấu robot chủ yếu là tựa vào thành cọc bê tông nên các lực tác dụng vào chi tiết không ảnh hưởng nhiều đến độ biến dạng của robot. Vì vậy các thiết kế trên sẽ phù hợp khả năng chịu lực và độ bền của robot. 57 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ĐỘ NGHIÊNG 4.1 Thiết kế kiểm tra độ nghiêng 4.1.1 Nguyên lý Để kiểm tra độ nghiêng của cọc bê tông ta sẽ dùng cảm biến gia tốc 3 trục, 3 trục của con quay hồi chuyển và 3 trục của cảm biến la bàn gắn vào thân của robot. Khi robot di chuyển thì cảm biến sẽ xác định được phương, hướng của robot và đo được độ nghiêng của robot so với tọa độ ban đầu.  Cảm biến gia tốc Hình 4.1 Mô tả cảm biến gia tốc 3 trục (Accel) Nhiệm vụ của cảm biến gia tốc là đo gia tốc khi vật thể di chuyển. Tùy vào các ứng dụng mà chỉ cần đo gia tốc ở 1 trục hay 3 trục. Khi cảm biến gia tốc quay 1 góc nào đó thì hệ tọa độ gắn với cảm biến cũng sẽ quay theo. Từ các giá trị thay đổi khi quay các trục của cảm biến gia tốc ta sẽ xác định được góc nghiêng hiện tại của cảm biến, cũng như góc của cảm biến so với vị trí trước. Các giá trị đo về của cảm biến gia tốc được tính theo đơn vị là g (gia tốc trọng trường).  La bàn La bàn là dụng cụ giúp xác định phương và hướng dựa vào từ trường của Trái Đất. La bàn được ứng dụng rất nhiều trên các thiết bị bay, thuyền, định vị. Ngày nay để đáp ứng nhiều hơn cho các ứng dụng các cảm biến la bàn điện tử với 3 trục tọa 58 độ, độ phân giải cao hơn từ đó giúp ta có thể xác định được vật thể chính xác hơn trong không gian. Hình 4.2 Cảm biến la bàn điện tử 3 trục tọa độ  Con quay hồi chuyển Hình 4.3 Con quay hồi chuyển (Gyro) Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc góc nghiêng, gia tốc hay duy trì phương hướng chuyển động, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Con quay cơ học là một bánh xe hoặc đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng và phương hướng này thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn. Mô-men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên. 59 4.1.2 Phần cứng  Mô đun cảm biến độ nghiêng Để kiểm tra độ nghiêng của cọc bê tông khi robot di chuyển bên trong ta dùng cảm biến la bàn 3 trục, cảm biến gia tốc 3 trục (Accel) và 3 trục con quay hồi chuyển (Gyro). Cảm biến la bàn sẽ giúp ta xác định được phương và hướng chuyển động, cảm biến gia tốc và con quay giúp xác định độ nghiêng của robot. Hình 4.4 Mô đun GY-86 Mô đun GY-86 tích hợp bộ cảm biến gia tốc MPU-6050, cảm biến la bàn HCM5883L và cảm biến áp xuất MS5611. Sơ đồ nguyên lý (Phụ lục 1.1) Hình 4.5 Cảm biến MPU-6050 60 MPU-6050 có phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc khác. Sự kết hợp gia tốc và con quay hồi chuyển sẽ giúp đo độ nghiêng ít phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài. Tùy thuộc vào nhiều mục đích sử dụng mà MPU-6050 có thể xử lý ở tốc độ cao hay thấp. Thông số:  Con quay hồi chuyển (Dải đo) :  250,  500,  1000 và  2000 ( / sec)dps   Gia tốc (Dải đo) :  2,  4,  8,  16g  Chuẩn giao tiếp: I2C (Phụ lục 1.2)  Bộ chuyển đổi ADC 16 bit (65536 giá trị cho 1 cảm biến) Cảm biến gia tốc 6 trục giúp xác định được độ nghiêng của robot. Việc kết hợp thêm cảm biến la bàn số 3 trục sẽ tạo thành 9 trục. Với 9 trục ta có thể xác định được phương, hướng và độ nghiêng của robot khi di chuyển bên trong cọc. Hình 4.6 Cảm biến la bàn số HCM5883L Thông số: Giao tiếp: I2C (8 bit) Dải đo: 1,3 đến 8G (Gauss: đơn vị cảm ứng từ) Giá trị trục tọa độ X, Y, Z: 16 bit 61  Mạch xử lý tín hiệu và giao tiếp máy tính Hình 4.7 Mô đun Arduino R3 Thông số Arduino R3  IC điều khiển: ATmega328  Nguồn : 5V  Chân Digital : 14 ( trong đó có 6 chân PWM )  Chân Analog : 6  Bộ nhớ flash : 32 Kb  Tốc độ : 16 MHz  Sram : 2 Kb Một số chức năng đặc biệt:  Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX): gửi và nhận dữ liệu TTL Serial. 2 chân này dùng để giao tiếp với thiết bị khác.  Chân PWM (3,5,6,9,10,11): cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit.  Chân giao tiếp SPI (10,11,12,13): Ngoài các chức năng thông thường thì 4 chân này còn giao tiếp SPI với các thiết bị khác.  Chân A4(SDA), A5(SCL) : hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. 62  Sơ đồ phần cứng hệ thống Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống kiểm tra độ nghiêng, camera Tín hiệu từ GY-86 xuất ra truyền về Arduino theo chuẩn I2C. Sau đó tín hiệu này được xử lý nhiễu và chuyển tới máy tính qua chuẩn RS-485. Tín hiệu truyền về máy tính và biểu diễn thành biểu đồ bằng phần mềm mã nguồn mở Processing. Dựa vào đồ thị ta sẽ biết được độ nghiêng của cọc bê tông. 4.1.3 Phần mềm  Sơ đồ khối hệ thống đo độ nghiêng Bắt đầu Lấy tín hiệu cảm biến Mạch xử lý tín hiệu Máy tính Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống đo độ nghiêng 63 Hệ thống gồm có 3 phần chính. Tín hiệu được lấy về từ cảm biến, lọc nhiễu bằng các thuật toán và tín hiệu sẽ được đưa về máy tính vẽ thành biểu đồ độ nghiêng của robot tại các vị trí di chuyển.  Bộ lọc tín hiệu Các tín hiệu được lấy về và vẽ thành biểu đồ độ nghiêng của robot gồm gyro và accel. Accel luôn có offset trên mỗi trục làm cho giá trị đo được thường lệch đi so với thực tế một chút. Ngoài ra các giá trị đo được từ accel thường khá nhiễu nên đọc tín hiệu cũng sẽ khó khăn. Còn gyro cũng giống với accel, gyro cũng có offset làm lệch các giá trị đo. Khi dùng gyro để đo góc nghiêng nhượt điểm lớn nhất là tín hiệu sẽ bị trôi theo thời gian. Nếu chỉ dùng accel để đo góc thì sẽ bị nhiễu rất lớn vì accel rất nhạy với gia tốc nên khi có một chuyển động mạnh thì tín hiệu sẽ bị vọt lố. Chính vì các lý do trên nên hiện nay các nhà phát triển đã tích hợp accel và gyro lên cùng 1 con chíp MPU6050. Mục đích là kết hợp gyro và accel để đo góc nghiêng sẽ khắc phục tình trạng trôi của gyro và vọt lố của accel. Bộ lọc bù kết hợp giá trị 2 cảm biến accel và gyro bù trừ lẩn nhau để cho kết quả độ nghiêng ổn định hơn. Ngoài bộ lọc bù ta cũng có thể dùng bộ lọc kalman (Phụ lục 1.3). Thuật toán bên trong thư viện Kalman Arduino Thuật toán ước lượng: gồm có dự đoán ban đầu và điều chỉnh. 1k kx   là dự đoán của giá trị kx tại thời điểm 1k  . kF là ma trận chuyển đổi trạng thái, kB là ma trận kiểm soát đầu vào cho vector điều khiển k  1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 k k k k kk k k k k k k b k b k k x F x B t t t t                                                                      64 ( )b b b b t t t                                    (4.1) Ma trận P dùng ước lượng ma trận phương sai của ước lượng x . kQ là ma trận sai số điều chỉnh. Trong bài toán về góc đo thì thành phần bên trong ma trận gồm có sai số điều chỉnh Q và b Q   . Các giá trị sai số trên thực tế rất khó để chọn tối ưu, được ước lượng và làm nhiều thực nghiệm để chọn ra hệ số. Phương trình điều chỉnh: 1 1 1 T kk k k kP FP F Q    00 01 00 01 10 11 10 111 1 1 01 1 0 00 1 1 bk k k k QP P P Pt tQP P P P t                                    00 10 01 11 10 11 1 1 01 0 01 bk k QP tP P tP tQP P t                            00 10 01 11 01 11 10 11 11 1 1 0( ) 0 bk k QP tP t P tP P tP tQP tP P                          00 10 01 11 01 11 10 11 11 ( ) b P tP t P tP Q t P tP P tP P Q t                       00 11 01 10 01 11 10 11 11 ( ) b P t tP P P Q P tP P tP P Q t                     (4.2) Phương trình độ lệch so với quan sát:   ~ 1 1 1 0 k kk kk k k b k k y z H x z                 1k k kz    (4.3) 65 Phương trình thặng dư hiệp phương sai:   1 00 01 10 11 1 1 1 0 0 T k k kk k k kk k S H P H R P P R P P                 1 1 00 00 var( ) k k k k kP R P v       (4.4) Phương trình Kalman tối ưu: 1 1 T k k kk kK P H S   00 010 1 10 111 1 1 0 kkk k k P PK S P PK                   00 1 10 1 k k k P S P          00 10 1k k k P P S         (4.5) Giá trị dự đoán thời điểm k: ~ 1k k k k k kx x K y     ~ 0 1 1 k b b kk k k k K y K                              ~ 0 ~ 1 1 b k k k K y K y                  (4.6) Giá trị điều chỉnh tại thời điểm k: 1( )kk k k kP I K H P    00 01 00 010 10 11 10 111 1 1 0 1 0 0 1 kk k k k P P P PK P P P PK                         66 00 010 10 111 1 01 0 00 1 k k P PK P PK                      00 01 0 00 0 01 10 11 1 00 1 011k k P P K P K P P P K P K P               (4.7) Chương trình ( Phụ lục 1.5) 4.2 Giao diện hiển thị 4.2.1 Giới thiệu phần mềm Processing Processing là một ngôn ngữ lập trình hiện đại ra đời năm 2001 cho phép lập trình các ứng dụng đồ họa trên môi trường Window, Linus, Mac Android và cả Web. Processing là một mã nguồn mở dựa trên ngôn ngữ lập trình Java. Nó có thể giúp ta lấy dữ liệu và biểu diển lại trên các đồ thị, cũng như điều khiển ngược lại các thiết bị kết nối. Về thế mạnh thứ nhất của Processing là một ngôn ngữ mã nguồn mở với rất nhiều thư viện miễn phí hỗ trợ bạn làm tất cả mọi thứ một cách dễ dàng. Số lượng thư viện của Processing đã gần hoàn thiện, những thư viện hỗ trợ các tác vụ khó vẫn chưa đầy đủ nhưng nếu là các ứng dụng không đòi hỏi độ phức tạp cao, chúng ta có thể sử dụng Processing và thư viện của nó để tạo ra giao diện điều khiển một cách dễ dàng. Hình 4.10 Giao diện Processing 67 4.2.2 Lập trình giao diện Phần mềm MultiWii là một phần mềm viết cho điều khiển ổn định và kiểm soát máy bay. MultiWii là một dự án mã nguồn mở lớn do đó là liên tục được cập nhật với các tính năng và các thuật toán tiên tiến hơn. Các thuật toán bên trong phần mềm gồm giải thuật toán lọc nhiễu và xử lý tín hiệu sau đó vẽ biểu đồ tọa độ cho các cảm biến 10 bậc tự do (GY-86). Hình 4.11 Giao diện phần mềm nguồn mở Multiwii Phần giao diện chương trình kiểm tra độ nghiêng của robot được sữa lại từ chương trình phần mềm nguồn mở Multiwii. Phần chương trình từ Multiwii lấy tín hiệu từ cảm biến của mô đun GY-86 sau đó xử lý tín hiệu và vẽ lại đồ thị về độ nghiêng, phương hướng của la bàn, tín hiệu GPS và điều