Tải bản đầy đủ (.pdf) (130 trang)

(Luận văn thạc sĩ) điều khiển mờ pipeline robot

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.2 MB, 130 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ THÀNH NHÂN

ĐIỀU KHIỂN MỜ PIPELINE ROBOT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 8 1 4

Tp. Hồ Chí Minh, 2012




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ THÀNH NHÂN

ĐIỀU KHIỂN MỜ PIPELINE ROBOT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Võ Thành Nhân

Giới tính: Nam

Sinh ngày 18 tháng 2 năm 1980

Nơi sinh: Bình Dương

Quê quán: Thủ Dầu Một, Bình Dương

Dân tộc: Kinh


Địa chỉ liên lạc: 392/8 đường Cách Mạng Tháng 8, phường Phú Cường, Tp. Thủ Dầu Một,
Tỉnh Bình Dương.
Điện thoại cơ quan: 0650.3837802

Điện thoại: 0919036393

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao Đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy.

Thời gian đào tạo từ tháng 10/1998 đến tháng 10/2001

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy.

Thời gian đào tạo từ tháng 9/2002 đến 9/2004

Nơi học: Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử.
Tên đồ án: Ứng dụng Matlab trong xử lý tín hiệu số.
Bảo vệ đồ án tháng 8/2004 tại khoa điện tử - Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Việt Hùng.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian

Nơi cơng tác

Từ 1/2005

Trung tâm Giới thiệu Việc làm tỉnh Bình

đến 6/2011 Dương. Đại lộ Bình Dương, ấp Hịa Lân,

Cơng việc đảm nhiệm
Giáo viên

Thuận Giao, Thuận An, Bình Dương.
Từ 6/2011

Trường đại học Thủ Dầu Một. Phú Hoà, thị xã

đến nay

Thủ Dầu Một, Bình Dương.

i

Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu khoa học của tơi và
khơng trùng lặp với bất kỳ cơng trình khoa học nào khác. Các số liệu trình bày trong

luận văn đã được kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên
cứu do tác giả đề xuất chưa từng được cơng bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm
này ngồi những cơng trình của tác giả.

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2012
Tác giả luận văn

VÕ THÀNH NHÂN

ii


MỤC LỤC
Chương 1 TỔNG QUAN ..................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu tổng quan ......................................................................................... 1
1.2 Khảo sát đường ống và lựa chọn phương án xây dựng mơ hình
Pipeline robot .................................................................................................. 2
1.2.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 2
1.2.2 Khảo sát đường ống ..................................................................................... 6
1.2.2.1 Khó khăn về mặt cơ khí ............................................................................. 6
1.2.2.2 Khó khăn về mặt điện ................................................................................ 7
1.2.2.3 Khó khăn về ứng dụng ............................................................................... 7
1.2.3 Một số robot đường ống được giới thiệu trong và ngoài nước ..................... 8
1.2.4 Giải pháp thiết kế Pipeline robot ................................................................... 9
1.3 Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 13
1.4 Đối tượng nghiên cứu..................................................................................... 14
1.5 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 14
1.6 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 14
1.7 Kế hoạch thực hiện ......................................................................................... 14
1.8 Giá trị thực tiễn của đề tài .............................................................................. 15

1.9 Phác thảo nội dung luận văn .......................................................................... 15
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 16
2.1. Điều khiển mờ .............................................................................................. 16
2.2 Khái niệm cơ bản ........................................................................................... 16
2.2.1 Định nghĩa tập mờ ....................................................................................... 17
2.2.2 Các thuật ngữ trong logic mờ ...................................................................... 17
2.2.3 Biến ngơn ngữ ............................................................................................. 18
2.2.4 Các phép tốn trên tập mờ........................................................................... 18
2.2.5 Luật hợp thành ............................................................................................ 19
2.2.5.1 Mệnh đề hợp thành ................................................................................... 19

v


2.2.5.2 Luật hợp thành mờ .................................................................................. 19
2.2.6 Giải mờ ........................................................................................................ 21
2.2.6.1 Phương pháp cực đại ................................................................................ 21
2.2.6 2. Phương pháp trọng tâm ........................................................................... 22
2.3 Bộ điều khiển mờ ........................................................................................... 24
2.3.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ................................................................... 24
2.3.2 Nguyên lý điều khiển mờ ............................................................................ 25
2.3.3 Phân loại bộ điều khiển mờ ......................................................................... 26
2.3.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ........................................................................... 26
2.4.Thiết kế bộ điều khiển PID mờ ...................................................................... 28
2.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ ....................................... 29
2.4.2 Luật chỉnh định PID .................................................................................... 29
2.5 Hệ điều khiển mờ lai ...................................................................................... 30
2.6 Kết luận .......................................................................................................... 32
Chương 3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ......................................... 33
3.1 Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC trong Pipeline robot .............................. 33

3.1.1 Xây dựng phương trình động cơ DC ........................................................... 33
3.1.2 Yêu cầu điều khiển – Thông số của động cơ .............................................. 36
3.2 Thiết kế bộ điều khỉển PID kinh điển điều khiển động cơ DC ...................... 37
3.2.1 Đặc tính điều khiển với bộ PID ................................................................... 38
3.2.2 Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID................................................ 39
3.2.3 Sơ đồ điều khiển PID kinh điển điều khiển tốc độ động cơ DC ................. 41
3.2.4 Mơ phỏng q trình điều khiển PID kinh điển động cơ DC ....................... 41
3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID mờ điều khiển động cơ DC ................................ 41
3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID mờ để chỉnh định tham số động cơ DC .... 41
3.3.2 Sơ đồ điều khiển PID mờ điều khiển động cơ DC ...................................... 46
3.3.2.1 Sơ đồ điều khiển PID mờ điều khiển tốc độ động cơ DC ........................ 46
3.3.2.2 Sơ đồ điều khiển PID mờ điều khiển moment động cơ DC .................... 46
3.3.3 Mơ phỏng q trình điều khiển PID mờ cho động cơ DC .......................... 47

v


3.4 Thiết kế PID mờ lai cho hệ thống điều khiển động cơ DC ............................ 47
3.4.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID mờ lai điều khiển động cơ DC ................. 47
3.4.2 Sơ đồ điều khiển PID mờ lai điều khiển động cơ DC ................................. 52
3.4.2.1 Sơ đồ điều khiển PID mờ lai điều khiển tốc độ động cơ DC ................... 53
3.4.2.2 Sơ đồ điều khiển PID mờ lai điều khiển moment động cơ DC ............... 53
3.4.3 Mô phỏng quá trình điều khiển PID mờ lai cho động cơ DC ..................... 53
Chương 4 SƠ

ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................... 56

4.1. Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ DC dùng bộ điều
khiển PID kinh điển ............................................................................................. 56
4.1.1 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC dùng bộ

điều khiển PID kinh điển...................................................................................... 56
4.1.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển moment động cơ DC dùng bộ
điều khiển PID kinh điển...................................................................................... 60
4.2.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển moment động cơ DC dùng bộ
điều khiển PID mờ ............................................................................................... 67
4.3 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ DC dùng bộ điều khiển
PID mờ lai ............................................................................................................ 71
4.3.1 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC dùng bộ
điều khiển PID mờ lai .......................................................................................... 71
4.3.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển moment động cơ DC dùng bộ
điều khiển PID mờ lai .......................................................................................... 79
Chương 5 THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH PIPELINE ROBOT ............ 87
5.1 Thiết kế mơ hình Pipeline robot ..................................................................... 87
5.1.1. Giới thiệu sơ lược về cấu tạo cơ khí .......................................................... 87
5.1.2 Chọn vật liệu cho robot ............................................................................... 88
5.1.3 Cơ chế co dãn của chân robot ..................................................................... 90
5.2 Kích thước của robot ...................................................................................... 95
5.2.1.Phân tích hình học của đoạn cong trong đường ống ................................... 95
5.2.2 Phân tích hình học của nhánh...................................................................... 96

v


5.3. Cơ cấu truyền động của robot ....................................................................... 97
5.4.Tính tốn trục ................................................................................................. 98
5.5 Tính tốn thiết kế và ngun lý hoạt động của các mạch điện .................... 103
5.5.1 Mạch robot ................................................................................................ 103
5.5.1.1 Mạch nguồn ............................................................................................ 103
5.5.1.2 Mạch vi điều khiển ................................................................................. 106
5.5.1.3 Mạch LCD, buzzer, buttons ................................................................... 107

5.5.1.4 Mạch thu phát RF ................................................................................... 109
5.5.1.5 Mạch điều khiển công suất động cơ ....................................................... 109
5.5.2. Tính tốn thiết kế ..................................................................................... 111
5.5.2.1. Mạch động lực đảo chiều động cơ (các mạch kích relay)..................... 111
5.5.2.2. Mạch điều xung PWM .......................................................................... 112
5.5.3. Mơ hình thổng thể của Pipeline robot ...................................................... 113
Chương 6 KẾT LUẬN ..................................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 116
PHỤ LỤC……………………………………………………………………. 118

v


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Cùng với sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh
tế. Ngày nay, Robot khơng cịn xa lạ với mọi người với những cái tên như ASIMO,
TIAN… Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân
loại. Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp, y tế, nghiên cứu
khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con người. Kéo theo đó là những yêu cầu về
những thế hệ robot thông minh, linh hoạt có kỹ năng lao động như con người. Để
đáp ứng điều đó địi hỏi phải trang bị cho Robot một bộ điều khiển thông minh,
phức tạp và trong một số trường hợp bộ điều khiển kinh điển kinh điển không còn
đáp ứng được nữa, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một bộ điều khiển đa năng,

thông minh hơn. Trong lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo robot, bộ điều khiển mờ cho
phép tổng hợp các tri thức, kinh nghiệm của con người vào robot cho phép nó linh
hoạt, thông minh hơn. Đề tài “Điều khiển mờ Pipeline Robot “( Robot đường ống )
là một ứng dụng của logic mờ trong điều khiển.
Một số cơng trình nghiên cứu về lĩnh vực này đã được cơng bố trong và ngồi nước:
a. Thiết kế và chế tạo mơ hình robot đƣờng ống
KS.Võ Anh Huy PGS.TS.Đặng Văn Nghìn. Email: ;
. Bộ mơn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Nội dung chính của bài báo là giới thiệu một loại robot đường ống. Các bộ
phận liên kết dùng để tạo ra sự chuyển động của robot. Tất cả các bánh xe của nó
bám sát vào mặt trong của ống và có thể thay đổi tùy theo đường kính của ống như
180 đến 240 mm. Robot có thể được điều khiển từ xa khơng dây thơng qua sóng
radio, trong bài báo này dùng cách điều khiển có dây.
b. Điều khiển robot bằng logic mờ.
ThS. Vũ Anh Đào. Khoa Kỹ thuật Điện tử. Học viện cơng nghệ bưu chính viễn
thơng. Hội nghị khoa học lần thứ VI
CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

1

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Trong bài này, tác giả sử dụng logic mờ để điều khiển một đối tượng di động
là robot Khepera. Mỗi chuyển động được định nghĩa bằng một tập mờ dựa vào vị trí

robot, giá trị của sensor, khoảng cách và góc so với vị trí đích. Để robot tránh
chướng ngại vật, một bộ ghi nhớ đường đi được thiết kế để robot có thể tìm được
đường đi mới khi nó gặp chướng ngại vật. Bài báo này bao gồm phần 1 giới thiệu
chung về phương pháp này. Phần 2 giới thiệu qua về các hệ thống mờ. Phần 3 giới
thiệu bộ mô phỏng robot Khepera và các phép biến đổi biến cần thiết cho các hệ
thống điều khiển. Phần 4 giới thiệu mơ hình bộ điều khiển và phần 5 chỉ ra các kết
quả đạt được.
c. Advanced pipe inspection robot using rotating probe
Kentarou.Nishijima,Yixiang.Sun, Rupesh Kumar.Srivastava,Harutoshi. Ogai and
Bishakh. Bhattacharya Graduate school of Information, Production and Systems,
Waseda University, Japan (Tel: +81-93-672-5147; Fax: +81-93-672-5147) (E-mail:
)
Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, China Department of
Mechanical engineering, Indian Institute of Technology Kanpur, India.
Trong bài báo này, tác giả đã khảo sát tính chất của tín hiệu vơ tuyến với ống
dẫn bằng thép và phát triển một hệ thống thông tin liên lạc khơng dây sử dụng sóng
radio. Mặt khác, tác giả đã phát triển và thử nghiệm robot mới tích hợp cả hệ thống
kiểm tra hình ảnh bằng cách sử dụng thông tin vô tuyến do đại học Waseda chuyển
giao và hệ thống kiểm tra dùng đầu dò quay do Viện Cơng nghệ Ấn Độ chuyển
giao. Trong thí nghiệm này, tác giả xác nhận rằng có thể điều khiển robot khơng
dây bằng hệ thống thông tin liên lạc bên trong ống thu thập các hình ảnh và một số
tín hiệu từ đầu dò.
d. Experiences with the development of a robot for smart multisensoric
pipe inspection
.-B. Kuntze* and H. Haffner**
* Fraunhofer-htstitut Informations- und Datenverarbeitung IITB Karlsruhe
** Forschungszentrum Karlsruhe FZK.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng


2

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Hơn 20 phần trăm hệ thống thoát nước của nước Đức hư hỏng là do lâu năm.
Việc lập dự tốn cho các chi phí phục hồi là khoảng 100 tỷ DM. Và kết quả là chính
phủ Đức đã ban hành trong luật môi trường tương đối nghiêm là chủ sở hữu của hệ
thống thoát nước phải kiểm tra thường xuyên bằng công nghệ và phương tiện kiểm
tra phù hợp. Tuy nhiên, thực tế thì các hệ thống kiểm tra có sẵn trên thị trường vượt
trội hơn so với những công nghệ đơn giản nhưng không đáp ứng được yêu cầu của
thực tế.
Để lấp khoảng trống này, trong một dự án hợp tác R & D với 4 đối tác công
nghiệp và các viện nghiên cứu robot cao cấp, hệ thống kiểm tra Karo được phát
triển và đầu tiên là để phát hiện tự động vị trí và kích thước của thiệt hại trong hệ
thống thốt nước. Hệ thống bao gồm camera màu độ phân giải cao và nhiều cảm
biến trong đó phát triển hệ thống kính quang 3D, siêu âm và cảm biến vi sóng. Như
vậy, robot đi trong đường ống để phát hiện những hư hỏng trong các đường ống
cũng như trong môi trường xung quanh ống. Hơn nữa, các robot có nhiều cảm biến
cịn dùng để thăm dị cấu trúc trong hệ thống thốt nước chưa biết bằng cảm biến
nhiệt hạch và phân loại hư hỏng trên cơ sở fuzzy. Trong đó, hệ thống KARO được
giới thiệu và báo cáo kết quả kiểm tra.
e. Control and guidance of a pipe inspection crawler (pic)
Majid. M. Moghaddam, and Alireza. Hadi
22nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC
2005 - September 11-14, 2005, Ferrara (Italy)

Robot kiểm tra được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp. Một ứng dụng
để kiểm tra và giải quyết vấn đề bên trong các đường ống và kênh rạch. Đặc biệt là
kiểm tra một đường ống ngầm. Ngoài ra, nhiều cảm biến được sử dụng trên các
robot để nâng cao chất lượng kiểm tra. Trong đó, một robot kiểm tra (PIC) có thể di
chuyển bên trong ống nằm ngang và thẳng đứng được thiết kế tự động của đại học
Tarbiat Modares. Hơn nữa, các bộ phận khác được lắp đặt trên robot này để kiểm
tra. Việc điều khiển và định hướng cho robot trong các đường ống được thảo luận.
Thực hiện thí nghiệm để đánh giá khả năng chuyển động của robot trong đường ống

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

3

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

thẳng đứng và khúc khủy. Robot này bao gồm hai camera DOF để theo dõi, bộ siêu
âm để đo độ dày thành ống. Các đầu dò siêu âm phát hiện bên trong đường ống ở
góc độ khác nhau như mong muốn. Hơn nữa, các robot có thể thay đổi kích thước
bên ngồi và thích nghi với kích thước bên trong đường ống, để điều chỉnh áp lực
cần thiết giữa robot và đường ống. Tất cả được điều khiển thơng qua bộ điều khiển
bằng phím khi nhận được tín hiệu video của camera trên một màn hình. Các phần
cứng hệ thống điều khiển là một vi điều khiển dựa trên cơ sở điều chế PWM và
chuyển đổi A/D. Robot được điều khiển bằng cách đo dòng của động cơ. Ngồi ra,
vị trí và vận tốc của động cơ được đo bằng bộ mã hóa.
f. A simple architecture for in-pipe inspection robot

Mihaita HORODINCA, Ioan DOROFTEI, Emmanuel MIGNON, André PREUMO
Active Structures Laboratory UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES Av. F. D.
Roosevelt 50, cp 165/42, Brussels, Belgium Phone: (32)2-6504663 Fax: (32)26504660 e-mail:
Bài báo trình bày một cấu trúc cơ bản robot dùng để kiểm tra bên trong đường
ống. Robot gồm hai thành phần. Một bộ phận định hướng bằng các bánh xe chuyển
động song song với trục của ống và phần còn lại tạo ra lực xoắn để xoay bánh xe
quay quanh trục của ống. Một động cơ được đặt giữa hai bộ phận để tạo ra chuyển
động. Tất cả các bánh xe được đặt phía trước để phù hợp với thay đổi đường kính
ống, robot này tự động. Các bộ phận được chế tạo phù hợp với sự thay đổi của
đường kính ống lên đến 170 mm. Robot này được dùng để kiểm tra đường ống.
g. Design of a fuzzy based mobile robot controller using vhdl
Shabiul Islam, Mukter Zaman, Bakri Madon, and Masuri Othman
Bài báo trình bày một mơ hình thiết kế cho một robot điều khiển tự động
(MRC) phần cứng là một tập hợp các khái niệm sử dụng Fuzzy Logic (FLA). Các
MRC cho phép điều khiển không cần sự can thiệp của con người. Cấu trúc phần
cứng của robot tự động và sử dụng dễ dàng. Ngoài ra, Fuzzy logic cịn là một giải
pháp thơng minh trong việc điều khiển một vấn đề nào đó khi khơng chắc chắn.
Trong bài báo này, các cấu trúc phần cứng thiết kế của MRC đã được thực hiện với

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

4

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1


các khái niệm về điều khiển robot tự động sử dụng các lý thuyết của thuật toán mờ.
Sơ đồ khối của MRC bao gồm bộ mờ hóa, luật mờ, suy luận mờ và giải mờ. Mơ
hình của thuật toán MRC đầu tiên phát triển trên MATLAB. Khi có kết quả tin cậy
trên MATLAB, các mơ hình MRC được chuyển sang mơ hình VHDL để thực hiện
phần cứng, tiếp theo là công cụ tổng hợp Quartus II từ Altera được tổng hợp từ các
cổng logic. Các mã tổng hợp được tải về ở Field Programmable Gate Array (FPGA)
để xác minh tính đúng đắn của thuật tốn MRC dựa trên cấp độ thực hiện của VLSI.
Một số hình ảnh robot đƣờng ống đƣợc giới thiệu trong và ngoài nƣớc

Hình 1.1: Robot kiểm tra hệ thống cống (Cơng ty TNHH thốt nước đơ thị TPHCM)

Hình 1.2: Robot vệ sinh đường ống nước thải
(do nhóm nghiên cứu của Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM)

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

5

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

(a)

Hình 1.3

(b)

Hệ thống Robot quét bụi
của nhóm Võ Xuân Quốc
(ĐH Bách khoa TP.HCM)

Robot đường ống
do PGS TS Đặng Văn Nghìn
và KS Võ Anh Huy chế tạo

1.2 KHẢO SÁT ĐƢỜNG ỐNG VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN XÂY DỰNG
MƠ HÌNH PIPELINE ROBOT
Rất nhiều nơi từ các nhà máy lớn đến một ngôi nhà, robot được sử dụng để
làm việc thay con người. Tuy nhiên, những vấn đề khó khăn như đường ống bị
xuống cấp, ăn mịn, xói mịn, vết nứt và những hư hỏng do những nguyên nhân
khác đã xảy ra trong đường ống. Vì vậy, bảo dưỡng đường ống là điều cần thiết và
hơn thế nữa chi phí bảo dưỡng đường ống tăng lên theo thời gian. Các đường ống bị
tắt nghẽn để lại những hậu quả nghiêm trọng. Hầu hết các chất lỏng và khí được
vận chuyển bằng đường ống và đường ống còn dùng để dẫn nước thải, bùn, nước,...
Đường ống là một phần không thể thiếu trong các cơng trình xây dựng đơ
thị. Tuy nhiên các đường ống này cần phải được bảo trì và chi phí bảo trì tăng theo
thời gian. Thực tế có nhiều người làm việc trong mơi trường rất khó khăn chẳng hạn
như trong đường ống thiếu khơng khí, dơ bẩn, hình dạng và kích thước đường ống

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

6

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học


Chƣơng 1

thay đổi. Vì vậy robot được coi như là một giải pháp hữu hiệu để thay thế con người
làm việc trong đường ống, hiện nay đã có nhiều loại robot đường ống khác
nhau. Luận văn này thiết kế và chế tạo Robot đi bên trong lòng của đường ống có
tiết diện dạng hình trịn khơng chỉ di chuyển dọc theo đường ống , mà còn di chuyển
theo phương đứng, trong đường ống có cấu trúc và đường kính thay đổi.

Hình 1.4: Đường ống dẫn dầu hoặc nước.

Hình 1.5: Đường ống dẫn khí Ethanol.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

7

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Hình 1.6: Đường ống dẫn khí Hydrogen.

Hình 1.7: Đường ống dẫn nước tước tiêu và nước thải.
Hệ thống xử lý chất thải có hai phần: hệ thống thốt nước và hệ thống thốt
khí . Hệ thống thoát nước bao gồm hệ thống đường ống dẫn nước thải đến hệ thống
xử lý chất thải của thành phố để đảm bảo vấn đề vệ sinh và sức khỏe và để đảm bảo

khơng bị tắt nghẽn thì hệ thống cấp thoát nước cần phải được xây dựng nghiêng
theo độ dốc phù hợp.
Như đã đề cập ở trên, đường ống phải được bảo trì tốt để duy trì chức năng,
mặc dù vật liệu và kỹ thuật chế tạo đường ống đã cải thiện đáng kể đảm bảo độ bền
cao, nhưng hầu hết các đường ống thốt nước được chơn dưới đất. Vì vậy, hoạt
động bảo dưỡng đường ống gặp rất nhiều khó khăn vì nhiều lý do như đường ống
q nhỏ mà con người không thể vào làm việc được và mọi người không muốn làm
việc bên trong đường ống vì bẩn và nguy hiểm,... Khi đường ống thốt nước bị tắt

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

8

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

nghẽn thì bùn lầy và chất dơ bẩn bị tràn ra ngoài lúc này cần phải khắc phục sự tắt
nghẽn, nếu khơng thì tất cả các khu vực có thể bị ngập do nước bẩn. Dù nhận thức
được tính chất nghiêm trọng của vấn đề này, nhiều chính quyền thành phố vẫn
khơng khắc phục được kịp thời hệ thống ống nước do rất khó tiếp cận những đường
ống bị bể hoặc rò rỉ. Cách thức được áp dụng hiện nay là đào đường ở những khu
vực bị nghi ngờ hư hỏng, dù phương pháp này rất bị động và hao tiền tốn của. Đó là
chưa kể có những khu vực khơng thể đào hầm được vì nhiều lý do.
Có một số phương pháp khác để khắc phục như dùng cây dài để khai thông
nhưng ta gặp khó khăn khi đường ống bị uốn cong. Ngồi ra, có thể sử dụng khơng
khí với áp suất cao để sục rửa nhưng cũng rất khó khăn.

Giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng robot để giải quyết tình huống này. Nếu
một robot có thể đi được trong đường ống tìm và khắc phục vấn đề trên thì có thể
làm giảm đáng kể chi phí và thời gian phục hồi và cũng giảm nhân lực.

Hình 1.8: Các vấn đề có thể xảy ra đối với đường ống.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

9

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

1.2.1 Những vấn đề xảy ra khi khảo sát thiết kế
1.2.1.1 Khó khăn về mặt cơ khí
Khó khăn thứ nhất là khi robot đi trong đường ống có tiết diện trịn có cấu tạo
thay đổi liên tục về kích thước và hình dạng ngang, dọc ( Ví dụ: đường ống cong,
hình chữ T, hình chữ thập và một số dạng đặc biệt khác). Khi nó làm việc trong
đường ống một vấn đề lớn đặt ra là khả năng xử lý các tình huống trong đường ống
thẳng đứng do ảnh hưởng của trọng lực và lực ma sát, yêu cầu robot phải bám chặt
để không bị rơi khi di chuyển trong đường ống thẳng đứng và đảm bảo ổn định khi
có sự thay đổi kích thước. Vì vậy, để khắc phục những tình huống trên robot địi hỏi
phải xử lý hầu hết các tình huống như kích thước của robot phải thay đổi phù hợp
với sự biến đổi của đường kính đường ống và thậm chí cịn phức tạp hơn nếu
đường ống bị hư .
Thứ hai, một khó khăn khác khi robot làm việc trong đường ống ngập nước vì

vậy cần chống thấm nước cho robot và đảm bảo lực ma sát đủ lớn để không bị trượt
trong môi trường nước. Để giải quyết các vấn đề phát sinh, tất cả các thiết bị điện
cần được cách ly với nước.
Thứ ba, giám sát đuợc vị trí làm việc của robot là một vấn đề quan trọng nhất
để kịp thời có tín hiệu điều khiển phù hợp nhằm đảm bảo thời gian làm việc tối
thiểu của robot ( tránh trường hợp hết năng lượng cung cấp cho robot làm cho robot
bị mắc kẹt trong đường ống) giúp robot làm việc hiệu quả.
Tuy nhiên vẫn cịn rất nhiều khó khăn cần phải giải quyết khi ứng dụng trong
thực tế vì cấu tạo phức tạp và khơng biết trước của hệ thống đường ống, kích thước
của đuờng ống cũng thay đổi và có thể đường ống hư hỏng làm robot bị kẹt trong
đường ống v.v…

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

10

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

1.2.1.2 Khó khăn về phần điện
Thứ nhất, như đã đề cập trước đó trong phần cơ khí u cầu robot có kích
thước gọn nhẹ nhưng mạnh mẽ. Do đó cần phải xem xét khả năng hoạt động, mục
tiêu ứng dụng và các mục tiêu thiết kế robot để triển khai thực hiện, trong khi thực
hiện việc lựa chọn thiết bị để xây dựng robot phải phù hợp.
Thứ hai, hệ thống điều khiển chính xác và tin cậy là một yêu cầu cho robot để
phát hiện và xử lý những tình huống gặp phải trong mơi trường ngập nước, do phải

hoạt động trong môi trường ngập nước hồn tồn nên hệ thống điện cũng được tính
tốn kỹ lưỡng. Ngồi việc chống thấm, robot cịn được kết nối với bên ngoài truyền
các lệnh từ người điều khiển, đồng thời truyền dữ liệu trở lại người điều khiển và
lựa chọn động cơ có cơng suất phù hợp.
1.2.1.3 Khó khăn về ứng dụng
Một số các ứng dụng cho Pipeline robot như kiểm tra các hư hỏng có thể xảy
ra trong đường ống, làm sạch đường ống, bảo dưỡng đường ống, tìm kiếm hư hỏng
trong các đường ống để vệ sinh, sửa chữa chúng, đây là những nhiệm vụ quan
trọng. Trong thực tế, lượng rác thải không chỉ là rác hữu cơ mà cịn có nhiều loại
như xà bần, cát đất, vỏ hộp thức ăn cũng như các vật thải khó di chuyển. Đây là yếu
tố gây cản trở việc ứng dụng các robot đường ống,…
1.2.2 Giải pháp thiết kế Pipeline robot
Phƣơng án 1: Thiết kế robot dạng nhiều khối liên kết

Hình 1.9: Cấu tạo robot đường ống dạng nhiều khối liên kết.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

11

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Cấu trúc của robot trong hình trên bao gồm năm cụm liên kết với nhau, hai
cụm truyền động, một cụm nằm phía trước và một cụm nằm phía sau. Robot có hai
cụm dẫn hướng trước và sau, cụm dẫn hướng giữa có nhiệm vụ liên kết và tham gia

dẫn hướng cho robot khi robot đi qua đoạn ống có hướng thay đổi. Robot được điều
khiển bằng máy tính nhờ sự kết hợp của hai camera bố trí trên hai cụm dẫn hướng
đầu của robot để đưa dữ liệu hình ảnh mà nó nhận được về máy tính. Robot được
thiết kế đủ lực kéo để leo qua các đường ống thẳng đứng đồng thời kéo theo cáp
dẫn. Lực này được cung cấp bởi hai bộ cụm truyền động nằm phía trước và phía sau
robot. Mỗi cụm có các cơ cấu bánh xe linh hoạt áp lên thành ống, ma sát giữa bánh
xe và mặt trong ống tạo ra lực kéo để robot di chuyển. Trong quá trình di chuyển về
phía trước cụm truyền động phía trước tạo lực kéo, cụm sau tạo lực đẩy và ngược
lại.
Với kiểu thiết kế này Robot khá rườm rà và khó điều khiển dễ vướng khi trong
đường ống có vật cản.
Phƣơng án 2: Thiết kế robot 2 khối liên kết chuyển động xoắn dùng bánh
xe
Cấu tạo robot này gồm 2 bộ phận được trình bày trong hình 1.10:
- Phần đầu mang nguồn cung cấp cho động cơ phía sau.
- Phần sau gồm 3 chân đỡ cách nhau 120 độ, mỗi chân có 2 bánh lệch nhau 1
góc hướng về phía trên.
Cơ chế di chuyển : dựa vào lực đẩy của lò xo giúp các bánh xe bám chặt vào
thành ống các bánh xe di chuyển theo hình xoắn ốc từ từ di chuyển lên phía trên. Cơ
chế này giống như con trượt di chuyển trên trục vít được gọi là heli-pipe robot.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

12

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học


Chƣơng 1

Hình 1.10: Tổng thể của robot đường ống chuyển động xoắn.

Hình 1.11: Robot di chuyển trong ống.

Hình 1.12: Một dạng của heli-pipe robot.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

13

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Với robot có cấu tạo như vậy vấn đề năng lượng gặp nhiều khó khăn và robot
chỉ ứng dụng trong 1 đường ống có kích thước cố định.
Phƣơng án 3: Thiết kế robot dạng xe
Robot có 2 bánh xe truyền động phía sau và 1 bánh dẫn hướng thụ động phía
trước. Robot được nối với bộ phận điều khiển bên ngồi bằng dây cáp. Robot có 1
camera phía trước và một camera phía sau để quan sát trạng thái trong đường ống.

Hình 1.13: Robot dạng xe.
Robot này chỉ di chuyển trong các đường ống có độ nghiên thấp và không làm
việc ở những đường ống thẳng đứng và có kích thước thay đổi.
Phƣơng án 4:Thiết kế robot kiểu 3 chân linh hoạt

Cấu trúc robot gồm 3 chân theo kết cấu càng, cánh tay địn có thể co dãn theo
kích thước đường ống khác nhau. Bánh xe robot được thiết kế dạng lốp xoay vòng
giống bánh xe tăng với bộ truyền động bánh răng truyền chuyển động cho robot.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

14

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

Hình 1.14: Robot đường ống kiểu 3 chân linh hoạt.
Ưu điểm: Mặt tiếp xúc của bánh với thành ống lớn giúp phân bố lực đều nhằm
giảm lực tập trung đồng thời tránh cho Robot bị kẹt ở những vết nứt nhỏ. Bộ truyền
động bánh răng chế tạo gọn nằm trong lòng bánh.
- Cung cấp năng lượng và truyền dữ liệu qua dây cáp.
- Tín hiệu ổn định, chi phí thấp.
Nhược điểm : tốn cơng lắp đặt vì thêm phần dây cáp.
So sánh giữa các phương án trên tác giả chọn phương án 4 vì khả năng linh
hoạt cao có thể di chuyển ở các đường ống có độ nghiên lớn và có kích thước khác
nhau, dễ điều khiển, độ bám lên thành ống cao.
Nội dung chính của đề tài là thiết kế chế tạo và điều khiển robot đường ống có
nhiều ứng dụng khác nhau như: khảo sát và dị tìm các khuyết tật của đường ống
kim loại chịu áp lực như ống gas, khí đốt, dầu khí v.v… là một nhu cầu rất cần thiết.
Robot này có khả năng di chuyển bên trong đường ống tạo ra lực bám trên thành
ống bằng chuyển động của băng tải được kéo bởi các động cơ DC. Các động cơ DC

dùng để kéo hai băng tải tạo ra sự chuyển động của robot và một động cơ khác giúp
cho robot duy trì lực bám chặt vào thành ống (tránh cho robot không bị trượt khi di
chuyển và không bị rơi xuống khi đi trong những đường ống thẳng đứng) cũng
chính động cơ này làm cho robot thay đổi kích thước phù hợp với đường kính của
đường ống. Robot được điều khiển không dây thông qua bộ thu phát RF.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

15

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu sự hoạt động của Pipeline robot và phương pháp điều khiển mờ ứng
dụng cho robot.
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo và điều khiển Pipeline robot.
- Xây dựng giải thuật điều khiển cho Pipeline robot.
- Mô phỏng hệ thống hệ thống điều khiển các động cơ sử dụng trong Pipeline
robot trên phần mềm Matlab.
- Thiết kế và chế tạo mơ hình Pipeline robot.
1.4 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu ngun lý hoạt động của robot và phương pháp điều khiển, từ đó
xây dựng mơ hình điều khiển các động cơ DC nhằm ổn định tốc độ và moment khi
Pipeline robot đi trong đường ống để thăm dò và kiểm tra các đường ống có kích
thước thay đổi hoặc thực hiện các chức năng khác như: vệ sinh, bảo trì sửa chữa

đường ống.
1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Khảo sát cấu trúc của đường ống, từ đó lựa chọn phuơng án thiết kế tốt nhất.
- Xây dựng hệ thống điều khiển cho Pipeline robot trên cơ sở phân tích chi
tiết chuyển động của Pipeline robot.
- Mô phỏng các phương pháp điều khiển cho Pipeline robot trên phần mềm
Matlab. Sau khi đã hoạt động ổn định và chính xác thì ứng dụng chế tạo Pipeline
robot.
- Thiết kế thi cơng mơ hình Pipeline robot.
- Đánh giá kết quả đạt được.
1.6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra mơ hình điều khiển bằng phần mềm mô
phỏng Matlab và thiết kế chế tạo mơ hình Pipeline robot.
1.7 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
- Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

16

HVTH: Võ Thành Nhân


Luận văn cao học

Chƣơng 1

- Ứng dụng logic mờ và phương pháp điều khiển cho Pipeline robot.
- Xây dựng các hệ thống điều khiển và các phương pháp liên quan đang áp

dụng trong nước và trên thế giới để điều khiển robot hiệu quả nhất. Từ đó so sánh
ưu nhược điểm của các mơ hình này.
- Xây dựng và đưa ra giải thuật điều khiển mờ cho Pipeline robot.
- Mô phỏng phương pháp điều khiển bằng phần mềm Matlab.
- Thiết kế và thi cơng mơ hình Pipeline robot.
- Nhận xét đánh giá kết quả.
1.8 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Có thể được phát triển và ứng dụng vào thực tế để thăm dò kiểm tra hư hỏng
bên trong của các đường ống dẫn khí, chất lỏng như nước, dầu khí,... ngồi ra cịn
có thể gắn lên trên Pipeline robot các bộ phận khác để thực hiện một số nhiệm vụ
như: hàn chỗ nứt hay rò rỉ, vệ sinh, sơn sửa, khai thông,… giải quyết vấn đề sử
dụng robot thay thế con người làm việc trong môi trường nguy hiểm và độc hại.
1.9 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về điều khiển mờ.
Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống điều khiển.
Chƣơng 4: Sơ đồ và kết quả mô phỏng.
Chƣơng 5: Thiết kế thi cơng mơ hình Pipeline robot.
Chƣơng 6: Kết luận.

CBHD: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

17

HVTH: Võ Thành Nhân


×