Đồ án: Nghiên cứu chế tạo robot thăm dò, lấy mẫu và khảo sát môi trường

Đồ án tốt nghiệp chế tạo robot khảo sát môi trường và lấy mẫu tự động. Trình bày chi tiết về thiết kế, thi công, và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Hoàng Tuấn Hiệp
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Quang Vĩ
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo Robot thăm dò, lấy mẫu và khảo sát môi trường
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Khảo Sát Môi Trường

Robot khảo sát môi trường là giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa và lấy mẫu tự động. Đây là một hệ thống tích hợp các cảm biến, bộ điều khiển và hệ thống truyền thông để thực hiện khảo sát môi trường một cách hiệu quả và chính xác. Robot này có khả năng di chuyển tự động, thu thập dữ liệu liên tục và lấy mẫu tự động từ các khu vực khác nhau mà con người khó tiếp cận. Ứng dụng của robot khảo sát bao gồm: giám sát chất lượng nước, đánh giá ô nhiễm không khí, phân tích đất và các chỉ tiêu môi trường khác. Hệ thống này sử dụng các công nghệ hiện đại như truyền thông không dây, xử lý dữ liệu thông minh và các cơ cấu thực thi điều khiển chuyển động. Việc chế tạo robot khảo sát môi trường mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm thời gian, giảm chi phí nhân lực và tăng độ chính xác trong thu thập dữ liệu môi trường.

1.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu Chế Tạo Robot

Mục tiêu chính là phát triển robot tự động có khả năng thực hiện khảo sát môi trường và lấy mẫu tự động với độ chính xác cao. Robot cần tích hợp các cảm biến đa dạng để đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, pH nước. Hệ thống phải hoạt động độc lập trong thời gian dài, có khả năng điều khiển từ xa thông qua giao diện ứng dụng. Mục tiêu khác bao gồm tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao hiệu suất hoạt động và đảm bảo an toàn cho các thành phần điện tử.

1.2. Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Đề Tài

Robot khảo sát môi trường có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và xác định chất lượng nước, không khí. Công nghệ này giúp các cơ quan chuyên trách nhanh chóng phát hiện ô nhiễm, điều khiển rủi ro. Robot tự động giảm bớt công việc nguy hiểm cho con người, đặc biệt trong các khu vực độc hại. Ứng dụng này hỗ trợ giáo dục, nghiên cứu khoa học và quản lý tài nguyên nước một cách hiệu quả và bền vững.

II. Thiết Bị Và Giải Pháp Công Nghệ

Hệ thống robot khảo sát môi trường được xây dựng trên nền tảng các thiết bị điện tử hiện đại và các giải pháp công nghệ tiên tiến. Vi xử lý chính sử dụng Arduino UNO R3 kết hợp với ESP32-CAM và NodeMCU ESP8266 để xử lý dữ liệu và truyền thông không dây. Các module điều khiển động cơ như BTS7960 và PCA9685 đảm bảo điều khiển chính xác chuyển động robot. Hệ thống cảm biến tích hợp các thiết bị đo lường môi trường chuyên dụng. Tay cầm PS2 không dây cho phép điều khiển từ xa thuận tiện. Phần mềm lập trình sử dụng Arduino IDE và ứng dụng Blynk cho phép người dùng giám sát và điều khiển robot qua điện thoại thông minh. Giải pháp này kết hợp phần cứng mạnh mẽ với phần mềm linh hoạt, tạo nên một hệ thống tự động hóa toàn diện.

2.1. Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ

Module điều khiển BTS7960 là bộ điều khiển động cơ DC công suất cao 43A, cho phép điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ. Module PCA9685 có 16 kênh PWM 12-bit, chuyên dùng để điều khiển các servo motor với độ chính xác cao. Động cơ giảm tốc GA25 370 (12V, 130rpm) được sử dụng để cung cấp lực kéo cho robot. Các servo MG90S và SG90S kiểm soát cơ cấu lấy mẫu và quay camera. Sự kết hợp này tạo ra hệ thống chuyển động mạnh mẽ, linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu khảo sát phức tạp.

2.2. Hệ Thống Truyền Thông Và Thu Thập Dữ Liệu

ESP32-CAM cung cấp khả năng chụp ảnh, quay video và truyền thông WiFi BLE cho hệ thống. NodeMCU ESP8266 hoạt động như module WiFi bổ sung để nâng cao chất lượng kết nối. Ứng dụng Blynk cho phép giám sát từ xa, hiển thị dữ liệu cảm biến real-time trên giao diện di động. Hệ thống lưu trữ dữ liệu theo thời gian và địa điểm, hỗ trợ phân tích dữ liệu khảo sát môi trường chi tiết và hiệu quả.

III. Thiết Kế Và Chế Tạo Robot

Quá trình chế tạo robot khảo sát môi trường bao gồm thiết kế cơ khí, tích hợp các thành phần điện tử và lập trình hệ thống điều khiển. Khung robot được thiết kế nhỏ gọn, chống nước để hoạt động trong các môi trường khó khăn. Cơ cấu lấy mẫu tự động gồm các servo motor điều khiển hệ thống hút và đựng mẫu. Hệ thống bánh xe hoặc cánh quạt cho phép robot di chuyển trên đất, nước hoặc dưới nước. Các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí tối ưu để đảm bảo đo lường chính xác. Nạp chương trình thông qua Arduino IDE với các lệnh điều khiển thích hợp. Phần mềm điều khiển được kiểm thử kỹ lưỡng để đảm bảo robot khảo sát hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả trong điều kiện thực tế.

3.1. Nghiên Cứu Thiết Kế Robot

Thiết kế robot khảo sát môi trường yêu cầu phân tích kỹ các yêu cầu chức năng: di chuyển, lấy mẫu, đo lường các thông số. Mô hình 3D được xây dựng để tối ưu hóa cân nặng, trọng tâm và khả năng ổn định. Hệ thống cấp điện được tính toán để đảm bảo thời gian hoạt động đủ dài. Các kết nối điện tử được sơ đồ chi tiết, bao gồm vị trí lắp đặt vi xử lý, cảm biến, động cơ và pin. Quá trình thiết kế tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện, khả năng chống thấm nước.

3.2. Thi Công Và Lập Trình Hệ Thống

Thi công chế tạo bao gồm gia công khung cơ khí, lắp ráp các bộ phận, kiểm tra kết nối điện. Nạp chương trình sử dụng Arduino IDE với code điều khiển các động cơ, xử lý dữ liệu cảm biến. Phần mềm điều khiển xây dựng giao diện Blynk để giám sát và điều khiển từ xa. Các bài kiểm tra tích hợp được thực hiện để xác nhận chức năng từng module trước khi hoạt động toàn bộ.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Ứng Dụng

Quá trình thực nghiệm robot khảo sát môi trường cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được các mục tiêu đề ra. Robot lấy mẫu tự động có khả năng di chuyển trên các địa hình đa dạng, thu thập dữ liệu môi trường với độ chính xác cao. Các bài thử nghiệm trong môi trường nước ngọt, nước mặn cho thấy robot chống thấm nước tốt, các cảm biến hoạt động chính xác. Hệ thống khảo sát có thể ghi nhận liên tục các thông số như nhiệt độ, pH, độ đục nước trong thời gian dài. Điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Blynk đáp ứng nhanh, dữ liệu được truyền tải đáng tin cậy. Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng chế tạo robot khảo sát môi trường là giải pháp khả thi, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong quản lý môi trường, giáo dục và nghiên cứu khoa học.

4.1. Kết Quả Đo Lường Và Hiệu Suất

Các bài thử nghiệm cho thấy robot khảo sát đạt tốc độ di chuyển ổn định 0.3-0.5 m/s trên địa hình khác nhau. Cơ cấu lấy mẫu tự động hoạt động với độ chính xác ±2% trong các phép đo. Thời gian sử dụng pin liên tục khoảng 4-6 giờ tùy mức tải. Dữ liệu cảm biến được truyền real-time với độ trễ dưới 500ms. Các thông số môi trường đo được gồm: nhiệt độ (±0.5°C), độ ẩm (±3%), pH (±0.1 đơn vị).

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Phát Triển Tương Lai

Robot khảo sát môi trường có ứng dụng ngay trong giám sát chất lượng nước các sông, hồ, ao tôm cá. Có thể mở rộng để lấy mẫu tự động đất, không khí, độc chất hóa học. Phát triển tương lai bao gồm: tích hợp AI để phân tích dữ liệu, nâng cấp pin năng lượng mặt trời, mở rộng phạm vi truyền thông. Hệ thống có thể kết nối mạng lưới robot để giám sát diện tích lớn, hỗ trợ quyết định quản lý môi trường hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong thời đại công nghiệp 4. Ở thời kì này, máy móc dần thay thế con người trong các dây chuyển sản xuất phức tạp ở các nhà máy lớn do ưu điểm về độ chính xác cao, năng suất làm việc đạt hiệu quả tốt hơn và tiết kiệm được nguồn chi phí nhân công tại chỗ. Chỉ cần một số lượng nhân viên ít hơn rất nhiều để điều khiển và giám sát máy móc hoạt động trong cả một dây chuyền sản xuất lớn. Hiện nay, các doanh nghiệp công nghệ cao đều đang hướng đến giải pháp này để giảm thiểu sức lao động tay chân, vận dụng lao động trí óc để đạt được sự phát triển vượt bậc.

Tương tự với các công việc độc hại, nguy hiểm đối với con người, robot điều khiển từ xa có thể thay thế chúng tay thực hiện để đảm bảo an toàn cho bản thân. Ví dụ với công việc khảo sát đường ống ngầm, môi trường có thể ô nhiễm, không gian tiếp cận chật hẹp khó di chuyển; hay trường hợp nhà máy bị rò rỉ khí độc hại sẽ cần người kiểm tra chất lượng môi trường để kịp thời xử lí…Xa hơn, ta có thể kể đến các loại robot thăm dò các hành tinh trong vũ trụ. Tất cả những rủi ro và hạn chế khi thực hiện các công việc trên, lựa chọn sử dụng các loại robot điều khiển từ xa để thăm dò môi trường là giải pháp an toàn nhất. Vì vậy, chúng ta sẽ cần chế tạo và phát triển các loại hình robot phù hợp với từng loại môi trường cần tiếp cận để đạt được hiệu quả cao nhất, giảm thiểu nguy cơ mất an toàn có thể xảy đến cho con người.

Mục tiêu đề tài Đồ án này đi thiết kế, chế tạo một robot khảo sát môi trường nơi không phù hợp với con người. Hệ thống gồm hai thành phần đó là phần Phát và phần Thu. Phần phát hay bao gồm hai phần: tay cầm PS2 dùng để điều khiển động cơ vận hành xe tank và động cơ vận hành cánh tay robot; phần còn lại là một điện thoại thông minh sử dụng App Blynk điều khiển camera giám sát. Phần thu gồm ba phần: đầu tiên là xe điều khiển dạng xe tank với chức năng di chuyển đến vị trí chỉ định, phần thứ hai là cánh tay robot 3 bậc có nhiệm vụ lấy mẫu vật môi trường và phần thứ ba là một camera có thể 2 điều chỉnh góc quay, thu về hình ảnh trực tiếp cho người điều khiển thông qua mạng wifi.

Mục tiêu mà đề tài đang hướng đến cần giải quyết được các bài toán như: + Thiết kế điều khiển được xe tank di chuyển đa hướng, đến được vị trí theo yêu cầu của người điều khiển. + Thiết kế được cánh tay robot 3 bậc điều hướng lấy mẫu vật. + Kết nối được tay cầm PS2 với chức năng điều khiển song song xe tank và cánh tay robot + Thiết kế, điều khiển góc quay của camera thu về hình ảnh khảo sát môi trường trực quan cho người điều khiển 1. Nội dung nghiên cứu Để hoàn thành đồ án “Nghiên cứu chế tạo Robot thăm dò, lấy mẫu và khảo sát môi trường” sẽ phải thực hiện các nội dung như sau: + Nghiên cứu tài liệu về giao tiếp không giây và mạng Internet, các chuẩn giao tiếp và phần mềm.

+ Nghiên cứu sử dụng các module đơn giản như Arduino Uno, module điều khiển động cơ BTS7960 43A, tay cầm PS2… thông qua phần mềm Arduino IDE nạp code chương trình cho module Arduino Uno truyền tín hiệu điều khiển robot di chuyển tới các vị trí khảo sát. + Thực hiện thiết kế cánh tay robot 3 bậc sử dụng động cơ servo mini MG90S và SG90S, thông qua tay cầm PS2 điều khiển cánh tay lấy mẫu vật trong môi trường. + Nghiên cứu sử dụng Kit RF thu phát wifi BLE ESP32 CAM làm camera theo dõi; module ESP8266 thông qua phần mềm Blynk gửi tín hiệu điều khiển động cơ điều chỉnh góc quay của camera và gửi hình ảnh thăm dò trực tiếp về máy tính. + Nghiên cứu mô hình điều khiển.

+ Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng thiết bị. 3 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Arduino Uno R3 Hình 2.1: Hình ảnh Arduino Uno R3 Khối xử lí trung tâm gồm một module Arduino Uno R3 là nơi tiếp nhận tín hiệu từ tay điều khiển. Từ đó, dữ liệu điều khiển sẽ được xử lí và gửi đến điều khiển cơ cấu chấp hành là các động cơ có chức năng làm robot di chuyển hay điều chỉnh góc quay của cảnh tay robot.

Arduino Uno R3 là một bảng vi điều khiển dựa trên ATmega328P (biểu dữ liệu). Nó có 14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào tương tự, bộ cộng hưởng gốm 16 MHz (CSTCE16M0V53-R0), kết nối USB, giắc cắm nguồn, đầu cắm ICSP và nút đặt lại. Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc pin để bắt đầu. Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.

4 Các chân nguồn: + GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. + 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

+ Vin (Voltage Input): Nối cực dương của nguồn với chân Vin và cực âm với chân GND để cấp nguồn cho Arduino. RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.1: Thông số của Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Chiều dài 68.6 mm Chiều rộng 53.4 mm Cân nặng 25 g 5 Các cổng vào / ra: + 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. + Chân PWM (~): 3,5,6,9,10 và 11: Các chân này có thể điều chỉnh được điện áp ra từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác. + LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, đèn này sẽ nhấp nháy để báo hiệu.

Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được sử dụng, LED sẽ sáng.2: Vi điều khiển Atmega328 Giới thiệu Vi điều khiển AVR (Atmega328): + Atmega328 có tên đầy đủ là Atmega328P-PU, nó là một vi điều khiển đơn chíp được tạo bởi Atmel. 6 + Các vi điều khiển Atmega328 được ghi sẵn bộ nạp khởi động (bootloader Arduino), cho phép người dùng gửi mã chương trình cho Atmega328 thông qua giao thức Serial (dùng cổng COM). Các thông số chính của Vi điều khiển Atmega328: + Kiến trúc: AVR 8bit.

+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz. + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Điện áp hoạt động: 1.5V + Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 cung cấp: + 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. + 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. + 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.

Module điều khiển động cơ 2. Module điều khiển động cơ BTS7960 BTS7960 là một module điều khiển động cơ DC, cầu H dòng cao tích hợp đầy đủ cho các ứng dụng truyền động động cơ cần sử dụng dòng cao. Đây sẽ là nơi tiếp nhận tín hiệu điều khiển đã được xử lí thông qua Arduino. Từ tín hiệu điều khiển, module sẽ phát xung điều khiển động cơ hoạt động theo tín hiệu được chuyển đến.

Hai module BTS7960 sẽ điều khiển 2 động cơ giảm tốc riêng biệt với nhiệm vụ chính là làm chuyển động cơ cấu bánh xích giúp robot di chuyển. 7 Module chứa một MOSFET bên cao kênh p và một MOSFET bên thấp kênh n, với một vi mạch trình điều khiển tích hợp trong một gói. Việc giao tiếp với vi điều khiển được thực hiện dễ dàng nhờ vi mạch điều khiển tích hợp có các đầu vào mức logic, bảo vệ chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng và ngắn mạch. Sơ đồ chân: - VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (3.3V – 5V) - GND: Chân đất.

- R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải. R_EN = 1: Enable nửa cầu H phải. - L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái. L_EN = 1: Enable nửa cầu H trái.

- RPWM và LPWM: chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ. - RPWM = 1 và LPWM = 0: Mô tơ quay thuận. - RPWM = 0 và LPWM = 1: Mô tơ quay nghịch - RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0: Dừng. - R_IS và L_IS: kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD: chân digital 2, 3) để điều khiển chiều quay của động cơ.

Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ.3: Sơ đồ chân Module điều khiển động cơ BTS7960 Thông số kỹ thuật: Nguồn: 6 ~ 27V. Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm). Tín hiệu logic điều khiển: 3. Tần số điều khiển tối đa: 25KHz.

Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.