Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng kỹ thuật học sâu trong giám sát thông minh với quadcopter nhận dạng tụ sứ lỗi

• Tác giả: Lê Quang Huy
• Người hướng dẫn: PGS. TS Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Quadcopter nhận dạng tụ sứ lỗi bằng kĩ thuật học sâu ứng dụng trong giám sát thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu đề tài và giới hạn đề tài
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Giới thiệu nội dung
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Học sâu và trí tuệ nhân tạo
• 2.2. Mạng thần kinh tích chập
• 2.3. Các phương pháp nhận dạng đối tượng
• 2.4. Giới thiệu về drone
• 2.5. Động lực học và ma trận chuyển đổi trục của drone
• 2.6. Bộ lọc Kalman
• 2.7. Bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển bay
• 2.8. Máy tính NVIDIA Jetson Nano
• 2.9. Máy tính nhúng
• 2.10. NVIDIA Jetson nano
• 2.11. Tổng quan về MySQL
• 3. CHƯƠNG 3: HỌC SÂU TRONG NHẬN DẠNG SỨ ĐIỆN
• 3.1. Tầm quan trọng của nhận dạng sứ điện
• 3.2. Nhận dạng sứ bằng SSD-Mobilenet-v1
• 3.3. Giới thiệu về SSD-Mobilenet-v1
• 3.4. Cách thức hoạt động của SSD-Mobilenet-v1. Kiến trúc mạng SSD-Mobilenet-v1
• 3.5. Các hàm Loss của SSD (Loss function)
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP NHẬN DẠNG TỤ SỨ
• 4.1. Tổng quan giải pháp
• 4.2. Giải pháp chi tiết
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 5.1. Yêu cầu thiết kế và quy trình vận hành của hệ thống
• 5.2. Lựa chọn, thiết kế phần cứng của Quadcopter
• 5.3. Lựa chọn, lắp ráp khung quadcopter
• 5.4. Thiết kế, tính toán lựa chọn động cơ
• 5.5. Tính toán lựa chọn bộ điều khiển tốc độ động cơ (ESC)
• 5.6. Tính toán lựa chọn cánh quạt
• 5.7. Lựa chọn pin cho hệ quadcopter
• 5.8. Lựa chọn bộ điều khiển từ xa cầm tay
• 5.9. Lựa chọn camera
• 5.10. Lựa chọn bộ điều khiển bay phù hợp
• 5.11. Lựa chọn cảm biến
• 5.12. Lựa chọn máy tính nhúng phù hợp
• 5.13. Sơ đồ nối dây của hệ thống
• 5.14. Thiết mô hình hệ thống
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 6.1. Thiết kế chương trình điều khiển
• 6.2. Yêu cầu thiết kế
• 6.3. Mô tả chương trình điều khiển
• 6.4. Lưu đồ giải thuật điều khiển
• 6.5. Xây dựng chương trình theo dõi tụ sứ
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 7.1. Đánh giá mô hình học sâu
• 7.2. Một số tham số được sử dụng khi huấn luyện
• 7.3. Đánh giá khả năng vận hành của mô hình
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.1. Hiện trạng của hệ thống
• 8.2. Hạn chế của mô hình
• 8.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
• PHỤ LỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp với chủ đề 'Ứng dụng học sâu trong giám sát thông minh với quadcopter nhận dạng tụ sứ lỗi' là một nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực công nghệ điều khiển và tự động hóa. Đồ án này tập trung vào việc phát triển một hệ thống giám sát thông minh sử dụng quadcopter để nhận dạng các lỗi trên tụ sứ điện. Mục tiêu chính của đồ án là tạo ra một hệ thống hoạt động ổn định, tích hợp học sâu để nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện lỗi. Đồ án cũng hướng đến việc xây dựng một giao diện giám sát từ xa, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống.

1.1. Mục tiêu và giới hạn

Mục tiêu của đồ án là tạo ra một hệ thống giám sát thông minh sử dụng quadcopter và học sâu để nhận dạng tụ sứ lỗi. Hệ thống cần đạt độ chính xác trên 90% và có khả năng hiển thị thông tin lỗi khi phát hiện. Đồ án giới hạn trong việc sử dụng bộ điều khiển bay Pixhawk, camera nhận dạng, và Jetson Nano để xử lý dữ liệu. Phần mềm điều khiển được phát triển bằng Python, tích hợp với cơ sở dữ liệu MySQL để quản lý thông tin.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích tổng hợp. Dữ liệu thực tế được thu thập thông qua camera để xây dựng tập dữ liệu huấn luyện cho mô hình SSD-Mobilenet-v1. Phương pháp phân tích được áp dụng để đánh giá hiệu suất của mô hình trong việc nhận dạng các lỗi trên tụ sứ. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình có khả năng phát hiện lỗi với độ chính xác cao, đáp ứng được yêu cầu của hệ thống giám sát thông minh.

II. Ứng dụng học sâu trong giám sát thông minh

Ứng dụng học sâu trong giám sát thông minh là một trong những xu hướng công nghệ hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển. Trong đồ án này, học sâu được sử dụng để nâng cao khả năng nhận dạng tụ sứ lỗi thông qua mô hình SSD-Mobilenet-v1. Mô hình này được huấn luyện trên tập dữ liệu hình ảnh thực tế, giúp hệ thống có thể phát hiện các lỗi như nứt vỡ hoặc bẩn trên tụ sứ. Học sâu không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giúp hệ thống hoạt động tự động và hiệu quả hơn.

2.1. Học sâu và trí tuệ nhân tạo

Học sâu là một nhánh của trí tuệ nhân tạo (AI), sử dụng các mạng nơ-ron nhân tạo để học hỏi từ dữ liệu. Trong đồ án, học sâu được áp dụng để nhận dạng các lỗi trên tụ sứ thông qua mô hình SSD-Mobilenet-v1. Mô hình này có khả năng phân tích hình ảnh và phát hiện các đối tượng với độ chính xác cao. Học sâu giúp hệ thống tự động hóa quá trình giám sát, giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao hiệu quả công việc.

2.2. Mạng thần kinh tích chập

Mạng thần kinh tích chập (CNN) là một công cụ quan trọng trong học sâu, đặc biệt trong xử lý hình ảnh. Trong đồ án, CNN được sử dụng để trích xuất các đặc trưng từ hình ảnh tụ sứ, giúp mô hình SSD-Mobilenet-v1 nhận dạng các lỗi một cách chính xác. CNN hoạt động bằng cách áp dụng các bộ lọc tích chập lên hình ảnh, giúp phát hiện các đặc điểm quan trọng như cạnh, góc, và các vùng bất thường trên tụ sứ.

III. Quadcopter trong giám sát thông minh

Quadcopter là một thiết bị bay không người lái (drone) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng giám sát và kiểm tra. Trong đồ án này, quadcopter được tích hợp với học sâu để thực hiện nhiệm vụ giám sát và nhận dạng tụ sứ lỗi. Quadcopter được trang bị camera và cảm biến Lidar, giúp hệ thống có thể bay tự động và duy trì khoảng cách an toàn với tụ sứ. Sự kết hợp giữa quadcopter và học sâu tạo ra một hệ thống giám sát thông minh, hiệu quả và linh hoạt.

3.1. Thiết kế phần cứng quadcopter

Phần cứng của quadcopter bao gồm khung F450, động cơ không chổi than, bộ điều khiển tốc độ (ESC), và pin 2200mAh. Quadcopter được trang bị bộ điều khiển bay Pixhawk, giúp hệ thống bay ổn định và tự động. Camera được lắp đặt phía trước để nhận dạng tụ sứ, trong khi cảm biến Lidar giúp duy trì khoảng cách an toàn. Jetson Nano được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm, điều khiển toàn bộ hệ thống và xử lý dữ liệu từ camera.

3.2. Ứng dụng quadcopter trong giám sát

Quadcopter được sử dụng để bay tự động và giám sát các tụ sứ trên lưới điện. Hệ thống có thể nhận dạng các lỗi như nứt vỡ hoặc bẩn trên tụ sứ thông qua camera và mô hình học sâu. Quadcopter cũng có khả năng bay đến các vị trí cụ thể và gửi thông tin về trung tâm điều khiển. Ứng dụng này giúp giảm thiểu rủi ro cho nhân viên kiểm tra và nâng cao hiệu quả công việc.

IV. Nhận dạng tụ sứ lỗi bằng học sâu

Nhận dạng tụ sứ lỗi là một nhiệm vụ quan trọng trong việc bảo trì và giám sát lưới điện. Trong đồ án này, học sâu được sử dụng để phát hiện các lỗi trên tụ sứ thông qua mô hình SSD-Mobilenet-v1. Mô hình này được huấn luyện trên tập dữ liệu hình ảnh thực tế, giúp hệ thống có thể nhận dạng các lỗi như nứt vỡ hoặc bẩn với độ chính xác cao. Nhận dạng tụ sứ lỗi không chỉ giúp phát hiện sớm các vấn đề mà còn giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố điện.

4.1. Tầm quan trọng của nhận dạng tụ sứ

Tụ sứ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, đảm bảo cách ly và dẫn truyền dòng điện an toàn. Tuy nhiên, theo thời gian, tụ sứ có thể bị hư hỏng do các yếu tố môi trường. Nhận dạng tụ sứ lỗi giúp phát hiện sớm các vấn đề, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống điện. Đồ án này sử dụng học sâu để tự động hóa quá trình nhận dạng, giảm thiểu thời gian và nhân lực cần thiết.

4.2. Mô hình SSD Mobilenet v1

Mô hình SSD-Mobilenet-v1 được sử dụng để nhận dạng tụ sứ lỗi trong đồ án. Mô hình này kết hợp giữa SSD (Single Shot Multibox Detector) và Mobilenet, giúp tăng tốc độ xử lý và độ chính xác trong việc phát hiện các đối tượng. SSD-Mobilenet-v1 được huấn luyện trên tập dữ liệu hình ảnh tụ sứ, giúp hệ thống có thể nhận dạng các lỗi một cách hiệu quả.

V. Giám sát thông minh bằng quadcopter

Giám sát thông minh bằng quadcopter là một giải pháp hiệu quả trong việc kiểm tra và bảo trì lưới điện. Hệ thống này kết hợp quadcopter, học sâu, và các công nghệ hiện đại để tạo ra một giải pháp giám sát tự động và chính xác. Quadcopter có thể bay tự động đến các vị trí cụ thể, nhận dạng tụ sứ lỗi, và gửi thông tin về trung tâm điều khiển. Giám sát thông minh không chỉ giảm thiểu rủi ro cho nhân viên kiểm tra mà còn nâng cao hiệu quả công việc.

5.1. Hệ thống giám sát thông minh

Hệ thống giám sát thông minh bao gồm quadcopter, Jetson Nano, và mô hình học sâu. Quadcopter được điều khiển tự động để bay đến các vị trí cần kiểm tra, trong khi Jetson Nano xử lý dữ liệu từ camera và mô hình học sâu để nhận dạng tụ sứ lỗi. Hệ thống cũng tích hợp cơ sở dữ liệu MySQL để quản lý thông tin và giao diện giám sát từ xa.

5.2. Ứng dụng AI trong giám sát

AI được ứng dụng trong giám sát thông minh để tự động hóa quá trình kiểm tra và nhận dạng lỗi. Trong đồ án, AI được sử dụng để nhận dạng tụ sứ lỗi thông qua mô hình SSD-Mobilenet-v1. AI giúp hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả, giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao hiệu suất công việc.