Tổng quan nghiên cứu

Bình chữa cháy đóng vai trò thiết yếu trong việc dập tắt đám cháy ngay từ giai đoạn đầu, góp phần giảm thiểu thiệt hại về tài sản và tính mạng con người. Theo tiêu chuẩn TCVN 7026-2013 và TCVN 7027-2013, việc kiểm định bình chữa cháy phải đảm bảo khả năng dập tắt các loại đám cháy thử khác nhau, phản ánh chính xác công suất chữa cháy của bình. Tuy nhiên, hiện nay công tác kiểm định vẫn chủ yếu do con người thực hiện, gây ra nhiều rủi ro về sức khỏe và an toàn do tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao (700°C - 800°C), khói độc và nguy cơ cháy nổ.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế một robot kiểm định bình chữa cháy tự động, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN, nhằm thay thế con người trong môi trường làm việc nguy hiểm, nâng cao độ chính xác và hiệu quả kiểm định. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đám cháy thử loại A và B, với 19 kích thước đám cháy khác nhau, được thực hiện tại phòng thử tiêu chuẩn có thể tích tối thiểu 1700 m³ và chiều cao 7.5 m.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng tự động hóa vào lĩnh vực phòng cháy chữa cháy, giảm thiểu rủi ro cho người vận hành, đồng thời nâng cao chất lượng và độ tin cậy của quá trình kiểm định bình chữa cháy. Các chỉ số hiệu suất như tầm với làm việc của robot (300 mm đến 1000 mm so với mép đám cháy), thời gian phun chất chữa cháy không vượt quá thời gian xả của bình, và khả năng chịu nhiệt lên đến 800°C được đặt ra làm tiêu chuẩn đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 7026-2013 và TCVN 7027-2013 về kiểm định bình chữa cháy, kết hợp với các lý thuyết và mô hình trong lĩnh vực robot cơ điện tử và điều khiển tự động. Hai mô hình chính được áp dụng gồm:

  • Mô hình mobile robot bánh xe – bàn trượt Oy-z: Thiết kế robot di chuyển theo quỹ đạo hình tròn quanh đám cháy thử, kết hợp bàn trượt 3 bậc tự do để điều khiển vị trí và hướng của loa phun. Mô hình này giúp giảm yêu cầu về tầm với của bàn trượt và đơn giản hóa kết cấu cơ khí.

  • Mô hình mobile robot bánh xích – tay máy: Robot bánh xích kết hợp tay máy 4 bậc tự do, cho phép linh hoạt di chuyển và điều chỉnh vị trí loa phun theo nhiều quỹ đạo phức tạp, phù hợp với các kích thước đám cháy thử đa dạng.

Các khái niệm chính bao gồm: quỹ đạo phun chữa cháy, tracking line bằng CMU camera, cơ cấu hình bình hành cho khâu tác động cuối, và thuật toán điều khiển adaptive sliding mode để xử lý sai số do trượt bánh xích.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ tiêu chuẩn TCVN, các thông số kỹ thuật của bình chữa cháy phổ biến trên thị trường Việt Nam, và các kết quả mô phỏng, thực nghiệm robot. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 19 loại đám cháy thử loại A và B với kích thước cụ thể từ 500×906 mm đến 3000×152 mm.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thiết kế cơ khí robot dựa trên yêu cầu kỹ thuật và phạm vi làm việc.
  • Mô phỏng quỹ đạo di chuyển và điều khiển robot bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Phát triển thuật toán điều khiển adaptive sliding mode để đảm bảo sai số tracking thấp.
  • Thực nghiệm xác định tọa độ robot sử dụng hệ thống 3 CMU camera.
  • Timeline nghiên cứu từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm các giai đoạn khảo sát tiêu chuẩn, thiết kế, mô phỏng, và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phạm vi làm việc của robot: Robot kiểm định được thiết kế với tầm với bàn trượt Oy từ 1445 mm đến 2299 mm, hành trình bàn trượt Oz từ 400 mm đến 1865 mm, đáp ứng yêu cầu phun chất chữa cháy từ khoảng cách 300 mm đến 1000 mm so với mép đám cháy thử. Khoảng cách làm việc giữa tâm robot và tâm đám cháy thử dao động từ 2585 mm đến 4099 mm tùy loại đám cháy (Bảng 3-1).

  2. Hiệu quả thuật toán điều khiển: Thuật toán adaptive sliding mode giúp giảm sai số tracking của robot bánh xích xuống mức thấp, đảm bảo robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo đã hoạch định, ngay cả khi có hiện tượng trượt bánh xích do địa hình thay đổi.

  3. Hệ thống bám line bằng 3 CMU camera: Phương pháp sử dụng 3 camera cho phép xác định chính xác quỹ đạo đường tròn với bán kính từ 3225 mm đến 3935 mm, giúp robot bám line ổn định, giảm thiểu sai số góc và vị trí so với phương pháp sử dụng một hoặc hai camera.

  4. Khả năng chịu nhiệt và an toàn: Tấm chắn lửa bằng ceramic có khả năng chịu nhiệt từ 1260°C đến 1430°C, đảm bảo nhiệt độ bên trong robot không vượt quá 800°C khi tiếp cận đám cháy thử, bảo vệ hệ thống điện tử và cơ khí.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng robot kiểm định bình chữa cháy có thể thay thế hiệu quả con người trong môi trường làm việc nguy hiểm, giảm thiểu rủi ro sức khỏe và tai nạn. So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào robot chữa cháy đa nhiệm, nghiên cứu này tập trung chuyên sâu vào tác vụ kiểm định, với thiết kế phù hợp cho các loại bình chữa cháy phổ biến tại Việt Nam.

Việc áp dụng hệ thống 3 CMU camera để bám line là một bước tiến so với các phương pháp truyền thống, giúp robot duy trì quỹ đạo chính xác trong điều kiện ánh sáng thay đổi và mất tín hiệu tạm thời. Thuật toán điều khiển adaptive sliding mode cũng góp phần nâng cao độ bền vững và chính xác của robot khi hoạt động trên địa hình phức tạp.

Các biểu đồ sai số tracking và tọa độ robot trong quá trình thử nghiệm minh họa rõ hiệu quả của giải pháp, với sai số tracking giảm đáng kể khi sử dụng phương pháp least square (LSM) kết hợp camera.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thử nghiệm thực tế tại phòng kiểm định: Thực hiện lắp đặt và vận hành robot trong môi trường phòng thử tiêu chuẩn để đánh giá hiệu quả thực tế, điều chỉnh các thông số kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu suất phun và di chuyển. Thời gian đề xuất: 6 tháng; chủ thể: Trung tâm kiểm định phòng cháy chữa cháy.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh: Tích hợp các cảm biến nhiệt, khói và camera để robot có khả năng tự động phát hiện và điều chỉnh vị trí phun theo tình trạng đám cháy thử. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: Đơn vị nghiên cứu robot và tự động hóa.

  3. Nâng cấp cơ cấu tay máy cho đa dạng quỹ đạo phun: Thiết kế và chế tạo tay máy với nhiều bậc tự do hơn, tăng khả năng linh hoạt trong việc kiểm định các loại bình chữa cháy có kích thước và công suất khác nhau. Thời gian: 9 tháng; chủ thể: Phòng thí nghiệm cơ khí chính xác.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì robot cho cán bộ kỹ thuật tại các trung tâm kiểm định, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thời gian: 3 tháng; chủ thể: Trường Đại học Bách Khoa và các đơn vị liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các trung tâm kiểm định phòng cháy chữa cháy: Nghiên cứu cung cấp giải pháp tự động hóa kiểm định bình chữa cháy, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn trong quá trình kiểm định.

  2. Các nhà sản xuất và phân phối bình chữa cháy: Tham khảo để hiểu rõ hơn về quy trình kiểm định và các yêu cầu kỹ thuật, từ đó cải tiến sản phẩm phù hợp với tiêu chuẩn.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển robot cơ điện tử: Cung cấp mô hình thiết kế, thuật toán điều khiển và phương pháp bám line bằng camera, làm cơ sở phát triển các ứng dụng robot trong lĩnh vực an toàn cháy nổ.

  4. Cơ quan quản lý và ban ngành phòng cháy chữa cháy: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy định về kiểm định bình chữa cháy và ứng dụng công nghệ tự động hóa trong công tác phòng cháy chữa cháy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot kiểm định bình chữa cháy hoạt động dựa trên tiêu chuẩn nào?
    Robot được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn TCVN 7026-2013 và TCVN 7027-2013, đảm bảo thực hiện đúng quy trình kiểm định các loại đám cháy thử loại A và B.

  2. Làm thế nào robot đảm bảo an toàn khi tiếp cận đám cháy thử?
    Robot sử dụng tấm chắn lửa ceramic chịu nhiệt cao (1260°C - 1430°C) và thiết kế cách nhiệt hiệu quả, giúp bảo vệ hệ thống khi tiếp cận đám cháy có nhiệt độ lên đến 800°C.

  3. Phương pháp bám line của robot sử dụng công nghệ gì?
    Robot sử dụng hệ thống 3 CMU camera để phát hiện và bám theo quỹ đạo đường tròn, giúp giảm sai số vị trí và góc, đồng thời duy trì ổn định khi mất tín hiệu tạm thời.

  4. Thuật toán điều khiển adaptive sliding mode có ưu điểm gì?
    Thuật toán này giúp robot bánh xích giảm thiểu sai số do trượt bánh, đảm bảo độ chính xác cao và độ bền vững trong điều kiện địa hình thay đổi.

  5. Robot có thể kiểm định được những loại bình chữa cháy nào?
    Robot được thiết kế để kiểm định cả bình chữa cháy xách tay (khối lượng ≤ 20 kg) và bình chữa cháy có bánh xe (khối lượng lên đến 100 kg), với chiều dài dây phun từ 40 cm đến 5 m.

Kết luận

  • Thiết kế robot kiểm định bình chữa cháy đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN, với phạm vi làm việc và khả năng chịu nhiệt phù hợp.
  • Hệ thống bám line bằng 3 CMU camera và thuật toán adaptive sliding mode giúp robot di chuyển chính xác, ổn định trong quá trình kiểm định.
  • Robot góp phần giảm thiểu rủi ro cho người vận hành, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của quá trình kiểm định bình chữa cháy.
  • Các phương án thiết kế robot bánh xe – bàn trượt và bánh xích – tay máy đều có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng và điều kiện khác nhau.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế và phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh trong các bước tiếp theo nhằm hoàn thiện sản phẩm.

Hành động tiếp theo: Liên hệ các trung tâm kiểm định và đơn vị nghiên cứu để phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế robot kiểm định bình chữa cháy, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực phòng cháy chữa cháy khác.