Đồ án: Thiết kế và Thi công Robot chữa cháy - SV. Lê Quốc Thanh (HCMUTE)

Toàn văn đồ án thiết kế, thi công robot chữa cháy thông minh. Tích hợp Raspberry Pi, Arduino giúp robot tự động phát hiện và dập tắt đám cháy.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Đồ án tốt nghiệp

2023

62
0
0

Phí lưu trữ

30 Point

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Robot Chữa Cháy Thông Minh

Robot chữa cháy thông minh là một giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy hiện đại. Đây là một thiết bị tự động được thiết kế để phát hiện, theo dõi và dập tắt các đám cháy một cách nhanh chóng và hiệu quả. Với sự kết hợp của Arduino, Raspberry Pi và các cảm biến hiện đại, robot này có khả năng hoạt động độc lập trong các môi trường nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận. Công nghệ nhận diện đối tượng bằng AI cho phép robot phát hiện ngọn lửa với độ chính xác cao. Ứng dụng của robot chữa cháy thông minh không chỉ giới hạn ở các tòa nhà cao tầng mà còn mở rộng đến nhà xưởng, kho chứa và các địa điểm công cộng khác. Sự phát triển của công nghệ này hứa hẹn sẽ giảm thiểu tổn thất về người và tài sản trong các sự cố cháy nổ.

1.1. Khái Niệm Robot Chữa Cháy Tự Động

Robot chữa cháy tự động là một hệ thống điều khiển tự động được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ. Nó kết hợp các bộ phận cơ học, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gascamera IP để giám sát liên tục. Hệ thống điều khiển tự động cho phép robot phản ứng nhanh chóng trước các tín hiệu cảnh báo cháy.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Công Nghệ Robot Trong Phòng Cháy

Trong bối cảnh hiện nay, công nghệ robot chữa cháy đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phòng cháy chữa cháy. Robot giúp giảm nguy hiểm cho lực lượng cứu hộ, tăng tốc độ phản ứng ban đầu và cải thiện hiệu quả dập tắt. Hệ thống phát hiện cháy thông minh có thể hoạt động 24/7 mà không mệt mỏi.

II. Thiết Kế Kỹ Thuật Robot Chữa Cháy

Quá trình thiết kế robot chữa cháy thông minh đòi hỏi sự kết hợp giữa các lĩnh vực: điện tử, cơ khí, và công nghệ thông tin. Hệ thống gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm (CPU), cảm biến nhiều loại, hệ thống phun nước/chất chữa cháymô-tơ điều khiển chuyển động. Kiến trúc phần cứng được thiết kế sao cho robot có thể gắn trên trần nhà để giám sát toàn diện. Hệ thống điều khiển pan-tilt cho phép robot quay 360 độ theo dõi các vùng có khả năng phát cháy. Thuật toán phát hiện lửa dựa trên xử lý hình ảnh giúp nhận diện ngọn lửa với độ chính xác cao. Các thiết kế này được kiểm chứng qua nhiều lần thử nghiệm để đảm bảo độ tin cậy.

2.1. Các Thành Phần Phần Cứng Chính

Phần cứng robot chữa cháy bao gồm: Raspberry Pi làm bộ xử lý chính, Arduino microcontroller điều khiển các thiết bị ngoại vi, camera IP/USB cho phát hiện lửa, cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến gas MQ-2, mô-tơ servo cho hệ thống pan-tilt, và hệ thống phun nước được kích hoạt bằng solenoid valve.

2.2. Sơ Đồ Khối Và Nguyên Lý Hoạt Động

Sơ đồ khối hệ thống cho thấy luồng dữ liệu từ các cảm biến đến bộ xử lý trung tâm. Dữ liệu được xử lý bằng thuật toán machine learning để phát hiện các dấu hiệu cháy. Khi phát hiện lửa, hệ thống kích hoạt cơ chế phun nước tự động hoặc gửi tín hiệu cảnh báo cho người điều hành.

III. Quy Trình Thi Công Và Lắp Ráp

Thi công robot chữa cháy thông minh là quá trình phức tạp yêu cầu sự chính xác cao ở mọi bước. Trước tiên, các bộ phận cơ khí được gia công và lắp ráp theo bản vẽ kỹ thuật. Tiếp theo, các thành phần điện tử được gắn lên khung robot và kết nối theo sơ đồ mạch điện. Cài đặt phần mềm bao gồm hệ điều hành Linux trên Raspberry Pi và lập trình Arduino cho các chức năng điều khiển. Huấn luyện mô hình AI để phát hiện lửa sử dụng dataset hình ảnh cháy được gán nhãn. Quá trình kiểm tra và hiệu chỉnh được thực hiện nhiều lần để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động đúng chức năng.

3.1. Quá Trình Lắp Ráp Cơ Khí

Lắp ráp robot bắt đầu từ việc gá các tấm nhôm thành khung chính. Các mô-tơ servo được cố định để điều khiển hệ thống pan-tilt. Hệ thống phun nước được lắp trên phía trước robot. Tất cả các bộ phận được kiểm tra sự chắc chắn trước khi tiến hành đấu nối điện tử.

3.2. Cài Đặt Phần Mềm Và Huấn Luyện AI

Cài đặt hệ điều hành trên Raspberry Pi sử dụng Raspbian OS. Lập trình Arduino viết bằng C++ điều khiển các thiết bị ngoại vi. Huấn luyện mô hình nhận diện lửa sử dụng TensorFlow/OpenCV với dataset cháy đã được gán nhãn. Mô hình được tối ưu hóa để chạy hiệu quả trên phần cứng giới hạn.

IV. Kiểm Chứng Hiệu Suất Và Ứng Dụng Thực Tế

Kiểm chứng hiệu suất robot chữa cháy là bước cốt yếu để đảm bảo an toàn trước khi triển khai. Thử nghiệm phát hiện lửa được tiến hành với các loại ngọn lửa khác nhau (cây, chất lỏng, khí) để đánh giá độ chính xác. Kiểm tra hệ thống phun nước đảm bảo áp lực, lưu lượng và tầm phun phù hợp. Thử nghiệm phản ứng thời gian từ khi phát hiện lửa đến khi kích hoạt chữa cháy được ghi nhận và phân tích. Những dữ liệu thu được được so sánh với tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống phòng cháy tự động. Ứng dụng thực tế của robot bao gồm lắp đặt tại các tòa nhà cao tầng, nhà máy công nghiệp, kho chứa hóa chất, và các công trình công cộng có mức độ rủi ro cháy cao.

4.1. Các Chỉ Tiêu Kiểm Chứng Chính

Độ chính xác phát hiện lửa được đo bằng tỷ lệ phần trăm nhận diện đúng. Thời gian phản ứng từ lúc phát hiện đến kích hoạt phun nước không vượt quá 5 giây. Khả năng chuyển động được kiểm tra trong các điều kiện khác nhau. Độ tin cậy hệ thống được đánh giá qua 100+ giờ hoạt động liên tục.

4.2. Triển Khai Và Bảo Trì

Triển khai robot tại các cơ sở yêu cầu khảo sát địa điểm, thiết kế hệ thống cấp nước và điện. Bảo trì định kỳ bao gồm kiểm tra cảm biến, bơm nước, và cập nhật phần mềm. Đào tạo nhân viên về cách sử dụng và xử lý sự cố cũng rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả.

18/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A FIREFIGHTING ROBOT INSTRUCTOR: DR.TRUONG NGOC SON STUDENT: LE QUOC THANH SKL012487 Ho Chi Minh City, JUNE, 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A FIREFIGHTING ROBOT LÊ QUỐC THANH Student ID: 19119049 Major: COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: Assoc. TRƯƠNG NGỌC SƠN Ho Chi Minh City, June 2023 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, June 26, 2023 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Lê Quốc Thanh Student ID: 19119049 Major: Computer Engineering Technology Class: 19119CLA Advisor: Assoc. Trương Ngọc Sơn Phone number: 0931085929 Date of assignment: 30 September, 2023 Date of submission: 26 June, 2023 1. Project title: Design and implementation of a firefighting robot 2.

Initial materials provided by the advisor: Documents, such as papers and books, that pertain to AI play a role in controlling hardware devices. Content of the project: - Analyze and invetigate the challenges of the project. - Research technical specifications and operating principles based on the theoretical basis of hardware components. - Propose the model and apply and deploy the model.

System design, principle diagram, block diagram. - Select data, prepare data and label objects (clean data, create object detection data). - System configuration and design hardware. - Test run, check, evaluate and adjust.

- Conduct report writing. Final product: A miniature robot, affixed to the ceiling, is capable of identifying and detecting fires, and it can initiate extinguishing measures using sprinklers. CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, June 26, 2023 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Lê Quốc Thanh Student ID: 19119049 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of a firefighting robot Advisor: Assoc. Trương Ngọc Sơn EVALUATION 1.

Content of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied). ) Ho Chi Minh City, June …, 2023 ADVISOR (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, June 26, 2023 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Lê Quốc Thanh Student ID: 19119049 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of a firefighting robot Name of Reviewer:. Content and workload of the project.

Approval for oral defense? (Approved or denied). ) Ho Chi Minh City, June …, 2023 REVIEWER (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, June 26, 2023 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Lê Quốc Thanh Student ID: 19119049 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of a firefighting robot Name of Defense Committee Member::. Content and workload of the project. ) Ho Chi Minh City, June …, 2023 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) Disclaimer We hereby declare that this is the final report, "Design and implementation of a firefighting robot".

The simulations and study findings are accurate and were carried out entirely under the direction of the instructor, Assoc. TRUONG NGOC SON. The report does not duplicate any other sources either. Additionally, the paper includes a variety of cited and carefully labeled reference materials.

Before the department, faculty, and school, we would like to fully accept responsibility for this promise. Student Lê Quốc Thanh i Acknowledgements First, we would like to express my deepest gratitude to the School Board of the Ho Chi Minh City University of Technology and Education, as well as the Faculty for High Quality Training, for establishing wonderful conditions for me to pursue our project. In addition, we would also like to express our sincere thanks to the Head of the Department, Assoc. Truong Ngoc Son, who always closely follows the learning situation and encourages and creates development opportunities for each generation of students.

Last but not least, we cannot prevent mistakes due to a lack of knowledge and implementation time. We welcome your feedback and suggestions to help us improve this topic. Many thanks for all your help and regards. Student Lê Quốc Thanh ii Table of Contents Disclaimer.

ii List of Figures. v List of Abbreviations. viii Chapter 1: INTRODUCTION. Designing a Firefighting Robot with Raspberry Pi and Arduino Integration.

Research methods applied to robot and scope of robot research. Research methods applied to robot. Scope of robot research. 3 Chapter 2: LITERATURE REVIEW.

Predictive tracking of an object .2 Pan–tilt control system .3 Finding the Object Realtime Position. The Overview of Firefighting Robot. 7 Chapter 3: DESIGN AND MANUFACTURE OF FIREFIGHTING ROBOT. Main goals and technical objectives of firefighting robots.

Block diagram of firefighting robot. System design and layout of Firefighting robot .1 Fire detection system .1 Hardware system design for fire detection .2 Software system design for fire detection. Pan-tilt control for fire detection tracking .1 Hardware system design for pan-tilt control .2 Software system design for object tracking using Pan-Tilt mechanism. 34 iii Chapter 4: EXPERIMENT RESULTS AND DISCUSSION.

System Operation and results .1 Fire object detection fire detection .2 Pan and tilt controls .2 Review and evaluation. 44 Chapter 5: CONCLUSION AND FUTURE WORKS. 47 iv List of Figures Figure 2. YOLO network architecture diagram.

Method for pan-tilt camera calibration. 1 Robot block diagram. 2 Controller CNC Shield V4. 3 Raspberry pi 4 model B.

4 Raspberry pi 4 schematic. 5 Arducam Fisheye low light USB camera. Stepper motor structure. Transmitted in the form of packets of UART.

9 Block diagram of the robot's operating process. 10 Algorithm processing flow chart on raspberry pi. 11 Performance of yolov8 compared to other versions. 12 Upload the dataset to roboflow.

13 Yolov8 model is ready on roboflow. 14 Collaboration between roboflow and docker. 15 Command set up docker on raspberry pi. 16 Command pull docker.

17 Command run docker with CPU. 18 Command run docker with CPU. 19 Results when running docker. 20 Results obtained after training.

21 Calculate bounding box detection. 22 Sample Detection of burning objects. Check the FPS implementation. 24 Robot skeleton structure.

25 Complete frame structure diagram. Firefighting robot moves along a frame structure. 27 Arduino CNC Shield V4 GRBL circuit. 28 Arduino CNC Shield V4 GRBL schematic.

29 TMC2209 Stepper Driver module. 30 TMC2209 Stepper Driver module schematic. 32 Arduino nano V3 schematic. Algorithm processing flow chart on Arduino nano.

Calculate coordinates on image. Results of the robot's operation. Results Of Yolov8's training Process. 38 Results Of Moving Pan and Tilt.

44 vi List of Abbreviations AI Artificial intelligence CV Computer vision YOLO You Only Look Once UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter SDA Serial Data SCL Serial Clock MSB Most significant bit UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter LSB Least significant bit GPU Graphics processing unit CPU Central Processing Unit GPIO General Purpose Input/Output vii Abstract In response to growing concerns about sudden fires and the need for rapid intervention, the development of firefighting robots has become urgent. That's why we decided to carry out the topic "Design and implementation of a firefighting robot". Our project aims to innovate and apply AI automation within the robot , our firefighting robot project seeks to address the urgency of fire detection and mitigation. The concept originated from the realization that unforeseen fire outbreaks can pose significant threats, necessitating a proactive and automated response.Our approach involved the integration of sophisticated image processing methods with cutting-edge machine learning models.

So that robots designed to find a fire, before it rages out of control, can one day work with fire-fighters greatly reducing the risk of injury to victims. The challenge in this process lies in accurately directing the nozzle to the intended ignition point. We initiated the project with a fire detection model utilizing the YOLO model, known for its capacity to analyze and detect objects with a high degree of accuracy. Additionally, we implemented an automation processing model employing to enhance precision during navigation.The ultimate outcome is impressive, demonstrating exceptional smoothness and accuracy.

viii Chapter 1: INTRODUCTION In the first chapter, we will explain the reason for choosing the project and clarify the project's research object, methodology and objectives of the project, in addition to the process and how it works. Introduction It is our responsibility as Electrical Engineers to design and build an embedded system that can automatically detect and extinguish fires. Also aims to reduce air pollution. According to statistics from the Ministry of Public Security, from 2001 to 2022, Vietnam will have nearly 60,000 fires and explosions, killing 1,910 people, injuring more than 4,400 people, and causing great financial damage.

Many house fires start when someone is sleeping or not home. With the invention of such a device, people and property can be saved at greater expense with relatively little damage caused by fire. Firefighting using robot firefighting is the best today. Following in the footsteps of leading technologists such as HOPE Technick, Fire Robot Technology.

We will create a small automatic firefighting robot that can navigate at very fast speeds and track objects, find the burning object and then extinguish it with a direct high-pressure water jet.Firefighting robots are designed to search for interior fires small floor plan of a house of a specific size, extinguish the fire with water, then return to the original position. The fire detection prediction models put into use are relatively error-free, they will not overreact in non-fire simulations. Artificial intelligence (AI) is becoming increasingly popular and is affecting many aspects of daily life. Computer vision (CV) is a branch of artificial intelligence that includes the collection, processing, analysis, and recognition of digital images.

yolo is one of the most stable vision models available today, with flexibility and ease of access and deployment on embedded systems. Together with the precision of automatic control devices, the implementation of the project becomes more feasible. Therefore, we decided to choose the topic "Firefighting Robot". Designing a Firefighting Robot with Raspberry Pi and Arduino Integration The research objective of the thesis is the design and implementation of firefighting robot has the following functions:  Use Raspberry Pi 4 to process images, calculate object positions and create signal coordinates transmitted via UART communication standard.

 Use the Arducam Fisheye Low Light USB Camera for Computer, to recognize fire.  Use an Arduino Nano to control the pan and tilt through module driver TMC2209.  Use two module driver TMC2209 to control the pan angle and the tilt angle.  Track and verify advancement using the computer.

1  Calculate and design the most optimal hardware models  Considering assessing and refining the model. The expected result will be a robot capable of detecting sudden fires and promptly preventing them from extinguishing them. Objective It is crucial to analyze and assess the accuracy, speed of processing, and performance of models for fire recognition on embedded systems. Evaluate and analyze system functions to select appropriate hardware that brings high performance and efficiency.

Research methods applied to robot and scope of robot research 1. Research methods applied to robot In order to gain a deeper grasp of the issue's implementation, we performed research on the research topics, which made problem-solving easier. The topics we looked into were as follows:  The Raspberry Pi 4 Model B has garnered significant popularity among developers. Engineered as a compact yet potent embedded computer, it serves a myriad of purposes, making it ideal for learning and testing.

Its versatility and high compatibility enable seamless access and deployment of both AI applications and control of other hardware.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ