ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN LIÊN MÔN 3
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ

Lớp HP: 19.35A
Nhóm :

ĐỀ TÀI:


THIẾT KẾ ROBOT DI CHUYỂN VÀ ĐO LƯỜNG
THÔNG SỐ TRONG TRẠM BIẾN ÁP TỰ HÀNH

Người hướng dẫn:

Đà Nẵng, tháng /202
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HĨA

-------------Δ--------------

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN LIÊN MƠN (PBL4)

1. Thơng tin nhóm Sinh viên:
ST

Họ và tên

MSSV

Nhóm (lớp)

Ghi chú,

(nếu SV nào
được phân là nhóm trưởng thì


điền ‘’NT’’ vào ơ này)

T
1

NGUYỄN GIA BẢO

2

LÊ PHƯỚC LỢI

3


VŨ HỒNG SƠN

4

BÙI ĐẮC LỘC

10519027

19TDHCLC

7

3

10519029

19TDHCLC

7

3

10519031

19TDHCLC

0

3


10519029

19TDHCLC

6

3

NT

2. Giảng viên hướng dẫn:
3. Tên đề tài: Thiết kế robot di chuyển và đo lường thông số trong trạm biến áp tự
hành
4. Nội dung chính:
5. Bản vẽ: 02 bảng A0 (hoặc A1), cụ thể mỗi bản vẽ thể hiện:
a) Sơ đồ công nghệ của hệ thống, phân kênh, mạch điện điều khiển, thuật toán điều
khiển;
b) Sơ đồ mạch trung gian, mạch động lực và mạch cung cấp điện cho toàn bộ hệ
thống.
6. Thuyết minh và tài liệu tham khảo: Thuyết minh đúng theo mẫu và cung cấp
danh mục tài liệu tham khảo, link của trang web,…

PHÂN CÔNG CHI TIẾT CƠNG VIỆC TRONG NHĨM

ST
T
1

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Gia Bảo


Nội dung cơng việc
•


2

Lê Phước Lợi

•

4
5

Vũ Hồng Sơn
Bùi Đắc Lộc

•
•


MỤC LỤC
Nhiệm

vụ

đồ

án


Nhiệm

vụ

đồ

án

i
ii
Phân công chi tiết công việc

iii

Mục

lục

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ

vii

Danh sách các cụm từ viết tắt

ix

iv

5



DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
CHỮ VIẾT TẮT:
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................
…….……..........................................................................................................................

Ghi chú:
-

Ký hiệu: mỗi mục ký hiệu gồm ký hiệu và phần tên gọi, diễn giải ký hiệu.
Cụm từ viết tắt là các chữ cái và các ký hiệu thay chữ được viết liền nhau,
để thay cho một cụm từ có nghĩa, thường được lặp nhiều lần trong đồ án.

6


Chương 1: Giới thiệu đề tài
1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, nhu cầu sử dụng điện để đáp ứng sự phát triển của nền kinh tế và phục
vụ đời sống ngày càng tăng.
Để giảm thiểu các sự cố của các thiết bị điện cũng như góp phần giảm thiểu
những thiệt hại lớn về kinh tế do mất điện gây ra, việc kiểm tra thường xuyên các thiết
bị đường dây và trạm biến áp (TBA) nhằm phát hiện nguy cơ sớm nhất có thể để lên
kế hoạch bảo trì là vơ cùng quan trọng. Sự an toàn và hoạt động ổn định của các thiết
bị trạm biến áp là yêu cầu thiết yếu của hệ thống điện hiện đại và lưới điện thơng
minh.
Vì vậy u cầu đặt ra cần có những phương pháp giám sát hiệu quả hơn quá trình
vận hành cũng như bảo vệ các thiết bị trong TBA. Phần lớn các TBA hiện nay đều vận
hành theo kiểu truyền thống, được điều khiển thông qua các tủ bảng, sử dụng khóa
điều khiển. Chức năng giám sát trạm từ các trung tâm điều độ cũng chỉ được thực hiện
thông qua hệ thống thu thập thông tin xa (RTU).
Với sự phát triển của các giải pháp tích hợp và tự động hóa TBA, các TBA khơng
người trực (KNT) hiện nay có khả năng thu thập, xử lý và lưu trữ một lượng thơng tin
lớn với mức độ chính xác cao. Đáp ứng bài tốn tối ưu hóa cho hệ thống điện, đồng
thời hướng đến phát triển hệ thống lưới điện thông minh. Mọi hoạt động đóng cắt, vận
hành lưới, giám sát quá trình hoạt động, thu thập dữ liệu của trạm đều được giám sát
qua hệ thống Camera và điều khiển từ xa thông qua hệ thống điều hành SCADA từ
Trung tâm điều khiển.
Tuy nhiên, các màn hình HMI (Human Machine Interface) của các trung tâm điều
khiển từ xa cũng chỉ thể hiện trạng thái logic đóng cắt của thiết bị mà khơng thể hiện
được trạng thái vật lý hay tình trạng thực của thiết bị, mà theo quy trình quy phạm bắt
buộc phải có.
Ngồi ra, việc theo dõi thực tế tình trạng thiết bị cũng rất cần thiết để phục vụ
công tác bảo trì, đảm bảo an tồn vận hành lâu dài của hệ thống. Các TBA đã được tự
động hóa nhưng vẫn phải đảm bảo số lượng công nhân trực vận hành chỉ để theo dõi
thiết bị và trạng thái thiết bị theo như quy trình quy định. Mặc dù đã lắp đặt Camera,
nhưng các Camera này cũng chỉ giúp giám sát tình trạng chung của trạm, giám sát an
ninh tránh sự đột nhập từ bên ngồi và chưa có khả năng giám sát chi tiết tình trạng

từng thiết bị. Để giám sát tổng thể toàn bộ TBA cũng như các thiết bị cần thiết quan
sát (dao cách ly, máy biến áp, máy cắt và các thông số đo lường ngoài trời cũng như
7


nhiệt độ của các thiết bị này) thì cần phải lắp đặt thêm nhiều Camera. Việc lắp nhiều
Camera này sẽ gây khó khăn cho vị trí lắp đặt, chi phí đầu tư, bảo dưỡng cũng như
đường truyền (hình ảnh) về trung tâm giám sát.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo Robot có thể tự động di chuyển trong khn viên trạm biến
áp để thay thế con người, thu thập và xử lý hình ảnh, thơng tin thơng qua các cảm biến
về trạng thái các dao cách ly, máy cắt, đồng hồ nhiệt độ dầu MBA, đồng hồ nhiệt độ
cuộn cao áp MBA, đồng hồ nhiệt độ cuộn trung áp MBA, ... từ các góc độ khác nhau
để lưu vào thẻ nhớ và truyền về trung tâm điều khiển. Có khả năng tự động di chuyển
về chỗ sạc khi hết nguồn.
1.3 Lựa chọn phương án thiết kế
• Phương án thiết kế là robot 4 bánh với nguồn ắc quy 12V 40Ah
• Các cảm biến được lắp đặt tại các vị trí cần thiết để robot nhận biết được.
• Camera gắn trên robot phải điều chỉnh xoay được các hướng để lấy được các
góc chụp cần thiết cho việc thu thập ảnh.

Hình 1.3.1.a.1 Mơ tả tổng quan Robot
8


Thơng số kích thước:
Thân rơ bơt
-

Kích thước: 970x670x390 mm


-

Khối lượng: 31kg

-

Số bánh: 4

Hệ thống cảm biến
-

Bộ phận xoay và nghiêng chắc chắn (PTU) được thiết kế cho các ứng
dụng có độ rung cao.

-

Hệ thống camera quan sát, camera hồng ngoại phát hiện các điểm nóng và
dị thường nhiệt.

-

Hệ thống đo tốc độ bằng encoder

Hệ thống điều hướng
-

Hệ thống điều hướng bằng la bàn điện tử

-


Khả năng tránh vật cản.

-

Cho phép điều chỉnh bằng tay.

Trạm sạc
-

Nguồn điện: 220VAC, 50Hz.

-

Rô bôt sau khi hoàn thành giám sát hoặc pin yếu sẽ tự động quay về trạm
sạc.

1.4 Các tiêu chuẩn an toàn trong việc lắp đặt thiết bị tại TBA
Căn cứ vào tiêu chuẩn về đảm bảo an tồn trong TBA có cấp điện áp 110kV đối
với thiết bị lắp đặt trong trạm. Hệ thống đường ray dẫn hướng phải đảm bảo các u
cầu sau:
• Vị trí lắp đặt ray dẫn hướng khơng được chiếm vị trí của đường giao thơng nội
bộ trong TBA để tuân thủ tiêu chuẩn về phòng cháy chữa cháy.
• Tiêu chuẩn về hành lang tuyến an tồn: Độ cao của robot không được vượt quá
độ cao 2,2 mét cho phép.

9


• Robot và hệ thống dẫn hướng phải có cấu tạo gọn nhẹ, vững chắc. Đã được thử

nghiệm an toàn trước khi đưa vào vận hành.
1.5 Sơ đồ thuật toán

10


11


12


13


Chương 2: Nghiên cứu thiết kế đường dẫn và phần cứng robot
2.1 Thiết kế đường dẫn
2.2 Thiết kế phần cứng
2.2.1. Danh sách các thiết bị, linh kiện:

Tên thiết bị, linh kiện
Số lượng
Mini PC Z83 II - Intel Z8350
2
Camera Basler acA3800-10gm
1
Bộ truy cập Wifi không dây
1
Module ESP8266-12E
1

Arduino Uno
1
Module Micro Step Driver
1
Module CNC Shield V3
1
Cảm biến tiệm cận
1
WIRELESS N 300 ROUTER TENDA F3
1
Module la bàn LSM303DLH
1
Bánh xe
4
Ắc quy 12V 40Ah
1
1
Bảng danh sách các thiết bị

Ghi chú
Lợi
Lợi
Lợi
sơn
sơn
Bảo
Bảo
Lộc
Lộc


a) Máy vi tính Mini PC Z83 II - Intel Z8350

Nhóm thiết kế đã sử dụng 02 máy vi tính cho việc điều khiển và thu thập dữ liệu.
Một máy tính đặt trong robot di chuyển và một máy tính đặt cố định trong nhà điều
hành của TBA.
Với máy tính đặt trên Robot, yêu cầu kích thước phải nhỏ gọn, tốc độ xử lý
nhanh, điện năng tiêu thụ thấp và có đủ các cổng giao tiếp cần thiết cho các thiết bị
ngoại vi. Các cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi phải có như sau:
- Cơng suất tiêu thụ tối đa: 12V / 1.5A
- Kích thước : 12 x 12 x 2,4 cm
- Khối lượng: 0.15 kg

14


Hình 2.2.1.a.1 Mini PC Z83 II - Intel Z8350
b) Camera

Yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho Camera thu thập hình ảnh là phải có độ phân giải cao
để hình ảnh thu được phải sắc nét, phải có thiết bị điều chỉnh khoảng cách chụp (thiết
bị Zoom quang học). Từ cơ sở này nhóm thiết kế đã chọn Camera của hãng National
Intrusment với thông số kỹ thuật như sau:
- Mã số thiết bị: Basler acA3800-10gm
- Độ phân giải: 3480 x 2748 pixel (Chuẩn hình ảnh độ phân giải 4K)
- Tốc độ : 30 khung hình / giây. - Bộ điều khiển zoom quang học với khoảng cách
sử dụng từ 40cm đến 300cm.
- Chuẩn giao tiếp Gigabit Ethernet 1000Mbps.
- Công suất tiêu thụ tối đa : 3,7 Wats - Điện áp làm việc 12 – 24 VDC
- Kích thước : 42 x 29 x 29 mm - Khối lượng: 90 gam (Chưa kể khối lượng thiết
bị Zoom quang học)


Hình 2.2.1.b.1 Camera Basler acA3800-10gm
15


c) Bộ truy cập khơng dây WiFi

Nhóm thiết kế đã chọn thiết bị WIRELESS N 300 ROUTER TENDA F3 với các
thông số cơ bản như sau:
- Tốc độ truyền / nhận dữ liệu: 300Mbps
- Có 3 ăng ten thu / phát tín hiệu với bán kính phủ sóng khoảng 20 mét.

Hình 2.2.1.c.1 WIRELESS N 300 ROUTER TENDA F3
d) Modul ESP8266-12E:

Để truyền nhận dữ liệu trong mạng không dây với giao thức TCP/IP. Nhóm thiết
kế đã chọn Modul ESP8266-12E làm nhiệm vụ này.
Đặc điểm kỹ thuật: kết nối mạng không dây ở tốc độ 54 Mbps.

Hình 2.2.1.d.1 Modul ESP8266-12E
e) Module Arduino Uno

Module sử dụng dòng vi điều khiển họ 8 bit Atmega328 với các thông số kỹ
thuật như sau: Module được thiết kế nhỏ gọn, có tích hợp bộ chuyển đổi chuẩn giao
tiếp RS232 to COM để truyền nhận dữ liệu với máy tính.
16


Hình 2.2.1.e.1 Arduino Uno
f) Module Micro Step Driver:


Là module điều khiển động cơ bước. Thông số kỹ thuật gồm:
- Điện áp cực đại: 40 VDC
- Dòng điện cực đại 3.5 A
- Tích hợp chân Reset và Enable.
- Tích hợp chân điều khiển đảo chiều quay động cơ DIR.
- Tích hợp chân phát xung PUL để điều khiển tốc độ và vị trí.
- Tính năng bảo vệ q áp, q nhiệt.

Hình 2.2.1.f.1 Module Micro Step Driver
17


g) Module CNC Shield V3

Là bo mạch được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển các máy CNC có công
suất bé. Chân cắm mở rộng của bo mạch được thiết kế để kết hợp với modul vi điều
khiển Arduino UNO. Bo mạch CNC Shield V3 có thể gắn với 4 module điều khiển
động cơ bước DRV8255 cho phép điều khiển tối đa 3 trục X, Y, Z và thêm một tùy
chọn ở trục thứ 4 trên máy CNC

Hình 2.2.1.g.1 Module CNC Shield V3
h) Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

Để điều khiển robot di chuyển đến các vị trí đã khảo sát, nhóm thiết kế đã dùng
cảm biến tiệm cận để robot xác định vị trí đã thiết lập. Khi phát hiện vật cảm biến, tín
hiệu ngõ ra của cảm biến sẽ thay đổi trạng thái.
Thông số kỹ thuật:
- Mã số cảm biến: LJ18A3-8-Z/BX NPN
- Điện áp làm việc: 10-30 VDC

- Khoảng cách lớn nhất phát hiện vật thể kim loại: 8mm
- Tần số đáp ứng: 300 Hz

18


Hình 2.2.1.h.1 Cảm biến tiệm cận
i) Động cơ bước ( Step Motor)

Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ. Có khả năng cố định roto vào
những vị trí cần thiết. Động cơ bước được ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển vị
trí, ta có thể thấy nó điều khiển trong các trục của máy CNC có công suất bé, máy
khắc laser, máy in 3D.
Để điều khiển động cơ bước, nhóm thiết kế đã chọn các modul DRV8255 Driver
và Microstep Driver là các modul thiết kế chuyên cho các ứng dụng điều khiển động
bước.

Hình 2.2.1.i.1 Động cơ bước

19


2.3 Lập trình vi điều khiển:
2.3.1. Lập trình truyền động động cơ
a) Danh sách các thiết bị:

Module L298
Động cơ giảm tốc
Arduino Nano
b) Nguyên lý hoạt động:


* L298 gồm các chân:
- 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ:12V power, 5V power. Nhóm cấp
nguồn 9-12V ở chân nguồn 12V. Bên cạnh đó có jumper 5V, ta chỉ cần cấp nguồn 12V
vơ ở 12V power là có 5V ở 5V power, từ đó cấp cho Arduino
- Chân GND: GND của nguồn cấp cho Động cơ và Arduino Nano
- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12
của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
- 4 chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân
INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298. Các chân này sẽ được nối với
động cơ.
- Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298. Nếu ở
mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức
logic “0” thì mạch cầu H khơng hoạt động.
* Điều khiển chiều quay với L298:
-Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào .
-Khi ENA = 1:
+ INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân.
+ INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch.
+ INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì.
(tương tự với các chân ENB, INT3, INT4).
c) Sơ đồ đấu dây thiết bị:
d) Code lập trình cho Arduino:
#include <SoftwareSerial.h>

20


const byte RX1 = A1;
const byte TX1 = A2;

SoftwareSerial mySerial1 = SoftwareSerial(RX1, TX1);
String LEFTINPUT = "";
String inputString = "";
String LM = "";
bool stringComplete = false;
long last = 0;
#define TRIG1 A4
#define ECHO1 A3
#define CBT 11
#define CBG 10
#define CBP 9
int X1;
// Khai bao bien luu gia tri
int CT = 300;
int CG = 200;
int CP = 500;

void setup() {
Serial.begin(9600);
while(!Serial);
mySerial1.begin(9600);
while (!mySerial1);
pinMode(3, OUTPUT); pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT);
pinMode(CBT, INPUT);
pinMode(CBG, INPUT);
pinMode(CBP, INPUT);
pinMode(TRIG1, OUTPUT);


21


pinMode(ECHO1, INPUT);
analogWrite(5, 255);
analogWrite(6, 255);
}

void loop() {
Read_UART1 ();
/*while (KC1()<20){
Stop();
Read_UART2 ();
}*/
if (LM.indexOf("LINEMODEON") >= 0){
doline();
}
}

void Read_UART1 (){
while (mySerial1.available()){
char inChar = (char)mySerial1.read();
inputString += inChar;
if (inChar == '\n'){
stringComplete = true;
}
if (stringComplete){
Serial.print("Data nhận Uno1: ");
Serial.print(inputString);
ONOFF1 (inputString);

LM = inputString;
inputString = "";
stringComplete = false;
}

22


}
}
void Read_UART2 (){
while (mySerial1.available()){
char inChar = (char)mySerial1.read();
inputString += inChar;
if (inChar == '\n'){
stringComplete = true;
}
if (stringComplete){
Serial.print("Data nhận Uno1: ");
Serial.print(inputString);
ONOFF2 (inputString);
LM = inputString;
inputString = "";
stringComplete = false;
}
}
}
void ONOFF1 (String inputString ){
// Trái
if (inputString.indexOf("LEFTOFF") >= 0){

Stop();
}
if (inputString.indexOf("LEFTON") >= 0){
turnLeft();
}
//Phải
if (inputString.indexOf("RIGHTOFF") >= 0){
Stop();
}

23


if (inputString.indexOf("RIGHTON") >= 0 ){
turnRight();
}
//Thẳng
if (inputString.indexOf("UPOFF") >= 0){
Stop();
}
if (inputString.indexOf("UPON") >= 0 ){
forward();
}
//Lui
if (inputString.indexOf("DOWNOFF") >= 0){
Stop();
}
if (inputString.indexOf("DOWNON") >= 0){
backward();
}

//Dò line
if (inputString.indexOf("LINEMODEOFF") >= 0){
Stop();
}
}

void ONOFF2 (String inputString ){
// Trái
if (inputString.indexOf("LEFTOFF") >= 0){
Stop();
}
if (inputString.indexOf("LEFTON") >= 0){
turnLeft();
}

24


//Phải
if (inputString.indexOf("RIGHTOFF") >= 0){
Stop();
}
if (inputString.indexOf("RIGHTON") >= 0 ){
turnRight();
}
//Lui
if (inputString.indexOf("DOWNOFF") >= 0){
Stop();
}
if (inputString.indexOf("DOWNON") >= 0){

backward();
}
//Dò line
if (inputString.indexOf("LINEMODEOFF") >= 0){
Stop();
}
}

int KC1() {
unsigned long tg;
digitalWrite(TRIG1, 1); delayMicroseconds(5);
digitalWrite(TRIG1, 0); // tao xung 5us
tg = pulseIn(ECHO1, 1);
int kc = tg / 29.412 / 2;
if (kc != 0) {
X1 = kc;
return kc;
}

25