Hội nghị toàn quốc lần 3 về Cơ điện tử - VCM 2006:
NGHIÊN CỨU VÀ ĐÀO TẠO CƠ ĐIỆN TỬ Ở VIỆT NAM
Hiện nay các trang thiết bị phục vụ nghiên cứu đào tạo đại học, sau đại học thuộc lĩnh vực cơ điện tử ở nước ngoài được chú ý nghiên cứu, phát triển và đổi mới thường xuyên và ngày càng thông minh hơn. Tuy nhiên, các trang thiết bị này thường đắt tiền và việc chuyển giao công nghệ rất tốn kém và khó phát triển cho các ứng dụng riêng cho người sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, trong Hội nghị toàn quốc lần 3 về Cơ điện tử - VCM 2006 diễn ra vào ngày 12/10/2006 tại trung tâm Hội nghị quốc tế, các báo cáo viên ở tiểu ban 6 đã lần lượt đưa ra một số công trình Nghiên cứu và đào tạo cơ điện tử ở Việt Nam. Chúng tôi xin lạm bàn về một công trình nghiên cứu được nhiều người quan tâm.
Robot Kit phục vụ và nghiên cứu cơ điện tử
Đây là công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Vũ Lê Bình, Lê Xuân Huy, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Đỗ Trần Thắng, Pham Anh Tuấn, Phòng Cơ điện tử, Viện cơ học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
| (Ảnh minh họa: electronic-kits-projects.com) |
Để tạo ra được một mo hình thực nghiêm cơ điện tử đáp ứng được yêu cầu tiếp cận với việc thiết kế chế tạo và điều khiển các hệ cơ điện tử thì việc quan trọng đầu tiên là phải chọn được cấu trúc mô hình hợp lý, phải thể hiện được đặc trưng cơ bản của một hệ cơ điện tử là được tích hợp từ nhiều thành phần thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau: cơ khí, điện tử, tin học… Vì vậy mô hình thực nghiệm cơ điện tử từ Robot Kit đã được lựa chọn với cấu trúc gồm hai phần chính sau:
- Phần cơ khí được chọn là bộ lắp ráp robot dựa trên mô hình tay máy năm bậc tự do kiểu cánh tay quay được đẫn động bởi các động cơ điện là một mô hình cơ điện tử điển hình;
- Phần điện tử là bộ điều khiển vi sử lý cho phép điều khiển robot từ bàn phím chuyên dụng keypad.
Robot Kit này cũng được thiết kế để có thể tích hợp với phần mềm mô phỏng và điều khiển robot chuỗi SACR-SR5 (Simulation And Control of Robot – SR5) cho phép thiết kế quỹ đạo, mô phỏng hoạt động, kiểm tra và điều khiển giám sát robot từ PC
Mô hình tay máy năm bậc tự do kiểu cánh tay quay gồm 6 khâu tương ứng với giá cố định, vai, cánh tay, cổ tay và bàn tay và ở khâu cuối có gắn một bàn kẹp để thực hiện hai loại chuyển động.
Việc mô phỏng động học và động lực học được thực hiện bằng chương trình mô phỏng động lực học cơ hệ nhiều vật alaska để biết trước được hoạt động tay máy từ đó phân tích tìm ra tham số hình học và các chi tiết của tay máy, tham số dộng học, động lực học phục vụ cho việc chọn lựa các cơ cấu chấp hành và phục vụ việc điều khiển. Trên cơ sở các kết quả mô phỏng cùng với việc tham khảo các mô hình thực nghiệm có cấu trúc tương tự đã có trong nước cũng như trên thế giới, thiết kế của tay máy đã được đưa ra. Với mục tiêu của đề tài là chỉ tạo mô hình phục vụ dạy học nên tay máy được thiết kế để mỏ kẹp có thể gắp và mang được vật có khối lượng dưới 0,2kg. Hệ thống điều khiển cho Robot Kit có nhiệm vụ nhận các lệnh điều khiển từ bàn phím chuyên dụng Keypad hoặc từ PC, xử lý thông tin, đưa ra tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành RC servo theo đúng vị trí và tốc độ yêu cầu.
Bộ điều khiển cho Robot Kit được thiết kế là một bộ điều khiển vi xử lý với đặc tính mở cao, có khả năng điều khiển đồng thời tới 32 thiết bị ngoại vi điều khiển Atmega8. Bộ điều khiển cho phép các servo chạy với dải hoạt động tối đa từ 0 độ đến 180 độ, sử dụng các giá trị số tương ứng với độ rộng xung tính theo ms.
Robot Kit là cấu trúc Robot của một hệ cơ điện tử điển hình, đơn giản, linh hoạt và vớI đặc tính mởcao cho phép làm quen vớI việc phát triển và điều khiển các hệ cơ điện tử vì vậy nó sẽ là công cụ nghiên cứu và đào tạo hữu hiệu trong lĩnh vực này.
Mô hình hóa đài ANTENNA và ACROBOT trên thiết bị mô phỏng điện tử (MPĐT)
Đây là công trình nghiên cứu của Bùi Thị Thanh Quyên, Trần Việt Phong, Vũ Sỹ Thắng, Phạm Ngọc Minh, Phan Minh Tân, Phạm Thượng Cát ở Phòng công nghệ Tự động hóa, viện công nghệ thông tin
Thiết bị MPĐT có khả năng mô phỏng các đối tượng tuyến tính thông dụng và một số đốI tượng phi tuyến như con lắc ngược, robot Acrobot, xe tự hành… VớI thiết bị MPĐT, chúng ta có một mô hình điện tử mềm dẻo giúp cho nhà nghiên cứu, sinh viên ĐH có các đối tượng điện tử tiện cho việc nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm các bộ điều khiển sử dụng các công nghệ khác nhau như PLC, PC104… Ngoài ra, người sử dụng còn có thể tự phát triển các mô hình điện tử của đối tượng riêng của mình sử dụng các công nghệ hỗ trợ kèm theo.
Thiết bị MPĐT mô phỏng thời gian thực các đối tượng cơ điện tử được nghiên cứu và phát triển với mục đích giúp cho các nhà nghiên cứu, sinh viên ĐH có các đối tượng điện tử để nghiên cứu thử nghiệm. Mặt khác họ có thể tự phát triển những mô hình điện tử với đối tượng riêng của mình sử dụng các công cụ hỗ trợ kèm theo . Với MPĐT, các phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu và trương ĐH sẽ không phải trang bị nhiều mô hình vừa hạn chế về chức năng vừa tốn kém. Thiết bị mô phỏng các đối tượng điều khiển MPĐT chính là một mô hình điện tử mềm dẻo phục vụ tốt cho việc nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm các bộ điều khiển sử dụng các công nghệ khác nhau. Khác với các mô phỏng bằng phần mềm trên MATLAB, thiết bị MPĐT là đối tượng điện tử sát thực tế hơn, giúp cho việc thiết kế và thử nghiệm các hệ thống điều khiển trên nhiều khía cạnh từ thuật toán, phối ghép tín hiệu, điều khiển độ khuyếch đại tránh bão hòa, sử lý tín hiệu nhiễu và thử nghiệm các bộ lọc số…
Thiết bị mô phỏng được nghiên cứu thiết kế và chế tạo trên cơ sở thiết bị mẫu Dual Process Control của hãng KendRidge Instrument Sigapore. So với thiết bị của Singapore, thiết bị mô phỏng sử dụng công nghệ PC/104 cao cấp hơn và khả năng lập trình cho các đối tượng tuyến tính như động cơ, lò nhiệt… và mở rộng cho các đối tượng phức tạp, có tính phi tuyến dễ dàng hơn như Acrobot, bể chứa 2 cấp… Người sử dụng có thể dễ dàng quan sát các đáp ứng của các tín hiệu trên đồ thị hoặc trên hoạt hình ảnh động. Giá thành của thiết bị chỉ bằng ½ thiết bị ngoại nhập. Hy vọng thiết bị này với một số tính năng mô phỏng đối tượng hữu ích cho những người nghiên cứu công nghệ tự động hóa, thời gian nghiên cứu, thử nghiệm các phương pháp điều khiển và đưa ra thực tế sẽ ngắn hơn, hiệu quả kinh tế nhiều hơn.
Ứng dụng công nghệ CNN (Cellular Neural Network) trong kiểm tra nhanh đường sắt
Đây là công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Đức Long, Pham Thượng Cát Khoa Công nghệ thông tin Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Công nghệ mạng nơron tế bào CNN là một công ngệ mới (1998) trên thế giới. Các chíp xử lý có cấu trúc mạng nơron với hàng chục nghìn CPU đã cho phép tạo ra các máy tính vạn năng tương tự logic CNN-UM có năng lực tính toán siêu mạnh; đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý ảnh, giải phương trình vi phân đạo hàm riêng, quan sát đa mục tiêu thời gian thực. Công trình này giới thiệu thực nghiệm khả năng sử dụng thiết bị camera CNN Bi-iV2 cho việc kiểm tra nhanh đường sắt.
Hiện nay, việc kiểm tra hệ thống ghi, các khu vực chuyển đường, các thiết bị báo hiệu trong nhà ga được con người kiểm tra hàng ngày. Trên tuyến đường sắt dài việc kiểm tra được giao cho từng đoạn gọi là kiểm tra tuần đường. Hàng ngày có 4 người kiểm tra mỗi đoạn xem các mũ ốc có mất không, ray có bị gãy và đường có lún không. Việc kiểm tra này trên đoạn đường sắt hàng trăm, hàng nghìn km rõ ràng là rất tốn nhân công. Từ thực tế này và căn cứ vào khả năng của công nghệ CNN và hệ thống Bi-I chúng ta có thể xây dựng một hệ thống kiểm tra nhanh tự động đường sắt. Hệ thống gồm thiết bị Bi-I gắn trên đầu tàu (có thể phải dùng 2 thậm chí 4 camera) kèm một máy tính công nghiệp đặt trên đầu tàu tại vị trí thích hợp. Các hư hỏng và vị trí hư hỏng được thông báo trên màn hình, lưu trữ trong bộ nhớ và có thể kết hợp các tín hiệu cảnh báo
Thiết bị Bi-IV2 là một camera thông minh đã nhận được giải thưởng Stugat - Đức vào năm 2003. Thiết bị này sử dụng chip ACE 16k. Bộ xử lý này được cấu thành từ một ma trận 128x128 các tế bào xử lý. Trong ACE16k có các tế bào CNN nhiều lớp kết hợp với các sensor có cấu trúc tương tự cấu trúc sinh học của võng mạc mắt người. Con chip gồm 16348 bộ xử lý tế bào làm việc song song. Toàn bộ quá trình hoạt động tính toán của con chip cung cấp khả năng xử lý hình ảnh kích thước 128x128 lên đến 10.1000fps bao gồm cả vào ra.
Sơ bộ tính toán với khả năng của Bi-i ta thấy: giả sử tàu chạy với tốc độ 80km/h tức là 22,2m/s. MỗI frame ảnh thu 20cm. Một mét cần thu 5 frame ảnh. Trong một giây cần thu 111 frame ảnh. Khả năng thu và xử lý 10.000fps của Bi-I lớn hơn yêu cầu của công việc rất nhiều.
Để thử nghiệm khả năng ứng dụng CNN trong kiểm tra nhanh đường nhóm nghiên cứu đã thử xây dựng mô hình gồm một đĩa quay với tốc độ 3000vòng/phút hay 50 vòng trên dây và camera Bi-iV2. Ta gắn 4 ảnh trên đĩa. Khi ống kính camera chiếu vào một ảnh thì thời gian tồn tại của ảnh này trước ống kính còn ¼ so với gắn một ảnh hay nói cách khác tốc độ tương đương 200 vòng/ giây > 111, đủ thỏa mãn yêu cầu thực tế.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm với các thông số: đĩa quay 3000 vòng/phút. Tốc độ thu ảnh 500fps, ảnh đen trắng mô hình, ánh sáng chiếu lên anh bình thường bằng đèn 100W ở khoảng cách 30cm. Camera Bi-IV2 dùng ống kính 25 1:1.4. Chương trình thực hiện bằng ngôn ngữ lập trình Code Compose Studio 3.1 do hãng Texas cung cấp. Chương trình thực hiện đã phát hiện được các ảnh mất mũ ốc như yêu cầu nêu ra.
Qua phân tích tính năng của thiết bị xử lý ảnh sử dụng công nghệ CNN Bi-iV2 kết hợp với nhu cầu thực tiễn, hệ thống thử nghiệm được xây dựng bao gồm phần cứng và phần mềm đều khiển đã cho thấy khả năng áp dụng công nghệ CNN vào kiểm tra đường sắt trong khi tàu chạy. Đây chỉ là một trong số lĩnh vực mà việc sử dụng công nghệ CNN cho phép tháo gỡ các khó khăn không thể giải quyết gặp phải khi sử dụng các máy tính sử lý lệnh tuần tự. Trong giai đoạn tới đây, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam là rất cần thiết và có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng và an ninh.
Vũ Minh Tiến - Tự động hóa ngày nay
Email: vuminhtien11@yahoo.com