Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thử kín nước áp dụng cho nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái

kín nước kết hợp kiểm tra khả năng hoạt động của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước dưới tác động của áp suất. Thiết bị sử dụng các cảm biến để đo áp suất và được vận hành thông qua máy tính điều khiển. Thiết bị giúp tiết kiệm chi phí, thời gian, nguồn nhân lực trong việc tổ chức kiểm tra, đánh giá khả năng kín nước cũng như khả năng hoạt động của các thiết bị trong môi trường biển thực tế; góp phần giúp giám định viên, thử nghiệm viên đánh giá chính xác chất lượng của nhóm vũ khí trang bị hoạt động trong môi trường nước; giúp các đơn vị trong Bộ Quốc phòng trong việc khai thác, đảm bảo kỹ thuật cũng như đảm bảo an toàn cho cán bộ, chiến sỹ khi sử dụng nhóm vũ khí trang bị này khi làm nhiệm vụ. Từ khóa: Kín nước; Tự động; Cảm biến; LabVIEW. I. GIỚI THIỆU Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng có chức năng nhiệm vụ trọng tâm là giám định, thẩm định, thử nghiệm chất lượng vũ khí trang bị kỹ thuật, sản phẩm hàng hóa quốc phòng mua sắm, nhập khẩu trong cho các đơn vị trong Quân đội. Hiện nay Trung tâm Giám định Chất lượng nói riêng và đa số các cơ sơ đo lường - chất lượng khác nói chung chưa có thiết bị kiểm tra, thử nghiệm khả năng kín nước cho các trang bị chuyên dụng hoạt động ở các độ sâu khác nhau trong môi trường nước. Đây lại là nhóm hàng hóa rất phổ biến mà các đơn vị như Quân chủng Hải quân, Bộ Tư lệnh Cảnh sát biển, Binh chủng Đặc công mua sắm, nhập khẩu trong các năm gần đây. Các thiết bị thử kín nước của một số đơn vị trong Quân đội còn thô sơ, được điều khiển bằng tay, không có chế độ seft- test kiểm tra tính chính xác và ổn định của các đồng hồ hoặc cảm biến đo áp suất, cơ chế an toàn và bảo vệ cho thiết bị còn hạn chế, có kích thước và khối lượng cồng kềnh không thể cơ động được và đặc biệt quan trọng là tính năng thử nghiệm không đáp ứng được các yêu cầu của các trang bị kỹ thuật mua sắm, nhập khẩu của các đơn vị. Trong quá trình thử nghiệm thực tế khả năng kín nước của các nhóm trang bị này ở điều kiện thực tế ở cửa sông, ngoài biển phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố như: thời tiết, vị trí, độ sâu thực tế và đặc biệt là chi phí phục vụ thử nghiệm rất cao do phải huy động tàu, thuyền và số lượng nhân lực lớn. Vấn đề cấp thiết đặt ra đối với Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng là phải có một hệ thống (thiết bị) tạo được áp suất môi trường nước với độ sâu tương ứng để thử nghiệm khả năng kín nước kết hợp kiểm tra khả năng hoạt động của nhóm các vũ khí, trang bị kỹ thuật khi hoạt động ở môi trường này để đảm bảo đánh giá chính xác về chất lượng của vũ khí trang bị, góp phần giúp đơn vị trong việc khai thác, đảm bảo kỹ thuật cho vũ khí trang bị cũng như an toàn cho cán bộ chiến sỹ khi sử dụng nhóm các vũ khí trang bị kỹ thuật này khi làm nhiệm vụ. Xuất phát từ tất cả những vấn đề đã phân tích ở trên, nhóm tác giả đã thực hiện sáng kiến cải tiến kỹ thuật “Thiết kế, chế tạo Thiết bị thử kín nước đến áp suất 0,7 MPa tương đương áp suất ở độ sâu 71,38 mH2O tại 4 oC”. Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Trong phần II, chúng tôi miêu tả giải pháp kỹ thuật. Phần III đưa ra sơ đồ khối, phần mềm điều khiển của thiết bị. Phần IV cung cấp kết quả của các phép đo đã áp dụng chương trình đề xuất. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V. II. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 tạo ra môi trường áp suất nước đến 0,7 MPa (tương đương với áp suất ở độ sâu 71,38 mH2O tại 4 oC) để thử nghiệm khả năng kín nước kết hợp kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước dưới tác động của áp suất. Nguyên lý áp suất chất lỏng: Áp suất thực tế trong môi trường chất lỏng tại điểm (t), có độ sâu h1: Ptương đối = ρ.g.h Trong đó: P tương đối : Áp suất tương đối tại điểm (t) trong chất lỏng [Pa] ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng [kg/m3] g : Gia tốc trọng trường [m/s2] h : Chiều cao cột chất lỏng tính từ điểm (t) đến mặt thoáng [m] Ta có khối lượng riêng của nước là 1.000 kg/m3 tại 4 oC, gia tốc trọng trường theo giá trị tiêu chuẩn bằng 9,8066 m/s2. 68 Từ đó, ta có bảng tính toán giữa áp suất tương đối và độ sâu trong môi trường nước tại 4 oC như sau: TT Áp suất tương đối trong môi trường nước Độ sâu cột nước tại 4 oC tương ứng 1 0,1 MPa = 100.000 Pa 10,1972 m 2 0,2 MPa = 200.000 Pa 20,3944 m 3 0,3 MPa = 300.000 Pa 30,5916 m 4 0,4 MPa = 400.000 Pa 40,7888 m 5 0,5 MPa = 500.000 Pa 50,9860 m 6 0,6 MPa = 600.000 Pa 61,1832 m 7 0,7 MPa = 700.000 Pa 71,3804 m Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 mô phỏng lại áp suất tương đối trong môi trường nước để kiểm tra khả năng kín nước của thiết bị trong bình thử nghiệm theo giải pháp như sau: Theo định luật Pascal: Áp suất chất lỏng do ngoại lực tác dụng lên mặt thoáng được truyền nguyên vẹn tới mọi điểm trong lòng chất lỏng; Vận dụng định luật Pascal, trong bình thử nghiệm của Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 gồm có hai môi chất là nước và không khí, khi nén phần khí ở trong bình làm tăng áp suất khí trong bình đến P khí BTN, khi đó áp suất tại đáy bình sẽ được xác định theo công thức: P tại đáy BTN = P khí BTN + ρ1.g.h1 Trong đó: P tại đáy BTN : Áp suất tại đáy bình thử nghiệm [Pa] Pkhí BTN : Áp suất khí nén trong bình thử nghiệm [Pa] ρ1 : Khối lượng riêng của chất lỏng trong bình thử nghiệm [kg/m3] g : Gia tốc trọng trường [m/s2] h1 : Chiều cao cột nước tính từ mặt thoáng đến đáy bình thử nghiệm [m] Áp suất tạo ra tại đáy bình thử nghiệm (P tại đáy BTN) của Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 chính là áp suất tương đối trong môi trường nước cần mô phỏng để kiểm tra khả năng kín nước của các thiết bị. Môi chất sử dụng trong bình thử nghiệm của thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 là nước tinh khiết (khối lượng riêng xấp xỉ bằng 1.000 kg/m3 ) và không khí. Cột nước tinh khiết trong bình thử nghiệm có chiều cao là 0,5 m và lấy gia tốc trọng trường bằng 9,8066 m/s2 nên áp suất tạo ra của cột nước được tính như sau: Pcột nước = ρ1.g.h1 = 0,0049033 MPa Áp suất của cột nước trong bình thử nghiệm là rất nhỏ nên có thể lấy xấp xỉ áp suất tại đáy bình thử nghiệm bằng áp suất khí trong bình thử nghiệm: Ptại đáy BTN ≈ Pkhí BTN Để mô phỏng lại áp suất tương đối trong môi trường nước trong bình thử nghiệm, Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 sử dụng máy nén khí để tạo áp suất khí trong bình thử nghiệm đến áp suất mong muốn, lắp ráp các cảm biến và đồng hồ đo áp suất tương đối để đo áp suất trong bình thử nghiệm. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Labview xây dựng phần mềm thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu từ các cảm biến áp suất (sử dụng các thuật toán bù độ lệch theo các hàm fit đã khảo sát), kết hợp kỹ thuật vi xử lý giúp thiết bị hoạt động có độ ổn định cao, đảm bảo tính chính xác cho phép đo áp suất đồng thời điều khiển tự động quá trình tăng, giảm áp suất trong bình thử nghiệm. III. SƠ ĐỒ KHỐI, CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG, PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ khối của thiết bị V2 V1 V4 V5 S1 P1 P Si Ghi chú: BT: Bình thử B: Nút chặn khí P: Máy nén khí Si: Nút giảm thanh S1,2: Cảm biến áp suất S1',2': Cảm biến áp suất (tuỳ chọn thêm) V1: Van an toàn V2: Van thoát nước V3: Van nạp/thoát khí V4,7: Van điện từ 3/2 V5: Van một chiều khí nén V6: Van điều áp P1: Đồng hồ kim đo áp suất khí nén BT S1' V3 V7 B V6 1 2 3 1 2 3 S2 S2' Hình 1. Sơ đồ khối bình thử nghiệm áp suất nước Máy tính có chương trình điều khiển 12 VDC 24 VDC 220 VAC 12 VDC 2 2 0 V A C Máy nén khí P Khởi động từ 220 V/50 Hz Van điện từ 3/2 V4, V7 Nguồn một chiều (+ 12 V, + 24 V) Nguồn xoay chiều 220 V/50 Hz 10 bit Hệ thống chuyển mạch Relay NO-NC Vi xử lý Bo mạch Arduino ADC Bo mạch Arduino Ghi chú: Tín hiệu số Tín hiệu tương tự Nguồn cung cấp Cảm biến áp suất S1,S1',S2,S2'LabVIEW Mức thấp/ Mức cao Hình 2. Sơ đồ thiết bị - Phần điều khiển Thiết bị bao gồm các khối cơ bản sau: - Máy tính điều khiển; - Vi mạch điều khiển, hệ thống van khí (được tích hợp trong vali kỹ thuật); - Bình thử nghiệm; - Máy nén khí. 2. Chế độ hoạt động của thiết bị Thiết bị có 03 chế độ làm việc được điều khiển từ phần mềm được cài đặt trong máy tính: - Chế độ tự kiểm tra Self-Test; - Chế độ thử nghiệm thủ công Manual; - Chế độ thử nghiệm tự động Auto. Đối tượng thử nghiệm (Equipment under Test - EUT) là các thiết bị hoạt động trong môi trường nước, cần đánh giá kiểm tra sự kín nước cũng như khả năng hoạt động trong môi trường nước dưới tác động của áp suất. Các bước kiểm tra, thử nghiệm kín nước gồm 04 bước: Bước 1: Thử nghiệm viên kiểm tra EUT trước khi thử nghiệm gồm: Kiểm tra ngoại quan, tình trạng bên ngoài (bao gồm sự kín khít của thiết bị); sau đó thông điện kiểm tra khả năng hoạt động của thiết bị (ghi lại các thông số kiểm tra nếu cần thiết); Bước 2: Thử nghiệm viên kiểm tra thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 trước khi thử nghiệm bao gồm đánh giá khả năng hoạt động của toàn bộ thiết bị đồng bộ thuộc hệ thống, 69 tính chính xác của các cảm biến đo áp suất, khả năng điều khiển của phần mềm (Chế độ Seft- Test); Trước mỗi một lần thử, Chế độ Seft-Test có vai trò quan trọng, đặc biệt đối với đặc thù thiết bị phải thường xuyên di chuyển, chế độ này giúp thử nghiệm viên đánh giá nhanh khả năng hoạt động của thiết bị, cụ thể như sau: - Kiểm tra độ ổn định và tính chính xác của các cảm biến đo áp suất: Các cảm biến được sử dụng đều phải đảm bảo độ ổn định và độ chính xác. Quá trình Seft-Test đưa ra đồ thị đặc tuyến áp suất theo thời gian của các cảm biến, nhờ đó giúp thử nghiệm viên đánh giá được tính ổn định của các cảm biến theo thời gian (trường hợp đối chiếu đặc tuyến của các cảm biến, một trong các cảm biến có giá trị tăng/giảm bất thường so với các cảm biến khác thì thử nghiệm viên có thể đánh giá cảm biến đó đang không bình thường so với các cảm biến khác). Về độ chính xác của các cảm biến, thiết bị được trang bị một đồng hồ kim đo áp suất, đảm bảo độ chính xác và có hiệu lực kiểm định/hiệu chuẩn giúp thử nghiệm viên có thể đối chiếu trực tiếp giá trị hiển thị trên các cảm biến và trên đồng hồ kim; - Kiểm tra khả năng hoạt động của phần mềm điều khiển, hoạt động của máy nén khí (bằng việc điều khiển bật/tắt máy nén khí) và các thiết bị đồng bộ khác (kiểm tra việc đóng/mở của các van điện từ khí nén 3/2, kiểm tra ngõ thoát khí...). Bước 3: Sau khi đã đánh giá được khả năng hoạt động của thiết bị, thử nghiệm viên đưa EUT vào trong bình thử nghiệm, vận hành thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 tạo áp suất trong bình thử nghiệm thông qua phần mềm điều khiển được cài đặt trong máy tính. Thử nghiệm viên có thể chọn hai chế độ thử nghiệm: Thử nghiệm tự động Auto: Thử nghiệm viên thiết lập chu trình tăng, giảm áp (mức áp suất thử nghiệm, thời gian thử nghiệm, các bước tăng/giảm áp suất, thời gian nghỉ giữa các bước tăng/giảm áp suất) trong bình thử nghiệm trên phần mềm điều khiển. Quá trình tăng, giảm áp trong bình thử nghiệm được thực hiện hoàn toàn tự động bởi phần mềm điều khiển theo chu trình đã định sẵn do thử nghiệm viên thiết lập. Thử nghiệm thủ công Manual: Đối với trường hợp thử nghiệm phức tạp như các bước tăng/giảm áp, thời gian nghỉ giữa các bước không tuân theo một quy luật tuần hoàn vì vậy quá trình thử nghiệm tự động không thể đáp ứng được, do đó chế độ thử nghiệm thủ công là cần thiết. Khi đó, quá trình tăng/giảm áp trong bình thử nghiệm được điều khiển bởi thử nghiệm viên bằng các núm, nút mềm trên phần mềm điều khiển; Bước 4: Thử nghiệm viên kiểm tra EUT sau khi kết thúc thử nghiệm, đánh giá lại khả năng hoạt động, sự kín khít của thiết bị. Đối với mỗi EUT khác nhau thì phương pháp đánh giá, kiểm tra khả năng hoạt động và sự kín khít của từng thiết bị sẽ khác nhau. 3. Phần mềm điều khiển Trong mục này sẽ mô tả chi tiết về phần mềm điều khiển thiết bị với 3 chế độ hoạt động: Chế độ tự kiểm tra Self-Test, chế độ thử nghiệm thủ công Manual, chế độ thử nghiệm tự động Auto. Giao diện chính được chia ra làm 6 phần: - Phần 1: Thông tin chung về phần mềm, nhóm tác giả thực hiện; - Phần 2: Thông tin về EUT: tên gọi, ký hiệu, số hiệu, hãng sản xuất/đơn vị sản xuất, xuất xứ, năm sản xuất; - Phần 3: Cấu hình phép thử bao gồm: Cấu hình lựa chọn cảm biến áp suất; chọn địa chỉ giao tiếp với Arduino; thiết lập mức áp suất thử (Plimit); địa chỉ file báo cáo mẫu; - Phần 4: Chế độ tự kiểm tra thiết bị Self-Test, khi bấm vào nút thử trong mục này, phần mềm sẽ chuyển sang giao diện Self-Test (chi tiết xem mục 4.4.1). Sau khi Self-Test được thực hiện, chương trình sẽ về giao diện chính và tại mục Self- Test sẽ có đồ thị áp suất như trong Hình 3; - Phần 5: Chế độ thủ công/tự động Manual/Auto, khi bấm vào nút thử trong mục này, phần mềm sẽ chuyển sang giao diện Manual hoặc Auto (chi tiết xem mục 4.4.2 và mục 4.4.3). Kết thúc quá trình thử, chương trình sẽ về giao diện chính và tại mục này sẽ có đồ thị áp suất như trong Hình 3; - Phần 6: Phím LƯU&DỪNG có chức năng lập báo cáo căn cứ theo các đồ thị thử nghiệm được tạo ra ở Phần 5. Sau đó, kết thúc chương trình Hình 3. Giao diện chính của phần mềm điều khiển 4. Lưu đồ thuật toán Lưu đồ thuật toán được nêu trong Hình 4. Trong chế độ tự kiểm tra thiết bị Self-Test, các cảm biến sẽ gửi tín hiệu liên tục về bo mạch Arduino qua các kênh A2, A3, A4, A5 (tương ứng với mỗi kênh là 1 cảm biến áp suất, thiết bị hỗ trợ tối đa 4 cảm biến – cấu hình tối thiểu là 1 cảm biến áp suất nước, 1 cảm biến áp suất khí; cấu hình tối đa là 2 cảm biến áp suất nước, 2 cảm biến áp suất khí), với tần số 15 lần lấy mẫu cho một lần hiển thị giá trị, giá trị điện áp thu thập từ cảm biến được tính trung bình, sau đó bằng thuật toán nội suy (theo công bố của nhà sản xuất cảm biến) phần mềm sẽ quy đổi từ giá trị điện áp sang giá trị áp suất. Bơm khí vào bình để giá trị đo áp suất của các cảm biến nằm trong dải 0,4 MPa ± 10 %, duy trì độ ổn định áp suất trong bình trong khoảng 5 phút. Vẽ đồ thị đặc tuyến áp suất theo thời 70 gian của các cảm biến, đối chiếu đường đặc tuyến của các cảm biến với nhau để đánh giá tính ổn định của các cảm biến. Bắt đầu - Nhập thông tin đối tượng thử nghiệm; - Nhập giới hạn áp suất thử Plim; - Khai báo địa chỉ bo mạch Arduino; - Khai báo thông tin các cảm biến: Lựa chọn số lượng cảm biến sử dung, file hệ số bù; - Cấu hình cho chế độ tự động: Bước tăng/giảm Pstep; thời gian nghỉ giữa các bước. Tự kiểm tra Self- Test Thử nghiệm thủ công Thử nghiệm tự động Lưu trữ Kết thúc Đọc dữ liệu analog (1-5 V) thu thập từ các cảm biến qua 4 kênh A2, A3, A4, A5 của bo mạch Arduino Lấy giá trị trung bình 15 lần lấy mẫu từ các kênh A2, A3, A4, A5 Chuyển đổi từ điện áp (VDC) sang áp suất (MPa) Bù áp suất theo bộ tham số áp suất được hiệu chuẩn Lấy giá trị trung bình đo áp suất Ptb 0,36 MPa <Ptb Mở van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Kích hoạt máy nén khí hoạt động* 0,44 MPa >Ptb Ngắt máy nén khí hoạt động* Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Mở van xả khí từ bình thử* Ngắt máy nén khí hoạt động* Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Đóng van xả khí từ bình thử* Đóng van xả khí từ bình thử* Đếm thời gian Delta T Delta T < 5 min Dừng quá trình Self- Test, đưa kết quả Self-Test dạng đồ thị ra trang bìa của phần mềm Đúng Sai Đúng Sai Ghi chú: * Thử nghiệm viên đóng/mở máy nén khí, các van điện bằng nút trên phần mềm; ** Số bước tăng/giảm áp suất, được tính N = Z(Plim/Pstep) Đọc dữ liệu analog (1-5 V) thu thập từ các cảm biến qua 4 kênh A2, A3, A4, A5 của bo mạch Arduino Đúng Sai Lấy giá trị trung bình 15 lần lấy mẫu từ các kênh A2, A3, A4, A5 Chuyển đổi từ điện áp (VDC) sang áp suất (MPa) Bù áp suất theo bộ tham số áp suất được hiệu chuẩn Lấy giá trị trung bình đo áp suất Ptb Plim < Ptb Mở van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Kích hoạt máy nén khí hoạt động* 1,03Plim > Ptb Ngắt máy nén khí hoạt động* Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Mở van xả khí từ bình thử* Ngắt máy nén khí hoạt động* Đóng van nạp khí từ máy nén khí đến bình thử* Đóng van xả khí từ bình thử* Đóng van xả khí từ bình thử* Đếm thời gian thử Delta T’ Đúng Đúng Sai Sai Sai Sai Đúng Đúng Đúng Nhấn “Dừng” thủ công Dừng và lưu đồ thị tạo áp suất thử Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai Sai Xuất dữ liệu ra Báo cáo thử nghiệm dạng file word Xác định số bước tăng/giảm áp suất N** i:=1 i = N Thực hiện chu trình tăng áp đến các mức iPstep và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập Sai Thực hiện chu trình tăng áp đến mức Plim và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập i:=i+1 i':=1 i' = N Thực hiện chu trình giảm áp đến các mức i'Pstep và nghỉ bước nghỉ đã thiết lập i':=i'+1 Xả khí cho đến khi Ptb = 0,001 MPa Dừng và lưu đồ thị tạo áp suất thử Đúng Hình 4. Lưu đồ thuật toán của chương trình Trường hợp có một trong số các cảm biến đưa ra giá trị có biến động lớn thì cần phải xem xét kỹ lưỡng lại cảm biến đó vì rất có thể cảm biến đó gặp vấn đề. Đối chiếu giá trị hiển thị của các cảm biến với giá trị hiển thị trên đồng hồ chuẩn P đo áp suất dạng kim để đánh giá độ chính xác của các cảm biến đo áp suất. Ở chế độ tự kiểm tra thiết bị Self Test, việc điều khiển các thao tác bật/tắt máy nén khí, đóng/mở van điện từ được thực hiện bởi thử nghiệm viên; - Trong chế độ thủ công, quy trình thu thập dữ liệu từ cảm biến đưa về xử lý tương tự như trong chế độ tự kiểm tra Self- Test. Ở chế độ thử này, việc điều khiển các thao tác bật/tắt máy nén khí, đóng/mở van điện từ được thực hiện bởi thử nghiệm viên; - Trong chế độ tự động, quy trình thu thập dữ liệu từ cảm biến đưa về xử lý tương tự như trong chế độ tự kiểm tra Self Test và chế độ thủ công. Ở chế độ thử này, việc điều khiển các thao tác bật/tắt máy nén khí, đóng/mở van điện từ được thực hiện bởi phần mềm. So sánh giá trị Ptb với dải giá trị quy định thử từ Plim đến Plim + 3 %. Nếu Ptb nằm trong dải thì dừng việc bơm khí vào bình thử, và duy trì áp suất trong khoảng thời gian đã được thiết lập trước khi thử, rồi tiến hành xả khí theo chu trình đã thiết lập ban đầu. Nếu Ptb nằm ngoài dải nêu trên, thì phần mềm sẽ tự tối ưu điều chỉnh các van điện từ và máy nén khí như được nêu trong lưu đồ thuật toán. Chú ý: - Như sơ đồ đã nêu ở Hình 1, thiết bị hỗ trợ tối đa 4 cảm biến áp suất đặt tại các vị trí khác nhau, trong đó tối đa là 2 vị trí đo áp suất khí (được ký hiệu là S1 và S1’), 2 vị trí đo áp suất nước (được ký hiệu là S2 và S2’) và tối thiểu là 1 vị trí đo áp suất khí (S1), 1 vị trí đo áp suất nước (S2). Trong chế độ thử thủ công và chế độ thử tự động, chỉ hiển thị 2 giá trị đo, 1 là giá trị đo áp suất nước và 1 là giá trị đo áp suất khí, khi đó nếu có nhóm cảm biến (nhóm đo áp suất nước và nhóm đo áp suất khí) có 2 cảm biến thì giá trị hiển thị là giá trị trung bình cộng của 2 cảm biến, nếu có nhóm nào chỉ có 1 cảm biến thì giá trị hiển thị là giá trị của riêng cảm biến đó. - Giá trị Ptb là giá trị được lấy theo trung bình cộng của các cảm biến đo áp suất khí hoặc nước (việc lựa chọn lấy áp suất khí hay áp suất nước làm căn cứ so sánh tuỳ thuộc vào thử nghiệm viên và có thể đặt được trong phần thiết lập của phần mềm; ở chế độ mặc định Ptb lấy căn cứ theo áp suất trung bình khí). Trường hợp chỉ có 1 cảm biến đo áp suất thì Ptb là giá trị hiển thị của cảm biến áp suất đó. 5. Chế độ kiểm tra Self-Test Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ tự kiểm tra Self-Test được mô tả trong Hình 5 và Hình 6. Góc bên trái gồm có 3 phím mềm để điều khiển quá trình tăng/giảm áp suất; phía dưới vị trí 3 phím mềm là phím “Dừng thử” để kết thúc quá trình tự kiểm tra Self-Test. Ở giữa là 4 đồng hồ hiển thị giá trị áp suất, ở vị trí trên là 2 đồng hồ đo áp suất khí và ở vị trí dưới là 2 đồng hồ đo áp suất nước. Bên trong các đồng hồ kim có 1 đồng hồ hiển thị số với giá trị hiển thị đến 3 số sau dấu phảy. Ngoài cùng bên phải là đồ thị thể hiện đường đặc tuyến áp suất (MPa) theo thời gian (s). Với đồ thị này, thử nghiệm viên có thể dễ dàng quan sát đồng thời tối đa 4 kênh tín hiệu đo áp suất và đánh giá được độ ổn định của các kênh đo áp suất. Hình 5. Giao diện người dùng chế độ tự kiểm tra Self-Test 71 Hình 6. Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ tự kiểm tra Self-Test 6. Chế độ thử nghiệm thủ công Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ thử nghiệm thủ công được mô tả trong Hình 7 và Hình 8. Giao diện trong phần thử nghiệm thủ công tương tự như trong phần tự kiểm tra Self-Test. Có một số điểm khác như sau: - Xuất hiện thêm cột độ sâu nước được quy đổi tương đương từ đại lượng áp suất. Thang đo của cột độ sâu nước đến 80 m; - Có 2 đồng hồ đo giá trị áp suất. Ở vị trí trên là đồng hồ đo áp suất khí, trong trường hợp sử dụng 2 cảm biến, giá trị hiển thị trong đồng hồ sẽ là giá trị trung bình của 2 cảm biến. Ở vị trí dưới là đồng hồ đo áp suất nước, tương tự như đồng hồ đo áp suất khí, trong trường hợp sử dụng 2 cảm biến, giá trị hiển thị trong đồng hồ sẽ là giá trị trung bình của 2 cảm biến. Dải đo của các đồng hồ được thiết lập đến 1 MPa. Hình 7. Giao diện người dùng chế độ thử nghiệm thủ công Hình 8. Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ thử nghiệm thủ công 7. Chế độ thử nghiệm tự động Giao diện người dùng và giao diện lập trình chế độ thử nghiệm tự động được mô tả trong Hình 9 và Hình 10. Tương tự như giao diện bên chế độ kiểm tra thủ công. Trong giao diện chế độ kiểm tra tự động, các phím mềm điều khiển không xuất hiện vì các quá trình tăng/giảm áp đã được thiết lập tự động. Chỉ còn lại phím “Dừng thử”, sử dụng khi đang trong quá trình thử gặp một sự cố nào đó mà cần tắt chương trình khẩn cấp. Hình 9. Giao diện người dùng chế độ thử nghiệm tự động Hình 10. Giao diện lập trình Blog Diagram chế độ thử nghiệm tự động 8. Phần lưu trữ dữ liệu thử nghiệm Kết thúc quá trình thử nghiệm, phần mềm điều khiển sẽ xuất báo cáo thử nghiệm dưới dạng file word, thuận lợi cho việc lưu trữ và in ấn. IV. KẾT QUẢ Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 đã được kiểm định an toàn và kiểm tra kỹ thuật đo lường, kết quả kiểm tra đáp ứng được các yêu cầu theo quy định. Hiệu quả đã đạt được của sáng kiến cải tiến kỹ thuật: - Giải quyết được vấn đề về thử nghiệm khả năng kín nước cũng như khả năng làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước đến 70 m, chủ yếu là nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái.. - Tiết kiệm kinh tế, thời gian, nguồn nhân lực, đảm bảo an toàn trong việc tổ chức triển khai nghiệm thu, kiểm tra khả năng kín nước cũng như khả năng hoạt động của các thiết bị trong môi trường nước. - Góp phần giúp giám định viên, thử nghiệm viên đánh giá chính xác chất lượng của nhóm vũ khí trang bị hoạt động trong môi trường nước; giúp đơn vị trong việc khai thác, đảm bảo kỹ thuật cũng như an toàn cho cán bộ, chiến sỹ khi sử dụng nhóm vũ khí trang bị này khi làm nhiệm vụ. 72 Hình 11 – Hình ảnh thực tế của thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 V. KẾT LUẬN Thiết bị thử kín nước TKN-GĐCL-19 đang trong quá trình hoàn thiện hơn và hiện đã được áp dụng trong công tác kiểm tra, giám định, thử nghiệm chất lượng tại Trung tâm Giám định Chất lượng/Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng. Thiết bị đã giải quyết được vấn đề thử nghiệm khả năng kín nước cũng như khả năng làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường nước đến 70 m, chủ yếu là nhóm trang thiết bị đi kèm người nhái. Sáng kiến đã được Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Quốc phòng đánh giá cao và được đề xuất đưa vào sản xuất để trang bị cho các đơn vị trong Quân đội. 73 Giám Sát Định Vị, Bản Đồ Hóa và Điều Hướng Cho Robot Tự Hành Đa Hướng Sử Dụng Hệ Điều Hành Lập Trình ROS Ngô Mạnh Tiến1, Nguyễn Mạnh Cường2, Hà Thị Kim Duyên3, Phan Sỹ Thuần4, Nguyễn Ngọc Hải 5, Trần Văn Hoàng6, Nguyễn Văn Dũng7 1,2Viện Vật Lý- Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; 3,4,5,6ĐH Công nghiệp Hà Nội; 7CĐN Công nghệ cao Hà Nội Email: 1nmtien@iop.vast.ac.vn, 2manhcuong313.ng@gmail.com 3ha.duyen@haui.edu.vn, 4phansythuan1998@gmail.com, 5ngochai23101998@gmail.com, 6Paulhoang98.tvh@gmail.com, 7dungnv@hht.edu.vn Tóm tắt— Bài báo trình bày việc giám sát định vị, bản đồ hóa (SLAM - Simultaneous Localization and Mapping) và điều hướng (Navigation) cho chuyển động của robot tự hành đa hướng trên nền tảng hệ điều hành lập trình cho robot - ROS (Robot Operating System). Mô hình robot tự hành sử dụng trong bài báo là mô hình Robot Omni 4 bánh, với bộ xử lý hiệu năng cao Jetson TX2 làm nhiệm vụ xử lý trung tâm kết hợp với Astra camera. Kết quả giám sát bản đồ, định vị và điều hướng robot được xây dựng dựa trên dữ liệu thu được từ depth camera và Laser Scan (Lindar) trong quá trình chuyển động của robot được tiến hành bằng mô phỏng dựa trên phần mềm GAZEBO, giám sát trên phần mềm RVIZ của ROS và thực nghiệm thực tế. Các kết quả đạt được cho thấy hiệu quả trong hướng nghiên cứu sử dụng ROS cho việc điều khiển và giám sát robot tự hành, xe tự lái cũng như phát triển các hệ thống robot thông minh. Keywords - ROS, GAZEBO, RVIZ, SLAM, Omni Robot, Navigation. I. GIỚI THIỆU Trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp lần thứ tư, nhu cầu sử dụng robot cho công việc phức tạp thay thế cho con người càng lớn, một robot tự hành là một hệ tự trị, có khả năng lấy thông tin về môi trường của nó và làm việc trong một thời gian dài mà không có sự can thiệp của con người và để tránh các tình huống có hại cho môi trường hoặc chính nó. Nghiên cứu, chế tạo và phát triển các robot tự hành, xe tự hành không người lái đang là một hướng nghiên cứu tập trung của các nhà khoa học, công nghệ trên thế giới. Với việc phát triển nhanh của công nghệ xử lý tốc độ cao cũng như lưu trữ data dung lượng lớn, cộng với khả năng kết nối vạn vật, các robot tự hành, xe tự hành ngày càng trở lên thông minh hơn. Dựa trên các công cụ phần cứng mạnh, robot giờ đây ứng dụng nhiều các hệ cảm biến mắt máy (camera 3D), cảm biến quét laser, Lindar, IMU, và đặc biệt là ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào việc nhận dạng, nhận biết, và điều hướng thông qua các cảm biến đó. Với các công cụ, phần mềm lập trình truyền thống, việc xử lý đa tác vụ, nhiều loại dữ liệu và dung lượng cao như thế là rất khó khăn, và ROS là hệ điều hành lập trình chuyên dụng cho robot giải quyết được vấn đề này. ROS hiện nay được sử dụng rộng rãi và gần như là tối ưu cho việc xây dựng hệ thống điều khiển cho các loại robot, robot tự hành, và xe tự lái trên thế giới như [1], [2] và [3]. Trong quá trình thiết kế lập trình điều khiển cho robot tự hành thì việc mô phỏng là rất quan trọng để tiến hành thử nghiệm các hoạt động của phần mềm, hoạt động, các hệ thống truyền động, di chuyển cũng như hành vi của robot để tối ưu thiết kế. Đó cũng là một vấn đề khó khăn mà người chế tạo, thiết kế điều khiển robot tự hành gặp phải, nhưng nhờ có ROS mà vấn đề này trở nên đơn giản hơn. ROS đã tích hợp các phần mềm hỗ trợ GAZEBO và RVIZ cho phép mô phỏng và giám sát quá trình hoạt động của robot. Bên cạnh đó, môi trường xung quanh cũng có thể thay đổi phục vụ cho việc thử nghiệm ở môi trường khác nhau. Nhờ đó chúng ta có thể trực tiếp giám sát những hoạt động và thích nghi của robot với sự thay đổi môi trường. Đã có một số công trình công bố liên quan đến ứng dụng ROS trong việc bản đồ hóa, điều hướng cho robot tự hành [4], [5]. Việc ứng dụng ROS vào các bài toán điều khiển, giám sát robot, robot tự hành, xe tự lái [6], [7] hiện đang được một số Viện nghiên cứu, trường Đại học triển khai tập trung. SLAM là nhiệm vụ quan trọng, quyết định đến chất lượng của robot, xe tự hành [2], [9], [12]. Đây là phương pháp cho phép định vị, tạo bản đồ với những vật cản xung quanh trong môi trường không xác định thông qua dữ liệu nhận từ cảm biến như Lidar, Camera, IMU. Việc ứng dụng ROS cho SLAM cho robot tự hành [10], [11] các công bố dựa trên robot có sẵn và kết quả cũng rất khả quan. Trong bài báo này trình bày về thiết kế phần cứng và mô hình 3D của một robot sử dụng Omni 4 bánh và tiến hành xây dựng bản đồ, định vị và điều hướng robot trên mô hình đó. Trong phần II, cấu trúc phần cứng mô hình thực tế của robot được xây dựng hoàn chỉnh để tiến hành thực nghiệm. Trong phần III, là quá trình triển khai mô phỏng và chạy thực nghiệm robot SLAM, điều hướng và lấy bản đồ địa hình thực tế trên ROS với hai phần mềm chính GAZEBO và RVIZ. Cuối cùng, các kết luận về các kết quả nghiên cứu được đưa trong phần IV, V. II. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG ROBOT A. Cấu trúc cơ khí truyền động Omni robot với 4 bánh xe đa hướng cách nhau 900 về góc. Các trục tọa độ được gắn vào các bánh xe omni đa hướng cụ thể như trong hình H1: 74 H. 1 Omni Robot 4 bánh và mẫu bánh Omni và cấu trúc bánh Omni đa hướng Bánh xe Omni còn có tên gọi là bánh xe Mecanum, nó được chế tạo bằng cách thêm các bánh xe nhỏ dọc theo chu vi của bánh chính (như trên H.1). Do đó bánh xe Omni có thể trượt dọc theo trục của động cơ và trượt theo chiều ngang (phụ thuộc vào chuyển động của các bánh còn lại). Kết hợp hai chuyển động này (cộng vector) thì bánh Omni có thể di chuyển theo mọi hướng trong khi vẫn giữ được hướng của đầu robot không đổi trong quá trình di chuyển. Bánh xe Omni đã trở lên rất thông dụng trong robot tự hành vì nó cho phép robot di chuyển ngay đến một vị trí trên mặt phẳng mà không phải quay trước. Hơn nữa, chuyển động tịnh tiến dọc theo một quỹ