XÂY DỰNG ROBOT CHỮA CHÁY TỰ ĐỘNG CHO CÁC KHO BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CHÁY

Nhóm thực hiện

Võ Quốc Giáp

Phạm Thế Hào

Nguyễn Đặng Long Nhật.

Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy

Tóm tắt: Trong báo cáo bao gồm: Nghiên cứu, khảo sát Nguy cơ cháy nổ tại các kho bể chứa chất lỏng dễ cháy, tình hình cháy nổ tại các kho bể chứa chất lỏng dễ cháy, Thực trạng công tác chữa cháy tại các kho bể chứa chất lỏng dễ cháy, trang bị và thực trạng thiết bị cho lính cứu hỏa trên thế giới và trong nước. Đề xuất mô hình, lựa chọn linh kiện, thiết kế mô hình phần cứng và xây dựng thuật toán. Hoàn thiện sản phẩm và đánh giá kết quả thu được.

Từ khóa:

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ THỰC TRẠNG CHÁY KHO BỂ CHỨA CHẤT LỎNG DỄ CHÁY

Chất lỏng dễ cháy.

Chất cháy lỏng: là những chất cháy ở trạng thái lỏng như xăng, sầu, rượu, benzene, chất cháy lỏng bao giờ cũng bốc hơi sau đó mới tham gia phản ứng cháy, cho nên quá trình cháy của các chất lỏng lan nhanh và liên tục. Những chất lỏng có điểm bắt lửa lớn hơn 45⁰C là những chất cháy được.

Kho bể chứa chất lỏng dễ cháy

Bể chứa có vai trò rất quan trọng, nó có nhiệm vụ: tồn trữ nguyên liệu và sản phẩm, giúp ta nhận biết số lượng tồn trữ. Các loại bể chứa thường gặp: Bể ngầm, bể nổi, bể nửa ngầm.

Nguy cơ cháy nổ tại các kho bể chứa chất lỏng dễ cháy.

Khi sử dụng bể thép để bảo quản xăng dầu, sunfua sắt được tạo thành theo phản ứng sau:

2Fe(OH)₃+3H₂S→Fe₂S₃+6H₂O

Sunfua sắt Fe₂S₃ tạo thành, lắng đọng ở đáy bể và bám vào thành bể tiếp xúc với Oxy tạo thành phản ứng Oxy hóa và tỏa nhiệt gây cháy nổ thiết bị chứa.

Fe₂S₃+3O₂→2Fe₂O₃+6S+Q

Trong xăng dầu luôn có một hàm lượng nhất định nguyên tố lưu huỳnh thường tồn tại dạng hợp chất H₂S hòa tan hay bay hơi. Do đó các thiết bị đường ống, bể chứa bằng thép dễ bị ăn mòn bởi lưu huỳnh tác dụng với thành bể, tạo thành các sunfua sắt tác dụng với Oxy trong không khí, phản ứng tỏa nhiệt(lên đến 600⁰C) gây cháy, nổ hỗn hợp tạo thành.

Thực trạng công tác chữa cháy tại các kho bể chứa chất lỏng dễ cháy.

Vẫn xảy ra tình trạng các chiến sỹ làm nhiệm vụ chữa cháy gặp phải nguy hiểm trong quá trình làm nhiệm vụ do ngạt khí, bị mắc kẹt do sụp đổ công trình, quần áo chữa cháy thô sơ, dễ bị cháy, mất phương hướng, bị lạc trong công trình… Do chưa được trang bị kịp thời các trang bị kỹ thuật chuyên dụng, hiện đại có thể hỗ trợ, thay thế người lính cứu hỏa trong những tình huống nghiệp vụ nguy hiểm.

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG THIẾT BỊ

Những mối nguy hiểm luôn rình rập để lấy đi tính mạng của các chiến sỹ cứu hỏa như sự cố mất phương hướng khi thực hiện nhiệm vụ trong nhiệt độ cao, khói, khí độc hay sự sụt đổ của các cấu kiện xây dựng, nổ khí gas,…Mặc dù, khi làm nhiệm vụ trên đám cháy, một người lính cứu hỏa được trang bị các trang thiết bị cơ bản, tuy nhiên chưa đáp ứng được những yêu cầu an toàn trong điều kiện thực tế.

Để giảm thiểu các nguy cơ, rủi ro đó, các nhà khoa học trong và ngoài nước, đã và đang tập trung nghiên cứu các giải pháp, thiết bị trang bị hỗ trợ cho lính cứu hỏa.Tuy nhiên các nghiên cứu này đang tồn tại nhiều hạn chế hoặc đang trong quá trình phát triển. Các nghiên cứu tập trung vào nhiều hướng khác nhau, ví dụ như:

– Robot cứu hỏa QinetiQ: là sản phẩm của công ty công nghệ quốc phòng QinetiQ(nước Anh). Robot này có nhiệm vụ dập tắt các vụ cháy liên quan đến khí acetylene. Những đám cháy này là mối đe dọa với lính cứu hỏa, nguy hiểm vẫn rình rập thậm chí sau khi họ dập tắt ngọn lửa. Không chỉ nguy hiểm, những đám cháy kiểu này khiến toàn bộ khu vực phải được phong tỏa trong 24h. Với sự hỗ trợ của Robot, toàn bộ quá trình chỉ kéo dài chưa đầy ba giờ.

– Robot SAFFIR: Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo Robot SAFFIR có chức năng phát hiện và dập tắt đám cháy trên tàu biển, có kích thước tương đương con người, có thể chịu được mức nhiệt đến 500⁰C và cùng nhân viên cứu hỏa trong những nhiệm vụ nguy hiểm.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN

3.1 Thiết kế, xây dựng hệ thống phần cứng

3.1.1. Sơ đồ khối

Nhóm nghiên cứu đề tài đề xuất xây dựng mô hình gồm hai bộ phận: bộ điều khiển robot và robot chữa cháy. Và hai bộ phận có sơ đồ khối như sau:

a) Bộ điều khiển robot

Từ sơ đồ khối trên nhóm nghiên cứu đề xuất xây dựng mô hình như sau:

– Vi điều khiển dùng chip ATmega328(Arduino nano)

– Module thu phát CC2530

– Joystick: dùng để điều khiển hướng di chuyển của robot, góc phun vòi và góc nhìn của camera.

– Công tắc: dùng để lựa chọn chế độ điều khiển Robot

– Nguồn: pin 18650 có điện áp khoảng 3,5V.

– Màn hình Led

b) Robot chữa cháy

Từ sơ đồ khối trên nhóm nghiên cứu đè xuất xây dựng mô hình như sau:

– Vi điều khiển sử dụng chip ATmega2560 có cấu hình mạnh mẽ hơn.

– Module thu phát CC2530

– Camera thu hình ảnh về cho máy tính xử lý.

– Máy tính (có thể dùng máy tính nhúng) dùng để phân tích, xử lý hình ảnh từ hiện trường vụ cháy mà camera gửi về.

– Cảm biến siêu âm(ultra sonic) để xác định vật cản phía trước.

– Cảm biến lưu lượng nước để tính toán lượng nước phun ra và góc bắn

– Servo dùng để nâng hạ vòi và camera

– Động cơ tráu và phải

– Nguồn cung cấp năng lượng cho robot dùng nguồn 12V từ pin 18650

3.2 Xây dựng thuật toán tự động phát hiện gốc lửa và chữa cháy.

Trình tự xử lý đề xuất: Xử lý hình ảnh phát hiện lửa và gốc lửa→ Xác định điểm cần phun vào và hướng vòi phù hợp→Ra lệnh cho robot tiến hành chữa cháy

3.2.1 Thuật toán phát hiện lửa và xác định vị trí gốc lửa

a) Bài toán đặt ra

Từ một bức ảnh trích xuất từ camera xác định được vị trí của các ngọn lửa và lựa chọn ngọn lửa, vị trí ưu tiên phun chất chữa cháy tại các đám cháy phổ biến trong nhà/công trình

b) Đặc trưng riêng của vùng lửa

Theo kết quả nghiên cứu trong luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho trực thăng chữa cháy rừng” của thấy Nguyễn Đức Ánh – trưởng khoa 1 trường ĐH PCCC ta rút ra được kết quả nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện sau sẽ được coi là vùng lửa:

– Đặc trưng thứ nhất của ngọn lửa đó là vùng ảnh của ngọn lửa luôn có giá trị màu R (Red) lớn hơn giá trị màu kênh G (Green), và gía trị màu trên kênh B(Blue) và được biểu diễn dưới biểu thức sau:

R_(x,y)>G_(x,y)>B_(x,y)

Trong đó: R_(x,y), G_(x,y), B_(x,y) lần lượt là giá trị trên kênh R, kênh G, kênh B tại điểm ảnh có tọa độ (x,y)

– Đặc trưng thứ 2 của ngọn lửa là màu sắc ngọn lửa được rút ra từ thực nghiệm đó được biểu diễn qua biểu thức sau:

R_(x,y)>200&G_(x,y)>125&B_(x,y)<100

c) Xây dựng giải thuật xác định đám lửa

– Đối với phạm vị nghiên cứu là những kho bể chứa chất lỏng cháy, trạm xăng,… khi cháy thường có khói đen nên hình ảnh thu được từ camera chỉ thường có nguồn sáng phát ra từ ngọn lửa xung và giới hạn về chất lượng của linh kiện (camera ghi hình) nên chỉ cần làm thuật toán xác định được 2 đặc trưng của lửa là đủ.

– Đặc trưng thứ nhất của vùng hình ảnh của ngọn lửa là tập hợp của những điểm ảnh được coi là vùng lửa ở liền kề nhau hình thành một hình ảnh ngọn lửa.

– Đặc trưng thứ 2 ngọn lửa xuất hiện trong các đám cháy thường là ngọn lửa rối, có kích thước và hình dạng thay đổi liên tục

– Ý tưởng cho giải thuật: xét từng điểm ảnh của khung hình được trích xuất ra, dùng thuật toán vết dầu loang để xác định các đám lửa dựa trên điều kiện thỏa mãn đặc trưng thứ nhất của ngọn lửa. Đối chiếu kích thước, hình dạng của các đám lửa với các dữ liệu được lưu của đám lửa trong khung hình trước nêu hình dạng của chúng sai khác nhau(tức là thỏa mãn đặc trưng thứ 2 của ngọn lửa) thì sẽ đánh dấu những đốm lửa lại.

3.2.2 Thuật toán điều khiển hướng vòi phun nước vào điểm cháy.

a) Thuật toán cho máy tính

– Máy tính là xử lý hình ảnh truyền về từ camera và xác định gốc lửa và điều chỉnh cho cảm biến siêu âm và camera hướng về phía gốc lửa nơi có ngọn lửa cao nhất để đo khoảng cách. Nếu ngọn lửa có diện tích bề mặt lớn hơn mức đảm bảo an toàn cho robot sẽ thực hiện các biện pháp bảo vệ để đảm bảo an toàn

b) Thuật toán cho vi điều khiển

– Khi nhận được tín hiệu điều khiển của máy tính vi điều khiển sẽ điều khiển xe tiến, lùi, quay phải, quay trái, nâng hạ camera để hướng của camera và biến cảm biến siêu âm sẽ hướng về gốc lửa, lúc này cảm biến siêu âm sẽ lấy khoảng cách giữa robot và gốc lửa, thực hiện tính toán để chọn ra góc phun hợp lý nhất.

Chọn trục tọa độ tại điểm gắn cảm biến siêu âm:

Trong đó: L là giá trị mà cảm biến siêu âm đo được

là góc của servo

là khoảng cách từ gốc lửa đến cảm biến siêu âm theo 2 trục

X₀, Y₀ là khoảng cách từ vòi phun tới cảm biến theo 2 trục Ox, Oy

V là tốc độ của dòng nước ra khỏi vòi phun

t là thời gian nước di chuyển từ miệng vòi đến điểm cần phun

Đặt Y₁=Y – Y₀,X₁=X – X₀ ta được biểu thức:

(2)

Nếu ∆<0 phương trình vô nghiệm thì nước chưa đạt đến độ cao cần thiết vậy robot cần tiến lại gần đám cháy hơn.

Nếu ∆=0 thì phương trình có nghiệm kép:

Nếu∆>0 phương trình có 2 nghiệm phân biệt:

(4)

Từ (3) và (4) ta dễ dàng lấy được góc phun nhờ vào phép lấy actan()

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

4.1 Hoàn thiện thiết bị

4.1.1 Khối điều khiển

– Khối điều khiển: là thiết bị nhận tín hiệu điều khiển từ người điều khiển qua các joystick là nút truyền về khối thu

Sơ đồ nguyên khối phát:

– Nguyên lý làm việc: Người điều khiển thao tác trên các joystick và nút nhấn, vi xử lý sẽ nhận và xử lý các luồng dữ liệu truyền về từ các cảm biến để xác định lệnh cần gửi đi, lệnh được thực thi sẽ thông báo trên màn hình sau đó truyền tới module cc2530 qua giao thức uart để gửi tới robot qua sóng 2.4g

1. Màn hình

2. Joystick điều khiển camera và vòi phun

3. Joystick điều khiển hướng đi của robot

4. Công tắc chế độ tự chỉnh vòi

5. Công tắc chế độ điều khiển

6. Cổng sạc

7. Cổng kết nối usb

4.1.2 Robot

Nguyên lý làm việc:

– Ở chế độ điều khiển robot sẽ nhận lệnh từ điều khiển thông qua module cc2530 từ đó thực thi các mệnh lệnh như tiến, lùi, nâng hạ vòi theo ý của người điều khiển

– Ở chế độ tự động máy tính sẽ xử lý dữ liệu từ camera để dẫn robot tiếp cận ngọn lửa và kết hợp với vi điều khiển tinhs toán khoảng cách và góc vòi phun để dập tắt ngọn lửa

1. Camera và cảm biến siêu âm

2. Servo vòi

3. Servo camera

4. Khung gầm

5. Vi điều khiển và module thu phát

6. Module L298

7. Pin, động cơ và bộ giảm tốc

4.2 Kết quả thực nghiệm

– Chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm đo kết quả trên 5 đám cháy nhân tạo, kết quả cho thấy hệ thống vận hành ổn định, robot nhận biết tốt ngọn lửa và phát về thông báo bật máy bơm nước. Đường truyền dữ liệu ổn định

– Nhược điểm cần khắc phục: Khả năng điều chỉnh góc bắn

4.3 Hướng phát triển trong tương lai

– Robot chữa cháy là một sự kết hợp rất tuyệt vời, một bước cải tiến mới trong việc áp dụng khoa học công nghệ vào việc hỗ trợ lính cứu hỏa, đảm bảo an toàn khi làm nhiệm vụ. Trong tương lai thiết bị có thể được nâng cấp nên tốt hơn, cụ thể như cảm biến khoảng cách, camera,…sẽ được nâng cấp thành các loại cảm biến hoạt động ổn định hơn, thiết bị sẽ được hoạt động tối ưu và chính xác hơn,…

– Hiện nhóm nghiên cứu chúng tôi , đang có dự định phát triển thêm một số tính năng.

4.4 Hướng dẫn sử dung

– Bước 1: Khởi động robot và bộ điều khiển

+Bật công tắc On/Off trên bộ điều khiển và trên Robot

+Thiết bị sẽ tự động bắt tín hiệu với nhau

– Bước 2: Lựa chọn chế độ điều khiển

+Lựa chọn chế độ điều khiển tự động→bật công tắc Auto/Control bên cạnh trái của bộ điều khiển

+Lựa chọn chế độ điều khiển bán tự động(vòi phun tự động ngắm đến mục tiêu)→Tắt công tắc Auto/Control→Bật công tắc Half/Manual kế bên công tắc Auto/Control

+Lựa chọn chế độ điều khiển bằng tay→Tắt công tắc Auto/Control→Tắt công tắc Half/Manual kế bên công tắc Auto/Control

– Bước 3: Điều khiển hướng di chuyển, nâng hạ vòi và camera bằng joystick ở mặt trên của bộ điều khiển

-Sử dụng joystick di chuyển (joystick bên trái): Đẩy lên để di chuyển tiến. Đẩy về để di chuyển lùi.Đẩy sang trái để quay sang trái.Đẩy sang phải để quay sang phải

– Sử dụng joystick công cụ(joystick bên phải): Đẩy lên để hạ góc nhìn của camera. Đẩy về để nâng góc nhìn của camera. Đẩy sang trái để hạ vòi phun. Đẩy sang phải để nâng vòi phun

KẾT LUẬN

Nhóm đề tài nghiên cứu “Xây dựng mô hình Robot tự động chữa cháy cho các kho bể chứa chất lỏng cháy” đã xây dựng hoàn thiện thuật toán xác định lửa và các đám cháy, thuật toán chữa chaý tổng hợp các kết quả thực nghiệm xây dựng bộ cơ sở dữ liệu phục vụ cho quá trình nghiên cứu, xây dựng phần mềm hỗ trợ công tác chữa cháy, hoàn thiện mô hình robot chữa cháy, đề tài đã đáp ứng tốt mục tiêu đề ra.
Kết quả mô phỏng cho thấy các thuật toán xác đinh Lửa và các đám cháy là hoàn toàn phù hợp do thuật toán đã cơ bản phân biệt được lửa với những vật khác trong khung hình

Tài liệu tham khảo

Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng một phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho trực thăng chữ cháy rừng”. Thầy Nguyễn Đức Ánh, trưởng khoa 1 trường Đại học Phòng cháy chữa cháy
Luật PCCC-2001 sửa đổi bổ sung 2013
Thông tư số 65/2013/TT-BCA
TCVN 5307:2009 về kho dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ – Yêu cầu thiết kế
John-Davidwarren, Josh Adam, Harad Molle,”Arduino Robotics”.
“Giải thuật và Lập trình”, Lê Minh Hoàng, Đại học Sư phạm Hà Nội
https://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/L298_H_Bridge.pdf
S Huỳnh Minh Phú, “Lập trình vi điều khiển với Arduino”.
http://arduino.vn/
https://iotmaker.vn
Nhà sản xuất Eachine
Nhà sản xuất STMicroelectronics

Nguồn: “Cuộc thi sáng tạo khoa học và công nghệ về PCCC và CNCH năm 2019”. -Hà Nội 2019.-Tr. 22-27.