Đồ án Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE QUÉT RÁC TRÊN CỎ GVHD: ThS.DƯƠNG ĐĂNG DANH SVTH: NGUYỄN PHƯỚC HẬU MSSV: 11146039 SVTH: LÊ ANH DUY MSSV: 11146021 S K L 0 0 3 8 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE QUÉT RÁC TRÊN CỎ ” Giảng viên hƣớng dẫn: Ths.DƢƠNG ĐĂNG DANH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHƢỚC HẬU MSSV: 11146039 LÊ ANH DUY MSSV: 11146021 Lớp: 111461 Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Ths.Dƣơng Đăng Danh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phƣớc Hậu MSSV: 11146039 Lê Anh Duy MSSV: 11146021 1. Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Xe có khả năng quét sạch lá cây cành khô trên bãi cỏ có diện tích50m2 trở lên hoạt động bằng đẩy tay. Xe có diện tích thùng chứa rác khoảng 25-30 lít. Đồng thời có thể phát triển theo hƣớng hoạt động tự động liên tục trong hai tiếng đồng hồtrên một diện tích bãi cỏ xác định. Đề tài nghiên cứu khoa học “Thiết kế và chế tạo xe hốt rác “ của sinh viên trƣờng ĐH Lạc Hồng, Đồng Nai. 3. Nội dung chính của đồ án: Nghiên cứu, thiết kế xe theo yêu cầu đặt ra. Tính toán, lựa chọn cơ cấu cơ khí, động cơ phù hợp với điều kiện làm việc của xe. Nghiên cứu giải thuật điều khiển tự động. 4. Các sản phẩm dự kiến Xe quét rác trên cỏ 5. Ngày giao đồ án: 06/02/2015 6. Ngày nộp đồ án: 28/07/2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ - GVHD: Ths.Dƣơng Đăng Danh - Họ tên sinh viên: Nguyễn Phƣớc Hậu MSSV: 11146039 - Lớp: 111461 - Địa chỉ sinh viên: Ấp 1, Bàu Lâm, H.Xuyên Mộc, T. Bà Rịa Vũng Tàu - Số điện thoại liên lạc: 0978063852 - Email:phuochautt2909@gmail.com - Họ tên sinh viên: Lê Anh Duy MSSV: 11146021 - Lớp: 111461 - Địa chỉ sinh viên: - Số điện thoại liên lạc: - Email: - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):28/07/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 7 năm 2015 Ký tên ii
5. LỜI CẢM ƠN Bốn năm đã trôi qua từ khi chúng tôi bƣớc chân vào cổng trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian bốn năm học ở giảng đƣờng, chúng tôi đã tiếp thu đƣợc lƣợng kiến thức rất lớn không chỉ vế kiến thức chuyên ngành mà còn có trang bị thêm cho mình những kiến thức vế con ngƣời, cuộc sống xung quanh và những kỹ năng sống có thế giúp ích cho chúng tôi rất nhiều trên con đƣờng đời phía trƣớc. Tất nhiên, chúng tôi sẽ không thể đạt đƣợc những điếu đó mà không có sự hổ trợ từ phía nhà trƣờng, bạn bè, các chƣơng trình học bổ ích trên giảng đƣờng đại học cũng nhƣ sự truyền đạt tận tình của giảng viên các khoa nói chung và bộ môn Cơ Điện Tử nói riêng. Vì vậy lời cám ơn đầu tiên nhóm thực hiện đề tài xin gởi đến trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, thầy cô các khoa và thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử. Đồ án này chỉ có thể hoàn thành dƣới sự hỗ trợ to lớn từ giảng viên hƣớng dẫn ThS. Dƣơng Đăng Danh. Dƣới sự chỉ dẫn chân thành và tận tình của thầy, nhóm đã thực hiện từng bƣớc một và tìm tòi, sáng tạo ra những ý tƣởng mới để hoàn thành nhiệm vụ đồ án đề ra. Thầy đã hỗ trợ, góp ý cho chúng tôi rất nhiều trong việc tìm hiểu và xây dựng những vấn đề mới trong quá trình hoàn thành đồ án này. Vì vậy chúng tôi xin gởi đến thầy những lời cám ơn chân thành nhất. Chúng tôi cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn thành tốt đề tàinày. Trong quá trình thực hiện đề tài không thề tránh những thiếu sót, kính mong quý thầy cô góp ý và chỉ dẫn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2015 Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Phƣớc Hậu Lê Anh Duy iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài: “Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ” “Xe quét rác trên cỏ” có thể nói là sản phẩm đầu tiên thu gom rác trên bãi cỏ bằng phẳng mà đƣợc thiết kế và chế tạo theo hƣớng tự động hóa. Xe có thể hoạt động theo hai chế độ: đẩy tay và tự động. Với thiết kế hai động cơ dẫn động truyền động cho hai bánh dẫn bằng bộ truyền xích cùng với hai bánh tự lựa phía trƣớc, thêm vào đó các board mạch điện tử kết hợp với giải thuật điều khiển là có thể cho xe hoạt động hoàn toàn tự động mà không cần sự can thiệp của con ngƣời. Cơ cấu quét rác sử dụng chổi quét đƣợc truyền động từ một động cơ phía trƣớc xe thông qua bộ truyền đai. Tốc độ chổi quét có thể điều chỉnh đƣợc bằng tay. Thùng chứa rác đƣợc thiết kế để có thể đổ rác tự động. Đáy thùng có thể xoay quanh trục bằng cơ cấu khớp bản lề, do vậy khi đáy thùng quay rác sẽ rớt xuống bên dƣới. Sau khi sản phẩm đƣợc hoàn thiện, “xe quét rác trên cỏ” làm việc rất hiệu quả. Khả năng quét sạch lên đến 80% bằng đẩy tay và 70% khi chạy tự động. Tuy nhiên do bề mặt bãi cỏ không đƣợc bằng phẳng, còn gồ ghề, nhấp nhô nên khi sử dụng giải thuật điều khiển đơn giản, khả năng chạy tự động còn gặp nhiều hạn chế về xác định hƣớng di chuyển theo đƣờng thẳng. Do vậy, để khắc phục tình trạng này thì giải pháp hƣớng đến là sử dụng xử lý ảnh hoặc hệ thống định vị GPS. iv
7. ABSTRACT Topic: “Designed and manufacture Grass sweeper vehicles” Grass sweeper vehicles can be said to be the first product that collect sweeper on grass surface which is designed and manufactured automation trend. Vehicles can operate in two modes: manual and automatic. It was designed with two drive motors for the two rear wheels by the transmission chain and two self-moving forward wheel, in addition electronic circuit board combine with algorithms can control the car fully automatic operation without human intervention. Structure is used sweeper brush is driven from a front engine car through belt driven. Brush speed can be adjusted manually. Garbage containers can be designed pouring garbage automation. Bottom of the garbage containers can rotate around the axis of hinge structure. So when the bottom drum, garbage dropped below. After finishing products, “Grass sweeper vehicles” can work effectively. Ability sweeper up to 80% by manual and 70% when automatically run. However grass surface is not flat, bumpy, undulating, so when using simple control algorithms automatically running ability still faces with many constraints determine the direction of movement in a straight line. Therefore, to overcome this situation, the solution is to user manual image processing or GPS navigation systems. v
8. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC SƠ ĐỒ HÌNH VẼ ix CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 II. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1 III. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 4 1. Ý nghĩa đề tài 4 2. Mục tiêu của đề tài 4 IV. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4 1. Đối tƣợng nghiên cứu 4 2. Phạm vi nghiên cứu 5 V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5 1. Phƣơng pháp nghiên cứu 5 2. Phƣơng tiện nghiên cứu 5 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 I. NGUYÊN LÝ XE QUÉT RÁC TRÊN CỎ 6 1. Đặc tính của xe quét rác 6 2. Nguyên lý cơ cấu xe quét rác trên cỏ 6 3. Vấn đề khi quét rác trên cỏ 7 4. Các biện pháp giải quyết vấn đề. 7 II. CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN 7 1. Phƣơng pháp điều khiển DC servo 7 2. Bộ điều khiển PID 8 CHƢƠNG III: NỘI DUNG 11 I. XÂY DỰNG Ý TƯỞNG 11 1. Yêu cầu đề tài 11 3. Cấu trúc của sản phẩm 12 4. Ý tƣởng thiết kế 12 4.1. Thiết kế hệ thống 12 vi
9. 4.2. Thiết kế tổng quan các cơ cấu quan trọng 15 4.3. Thiết kế cơ cấu đổ rác tự động: 17 5. Lựa chọn phƣơng án tối ƣu 18 6. Nguyên lý hoạt động của hệ thống. 18 II. THIẾT KẾ CHI TIẾT 19 1. Thiết kế cơ khí 19 2. Thiết kế hệ thống điều khiển 31 2.1. Giới thiệu tổng quan hệ thống điều khiển 31 2.2. Phƣơng pháp điều khiển 39 III. TÍNH TOÁN CHI TIẾT 46 1. Tính toán chọn động cơ, acquy 46 2. Tính toán thiết kế trục 49 3. Tính toán thiết kế khung 50 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 I. KẾT LUẬN 52 II. PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 CHƢƠNG V: PHỤ LỤC 53 PHỤ LỤC 1: TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 2: CODE ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 54 vii
10. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Ảnh hƣởng của thông số PID 10 Bảng 3.1: Thông số mạch công suất điều khiển động cơ DC Servo. 34 Bảng 3.2: Thông số module TB6560 35 Bảng 3.3: Liệt kê công suất thiết bị. 48 viii
11. DANH MỤC SƠ ĐỒ HÌNH VẼ Danh mục sơ đồ Sơ đồ 2.1: Sơ đồ điều khiển DC Servo 8 Sơ đồ 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 8 Sơ đồ 3.1: Lƣu đồ nhập và lấy dữ liệu 41 Sơ đồ 3.2: Lƣu đồ điều khiển 42 Sơ đồ 3.3: Sơ đồ lực tác dụng lên xe 46 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hai bạn học sinh đang nhặt và quét rác trên cỏ 1 Hình 1.2: Xe quét rác đẩy tay 1 Hình 1.3: Ngƣời thanh niên đang hút rác và chất thải hữu cơ trên bãi cỏ 2 Hình 1.4: Xe quét rác kết hợp xe công nông 2 Hình 1.5: Xe hút rác trên bãi cỏ 2 Hình 1.6: Xe quét rác do bạn Nhiên khoa mỹ thuật công nghiệp trƣờng Đại Học Kiến Trúc TP.HCM chế tạo 3 Hình 1.7: Xe quét và hút bụi đƣờng sử dụng ở Việt Nam 3 Hình 1.8: Xe quét rác của các bạn sinh viên trƣờng Đại Học Lạc Hồng 4 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của xe 6 Hình 3.1: Bãi cỏ trƣớc tòa nhà trung tâm 11 Hình 3.2: Con đƣờng đi vào khu giảng đƣờng 11 Hình 3.3: Acquy 12 Hình 3.4: Pin năng lƣợng mặt trời 12 Hình 3.5: Động cơ bƣớc 13 Hình 3.6: Động cơ DC Servo 13 Hình 3.7: Xe quét rác 13 Hình 3.8: Máy hút bụi 13 Hình 3.9: Arduino Mega 2560 14 Hình 3.10: Pic 18F 14 Hình 3.11: Vi điều khiển ARM STM32 15 Hình 3.12: PLC 15 Hình 3.13: Tổng quan ý tƣởng 1 15 Hình 3.14: Tổng quan ý tƣởng 2 16 Hình 3.15: Cơ cấu ở vị trí ban đầu 17 Hình 3.16: Cơ cấu khi đổ rác 17 Hình 3.17: Tổng quan sản phẩm 18 Hình 3.18: Tổng thể khung xe và tay đẩy 19 Hình 3.19: Khung xe 20 Hình 3.20: Kích thƣớc khung xe 21 Hình 3.21: Kích thƣớc tay đẩy của xe 22 Hình 3.22: Kết nối giữa bánh xe, khung xe và động cơ DC 23 Hình 3.23: Bánh xe lớn 24 Hình 3.24: Truyền động từ động cơ đến bánh xe lớn bằng bánh xích 24 Hình 3.25: Bánh xe nhỏ 25 Hình 3.26: Bộ truyền xích 25 Hình 3.27: Bộ truyền đai 26 ix
12. Hình 3.28: Gối đỡ tự lựa 27 Hình 3.29: Chổi quét và kích thƣớc chổi quét 29 Hình 3.30: Cơ cấu đổ rác tại vị trí ban đầu 29 Hình 3.31: Cơ cấu khi đổ rác 30 Hình 3.32: Động cơ DC có hộp số 31 Hình 3.33: Cấu tạo của động cơ DC 32 Hình 3.34: Động cơ bƣớc 33 Hình 3.35: Cấu tạo bên trong động cơ bƣớc 33 Hình 3.36: Bình acquy 12V 34 Hình 3.37: Sơ đồ chân điều khiển mạch công suất. 35 Hình 3.38: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 35 Hình 3.39: Module TB6560 36 Hình 3.40: Sơ đồ chân điều khiển mạch TB6560 36 Hình 3.41: Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega 2560 với LCD 16x2 I2C 37 Hình 3.42: Sơ đồ kết nối phím trong matrix keypad. 37 Hình 3.43: Cấu tạo Encoder 38 Hình 3.44: Cách xác định chiều quay của Encoder 39 Hình 3.45: Momen cánh tay đòn 47 Hình 3.46: Sơ đồ phân bố lực 50 Hình 3.47: Ứng suất tác dụng lên trục 50 Hình 3.48: Chuyển vị trục 50 Hình 3.49: Ứng suất tác dụng lên khung xe 51 Hình 3.50: Chuyển vị của khung xe khi có lực tác dụng 51 x
13. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại công nghệ tiên tiến thì chất lƣợng cuộc sống của con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao. Việc ứng dụng máy móc vào cuộc sống con ngƣời và trong quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác, năng suất và chất lƣợng cao là rất cần thiết vì khi đó máy móc tự động có thể thay thế con ngƣời làm những công việc liên tục, nặng nhọc, nguy hiểm, độc hại nhằm giảm thiểu và ngăn ngừa tai nạn lao động. Hiện nay, trong khuôn viên các trƣờng học, công viên công cộng, đƣờng phố khắp nơi đều thấy rác thải mà do ý thức con ngƣời là chủ yếudù đã có một số lƣợng lớn lao công trực tiếp quét dọn thế nhƣng vẫn không có dấu hiệu giảm thiểu. Việc bảo vệ và cải thiện môi trƣờng sống không chỉ đơn thuần là để mọi ngƣời tự ý thức, suy nghĩ về lối sống của mình mà còn là những giải pháp kỹ thuật thực tiễn nhằm làm giảm thiểu sự ô nhiễm đó. Đề tài“Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ” của nhóm thực hiệnngoài việc vận dụng những kiến thức đã học đƣợc để tạo ra một sản phẩm phục vụ con ngƣời sao cho hiệu quả nhất mà còn mong muốn góp phần cải thiện và bảo môi trƣờng đang bị ô nhiễm nặng nề. II. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Ở trên thế giới hiện có rất nhiều đề tài nghiên cứu, chế tạo xe quét rác nói chung và xe quét rác trên cỏ nói riêng với hy vọng có thể thay thế công việc của con ngƣời nhằm bảo vệ môi trƣờng nhƣng hầu hết những sản phẩm đó chỉ tập trung vào vấn đề rác thải trên đƣờng phố.Nếu có thì chỉ là các loại xe quét rác trên cỏdùng cơ giới hóa gây ô nhiễm môi trƣờng mà lại quét rác không sạch (Trung Quốc, Nhật Bản, Anh )chứ chƣa đi sâu vào chế tạo xe quét rác trên cỏnhỏ gọn, sử dụng nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng. Hình 1.1: Hai bạn học sinh đang nhặt Hình 1.2: Xe quét rác đẩy tay và quét rác trên cỏ 1
14. Hình 1.3: Ngƣời thanh niên đang hút rác Hình 1.4: Xe quét rác kết hợp xe công nông và chất thải hữu cơ trên bãi cỏ Hình 1.5: Xe hút rác trên bãi cỏ Ở Việt Nam, có rất nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo xe quét rác nhƣng chủ yếulàquét rác trên đƣờng phốmà không có khả năng quét rác trên bãi cỏ. Và những chiếc xe quét rác đó hầu hết đều sử dụng năng lƣợng diesel gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ xe quét rác và hút bụi đƣờng của Công ty cổ phần đô thị Bình Dƣơng. 2
15. Hình 1.6: Xe quét rác do bạn Nhiên khoa Hình 1.7: Xe quét và hút bụi đƣờng sử mỹ thuật công nghiệp trƣờng Đại Học dụng ở Việt Nam Kiến Trúc TP.HCM chế tạo Tại thành phố Hồ Chí Minh thì có nhiều đề tài chế tạo xe quét rác nhƣng chƣa có tập thể hay cá nhân nào có thểphát triển tự động hóa sản phẩm của mình, do vậy có thể nói“Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ” là đề tài đầu tiên có thể phát triển theo hƣớngtự động hóa vào sản phẩm đồng thời sử dụng nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng. 3
16. Hình 1.8: Xe quét rác của các bạn sinh viên trƣờng Đại Học Lạc Hồng III. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1. Ý nghĩa đề tài Thông qua đề tài “Thiết kế và chế tạo xe quét rác trên cỏ”nhóm đãđƣợc vận dụng những kiếnthức đã đƣợc đào tạo trong suốt quá trình học tập tại trƣờng và kiến thức tự tìm tòi học hỏiđể trực tiếp tạo ra một sản phẩm thực tế, trang bị cho mình đƣợc rất nhiều điều cần thiếttrong thựctiễn mà một ngƣời kỹ sƣ tƣơng lai rất cần khi ra trƣờng. Qua quá trình thực hiện đồ án, các thành viên trong nhóm cũng có cơ hội học tập,nghiên cứu và nâng cao những kiến thức về lĩnh vực cơ khí, điện-điện tử, lập trình, công nghệ tự động hóa Bƣớc đầu là tạo rasản phẩmxe quét rác trên cỏsử dụng trong khuôn viên nhà trƣờng. Sau đó sẽ phát triển, sử dụng rộng rãitrên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. 2. Mục tiêu của đề tài Thiết kế, chế tạo xe quét rác theo đúng yêu cầu đặt ra, đồng thời sử dụng nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng. Có thể quét đƣợc các loại rác: • Lá cây, giấy, cành cây kích thƣớc nhỏ • Các loạitúi nilon, chai nƣớc nhỏ Hoạt động trên những bãi cỏ bằng phẳng. Hoạt động tự động, độc lập, hạn chế sử dụng sức ngƣời. Tiết kiệm đƣợc thời gian, chi phí khi sử dụng nhân công. Vận hành ổn định. An toàn cho ngƣời sử dụng IV. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tƣợng nghiên cứu Hình dáng.bên ngoàicủa xe. Các cơ cấu chuyển động. Cơ cấu quét rác. Giải thuật điều khiển. Giá thành và hiệu quả kinh tế của sản phẩm. 4
17. 2. Phạm vi nghiên cứu Xe quét rác đƣợc thiết kế và chế tạo để quét rác trên các bãi cỏ bằng phẳng trong khuôn viên trƣờng, công viên, khu vui chơi. Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu khả năng hoạt động trên nhiều địa hình mà xevẫn có thể làm việc đƣợc nhằm đƣa ra phƣơng án tối ƣu nhất khi chế tạo. Xe quét rác đƣợc thiết kế với mục tiêu đầu tiên là để quét và thu gom rác ở cácbãi cỏ trong khuôn viên trƣờng. V. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu, tham khảo kiểu dáng thiết kế của các loại xe quét rác đã và đang đƣợc sử dụng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, kế thừa những ƣu điểm và tìm cách khắc phục những hạn chếtồn tại. Đƣa ra ý tƣởng và tiến hành phân tích, lựa chọn những ý tƣởng hợp lý về kết cấu, kiểu dáng sau đó tiến hành thiết kế hình dáng xe trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu quét rác tự động. Tiến hành lắp ráp, kiểm nghiệm độ bền các chi tiết của mô hình bằng phần mềm Solidworks. Sau khi có bản thiết kế hoàn chỉnh thì tiến hành chế tạo. Tiến hành chạy thực nghiệm để tìm ra những điểm chƣa hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phƣơng án thiết kế kịp thời. 2. Phƣơng tiện nghiên cứu Thiết kế mô hình và tính toán độ bền trục, khung xebằng phần mềm thiết kế cơ khí Solidworks. Thiết kế board mạch công suất và mạch điều khiển bằng phần mềm Proteus. Lập trình điều khiển xe bằng board Arduino Mega 2560 . Sử dụng cảm biến để điều khiển hƣớng di chuyển. 5
18. CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. NGUYÊN LÝ XE QUÉT RÁC TRÊN CỎ 1. Đặc tính của xe quét rác An toàn cho ngƣời sử dụng Đoạn đƣờng xe đi qua phải sạch rác, đảm bảo cỏ không bị dập nát. Rác sau khi đƣợc đƣa lên thùng chứa phải đảm bảo không rơi ra ngoài. Có thể đổ rác ra ngoài một cách tự động mà không cần đến sự can thiệp của con ngƣời. Xe làm việc trên bãi cỏ có yêu cầu chính xác về khoảng diện tích rộng. 2. Nguyên lý cơ cấu xe quét rác trên cỏ Căn cứ vào yêu cầu của xe quét rác, nguyên lý cơ cấu của xe quét rác trên cỏ đƣợc đề xuất nhƣ sau: Tốc độ chổi quét có thể điều chỉnh đƣợc để bảo bảo việc quét sạch, không làm hƣ hại cỏ. Cơ cấu đổ rác tự động thiết kế dựa theo cơ cấu khâu bản lề. Sử dụng cơ cấu truyền động bánh xích để bánh xe không bị trƣợt, hoạt động hết khoảng diện tích rộng mà không bỏ sót vị trí nào. Rác trên cỏ Chổi quét hoạt động Quét lên thùng chứa Cơ cấu bản lề hoạt động Đổ ra bãi chứa Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của xe 6
19. 3. Vấn đề khi quét rác trên cỏ Qua khảo sát thực tế trên các bãi cỏ trong khuôn viên trƣờng, nhóm nhận thấy việc thu gom rác thải trên cỏ gặp nhiều khó khăn, gây tốn kém thời gian mà hiệu quả không cao. Đối với việc quét rác bằng tay thì phải dùng chổi quét qua lại nhiều lần thì rác mới đi do cỏ cản trở. Khi rác nằm bên dƣới bề mặt cỏ thì phải quét mạnh gây hƣ cỏ, hoặc phải dùng tay để nhặt. Khi nhóm đƣa ra ý tƣởng quét tự động thì gặp phải một số vấn đề: - Địa hình không bằng phẳng - Mật độ cỏ không đồng đều: có nơi mỏng, nơi dày - Cỏ dây có thể vƣớng vào chổi quét - Có cây cản trở quá trình xe chạy tự động - Bãi cỏ rộng khó điều khiển xe chạy đúng theo ý mình 4. Các biện pháp giải quyết vấn đề. Sử dụng chổi quét có cấu tạo mềm, tốc độ có thể điều chỉnh đƣợc để không làm hƣ hại cỏ. Sử dụng các loại cảm biến: góc nghiêng, cảm biến la bàn để xác định hƣớng, điều khiển xe chạy tự động. Cho xe chạy với tốc độ vừa đủ để có thể quét sạch rác. Có thể chuyển chế độ qua chế độ đẩy tay nếu gặp vấn đề về hệ thống điều khiển. II. CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN 1. Phƣơng pháp điều khiển DC servo Có 2 phƣơng pháp điều khiển động cơ servo là analog và digital. Mục đích chính của nhóm là dùng vi điều khiển điều khiển động cơ DC nên sử dụng phƣơng pháp số. Ngoài ra, khi nói đến điều khiển động cơ DC có 2 đại lƣơng điều khiển cơ bản là điều khiển vị trí (số vòng quay) và vận tốc. Vì là điều khiển một cách tự động nên cần đọc về giá trị cụ thể là vị trí hoặc vận tốc motor và hồi tiếp (feedback) về để hiệu chỉnh PWM cấp cho động cơ .Bô ̣Encoder se ̃ đọc số vòng quay và hồi tiếp về cho vi điề u khiển.Vi điều khiển se ̃ phát PWM điều chỉnh vận tốc động cơ bằng cách thay đổi độ rộng của xung PWM tƣ̀ đó sẽ thay đổi đƣợc vận tốc Motor. Xung PWM không trực tiếp làm quay động cơ mà thông qua một mạch công suất gọi là dirver. Driver cho DC Motor quay chính là mạch cầu H. 7
20. Sơ đồ 2.1: Sơ đồ điều khiển DC Servo 2. Bộ điều khiển PID a. Định nghĩa PID PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm) và là giải thuật điều khiển đƣợc dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot). Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo đƣợc của hệ thống với giá trị đặt bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra. Sơ đồ 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID b. Lý thuyết điều khiển PID Sơ đồ điều khiển PID đƣợc đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành biến điều khiển (MV). Ta có: 8
21. MV(t) = Pout + Iout + Dout Trong đó: Pout, Iout, và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, đƣợc xác định nhƣ dƣới đây i. Khâu P Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP-hằng số tỉ lệ. Khâu P đƣợc tính dựa trên công thức: 푃표 푡 = 퐾푃 푒(푡) Trong đó: Pout: thừa số tỉ lệ đầu ra Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số = SP – PV t: thời gian hay thời gian tức thời. Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trƣờng hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. ii. Khâu I Khâu I cộng thêm tổng các sai số trƣớc đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số đƣợc thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt đƣợc bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I đƣợc tính theo công thức: 푡 표 푡 = 퐾푖 푒(휏) 휏 0 Với: 표 푡 : giá trị ngõ ra khâu I 퐾푖 : hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV Khâu I thƣờng đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thƣờng bị dao động. Khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập. iii. Khâu D Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải 9