Thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời

Nội dung text: Thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời

1. THIẾT KẾ ROBOT VỆ SINH MẶT HỒ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DESIGNING ROBOTIC POOL CLEANER USING THE SOLAR POWER Nguyễn Duy Uy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bơi lội mang lại cho chúng ta nhiều tác dụng có lợi cho cơ thể, nhưng bên cạnh những mặt có lợi mà bể bơi mang lại cho chúng ta thì nó cũng luôn luôn tồn tại những mặt có hại mà chúng ta không biết được, đó là những vi khuẩn gây bệnh. Bài báo này giới thiệu về robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng Mặt Trời, với robot này sẽ giúp chúng ta thu gom được các loại lá cây, bụi bẩn, phấn hoa, nổi trên mặt nước. Ngoài ra, robot còn giúp chúng ta tiết kiệm được thời gian, tiền bạc khi làm các công việc vệ sinh hồ bơi. Robot có thể làm việc được ở bể bơi gia đình, khách sạn hay ở bể bơi công cộng, ABSTRACT Swimming bring us many effect helpful to our body, beside usefulness of pool bring to us, then pool alway exist harmfully but we don’t know, that is pathogenous bacteria in pool. This article introduce robotic pool cleaner using the solar power, this robotic will help us navigates the surface of a swimming pool to collect leaves, dust, pollens, etc. that float on the surface of the water. Also, robotic helps us save time and money when we clean our pool. Robotic can cover more public applications (homes, hotels, public pools, etc.). 1.Đặt vấn đề Ngày nay, bơi lội là hoạt động thể thao thích thú và bổ ích nhất mà ai cũng có thể tham gia. Bơi lội giúp làm chắc khỏe toàn thân, làm dịu tâm trí, kích thích tuần hoàn và không gây căng các khớp. Bên cạnh những mặt lợi mà bể bơi mang lại cho chúng ta thì nó luôn tồn tại những mặt hại mà chúng ta không biết được, đó là những vi khuẩn gây bệnh. Vì vậy, ngoài việc thường xuyên thay nước, công tác làm vệ sinh hồ bơi cần được chú trọng đặc biệt. Ngoài ra, các chất bẩn và rác như các loại lá cây, các loại bụi bẩn, các loại rác sinh hoạt, phấn hoa, v.v đều có thể nổi trên măṭ nướ c trong vài giờ trướ c khi chìm hẳn xuống đáy . Nếu làm sac̣ h các chất bẩn này ngay trên mặt nướ c se ̃ giúp cho hê ̣thống làm sac̣ h dướ i nướ c hoaṭ đôṇ g ít hơn và các vi khuẩn se ̃ ít phát triển hơn. Như vậy cần thiết kế một thiết bị nổi trên mặt hồ và thực hiện công việc thu gom rác; lựa chọn nguồn năng lượng cho thiết bị.
2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài Mô hình này vừa đoạt giải ba cuộc nước đã công bố: thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng toàn quốc lần thứ VII năm 2010-2011 Một số nghiên cứu trong nước: do liên hiệp các hội khoa học kỹ thuật Việt - Robot vệ sinh đáy hồ: Nam và Trung ương Đoàn phối hợp tổ chức. Máy hoạt động dựa theo nguyên lí tạo lực hút li tâm để đưa nước và rác vào trong khoang chứa nhờ hệ thống xoắn ốc, từ đó rác sẽ được giữ lại ở khoang chứa, đồng thời nước được đẩy ra sau thân máy. [Báo mới-Baomoi.com.vn] Hình 1. Robot làm sạch hồ bơi Một số nghiên cứu nước ngoài: Đây là nghiên cứu thuộc khoa cơ Swimming pool cleaning robots – Surrey điện trường đại học Lạc Hồng. Robot hoạt động dựa theo nguyên lý hút đẩy như máy hút bụi. Nước và rác bẩn được hút vào lòng robot bởi động cơ bơm, rác được giữ lại trong thân robot nhờ túi lọc rác, nước được đẩy ra ngoài. Nhờ vậy rong rêu, tảo bám dưới sàn, các khe và cạnh hồ cùng các loại rác, tạp chất, cát, sỏi Hình 3. Robot Surrey dưới đáy hồ được hút sạch. Robot có thể Robot sử dụng công nghệ xoáy để hoạt động ở độ sâu 3m, công suất khoảng hút bụi và rong rêu dưới đáy hồ, các bụi 5m2/phút. Kích thước của robot (L)50cm x bẩn và rong rêu được giữ lại trong lòng (W)30cm x (H)20cm, nặng dưới 7kg. robot thông qua bộ lọc. Robot được cấu tạo bởi hình dạng thủy động lực học cho phép [Báo người lao động – Khoahoc.com.vn] robot di chuyển nhanh hơn dưới nước. - Robot vệ sinh mặt hồ: iRobot Verro 500 PowerScrub Hình 2. Máy dọn rác trên mặt nước. Hình 4. iRobot Verro 500.
3. 2. Các cơ sở lý thuyết 2.1 Tính toán động lực học 2.1.1 Công suất của guồng cánh gạt thu rác và guồng cánh gạt đẩy nước Công suất của guồng gạt thu rác và đẩy Hình 5. Sơ đồ lực tác dụng lên bánh lái nước được xác định như sau: N = TV , W Hợp lực: 푃 = 푃 + 푃 Trong đó: Trong đó: V - vận tốc chuyển động của dòng PN – áp lực pháp tuyến (vuông góc chảy hoặc của vật, m/s với mặt phẳng đối xứng của bánh lái), N T – lực cản, N PT – áp lực tiếp tuyến (song song với 2.1.2 Tính toán lực tác động lên bánh lái mặt phẳng đối xứng của bánh lái), N Diện tích của tấm bánh lái: Mặt khác, có thể phân tích P thành Px và Py Điều kiện : Trong đó: LT. 150 2 F > FP min = pq. . . 0,75 , m Px – thành phần lực cản của bánh lái. 100 L 75 Py – thành phần lực dạt của bánh lái. Trong đó: Trị số: P = PPPP2 2 2 2 F – Diện tích của tấm bánh lái, m2; N T x y p = 1.2 – cho bánh lái không làm 2.1.3 Tính toán diện tích pin mặt trời việc trực tiếp sau chong chóng; Đối với pin Mặt Trời tinh thể Si thương q = 1 – thiết bị không chịu kéo; mại,  thườ ng vào khoảng (12  15)%. L = chiều dài của thân robot, m; Trong phòng thí nghiêṃ ,  đaṭ giá tri ̣ T = phần chìm của robot trong nước, khoảng (20  22)%. m; P A = opt [2-18] - trang 42 [6] Eo Lực thủy động tác động lên tấm bánh lái Trong đó: Giả sử robot đang chuyển động  - hiêụ suất biến đổi quang điêṇ (%) thẳng, ta bẻ lái một góc P. Trên tấm bánh A – diêṇ tích bề măṭ pin Măṭ Trờ i đươc̣ 2 lái xuất hiện lực thủy động P đặt tại trọng chiếu sáng (m ) 2 tâm bánh lái. Phân tích lực P theo hai E0 – cườ ng đô ̣bứ c xa ̣chuẩn = 1000 W/m phương pháp tuyến và tiếp tuyến, ta có lực Popt – công suất đỉnh (Wp). PN và PT
4. 2.2 Giải thuật điều khiển robot: Bộ phát tín Bộ thu tín Cảm biến IR hi ệu RF hiệu RF C ảm biến BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM Khối cách ly TẢI quang trở PIC 18F4431 và động lực Công tắc hành trình Hình 6. Sơ đồ khối hoạt động của robot. Hình 7. Lưu đồ giải thuật chương trình chính.
5. 3. Mô hình robot và kết quả nghiên cứu 3.1 Mô hình robot 1.Bánh xe cánh quạt 1 (thu rác) 2.Bánh xe cánh quạt 2 (đẩy nước) 3.Thùng chứa rác. Hinh 8. Cơ cấu nguyên lý. Kích thước của Robot: Chiều dài: 810 mm Chiều rộng: 650 mm Chiều cao: 280 mm Hình 9. Mô hình robot. 3.2 Kết quả nghiên cứu Công suất cần thiết của động cơ 1: N1 = 7.5W Công suất cần thiết của động cơ 2: N2 = 9.315W Lực tác động lên bánh lái: P = 7.738 N Diện tích pin Mặt Trời: A = 0.194 m2 Trình tự các bước thực hiện công việc: Bước 1: Đặt robot xuống bể bơi và bật nguồn điện.
6. Bước 2: Thực hiện thu gom rác trên hồ. Bước 3: Thực hiện điều khiển robot thông qua sóng RF Bước 4: Lấy Robot lên và kéo khay lấy rác. Hình 10. Các bước thực hiện thu gom rác của robot. Nhận xét quá trình thực nghiệm: Bước 1: Đặt robot xuống bể bơi và bật nguồn điện Robot hoạt động ổn định khi bật nguồn, mặc định ban đầu khi bật nguồn robot sẽ hoạt động ở chế độ tự động. Robot hoạt động đạt các yêu cầu đặt ra.
7. Bước 2: Thực hiện thu gom rác trên hồ Về ban ngày, công suất các động cơ của robot hoạt động tối đa, Guồng thu rác phía trước cuộn rác vào lòng robot, khay chứa rác sẽ giữ rác trong lòng robot, guồng đẩy nước đẩy robot di chuyển trên mặt nước. Về ban đêm, đèn định vị (4 góc) của robot bật sáng và cảm biến quang sẽ báo tín hiệu về cho vi điều khiển trung tâm chuyển sang chế độ hoạt động tiết kiệm cho robot. Khi gặp vật cản phía trước, cảm biến vật cản sẽ báo tín hiệu về vi điều khiển trung tâm, vi điều khiển trung tâm sẽ tác động lên bộ phận động lực, bộ phận động lực sẽ giảm tốc độ của guồng thu rác 50% và đảo chiều của guồng đẩy nước để robot thoát khỏi vật cản phía trước. Các bộ phận trên hoạt động theo đúng các yêu cầu đặt ra. Bước 3: Thực hiện điều khiển robot thông qua sóng RF Mở nguồn điện trên remote điều khiển bằng tay, chọn chế độ điều khiển từ tự động sang chế độ điều khiển bằng tay. Trên remote có phím đa hướng tiến – lùi – rẽ trái – rẽ phải, vừa kết hợp rẽ trái – rẽ phải + tiến, vừa rẽ trái – rẽ phải + lùi. Với việc sử dụng điều khiển từ xa chúng ta có thể điều khiển robot đến các vị trí khác nhau để thu rác, đồng thời có thể điều khiển robot về vị trí lấy rác khi robot bị đầy rác thông qua việc quan sát kính thăm rác nằm trên robot. Các chức năng trên hoạt động theo đúng các yêu cầu đặt ra. Bước 4: Lấy robot lên và kéo khay lấy rác. Quan sát khay chứa rác thông qua kính thăm rác, khi rác đầy chúng ta tiến hành lấy robot lên và kéo khay lấy rác bên trong robot, khay chứa rác được cấu tạo hai lớp lưới thô và mịn nên những hạt bụi nhỏ được giữ lại trong khay rác khá nhiều và các rác lá cây, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS. TS. Trịnh Chất – TS. Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 & 2, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006. [2]. Nguyễn Hoàng Phước – Phạm Đức Nhuận – Nguyễn Thạch Tân – Đinh Ngọc Ái – Đặng Huy Chi, Thủy lực và Máy Thủy Lực, Nhà xuất bản Giáo Dục, 1996. [3]. PGS. TS. Đặng Đình Thống, Pin Mặt Trời và Ứng Dụng, Nhà xuất bản Khoa hoc và Kỹ thuật, 2005. [4]. Trần Công Nghị - Nguyễn Vương Trí – Thiết Bị Tàu, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM [5]. Sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1 & 2, Nhà xuất bản Giao Thông Vận Tải, 1987. [6]. Kiều Xuân Thực – Vũ Thị Thu Hương – Vũ Trung Kiên, Vi điều khiển – Lập trình và ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo Dục.
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.