Đang tải... (xem toàn văn)
(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế bộ phận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy luận mờ
LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tôi.Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày …, tháng ….,năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Đăng Khoa iii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến: - Thầy PGS.TS.Nguyễn Trƣờng Thịnhvà thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùngđã tận tình hƣớng dẫn động viên tơi suốt q trình thực luận văn - Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau Đại Học, ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực luận văn - Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trƣờng Đại Học Nông Lâm Tp.HCM cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho thực lắp đặt khảo nghiệm để thực đề tài - Tập thể giảng viên khoa Điện – Điện Tử Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ ThuậtTp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức quý báu cho suốt trình tơi học trƣờng - Tập thể học viên lớp cao học điện tử khố 2013Bđã giúp đỡ tơi trình học tập thực đề tài iv TÓM TẮT Thiết bị nhận laser ứng dụng san phẳng đồng ruộng phần quan trọng hệ thống san phẳng đồng ruộng dùng công nghệ laser Thiết bị đƣợc gắn gàu san hệ thống san phẳng Hoạt động thiết bị nhận chùm tia laser từ phát theo mặt phẳng cân từ nhận biết đƣợc gàu san nằm vị trí cao hay thấp mặt đồng để phát lệnh điều khiển gàu lên xuống so với vị trí cân bằngthơng qua xi lanh thuỷ lực Để làm đƣợc điều thiết bị phải có bốn mạch cảm biến (gồm nhiều cảm biến laser đƣợc xếp theo độ cao) để nhận biết độ cao mặt đồng Bốn mạch cảm biến đƣợc bố trí nghiêng góc 45ovề bốn phía cho góc nhận tia laser 360ođảm bảo thiết bị hoạt động hệ thống di chuyển Để tăng độ xác giảm hao mòn thiết bị lý thuyết mờ Fuzzy logic đƣợc ứng dụng điều khiển độ mở van thuỷ lực thơng qua hộp điều khiển nhận tín hiệu từ phát Hộp điều khiển có nhiệm vụ chuyển đổi cơng suất từ tín hiệu điều khiển phát lệnh điều khiển van điện từ đóng mở từ điều khiển vị trí gàu san cách nâng hạ xi lanh thuỷ lực Kết chế tạo kiểm nghiệm cho thấy cho thấy thiết bị nhận có kết cấu đơn giản, góc nhận tín hiệu laser 360ođảm bảo hệ thống làm việc máy kéo di chuyển Sai số mặt phẳng 15mm phạm vi bán kính 100m v ABSTRACT A laser receiver applied to laser-controlled fieldleveling is a very important part of field leveling equipment using laser control systems The laser receiver is mounted on the mast attached to the land grading implement The principle of the device is receiving the laser beam from the laser emission device This plane of laser light can be used as the leveling reference whichis transmitted to the control system which actuates the hydraulic system to raise or lower the implement To this, the device must have four sensor circuits (including a series of detectors situated vertically) to identify the field level Four sensor circuits are arranged at an angle of 45 degrees on four sides so that the laser beam angle is 360 °, which ensures effective operation when moving To increase accuracy and limit the equipment in be being eroded, Fuzzy logic theory is applied to the controlling of hydraulic valve aperture through a control box when receiving signals from the transmitter The control box is responsible for converting an output of the control signal and commands the solenoid valve opens resulting in controlling the position of the implement by raising or lowering the hydraulic lifting cylinder Results from manufacturing and testing show that the laser receiver has a simple structure 360 ° laser receiving angle ensures the system works when the tractor moves 15mm plane error is within a radius of 100m vi MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: 1.4 Tính đề tài 1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu: 1.7 Cấu trúc luận văn: Chƣơng HỆ THỐNG LASER ỨNG DỤNG TRONG SAN PHẲNG ĐỒNG RUỘNG 2.1 Sơ lƣợc hệ thống san phẳng ứng dụng công nghệ laser 2.2 Các thành phần hệ thống Laser san phẳng đồng ruộng vii 2.2.1 Đầu phát laser 2.2.2 Thiết bị nhận điều khiển 10 2.2.3 Hệ thống gàu san 14 2.2.4 Hệ thống điều khiển gàu san 15 2.3 Phân tích ngun lý, tính tốn động học hệ thống gàu san 17 2.3.1 Nguyên lý làm việc hệ thống gàu san 17 2.3.2 Bậc tự cấu 17 2.3.3 Mối quan hệ d2thay đổi góc quay 1 19 Chƣơng HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU SAN PHẲNG 22 3.1 Phân tích đặc tính chùm laser phát từ phát 22 3.2 Chọn cảm biến quang 24 3.3 Thiết kế nhận laser hộp điều khiển ứng dụng san phẳng 26 3.3.1 Thiết kế mạch cảm biến 27 3.3.2 Bố trí mạch cảm biến cho nhận 30 3.3.3 Xử lý tín hiệu laser trƣớc đƣa vào điều khiển 30 3.3.4 Thiết kế phần cứng mạch điều khiển 32 3.4 Kết chế tạo 35 Chƣơng ĐIỀU KHIỂN GÀU SAN TRONG HỆ THỐNG SAN PHẲNG ĐỒNG RUỘNG 37 4.1 Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển hệ thống 37 4.1.1 Điều khiển theo mức 37 4.1.2 Điều khiển PID 37 4.1.3 Điều khiển mờ luật Nếu…Thì… 38 viii 4.1.4 Điều khiển mờ ANFIS 38 4.2 Thuật toán điều khiển thiết bị nhận laser 39 4.3 Ứng dụng Logic mờ (Fuzzy logic) điều khiển gàu san 41 4.3.1 Logic mờ (Fuzzy logic) ? Tại sử dụng? 41 4.3.2 Ứng dụng Fuzzy logic điều khiển nhận laser 41 4.3.3 Xây dựng hàm thành viên 45 4.3.4 Kết chạy mô 48 Chƣơng THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51 5.1 Phƣơng pháp tiến hành khảo nghiệm 51 5.2 Kết đo đạc đánh giá hiệu thiết bị 52 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 56 6.1 Kết luận 56 6.2 Đề nghị 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 Phụ lục 1: Mã nguồn điều khiển hệ thống san phẳng 59 Phụ lục 2: Một số hình ảnh trình chế tạo lắp đặt thiết bị nhận laser 68 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: San ƣớt tay Hình 1.2: San ƣớt dùng trâu Hình 1.3: Cày đất Hình 1.4: San ƣớt bừa máy kéo tay .2 Hình 1.5: San phẳng mặt đồng ứng dụng cơng nghệ phát tia laser Hình 1.6: Hệ thống san phẳng Mỹ (a) Úc (b) .3 Hình 1.7: Liên hợp máy hệ thống san phẳng Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo liên hợp máy san laser Hình 2.2: Cấu tạo phát laser Hình 2.3: Bộ nhận lắp dụng cụ đo độ cao 11 Hình 2.4: Bộ nhận lắp gàu san 11 Hình 2.5: Đầu nhận Laser LR 40 Trimble 12 Hình 2.6: Đầu nhận Laser Trimble .12 Hình 2.7: Hộp điều khiển (Control box) 13 Hình 2.8: Sơ đồ kết nối hộp điều khiển với thiết bị 14 Hình 2.9: Các thành phần hệ thống gàu san 15 Hình 2.10: Sơ đồ thuỷ lực điều khiển gàu san 16 Hình 2.11: Hệ thống gàu san phẳng đồng ruộng .17 Hình 2.12: Mơ hình vật lý hệ thống gàu san .18 Hình 2.13: Phân tích chuyển vị gàu san .19 Hình 3.1: Chùm tia laser phát từ phát 22 x Hình 3.2: Mối quan hệ vận tốc góc vận tốc dài điểm A 23 Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý IC 9684 24 Hình 3.4: Phổ đáp ứng IC9684 25 Hình 3.5: Sơ đồ khối thiết bị nhận laser 27 Hình 3.6: Nguyên lý ghép phần tử cảm biến 28 Hình 3.7: Mạch nguyên lý mạch kết nối 9681 board mạch thực tế .29 Hình 3.8: Sơ đồ bố trí phần cứng phận laser 30 Hình 3.9: Sơ đồ khối nhận laser 31 Hình 3.10: Thiết kế lọc nhiễu ánh sáng trắng 31 Hình 3.11: Sơ đồ khối điều khiển 32 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm STM32 .33 Hình 3.13: Kết chế tạo board mạch điều khiển STM32 .33 Hình 3.14: Solid Sate Relay (SSR) 34 Hình 3.15: Sơ đồ mạch hộp điều khiển .35 Hình 3.16: Mạch cảm biến board điều khiển trung tâm .35 Hình 3.17: Hộp điều khiển chế tạo thực tế 36 Hình 3.18: Hộp nhận tín hiệu laser 36 Hình 3.19: Lắp thiết bị nhận laser gàu .36 Hình 4.1: Điều khiển góc nâng gàu san điều khiển theo mức .37 Hình 4.2: Điều khiển góc nâng gàu san dựa vào phƣơng trình tốn PID 37 Hình 4.3: Điều khiển góc nâng gàu san hệ suy luận mờ luật Nếu…Thì… 38 Hình 4.4: Điều khiển gàu san dựa vào hệ suy luận mờ ANFIS 38 Hình 4.5: Bộ điều khiển theo mức điều khiển di chuyển gàu san 39 xi Hình 4.6: Giải thuật điều khiển trung tâm 40 Hình 4.7: Sơ đồ khối điều khiển gàu san Fuzzy logic 42 Hình 4.8 Ý tƣởng hình hài hàm tốc độ di chuyển gàu san 43 Hình 4.9 Tốc độ thay đổi vị trí gàu với chiều cao đo lƣờng .43 Hình 4.10: Bộ điều khiển Fuzzy logic dạng Mamdani .45 Hình 4.11: Các hàm thành viên ngõ vào Fuzzy logic biến “Level” 45 Hình 4.12: Hàm thành viên ngõ vào Fuzzy logic biến “Rate” 46 Hình 4.13: Hàm thành viên ngõ Fuzzy logic biến “Valve” 47 Hình 4.14: Điều khiển Fuzzy Logic dùng Rule Viewer 49 Hình 4.15: Điều khiển Fuzzy Logic dùng Rule Viewer 49 Hình 4.16: Đồ thị thể mặt phẳng sai số cho hai yếu tố đầu vào 50 Hình 5.1: Phƣơng pháp đo độ cao mặt đồng .51 Hình 5.2: Mối quan hệ hmin, hmaxvà htb 52 Hình 5.3: Đồ thị mô mặt đồng trƣớc sau san phẳng 55 xii Chƣơng KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 6.1 Kết luận Trên sở mục tiêu đề tài đặt nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu Đề tài thực sở nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Các kết nghiên cứu đề tài đƣợc thực thời gian tháng nhƣ sau: Xây dựng đƣợc mơ hình vật lý mơ hình tốn thể mối quan hệ góc nâng gàu san chiều dài dịch chuyển xi lanh thuỷ lực Đề tài nghiên cứu, tính tốn, thiết kế đầu nhận tín hiệu laser hộp điều khiển Đã chế tạo thành công đầu nhận tín hiệu laser hộp điều khiển Qua vận hành thử nghiệm thực tế cho thấy thiết bị hoạt động tốt đáp ứng tiêu đề Đề xuất lựa chọn pháp điều khiển thiết bị hợp lý Ứng dụng fuzzy logic điều khiển thiết bị cho kết xác hơn, giảm hao mịn thiết bị Kết nghiệm cho thấy sai số thiết bị đạt đƣợc yêu cầu đề Kết khảo nghiệm phạm vi mặt đồng 100x100m với sai số 15mm 6.2 Đề nghị Để tăng tính cạnh tranh giảm giá thành sản phẩm cần đƣa sản phẩm vào sản xuất hàng loạt 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Văn Khải, Các phương pháp san phẳ ng truyề n thố ng , Kỷ yếu Hội thảo san phẳng đồng ruộng ứng dụng điều khiển kỹ thuật Laser.Dƣ̣ án ADB-IRRI-VN, 03/2013 [2]Nguyễn Văn Xuân, Nguyễn Đức Cảnh, Phạm Duy Lam, Nguyễn Văn Hùng, Phan Hiếu Hiền, Trƣơng Quang Trƣờng 2013 Báo cáo tổng hợp kết đo đạc thực tế độ chênh lệch mặt đồng Kỷ yếu Hội thảo san phẳng đồng ruộng ứng dụng điều khiển kỹ thuật Laser.Dƣ̣ án ADB-IRRI-VN, 03/2013 [3] Trần Văn Khanh, Nguyễn Đức Cảnh, Phạm Duy Lam, Nguyễn Văn Hùng, Kết nghiên cứu phát triển công nghệ san phẳng đồng ruộng ứng dụng kỹ thuật laser Việt Nam, Kỷ yếu Hội thảo san phẳng đồng ruộng [4] Huỳnh Thái Hoàng, Hệ thống điều khiển thông minh, Nhà xuất đại học Quốc Gia TP.HCM, 2006 [5] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Tấn Đời, Trƣơng Ngọc Anh, Tạ văn Phƣơng, Bài giảng Điều khiển Thông minh ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM – 1999 [6] Nguyễn Nhƣ Hiền, Lại Khắc Lãi, Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên, 2007 TIẾNG NƢỚC NGOÀI [7] Phan Hieu Hien, Tran Van Khanh, Nguyen Duc Canh, Pham Duy Lam, Application of laser-controlled equipment for leveling rice fields in Viet Nam, Proc International Workshop on Agricultural and Bio-systems Engineering(IWABE), 11-13 December 2007, Nong Lam University, Ho-Chi-Minh City 2007 [8] Heikki K Soft computing in dynamical systems AS-74.115 [9] Passino K., Yurkovich S., Fuzzy control, Addison Wesley, 1998 [10] “CB40_ServiceManual, AgGPS_GCS100_InstallationInstructions_74528-00-ENGAW”, hãng Trimble 57 [11] AbdullaevI., M U Hassan, K Jumaboev 2007 Water saving and economic impacts of land leveling: the case study of cotton production in Tajikistan Irrigation and Drainage System, vol.21, pp.251–263, 2007 [12] AGDST (An Giang Department of Science and Technology) 2007 Information on the laser-controlled land leveling http://sokhoahoccn.angiang.gov.vn [13] Arnold R (Ed.) 1986 Land forming for improved surface irrigation, 11st edition NSW Agriculture [14] M.A EL-Shikha, A EL-Berry, M Zayed, 2008 A laser scraper modification and its effect on performance and operational costs Rhode IslandConvention CenterProvidence, RohodeIsland June 29-July 2, 2008 Mansoura University, Egypt publication, pages – 10 [15] Xiwen Luo, Zuoxi Zhao, et al South China Agricultural University, 2007 Study levelling control for a paddy laser leveler American society og Agrucultural and Biologicol Egineers, Paper 1-7 [16]Yongsheng Si, Gang Liu, Qingfei Lv, Feng Juan, 2007 Design of control system of laser leveling machine based on fussy control thoery Agriculture Univesity of Hebei, Boading, China, 071001 58 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Mã nguồn điều khiển hệ thống san phẳng Chƣơng trình 1: Chƣơng trình nhận tín hiệu cảm cảm biến /******************************************************************/ * File name: Sensor Receiver *Created by: NGUYEN DANG KHOA * Created date: 20/06/2015 *Version: V4.0 ******************************************************************/ /* Includes */ #include "stm32f10x.h" /*Define variable -*/ /* Private functions -*/ void GPIO_Configuration(void); void Delay( IO uint32_t num) { IO uint32_t index = 0; /* default system clock is 72MHz */ for(index = (180000 * num); index != 0; index ) { } } /* delareraiton varibale */ u16 TH_CB = 0; u16 i; u16 {GPIO_Pin_0,GPIO_Pin_1,GPIO_Pin_2,GPIO_Pin_3,GPIO_Pin_4,GPIO_Pin_5,G PIO_Pin_6,GPIO_Pin_7,GPIO_Pin_8,GPIO_Pin_9,GPIO_Pin_10,GPIO_Pin_11,G PIO_Pin_12,GPIO_Pin_13,GPIO_Pin_14,GPIO_Pin_15}; int x = 0; int x1 = 0; int x2 = 0; int main(void) { GPIO_Configuration(); /* Infinite loop */ GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_0); GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_1); GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_2); Delay(100); while (1) 59 { /* Check level high, high bucket (Raise bucket) /*port A************************************************************/ for ( i = 6;i