Nghiên cứu mô hình động lực học tay máy thu hoạch dứa và xây dựng phương pháp điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - TRẦN MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY THU HOẠCH DỨA VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG SƠN Hà Nội, 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu nội dung nghiên cứu trùng lặp với cơng trình nghiên cứu cơng bố, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm tn thủ kết luận đánh giá luận văn Hội đồng khoa học Hà Nội, ngày 30 tháng 04 năm 2021 Người cam đoan Trần Mạnh Hùng ii LỜI CẢM ƠN Nhân dịp hồn thành luận văn cho phép tơi bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Hoàng Sơn, dành nhiều thời gian bảo tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trân trọng cảm ơn lãnh đạo nhà trường, phòng sau Đại học, khoa Cơ điện Cơng trình trường Đại học Lâm nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành khóa học luận văn tốt nghiệp Trân trọng cảm ơn Nhà khoa học, bạn đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến quý báu suốt trình làm hồn chỉnh luận văn Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2021 Tác giả luận văn Trần Mạnh Hùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát tình hình trồng dứa Tây Nam Bộ 1.2 Thực trạng thu hoạch trái dứa vùng Tây Nam Bộ 1.2.1 Công nghệ thu hoạch dứa 1.2.2 Những tồn thu hoạch trái dứa vùng Tây Nam Bộ 1.3 Tổng quan nghiên cứu tay máy thu hoạch dứa Thế giới Việt Nam 1.3.1 Tình hình nghiên cứu tay máy thu hoạch dứa giới 1.3.2 Tình hình nghiên cứu tay máy thu hoạch dứa Việt Nam 10 1.4 Tổng quan tay máy hái dứa 10 Chương MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 17 2.2 Nội dung nghiên cứu 17 2.2.1 Nội dung lý thuyết: 17 2.2.2 Nội dung mô thực nghiệm: 17 2.3 Phạm vi nghiên cứu 17 2.4 Đối tượng nghiên cứu 18 2.4.1 Đặc điểm đối tượng phục vụ tay máy (cây dứa Tây Nam Bộ) 18 2.4.2.Thiết bị nghiên cứu 20 iv 2.5.Phương pháp nghiên cứu 20 2.5.1 Phương pháp thu thập xử lý thông tin 20 2.5.2 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia 20 2.5.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 20 2.5.4 Phương pháp đồng dạng mô 20 2.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn 20 2.6.1 Về khoa học 20 2.6.2 Về thực tiễn 21 Chương NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 22 3.1 Phân tích cấu tạo tay máy hái dứa 22 3.2 Xây dựng mơ hình động lực học tay máy hái dứa điều kiện lý tưởng 26 3.2.1 Các giả thiết qui đổi mơ hình động lực học 26 3.2.2 Phương trình động lực học 27 3.2.3 Phương trình động lực học quy đầu trục động khớp trường hợp lý tưởng 29 3.3 Xây dựng phương pháp điều khiển chuyển động cho tay máy hái dứa 33 3.3.1 Mơ hình động lực học cánh tay máy sử dụng điều khiển 33 3.3.2 Thiết kế điều khiển chuyển động cánh tay máy dựa thuật toán PD kinh điển (Proportional Derivative - PD) 34 3.4 Mơ phân tích kết 36 3.4.1 Mục đích việc mơ 36 3.4.2 Đối tượng mô 37 3.4.3 Các thông số cần đánh giá mô 37 3.4.4 Tiến hành mô 38 3.4.5 Phân tích đánh giá kết 40 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 43 4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 43 4.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 43 v 4.3 Kết thực nghiệm 43 4.3.1 Thiết bị thí nghiệm 43 4.3.2 Tổ chức thực nghiệm 46 4.3.3 Tiến hành thực nghiệm 47 4.3.4 Kết thực nghiệm 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤC LỤC vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Tham số khí khớp 24 Bảng 3.2: Tham số khí khớp 25 Bảng 3.3: Tham số khí khớp 25 Bảng 3.4: Tham số hệ thống truyền động khớp 31 Bảng 3.5: Tham số hệ thống truyền động khớp 32 Bảng 4.1: Bảng tính tốn lý thuyết với kết nghiên cứu thực nghiệm 49 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cánh đồng dứa huyện Tân Phước-Tiền Giang Hình 1.2: Cơng nghệ thu hoạch dứa Hình 1.3: Chặt quăng trái dứa xuống kênh nước Hình 1.4: Vớt trái dứa lên thuyền ba Hình 1.5: Vận chuyển trái dứa bến tập kết Hình 1.6: Bốc xếp dứa lên phương tiện vận chuyển Hình 1.7: Cơ cấu tự động cắt trái dứa Hình 1.8: Cơ cấu tự động cắt trái dứa Hình 1.9: Trạng thái làm việc liên hợp máy thu hoạch dứa 11 Hình 1.10: Liên hợp máy thu hoạch dứa 11 Hình 1.11: Cấu tạo khí cánh tay máy hái dứa 12 Hình 1.12: Cấu tạo khí bàn tay cắt dứa 12 Hình 1.13: Sơ đồ mơ tả chu trình làm tay máy cắt dứa 13 Hình 1.14: Phân tích xử lý liệu hình ảnh từ camera xác định tọa độ trái dứa 14 Hình 1.15: Cánh tay di chuyển đến tọa trái dứa cần thu hoạch 14 Hình 1.16: Cánh tay hạ xuống cắt, giữ trái dứa 15 Hình 1.17: Cánh tay đưa trái dứa băng tải vận chuyển 16 Hình 2.1: Đo kích thước cuống cân nặng trái dứa 18 Hình 2.2: Đặc điểm thân dứa 19 Hình 2.3: Khoảng cách trồng hai dứa 19 Hình 3.1: Mơ hình cánh tay máy hái dứa 23 Hình 3.2: Mơ hình khí khớp 24 Hình 3.3: Mơ hình khí khớp cánh tay hái dứa 24 Hình 3.4: Mơ hình khí khớp cánh tay hái dứa 25 Hình 3.5: Mơ hình quy đổi cho việc tính động lực học 26 Hình 3.6: Sơ đồ truyền động khớp 30 Hình 3.7: Sơ đồ truyền động khớp 31 viii Hình 3.8: Quá trình hoạt động cánh tay nhiệm vụ cắt dứa 38 Hình 3.9: Sơ đồ khối Similink Matlab 38 Hình 3.10: Thiết kế quỹ đạo chuyển động tay máy 39 Hình 3.11: Quỹ đạo chuyển động cánh tay theo trục X động cấp mô men theo thuật toán điều khiển PD (3.37) 40 Hình 3.12: Quỹ đạo chuyển động cánh tay theo trục Y động cấp mô men theo thuật toán điều khiển PD (3.37) 41 Hình 3.13: Mơ men cần thiết động trục X sinh 41 Hình 3.14: Mơ men cần thiết động trục Y sinh 41 Hình 4.1: Vị trí phận liên hợp máy thu hoạch dứa 43 Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển Robot thu hoạch 44 Hình 4.3 Tủ điện điều khiển 44 Hình 4.4 Cấp điều khiển chế tạo 45 Hình 4.5: Khoảng cách hai dứa trồng 46 Hình 4.6: Mơ tả việc bố trí thực nghiệm cắt dứa 46 Hình 4.7: Thời điểm giây thứ (xuất phát) 47 Hình 4.8: Thời điểm từ giây thứ (Tọa độ X, Y theo dõi) 47 Hình 4.9: Thời điểm từ giây thứ 4-6 ( hạ bàn tay để cắt dứa) 48 Hình 4.10: Thời điểm thu gốc tọa độ thả trái dứa vào băng tải 48 Hình 4.11: Mơ tả kết di chuyển tay máy tới vị trí trái dứa (màu đỏ biểu diễn vị trí trái dứa, màu đèn vị trí tay máy di chuyển tới) 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việt Nam nước nông nghiệp nhiệt đới với mạnh mặt hàng nông sản, có mặt hàng rau xuất Theo thống kê Cục Chế biến Phát triển thị trường nông sản Bộ Nông Nghiệp Và Phát Triển Nông Thôn [1], kim ngạch xuất rau Việt Nam năm 2019 đạt 3,5 tỷ đô la Đặc biệt với hiệp định EVFTA ký kết Việt Nam 28 nước liên minh Châu âu, đôi cánh để mặt hàng nơng sản nói chung mặt hàng rau nói riêng bứt phá kim ngạch xuất Tuy nhiên, thách thức lớn cho mặt hàng rau Việt Nam liên minh Châu Âu yêu cầu cao chất lượng hàng hóa Cây dứa ăn nhiệt đới trồng phổ biến Việt Nam, sản lượng diện tích sau có múi chuối, theo số liệu Cục trồng trọt Bộ Nông Nghiệp Và Phát Triển Nông Thôn dứa trồng từ Miền Bắc vào đến Miền Nam, diện tích trồng dứa Việt Nam khoảng 55.000 ha, sản lượng đạt 600.000 tấn/năm, Các tỉnh Miền Bắc trồng dứa có tỉnh Ninh Bình, Thanh Hóa, Tuyên Quang, Lào Cai, Miền Trung có tỉnh Nghệ An, Quảng Bình, Bình Định, Miền Nam có Tiền Giang, Hậu Giang, Long An, Cà Mau, Kiên Giang, tỉnh vùng Tây Nam Bộ chiếm 90% diện tích sản lượng trồng dứa nước, riêng tỉnh Tiền Giang, Long An, Hậu Giang diện tích trồng dứa đạt 40.000 ha, huyện trồng dứa nhiều nước huyện Tân Phước tỉnh Tiền Giang với diện tích 16.000 ha, hiệu kinh tế trồng dứa thu gấp 4-5 lần trồng lúa Việc thu hoạch trái dứa bà nông dân tỉnh Tây Nam Bộ thực thủ công: chặt dao cầm trái dứa quăng xuống kênh; vớt trái dứa lên thuyền ba lá; vận chuyển dứa đến nơi tập kết; bốc xếp I Chương trình Matlab Hàm S-funsion khối Join_input1 (đặt giá trị đầu vào mô Xd, Yd) function [sys,x0,str,ts] = input(t,x,u,flag) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case {2,4,9} sys=[]; otherwise error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates=0; sizes.NumDiscStates=0; sizes.NumOutputs =3; sizes.NumInputs = 0; sizes.DirFeedthrough = 0; sizes.NumSampleTimes = 0; sys = simsizes(sizes); x0 = []; str = []; ts = []; function sys=mdlOutputs(t,x,u) %a=u(1); qf=1; %qf=(150*pi)/180; tf=4; %Thoi gian di chuyen la 4s q0=0; qdd=6*(qf-q0)/tf^2; tb=tf/2-sqrt(qdd^2*tf^2-(4*qdd*(qf-q0)))/(2*qdd); qb=q0+0.5*qdd*tb^2; if t>=0 && t=tb && t=tf-tb && ttf q1_d=qf; dq1_d=0; ddq1_d=0; end sys(1)=q1_d; sys(2)=dq1_d; sys(3)=ddq1_d; Hàm S-funsion khối điều khiển PD function sys=mdlOutputs(t,x,u) q1_d=u(1); %quy dao dat khop //(t,x,u) dq1_d=u(2); %van toc dat khop %ddq1_d=u(3);%gia toc dat khop q2_d= u(4); % quy dao dat khop dq2_d=u(5); %van toc dat khop %ddq2_d=u(6); % gia toc dat khop q1=u(7); %u(7); % quy dao th?t c?a kh?p dq1=u(8); %u(8); % V?n t?c th?t c?a kh?p q2=u(9); %u(9); %quy ??o th?t c?a kh?p dq2=u(10); %u(10); % V?n t?c th?t c?a kh?p %q=[q1;q2]; % Ma tr?n qu? ??o th?t kh?p %dq=[dq1;dq2]; % Ma tran van toc that khop % Dinh nghia ma tra sai leche1=q1_d-q1; % sai lech quy dao khop (chinh la epsilon 1) e2=q2_d-q2; % chinh la epsilon (do matlab khong co ky hieu epsilon, dung bien e thay the) e=[e1;e2]; de1=dq1_d-dq1; %sai lech van toc khop (dao ham bac nhat cua epsilon1) de2=dq2_d-dq2; % sai lech van toc khop (dao ham bac nhat cua epsilon2) de=[de1;de2]; %ma tran sai lech quy dao (ma tra epsilon) %ma tran sai lech van toc % % - LUAT DIEU KHIEN PD -Kp=[30 0; 30]; Kd=[30 0;0 30]; tol= Kp*e+Kd*de; sys(1)=tol(1); sys(2)=tol(2); Hàm S-funsion khối Plant (Mô hình động lực học tay máy) %S-function for continuous state equation function [sys,x0,str,ts]=s_function(t,x,u,flag) switch flag, %Initialization case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); %Outputs case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); %Unhandled flags case {2, 4, } sys = []; %Unexpected flags otherwise error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); end %mdlInitializeSizes function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 4; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 4; sizes.NumInputs = 4;%6 sizes.DirFeedthrough = 0; sizes.NumSampleTimes = 0; sys=simsizes(sizes); x0=[0.0;0;0.0;0];%da sua str=[]; ts=[]; function sys=mdlDerivatives(t,x,u) Md(1)=u(1); %tol dai dien cho momen truc dong co Md Md(2)=u(2); g=9.8; m1=38; m2=4.5; m3=9.5; kx=392.2; ky=400.65; a=-pi/20; %Dai dien cho goc anfa b=-pi/20; %Dai dien cho goc beta c=-pi/20; %Dai dien cho goc gama Hd=[(m1*(cos(a))^2+m2*(cos(b))^2+m3*(cos(c))^2)/kx 0; (m2*(cos(b))^2+m3*(cos(c))^2)/ky]; Gd=[-m1*g*sin(a)/kx; -m2*g*sin(b)/ky]; if 2