đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công robot dọn rác bề mặt sông

i TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ TIN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG GVHD: TH.S NGUYỄN VĂN ĐOÀN SVTH: BÙI THỊ ÁNH QUỐC MSSV: 07106054 SVTH: VÕ THÀNH LUẬN MSSV: 07106045 SVTH: TRƢƠNG HỮU TOÀN MSSV: 07106059 P.HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2012 ii Bộ Giáo dục và Đào tạo Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng Bộ môn Cơ Tin o0o Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên : Bùi Thị Ánh Quốc MSSV: 07106054 Võ Thành Luận MSSV: 07106045 Trƣơng Hữu Toàn MSSV: 07106059 Lớp 07106 Ngành Cơ tin kỹ thuật 1. TÊN ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG 2. NHIỆM VỤ: - Thiết kế và thi công mô hình Robot dọn rác dựa trên yêu cầu thực tế. - Tính toán và kiểm tra bền những phần quan trọng của Robot. - Thiế kế và thi công mạch điều khiển Robot. - Xây dựng chƣơng trình giải thuật lập trình để điều khiển Robot.  Ngày giao nhiệm vụ đề tài: / /2011  Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 13/01/2012  Họ và tên giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đoàn  Họ và tên giáo viên phản biện: Th.S Dƣơng Đăng Danh Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Bộ môn. Ngày … tháng … năm 2012 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lƣu trữ dự án:………………………… iii LỜI NÓI ĐẦU    Sau thời gian gần năm năm học tập và nghiên cứu trên ghế giảng đƣờng. Nhận đƣợc rất nhiều sự hƣớng dẫn và dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo về chuyên môn lẫn đạo đức. Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm có ý nghĩa nhất của bất kì một sinh viên nào. Nó là sự kết tinh của tất cả những kiến thức mà sinh viên đã lĩnh hội đƣợc trong quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ những những kiến thức tự học tập đƣợc của mỗi sinh viên. Với thời đại khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ nhƣ ngày nay, thì con ngƣời luôn có khuynh hƣớng kết hợp rất nhiều lĩnh vực công nghệ vào những sản phẩm . Đặc biệt là sự kết hợp mạnh mẽ giữa cơ khí, tự động hóa, điện – điện tử, tin học…nhằm đem lại hiệu quả thiết thực và cao nhất. Chính vì vậy đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông ”. Thứ nhất đề tài đƣợc xem là một trải nghiệm thực sự để nhóm có thể vận dụng những gì đã học tập và nghiên cứu nhằm cho ra một sản phẩm thật sự hữu ích và có giá trị sử dụng. Thứ hai việc chọn và thực hiện đề tài nhằm múc đích giải quyết một vẫn đề nhức nhối là tình trạng ô nhiễm tại các con sông trên địa bàn Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng cũng nhƣ cả nƣớc nói chung. Và đó cũng là lý do và mục đích đề ra để nhóm thực hiện đề tài đạt đƣợc. iv LỜI CẢM ƠN    Trƣớc tiên,chúng em xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn Đoàn- ngƣời đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hƣớng dẫn, góp ý, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM, những ngƣời đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng nhƣ đã nhiệt tình hƣớng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua. Và sau cùng xin đƣợc cảm ơn, chia sẻ niềm vui này với gia đình, ngƣời thân, bạn bè cùng tập thể lớp Cơ Tin khóa 2007 -những ngƣời đã luôn ở bên, quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2012 NHÓM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn v Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày tháng năm 2012 Th.S Nguyễn Văn Đoàn vi Nhận xét của giáo viên phản biện ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày tháng năm 2012 Th.S Dƣơng Đăng Danh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 1 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn MỤC LỤC Chƣơng I: DẪN NHẬP 3 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 3 III. MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI 4 IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 4 V. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 5 VI. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 5 Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN 6 I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do rác thải. 6 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và hƣớng giải quyết. 7 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN 9 2.1Cơ sở tính toán Robot. 9 2.1.1 Các khái niệm về lực: 9 2.1.2 Thanh chịu xoắn: 10 2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot). 14 2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu. 16 2.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống. 18 2.2.1 Lý thuyết sóng RF chuẩn truyền UART. 18 2.2.2 Phương pháp điều khiển động cơ DC bằng PWM (Pulse Width Modulation). 21 2.2.3 Chuyển đổi tín hiệu ADC – DAC đọc quá dòng và joystick tay bấm. 22 Chƣơng III: NỘI DUNG 23 I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT 23 1.2 Các phương án thiết kế. 24 1.3 Nguyên lý hoạt động của Robot. 26 1.4 Tính toán cho Robot. 27 2.3 Tính chọn trục chân vịt và kiểm tra bền. 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 2 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 33 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển. 33 3.1 Tay bấm điều khiển. 34 3.2 Mạch điều khiển trung tâm. 35 3.3 Module sóng RF. 41 3.4 Động cơ DC và thiết bị đẩy ( chân vịt ) 41 3.5 Xây dựng toàn bộ giải thuật điều khiển hệ thống. 43 Chƣơng IV: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 51 I. Ống nhựa PVC Bình Minh. 51 II. Các chi tiết cơ khí. 56 Chƣơng V: KẾT LUẬN 61 I. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 61 5.1 Về nghiên cứu lý thuyết: 61 5.2 Về thiết kế kết cấu khung Robot: 61 5.3 Về thiết kế điều khiển: 61 II. NHỮNG KẾT QUẢ CHƢA ĐẠT ĐƢỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 62 III. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 Phần A: VI ĐIỀU KHIỂN 64 I. Tổng quan về họ vi điều khiển AVR 64 Thanh ghi DDRx 67 PhầnB: MỘT SỐ CODE CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 3 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Chƣơng I: DẪN NHẬP I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học công nghệ nói riêng và tất cả các ngành, các lĩnh vực nói chung. Song song với sự phát triển đó thì vẫn đề ô nhiễm môi trƣờng vẫn đang là một điểm nhấn nguy hiểm cho môi trƣờng sống của con ngƣời trên toàn thế giới. Sự ô nhiễm cho đến thời điểm hiện tại thì không chỉ dừng lại cụ thể ở môi trƣờng sống nào mà có thể nói là tất cả. Chính vì vậy việc bảo vệ và cải thiện môi trƣờng sống không chỉ đơn thuần là mọi ngƣời tự ý thức về cách sống về suy nghĩ mà cụ thể là những giải pháp, những gì mà thực tiễn để bắt tay vào làm sạch sự ô nhiễm đó. Cho nên đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ của nhóm thực hiện là những tân kỹ sƣ trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM ngoài việc ý tƣởng và mong muốn góp phần cải tạo môi trƣờng ô nhiễm,đó còn là sự vận dụng trải nghiệm những gì đã học đƣợc vào đề tài nhằm đạt đƣợc mục đích đề ra sao cho hiệu quả nhất. II. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Thông qua việc thực hiện đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ này ngoài việc nhóm thực hiện có cơ hội vận dụng đƣợc những kiến thức mà đã đƣợc đào tạo trong suốt quá trình học tập tại trƣờng, thì nhóm còn đƣợc trƣợc tiếp làm ra một mô hình thực tế, trải nghiệm đƣợc rất nhiều điều thực tiễn mà một ngƣời kỹ sƣ tƣơng lai rất cần khi ra trƣờng. Có cơ hội học tập và nghiên cứu thêm những kiến thức về lĩnh vực điện – điện tử, công nghệ tự động, lập trình… Bƣớc đầu có đƣợc mô hình Robot vớt rác thực tế trên các con sông đang bị ô nhiễm trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Một phần ý tƣởng thực hiện đề tài còn mới mẻ nên có thể làm cơ sở để kế thừa và cải tiến sau này nhằm hoàn thiện Robot. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 4 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn III. MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI - Trực tiếp tìm hiểu những sản phẩm có sẵn ngoài thị trƣờng để thiết kế mô hình 3D, nghiên cứu và ứng dụng những công nghệ tự động, điện-điện tử có sẵn vào việc điều khiển lập trình cho Robot. - Sử dụng kiến thức môn hình họa vẽ kỹ thuật và kết hợp với phần mềm để thiết kế mô hình Robot trên phần mềm ProEngineer Wildfire 5.0 - Áp dụng kiến thức cơ sở nghành: Cơ lý thuyết, nguyên lý – chi tiết máy, sức bền vật liệu… vào việc tính toán thực tế. Ngoài ra còn tiềm hiểu về kiến thức tự động hóa tính toán thiết kế tàu, chân vịt về lĩnh vực hàng hải để áp dụng tính toán những vấn đề liên quan. - Vận dụng kiến thức nghành liên quan nhƣ: Kỹ thuật điện-điện tử, vi điều khiển, sử dụng phần mềm Orcad và Protues để thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển - Thi công mạch điều khiển và mô hình Robot từ bản thiết kế. - Xây dựng giải thuật chƣơng trình điều khiển. Lập trình điểu khiển Robot sử dụng vi điều khiển ATmega8 với phần mềm Code VisionAVR 2.05 IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do ý tƣởng thiết kế và thực hiện đề tài là Robot giọn rác bề mặt sông còn khá mới mẻ và thời gian thực hiện đề tài tƣơng đối ngắn, cùng với việc thi công chế tạo mô hình Robot, cũng nhƣ trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề tài có hạn và nhiều yếu tố khách quan khác… Chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành bản thuyết mình cũng nhƣ mô hình đồ án này, nhƣng chỉ giải quyết đƣợc một số vấn đề chính đặt ra : - Thiết kế, tính toán những phần quan trọng của Robot dọn rác:  Tính lực nổi của toàn bộ Robot theo nguyên lý lực đẩy Archimedes.  Từ yêu cầu thực tế, tính toán vận tốc làm việc của Robot từ đó tính chọn động cơ và chân vịt phù hợp theo điều kiện sản xuất ngoài thị trƣờng.  Tính toán bền cho khung Robot.  Tính toán bền cho trục và khợp nối từ động cơ ra chân vịt - Bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp của mô hình Robot. [...]... phƣơng pháp loại trừ thống nhất kết cấu kiểu dáng thi t kế và công việc thực hiện - Tiến hành chạy thực nghiệm đánh giá kết quả để so sánh mục tiêu đặt ra từ đó rút ra tính khả thi của đồ án Về phƣơng tiện nghiên cứu: - Thi t kế mô hình và tính toán độ bền khung Robot bằng phần mềm ProEngineer Wildfire 5.0 và Visual Nastran - Thi t kế Board mạch và lập trình điều khiển Robot bằng vi điều khiển ATmega8... hứng Rác sẽ đƣợc tự động gom vào giữa thân tàu và đổ về thùng chứa mà không phải nhờ đến sức lực, thao tác của công nhân Tàu gồm các phần nhƣ: boong chính, thi t bị lái, truyền động lái, thi t bị neo, chằng buộc, thi t bị cứu sinh, thi t bị cứu hỏa và các thi t bị tín hiệu Theo thi t kế, tàu vớt rác đƣợc sử dụng tại các sông, kênh, rạch và các hồ có chiều sâu nƣớc từ 1,2m trở lên Chiếc tàu này có kết... CHỨA RÁC PHAO ĐỘNG CƠ PHAO BỘ ĐIỀU KHIỂN Hình 1.13: Sơ đồ khối ý tƣởng thi t kế Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 23 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Robot gồm hai trục phao chính đặt cố định hai bên, điều khiển Robot duy chuyển vớt rác bằng một động cơ chính giữa và cơ cấu bể lái Lồng chứa rác đặt chính giữa lệch phía trên để vớt rác và giữ rác 1.2 Các phƣơng án thi t kế. .. lực tạo ra do thi t bị đẩy của tàu phải thắng đƣợc ngoại lực Việc tính sức cản tàu là hết sức cần thi t và quan trọng trong việc thi t kế tính toán tàu, chọn động cơ và thi t kế chọn chân vịt phù hợp  Tính sức cản theo phƣơng pháp giải quân: Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong quá trình thi t kế sơ bộ Công thức tính nhƣ sau: 2 𝑉𝑠3 𝐷 3 𝑁𝑜 = 𝐶0 Trong đó : 𝑁 𝑜 : Công suất kéo cần thi t của tàu...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn - Thi t kế thi công Board mạch cũng chƣ hệ thống điều khiển Robot - Lập trình điều khiển Robot từ xa thông qua module RF sử dụng truyền thôngtheo chuẩn UART, cũng nhƣ lập trình cho Board chính để kết nối dùng vi điều khiển AT mega8 trên phần mềm Code VisionAVR 2.05 V Thi công chế tạo đƣợc mô hình Robot dọn rác bề mặt sông ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN... thi t bị Tàu có 2 cánh hƣớng rác có độ mở rộng 4m, khi tàu chạy, rác nổi đƣợc hƣớng vào luồng chảy giữa 2 thân phao Tại khoảng giữa của tàu có trang bị một lƣới chắn rác và gàu vớt rác Khi rác vào đầu gầu, công nhân chỉ việc ấn nút là gàu vớt rác tự động lật lên đổ rác vào thùng đƣợc đặt trên mâm quay Ngoài ra, tàu vớt rác còn đƣợc trang bị các thi t bị an toàn bao gồm còi, đèn xoay, đèn làm việc và. .. động dƣới nƣớc - Robot duy chuyển bằng cơ cấu bánh lái thông qua lực đẩy của chân vịt không linh hoạt khi vớt rác - Việc thi t kế, thi công cơ cấu bánh lái mất thời gian, giá thành mua vật liệu cao nên không phù hợp và không cần thi t - Một động cơ chính đòi hỏi công suất, tốc độ lớn nên khó tìm đƣợc động cơ thích hợp… Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 24 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S... trƣớc tạo đƣờng ray trƣợt kết nối với lồng chứa rác Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Toàn bộ Robot thi t kế với những sản phẩm ống nhựa PVC bán sẵn trên thị trƣờng nên việc thi công ít mất thời gian gia công - Bảo đảm đƣợc tính chống nƣớc, nhằm tạo lực nổi phù hợp cho Robot khi làm việc dƣới nƣớc  Nhƣ vậy dựa vào kết quả phân tích về... GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn  Phƣơng án thứ hai: Sơ đồ khối phƣơng án thứ hai: PHAO LỒNG CHỨA RÁC PHAO ĐỘNG CƠ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Hình 1.14: Sơ đồ khối phƣơng án thi t kế lần thứ hai Phƣơng án hai thi t kế hiệu quả hơn và mang tính linh hoạt khi điều khiển Robot vớt rác  Ƣu điểm: - Hai động cơ bố trí rộng về hai bên làm nhiệm vụ bẻ lái trực tiếp giúp việc điều khiển Robot dễ dàng - Hai trục phao chính... có thi t bị đẩy là chân vịt m=1.2 đối với tàu có thi t bị đẩy là chân vịt đạo lƣu  Công suất động cơ (máy chính): Sau khi tính toán đƣợc lực cản của tàu có thể tính sơ bộ công suất máy chính theo công thức: 𝑁0 = 𝑅.𝑣 75 R: Sức cản toàn phần của tàu v: Vận tốc tàu Tuy nhiên công thức trên chỉ có ý nghĩa trong thi t kế sơ bộ tàu, trong các giai đoạn thi t kế tiếp theo ta phải tính tƣơng đối chính xác công . VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG 2. NHIỆM VỤ: - Thi t kế và thi công mô hình Robot dọn rác dựa trên yêu cầu thực tế. - Tính toán và kiểm tra bền những phần quan trọng của Robot. - Thi . KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ TIN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THI T KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG GVHD: TH.S NGUYỄN VĂN ĐOÀN SVTH: BÙI THỊ ÁNH QUỐC MSSV:. hóa, điện – điện tử, tin học…nhằm đem lại hiệu quả thi t thực và cao nhất. Chính vì vậy đề tài “ Thi t kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông ”. Thứ nhất đề tài đƣợc xem là một trải nghiệm