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

Cho nên đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ của nhóm thực hiện là những tân kỹ sư trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM ngoài việc ý tưởng và mong muốn góp phần c

BỘ MÔN CƠ TIN

SVTH: TRƯƠNG HỮU TOÀN MSSV: 07106059

P.HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2012

Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng

Bộ môn Cơ Tin

-o0o -

-o0o -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên : Bùi Thị Ánh Quốc MSSV: 07106054 Võ Thành Luận MSSV: 07106045 Trương 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 chương 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 hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đoàn  Họ và tên giáo viên phản biện: Th.S Dương Đăng Danh Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Bộ môn Ngày … tháng … năm 2012 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Sau thời gian gần năm năm học tập và nghiên cứu trên ghế giảng đường Nhận được rất nhiều sự hướng 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 được trong quá trình học tập tại trường cũng như những những kiến thức

tự học tập được của mỗi sinh viên

Với thời đại khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ như ngày nay, thì con người luôn có khuynh hướng 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 được 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 như cả nước nói chung Và đó cũng là lý do và mục đích đề ra để nhóm thực hiện đề tài đạt được

Trước tiên,chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến

thầy Nguyễn Văn Đoàn- người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng 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 trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, những người đã trang

bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn giúp

đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua

Và sau cùng xin được cảm ơn, chia sẻ niềm vui này với gia đình, người thân, bạn bè cùng tập thể lớp Cơ Tin khóa 2007 -những người đã luôn ở bên, quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2012

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày tháng năm 2012

Th.S Nguyễn Văn Đoàn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày tháng năm 2012

Th.S Dương Đăng Danh

MỤC LỤC

Chương 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 TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5

VI PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 5

Chương II: CƠ SỞ LÝ LUẬN 6

I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6

1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước do rác thải. 6

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và hướng 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

Chương 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

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

Chương IV: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 51

I Ống nhựa PVC Bình Minh. 51

II Các chi tiết cơ khí. 56

Chương V: KẾT LUẬN 61

I NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 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 CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 62

III HƯỚNG 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 CHƯƠNG TRÌNH 70

Chương 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 trường vẫn đang là một điểm nhấn nguy hiểm cho môi trường sống của con người trên toàn thế giới Sự ô nhiễm cho đến thời điểm hiện tại thì không chỉ dừng lại cụ thể ở môi trường sống nào mà có thể nói là tất cả Chính vì vậy việc bảo vệ và cải thiện môi trường sống không chỉ đơn thuần là mọi người 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 sư trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM ngoài việc ý tưởng và mong muốn góp phần cải tạo môi trường ô nhiễm,đó còn là sự vận dụng trải nghiệm những gì đã học được vào đề tài nhằm đạt được 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 được những kiến

thức mà đã được đào tạo trong suốt quá trình học tập tại trường, thì nhóm còn được trược tiếp làm ra một mô hình thực tế, trải nghiệm được rất nhiều điều thực tiễn mà một người kỹ sư tương lai rất cần khi ra trường Có cơ hội học tập và nghiên cứu thêm những kiến thức về lĩnh vực điện – điện tử, công nghệ tự động, lập trình…

Bước đầu có được 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 tưởng 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

III MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI

- Trực tiếp tìm hiểu những sản phẩm có sẵn ngoài thị trường 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 như: 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 chương 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 tưởng 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 tương đối ngắn, cùng với việc thi công chế tạo mô hình Robot, cũng như 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 như mô hình đồ án này, nhưng chỉ giải quyết được 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 trường

 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

- Thiết kế thi công Board mạch cũng chư hệ thống điều khiển Robot

- Lập trình điều khiển Robot từ xa thông qua module RF sử dụng truyền thôngtheo chuẩn UART, cũng như lập trình cho Board chính để kết nối dùng

vi điều khiển AT mega8 trên phần mềm Code VisionAVR 2.05

- Thi công chế tạo được mô hình Robot dọn rác bề mặt sông

Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình có liên quan, các tài liệu chuyên môn dùng trong việc tính toán cũng như điều khiển lập trình trên các trang Web cũng như trên các diễn đàn mạng Internet

Tìm hiểu các cơ cấu truyền động cũng như kiểu dáng canô mô hình để hỗ trợ trong việc thiết kế Robot

Về phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu, khảo sát, tham khảo tài liệu, diễn đàn về kiểu dáng thiết kế cũng như cở sở tính toán chuyên nghành

- Đề ra ý tưởng chung và dùng phương pháp loại trừ thống nhất kết cấu kiểu dáng thiết 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 phương tiện nghiên cứu:

- Thiết kế mô hình và tính toán độ bền khung Robot bằng phần mềm ProEngineer Wildfire 5.0 và Visual Nastran

- Thiết kế Board mạch và lập trình điều khiển Robot bằng vi điều khiển ATmega8 cùng với bộ thu phát tín hiệu RF bằng các phần mềm: Orcad, Protues, Code VisionAVR 2.05 …

Chương II: CƠ SỞ LÝ LUẬN

I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước do rác thải

Rác thải ở Việt Nam đang là một hiện trạng đáng lo ngại Cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con người, rác thải có số lượng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trường và sức khoẻ con người Là một nước đang đang phát triển, tốc độ tăng các rác thải sinh hoạt ở cả thành phố và nông thôn, rác thải công nghiệp, y tế ở nước ta còn nhanh hơn nhiều các nước khác, từ năm 2003 đến 2008 tăng gấp hai lần

Tình hình trong thời gian gần đây đã trở nên bức xúc, đặc biệt ở 3 thành phố lớn là Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Ví dụ tại Hà Nội, khối lượng rác thải sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, vởi tổng lượng ước tính 5.000 tấn/ngày đêm, và dự đoán chỉ sang năm (2012) có thể không còn chỗ để đổ rác Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày có trên 7.000 tấn rác thải sinh hoạt, mỗi năm cần

235 tỷ đồng để xử lý

Hình 1.1: Những bịch nilon rác thải trên một con kênh tại TP.HCM

Đặt biệc là các hồ nằm trong công trình công cộng hoặc dọc theo các con đường đều bị ảnh hưởng bởi rác thải, mà nguyên nhân chính là do ý thức người quá kém trong việc giữ vệ sinh chung, vì mục đích bảo vệ môi trường

Hình 1.2: Xả rác suống Hồ Hoàn Kiếm sau lễ hội phố hoa dịp đầu năm

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và hướng giải quyết

Trước tình hình ô nhiễm trầm trọng môi trường nước do rác thải và sự trôi nổi dày đặt của bèo, thực vật sống trôi nổi trên sông làm cản trở phương tiện đường thủy Cũng một phần công nghệ chế tạo không phức tạp và được khuyến khích như hiện nay thì việc nghiên cứu chế tạo ra những sản phẩm giúp cải thiện cho việc ô nhiễm

do rác thải đang được đầu tư có mục đích và hiệu quả trong nước ta hiện nay

 Hệ thống cắt, vớt rong Rác thải trên kênh, rạch, song, hồ của Trung tâm Nghiên cứu và phát triển công nghệ - Máy công nghiệp ( Trường đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh )

Hình 1.3: Hệ thống máy ăn bèo hoạt động trên song

Hệ thống máy bao gồm một máy chính và một thiết bị phụ trợ Hệ thống máy có thể thực hiện được các chức năng như: cắt và vớt rong, cỏ dại dưới mặt nước ở độ sâu tối đa 1,5 m cùng với chiều rộng 2,36 m; vớt lục bình, rác thả nổi trên mặt nước

và lơ lửng ở độ sâu 0,5 m - bề rộng 4 m; chuyển tải vật sau khi cắt, vớt lên bờ hoặc đưa lên phương tiện vận chuyển đưa đi nơi khác chế biến Hệ thống có thể được ứng dụng trong hoạt động các công ty công ích của các đô thị, công ty khai thác công trình thủy lợi

 Thiết bị tự động thu gom rác trên song do kỹ sư Hoàng Tử Cường, Tổng Công ty Cơ khí Giao thông vận tải Sài Gòn đã nghiên cứu và chế tạo

Thiết bị này giống như một con tàu thông thường nhưng có hai thân riêng biệt,

dạng phao nổi, liên kết với nhau bởi phần khung sàn tàu cao hơn mặt nước, đầu thân tàu gắn với cánh tay gom rác Vì vậy, khi tàu chuyển động sẽ tạo nên một dòng chảy mang theo rác nổi vào thân tàu hứng Rác sẽ được 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 như: boong chính, thiết bị lái, truyền động lái, thiết bị neo, chằng buộc, thiết bị cứu sinh, thiết bị cứu hỏa và các thiết bị tín hiệu

Theo thiết kế, tàu vớt rác được sử dụng tại các sông, kênh, rạch và các hồ có chiều sâu nước từ 1,2m trở lên Chiếc tàu này có kết cấu cơ bản kiểu 2 thân dạng phao nổi, khi tàu chạy tạo dòng chảy ở giữa thiết bị Tàu có 2 cánh hướng rác có độ

mở rộng 4m, khi tàu chạy, rác nổi được hướng vào luồng chảy giữa 2 thân phao Tại khoảng giữa của tàu có trang bị một lưới 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 được đặt trên mâm quay Ngoài ra, tàu vớt rác còn được trang bị các thiết bị an toàn bao gồm còi, đèn xoay, đèn làm việc và phao cứu sinh

Tuy nhiên mặc khuyết điểm cảu các máy vớt rác này là chỉ làm việc được ở những con sông, kênh rạch có diện tích lớn Trong khi đó thì tính chất những rác nổi nhỏ luôn bị trôi dạt, gom lại thành khối và tấp và gần bờ, gần những chân bờ đá trong các hồ địa hình chật hẹp giới hạn về không gian làm việc Chính vì vậy những giải pháp sang kiến như những Robot vớt rác có thể làm việc ở các địa hình phức tạp trong các kênh, hồ Thành Phố là rất cần thiết và mang tính khả thi cao

2.1 Cơ sở tính toán Robot

2.1.1 Các khái niệm về lực:

Ngoại lực: Là tác dụng của môi trường bên ngoài hay của các vật thể khác lên

vật thể khảo sát Ngoại lực bao gồm tải trọng và phản lực liên kết

Nội lực: Dưới tác dụng của ngoại lực, lực tương tác giữa các phân tử của vật thể

sẽ thay đổi để chống lại sự dịch chuyển bên trong vật thể đó gọi là nội lực

Tải trọng: Là các tác động dưới dạng lực bên ngoài tác dụng lên vật thể gây ra

sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng…so với trạng thái cân bằng ban đầu

Phản lực liên kết: Là những lực thụ động, phát sinh tại nơi tiếp giáp giữa vật thể

khảo sát và vật thể xung quanh khi có tác dụng của tải trọng

Mômen xoắn: Là một đại lượng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay

quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể Nó là khái niệm ở rộng cho chuyển động quay từ khái niệm lực trong chuyển động thẳng

Mômen xoắn còn đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ và được truyền tới thiết bị đẩy là chân vịt của tàu thông qua hệ trục truyền động tạo lực đẩy

Ứng suất: Tại một điểm trên mặt cắt là cường độ của nội lực trên một đơn vị

diện tích tại điểm đó, nó gọi là đại lượng véc tơ Có thể phân ứng suất p

thành hai thành phần: một trên phương pháp tuyến n của mặt cắt gọi là ứng suất pháp tuyến

ký hiệu  , một nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp tuyến ký hiệu  Ta có hệ thức: 2 2 2

p  

Vậy ứng suất đặc trưng cho mức độ chịu đựng của vật liệu tại một điểm Nếu ứng suất vượt quá một giới hạn nào đó thì vật liệu bị phá hoại, việc xác định ứng suất là

cơ sở đánh giá mức độ an toàn của vật liệu

2.1.2 Thanh chịu xoắn:

Thanh chịu xoắn thuần túy khi trên mọi mặt cắt ngang chỉ tồn tại một thành phần ứng lực 𝑀𝑧

Hình 1.5: Các trường hợp thanh chịu xoắn thuần túy

Thanh chịu xoắn thường được gọi đối với trục Trục truyền lực, trục động cơ, những dầm cầu đường ô tô cũng có thể bị xoắn nếu tải trọng không đặt đúng tim cầu

 Công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:

( Theo tài liệu SỨC BỀN VẬT LIỆU, Lê Thanh Phong, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh)

Theo các giả thiết đã nêu, ta có thể xem: trên tiết diện ứng suất pháp bằng không, chỉ tồn tại ứng suất tiếp vuông góc với bán kính tiết diện, là kết quả của biến dạng trượt do các mặt cắt ngang xoay tương đối với nhau quanh trục z Xét phân tố tách

ra như hình 6.3a, giới hạn bởi hai mặt vuông góc với trục có tọa độ z và zdz Tiếp tục tách ra phân tố con (hình 6.3b) giới hạn bởi hai mặt trụ bán kính R ,



d và hai mặt cắt nhau bởi giao tuyến là trục z , hợp với nhau một góc d Trạng thái ứng suất tại mọi điểm của trục là trạng thái trượt thuần túy

Hình 1.6: Phân tích biến dạng thanh chịu xoắn

Tiết diện bên trái, ở tọa độ z, có góc xoay 

Tiết diện bên phải, ở tọa độ zdz, sẽ có góc xoay d

Hiệu số d, là góc xoay tương đối của hai tiết diện cách nhau một đoạn dz, được gọi là góc xoắn của đoạn trục có chiều dài dz Bán kính của tiết diện bên phải

cũng có góc xoay tương đối d so với bán kính tương ứng của tiết diện bên trái

 là biến dạng góc vuông của phân tố hay còn gọi là góc trượt, ta có:

AA1

(a)

Trị số  là gĩc xoay tương đối giữa hai mặt cắt cách nhau một đơn vị chiều dài gọi là gĩc xoắn tỷ đối của thanh - là hằng số trên tiết diện, và là hàm số theo tọa

độ z, thứ nguyên [Rad]/[chiều dài]:

F

2 F

Biểu đồ ứng suất tiếp trên tiết diện:

Ứng suất tiếp trên tiết diện cĩ phương vuơng gĩc với bán kính, cĩ chiều của mơmen xoắn M và cĩ trị số phụ thuộc bậc nhất với khoảng cách từ tâm đến zđiểm tính ứng suất (xem hình 6.4)

d.J

Mz z

td

2/d

JJ

W

max





    được gọi là mơmen chống xoắn, là đặc trưng hình học của

tiết diện, cĩ thứ nguyên chiềudài3

Hình 1.7: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện

của thanh chịu xoắn thuần túy

Với tiết diện tròn đặc (hình 6.4a):

32

4d

32 32

2

D

d D

d D D

Ứng suất tiếp đối ứng như hình 6.4c

 Điều kiện bền – ba bài toán cơ bản:

Phân tố vật thể trong trục chịu xoắn ở trạng thái ứng suất trượt thuần túy, phân tố

nguy hiểm là những phân tố ở sát mặt ngoài của trục có max

Điều kiện bền được viết:

  ; 0 là ứng suất nguy hiểm và n là hệ số an toàn

Trong trường hợp chỉ có thí nghiệm kéo-nén thì ứng suất tiếp cho phép lấy theo

thuyết bền:

Theo thuyết bền thứ ba (thuyết bền ứng suất tiếp):    

Định tải trọng cho phép:

Từ (6.5) ta dễ dàng xác định được nội lực lớn nhất có thể đạt được của thanh là:

Mz   , hay ở trạng thái giới hạn:  Mz   W 5%

Có  M ta có thể tìm được trị số cho phép của tải trọng tác dụng lên công trình hay z

chi tiết máy

2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot)

Lực đẩy Archimedes (hay lực đẩy Ácsimét) là lực tác động bởi một chất lưu (chất lỏng hay chất khí) lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong một trường lực (như trọng trường hay lực quán tính) Lực này có cùng độ lớn và ngược hướng của tổng lực mà trường lực tác dụng lên phần chất lưu có thể tích bằng thể tích vật thể chiếm chỗ trong chất này

Hình 1.8: Phân tích tác dụng các lực đẩy Archimedes

Lực này được đặt tên theo Ácsimét, nhà bác học ngườiHy Lạp đã khám phá ra

nó Lực đẩy Ácsimét giúp thuyền và khí cầu nổi lên, là cơ chế hoạt động của sự chìm nổi của tàu ngầm hay cá, và đóng vai trò trong sự đối lưu của chất lưu

Nếu thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì:

 𝐹𝐴 < 𝑃 Vật chìm xuống

 𝐹𝐴 > 𝑃 Vật nổi lên

 𝐹𝐴 = 𝑃 Vật lơ lửng trong chất lỏng

Công thức tính lực đẩy Archimedes:

Độ lớn của lực đẩy Archimedes bằng tích của trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích bị vật chiếm chỗ:

2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu

 Sức cản tàu:

Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả năng chuyển động của tàu Ngoại lực tác dụng lên tàu gồm nhiều thành phần: sức cản song, sức cản ma sát, sức cản áp suất…Để tàu chuyển động được thì lực tạo ra

do thiết bị đẩy của tàu phải thắng được ngoại lực Việc tính sức cản tàu là hết sức cần thiết và quan trọng trong việc thiết kế tính toán tàu, chọn động cơ và thiết kế chọn chân vịt phù hợp

 Tính sức cản theo phương pháp giải quân:

Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong quá trình thiết kế sơ bộ Công thức tính như sau:

𝑁𝑜 =𝑉𝑠

3 𝐷23

𝐶0Trong đó : 𝑁𝑜 : Công suất kéo cần thiết của tàu

 Tính sức cản theo phương pháp Papmel:

Sử dụng cho các tàu có các thông số cơ bản như sau:

Trong đó:

D: Lượng chiếm nước của tàu (𝑚3)

L: Chiều dài thiết kế của tàu (m)

𝑥: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vịt

𝑥 = 1 khi tàu có một trục chân vịt

𝑥 = 1.05 khi tàu có hai trục chân vịt

𝑥 = 1.075 khi tàu có ba trục chân vịt

𝑥 = 1.1 khi tàu có bốn trục chân vịt

𝐿 𝛿 Hệ số thon của tàu

Với B là chiều rộng của tàu, L là chiều dài tàu, 𝛿 là hệ số béo thể tích của tàu

𝐶𝑝 là hệ số xác định từ đồ thị Papmel trong đó hệ số 𝑉𝑠′ được xác định như sau

𝑉𝑠′ = 𝑉𝑠 𝜓

𝐿 Sức cản toàn bộ của tàu được xác định như sau:

𝑅 = 75𝑁0

𝑣 (kG)

Với v (m/s), 𝑁0 (cv)

 Tính sức cản theo phương pháp Zvonkov:

Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông có thể tính theo công thức:

𝑅 = 𝜉𝑟Ω 𝑣1.825 + 𝛿 𝜉 𝑆 𝑣1.7+4𝐹𝑟

Trong đó:

𝜉𝑟 : Hệ số lực cản ma sát

𝜉𝑟 = 0.17 đối với tàu vỏ thép

𝜉𝑟 = 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu võ gỗ

S diện tích sườn giữa (𝑚2)

Ω diện tích mặt ướt (𝑚2) được tính bằng Ω = V23 3.3 + L

2.09.V

1 3

V: Thể tích chiếm nước của tàu (𝑚3)

L: Chiều dài mặt ướt của tàu (𝑚)

𝛿 :Hệ số béo thể tích của tàu

v: Vận tốc tàu

Fr: Hệ số Fruode của tàu được tính theo công thức:

𝐹𝑟 = 𝑣

𝑔.𝐿 V: Vận tốc tàu (m/s)

L: Chiều dài tàu (m)

𝜉 = 17.7.𝑚 𝛿𝐿 2.5

6𝐵

3 +2

: Hệ số lực cản dư

m=1.0 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt

m=1.2 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt đạo lưu

 Công suất động cơ (máy chính):

Sau khi tính toán được lực cản của tàu có thể tính sơ bộ công suất máy chính theo công thức: 𝑁0 = 𝑅.𝑣

2.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống

2.2.1 Lý thuyết sóng RF chuẩn truyền UART

Tần số vô tuyến (RF) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô tuyến RF thường được xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí, dù các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại

Hình 1.9: Module RF sử dụngtruyền thông UART

Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART

và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là 5, mức low là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low

Hình 1.10: Tín hiệu tương đương của UART và RS232

Baud rate (tốc độ Baud): tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây

Frame (khung truyền): Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần

truyền, các bit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra

số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền

Start bit: start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chức

năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới

Data: data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và nhận

Parity bit: parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương

đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity) Parity

chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngược

lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ

Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã

được gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra

khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bits bắt buộc

xuất hiện trong khung truyền

2.2.2 Phương pháp điều khiển động cơ DC bằng PWM (Pulse Width Modulation)

PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi của điện áp ra

Hình 1.11: Tín hiệu xung trong PWM

Quan sát ở hình trên ta thấy 2 tín hiệu xung S1 một S2 có cùng chu kỳ T (1ms) tuy nhiên khoảng Ton (khoảng thời gian mức High trong 1chu kỳ) thì khác nhau như vậy tỉ số Ton/Toff của 2 tín hiệu cũng khác nhau, việc điều chỉnh tỉ số này gọi

là điều rộng xung Áp dụng trong điều khiển vận tốc động cơ DC, Ton là thời gian cấp nguồn và Toff là thời gian ngừng cấp nguồn cho động cơ, khi thay đổi tỉ số Ton/Toff (cũng có nghĩa thay đổi điện áp trung bình cấp cho động cơ) vận tốc động

cơ cũng thay đổi theo

Hình 1.12: Điện áp trung bình(AVG VOLTS) trong phương pháp PWM

Bằng cách “kéo dãn” hay “thu hẹp” khoảng Ton (không thay đổi chu kỳ T) là

có thể điều khiển được vận tốc động cơ Tuy nhiên cần chú ý rằng quan hệ giữa vận tốc động cơ và tỉ số độ rộng xung không tuyến tính Phương pháp PWM không những chỉ được áp dụng trong điều khiển vận tốc động cơ mà còn có rất nhiều ứng dụng khác như điều khiển nhiệt độ, độ sáng

2.2.3 Chuyển đổi tín hiệu ADC – DAC đọc quá dòng và joystick tay bấm

Bộ chuyển đổi ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu ở dạng tương tự sang dạng số để

có thể làm việc được với CPU Quá trình lấy mẫu đổi một tín hiệu liên tục thời gian thành tín hiệu rời rạc thời gian (tín hiệu số) Có hai nhiệm vụ chính trong khi lấy mẫu:

 Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau và cách đều nhau, đây là quá trình rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian

 Lượng tử hóa và mã hóa tín hiệu: Lượng tử hóa là quá trình làm tròn số thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một đơn vị chuẩn.Còn mã hóa là quá trình sắp xếp lại kết quả đã lượng tử theo một quy luật nhất định tùy thuộc vào loại mã hóa yêu cầu ở đầu ra bộ biến đổi

 Các phương pháp chuyển đổi ADC

 Chuyển đổi song song: Tín hiệu được chuyển đổi cùng lúc được so sánh với nhiều giá trị chuẩn, vì vậy các bit được xác định đồng thời và đưa

đến đầu ra

 Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm: Quá trình so sánh được thực hiện từng bước theo quy luật mã đếm Kết quả chuyển đổi được xác định bằng

cách đếm số lượng giá trị tín hiệu cần chuyển đổi

 Chuyển đồi nối tiếp theo mã nhị phân: Quá trình so sánh được thực hiện từng bước theo quy luật của mã nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo mã nhị phân, do đó các bit được xác

định lần lượt từ bit MSB đến bit LSB

Chương III: NỘI DUNG

 Yêu cầu thực tế ban đầu:

- Khối lượng rác Robot vớt được trong một giờ: 50 (𝑚3 ) 𝑕

Hình 1.13: Sơ đồ khối ý tưởng thiết kế

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 phương án thiết kế

 Phương án thứ nhất:

Phương án thứ nhất Robot được thiết kế theo sơ đồ khối ý tưởng ban đầu nêu

ra Kế cấu khung gồm hai phao chính đặt lệch phía dưới lồng chứa rác Toàn bộ Robot được điều khiển để vớt rác bởi một động cơ chính với cơ cấu bánh lái đặt chính giữa

 Khuyết điểm:

- Phao chính đặt hơi lệch phía sau lồng chứa rác làm mất ổn định về kết cấu

khung Robot khi trên bờ, cũng như hoạt động dưới nước

- Robot duy chuyển bằng cơ cấu bánh lái thông qua lực đẩy của chân vịt

không linh hoạt khi vớt rác

- Việc thiết kế, thi công cơ cấu bánh lái mất thời gian, giá thành mua vật liệu

cao nên không phù hợp và không cần thiết

- Một động cơ chính đòi hỏi công suất, tốc độ lớn nên khó tìm được động cơ

thích hợp…

BỘ ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG

CƠ

Hình 1.14: Sơ đồ khối phương án thiết kế lần thứ hai

Phương án hai thiết kế hiệu quả hơn và mang tính linh hoạt khi điều khiển Robot vớt rác

 Ưu 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 được đưa lên phía trước tạo đường ray trượt kết nối với

lồng chứa rác

- Toàn bộ Robot thiết kế với những sản phẩm ống nhựa PVC bán sẵn trên thị

trường nên việc thi công ít mất thời gian gia công

- Bảo đảm được tính chống nước, nhằm tạo lực nổi phù hợp cho Robot khi

làm việc dưới nước

 Như vậy dựa vào kết quả phân tích về các ưu điểm cũng như thuận lợi, hiệu quả thì phương án thứ hai được chọn để thi công Robot

Hình 1.15: Mô hình 3D Robot thiết kế theo phương án thứ hai

1.3 Nguyên lý hoạt động của Robot

Robot hoạt động dựa trên việc điều khiển trực tiếp bằng tay bấm, thông qua việc truyền nhận tín hiệu bằng module thu - phát sóng RF theo chuẩn truyền thông UART phạm vi hoạt động 200m Sau khi nhận tín hiệu từ bộ phát trên tay bấm thì board mạch trung tâm sẽ xử lý tín hiệu và xuất kết quả để điều khiển cơ cấu chấp hành, gồm hai động cơ chính cùng với thiết bị đẩy là chân vịt được liên kết với nhau nhờ hai khớp nối trục đàn hồi Cơ cấu chấp hành giúp cho Robot duy chuyển Up – Down – Left – Right thông qua chân vịt tạo lực đẩy để Robot thực hiện công việc vớt rác

II Tính toán cho Robot

2.1 Tính toán đánh giá về độ nổi của Robot

Áp dụng theo nguyên lý về lực đẩy Acsimet trong trường hợp để một vật có thể nổi trong môi trường nước thì phải thỏa nãm điều kiện là: Trọng lượng của vật phải nhỏ hơn lực đẩy Acsimet

Ta có biểu thức: 𝐹𝐴 > 𝑃

⟺ 𝑑 × 𝑉 > 𝑚 × 𝑔 (*) Với m =21 (Kg): Tổng khổi lượng của Robot

𝑉4 = 600 × 25 × 30 − 595 × 24.5 × 33.5 = 38346 (𝑚𝑚3)

𝑉5 = 151 × 65 × 101 = 991315 (𝑚𝑚3)

⟹ 𝑉𝑅𝑜𝑏𝑜𝑡 = 2 𝜋 572 800 + 348 + 3 𝜋 202 370 + 38346 + 991315

= 0.03 (𝑚3) Vậy 𝑉𝑅𝑜𝑏𝑜𝑡 > 𝑉 = 0.02 Thể tích chiếm nước của Robot Như vậy Robot đảm bảo đủ điều kiện nổi so với thiết kế

2.2 Tính toán vận tốc làm việc của Robot, số vòng quay chân vịt và chọn công suát động cơ

 Các thông số đầu vào:

 Yêu cầu đặt ra của Robot: Vớt được 50 (𝑚3 𝑕)

 Thể tích thực của lồng chứa rác 𝑉 = 𝑎 × 𝑏 × 𝑕 = 0.045 ( 𝑚3)

 Vận tốc làm việc của Robot:

Ta có:

𝑄 = 𝑆 × 𝑣 Với 𝑄: Lưu lượng rác vớt được

S: Diện tích mặt cắt ngang của lồng chứa rác

𝑣 : Vận tốc làm việc của Robot

 Số vòng quay chân vịt và công suất động cơ:

Như đã biết, tàu thuỷ là một công trình kỹ thuật phức tạp làm việc trong điều kiện khắc nghiệt,bao gồm ba bộ phận chính là động cơ, vỏ tàu và chân vịt, thường được gọi tên chung là liên hợp tàu, trong đó chân vịt là bộ phận

trung gian quan trọng có nhiệm vụ tiếp nhận công suất động cơ phát ra,tạo thành lực đẩy P, khắc phục sức cản môi trường R để đẩy tàu chuyển động với tốc độ xác định V Về mặt lý thuyết, quá trình làm việc độc lập của chân vịt tàu trong nước tự do sẽ được thể hiện trên,đường đặc tính hoạt động

𝐾𝑇, 𝐾𝑄, 𝜂𝑝 = 𝑓 𝐽 , tức là đồ thị thể hiện quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của chân vịt như hệ số lực đẩy 𝐾𝑇, hệ số mômen 𝐾𝑄, hiệu suất 𝜂𝑝 và hệ số

tiến J của chân vịt (hình 1.13), với các thông số nói trên được xác định theo

các công thức đã biết trong các tài liệu lý thuyết tàu

( Tham khảo tài liệu TS Trần Gia Thái – Khoa Kỹ thuật tàu thủy - Đại học Thuỷ sản, Nghiên Cứu Xác Định Đường Đặt Tính Chân Vịt Trong Điều Kiện Khai Thác Thực Tế )

Hình 1.16: Hệ số lực đẩy, Mômem quay của chân vịt

Ta có:

𝑛.𝐷

Với: 𝐽: Hệ số tiến

𝑉𝑝 : Vận tốc tiến của tàu ( Vận tốc làm việc của Robot ) (𝑚 𝑠 )

𝑛 : Số vòng quay của chân vịt (𝑠−1)

 Thời gian công suất bình Acquy đáp ứng tối đa khi Robot làm việc

Ta có: Công suất của hai bình Acquy : 𝑃1 = 2 × 12 × 7.3 ≈ 173 ( 𝑊 )

Công suất của động cơ 𝑃2 = 32 ( 𝑊 ) Thời gian 𝑡 = 173

32 = 5.4 (𝑕)

Nhƣ vậy thời gian Robot có thể hoạt động đƣợc là khoảng 5 (𝑕)

2.3 Tính chọn trục chân vịt và kiểm tra bền

Hình 1.17:Trục chân vịt trong thiết kế và lắp ráp

Robot vớt rác làm việc với vận tốc không lớn và dưới môi trường nước sẽ khử được những rung động do lực chân vịt và động cơ gây ra Đồng thời hai gối đỡ là vòng bi với phớt loại nhỏ Nên để đơn giản hóa ta sẽ không xét vào khi tính toán Như vậy chỉ giải quyết bài toán thanh chịu xoắn thuần túy, và mô hình hóa lại trục nối chân vịt ta có:

Hình 1.18: Mô hình hóa trục nối chân vịt

Hình 1.19: Biểu đồ Momen xoắn trục nối chân

vịt

3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển

ĐỘNG CƠ

: Đường năng lượng : Đường tín hiệu MẠCH CẦU H

Hình 1.20: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống Robot

Hệ thống nhìn chung sẽ có hai khối thành phần chính:

- Khối điều khiển: Gồm các thành phần nhƣ pin 9 Volt cung cấp năng lƣợng, các tay joystick điều khiển 4 kênh Up - Down - Left - Right, vi điều khiển và bộ phát tín hiệu bằng sóng RF

- Khối mô hình Robot vớt rác với bộ thu RF, vi điều khiển ATMega8, Module mạch cầu H và động cơ DC, và bình ắc quy 12v-7.2 Ah làm nguồn nuôi chung

I Tay bấm điều khiển

Hình 1.21: Sơ đồ khối tay bấm điều khiển

Nhiệm vụ của tay điều khiển là phát tín hiệu điều khiển trên 4 kênh chính yếu

là Up - Down - Left – Right đến board trung tâm để điều khiển Robot làm việc theo

ý muốn

Về vấn đề chuẩn giao tiếp, nhóm đã chọn truyền thông UART thay vì sử dụng

kỹ thuật vô tuyến trải phổ (Spread Spectrum) tần số FM 2.4GHz vốn thông dụng trong lĩnh vực mô hình điêu khiển này vì những lý do về kinh phí, kinh nghiệm sử dụng, khả năng ứng dụng, mở rộng và phát triển sau này của đề tài Nhóm đã xây