THIẾT kế CHẾ tạo hệ THỐNG SAN PHẲNG điều KHIỂN BẰNG kỹ THUẬT LASER

THI ẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SAN PHẲNG ĐIỀU KHIỂN B ẰNG KỸ THUẬT LASER DESIGN AND FABRICATION OF A LASER-CONTROLLED LAND LEVELING SYSTEM Tr ần Thị Kim Ngà 1a , Đào Duy Vinh 1 , Nguy ễn Đ

THI ẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SAN PHẲNG ĐIỀU KHIỂN

B ẰNG KỸ THUẬT LASER

DESIGN AND FABRICATION OF A LASER-CONTROLLED LAND LEVELING SYSTEM

Tr ần Thị Kim Ngà 1a , Đào Duy Vinh 1 , Nguy ễn Đăng Khoa 1 ,

Tr ần Minh Lộc 2 , Nguy ễn Văn Hùng 1

a kimnga2510@gmail.com

TÓM T ẮT

thuật san phẳng điều khiển bằng tia laser đã phát triển nâng cao độ chính xác và được áp dụng

bị hoàn toàn nhập ngoại nên chi phí để đầu tư, bảo trì và sửa chữa rất cao Hệ thống thiết bị

quay để thay đổi tia laser từ thẳng đứng thành mặt phẳng nằm ngang và cảm biến góc gia tốc

định theo 3 trường hợp nâng, hạ và cân bằng của gàu san TL được cải tiến để không bị nóng

để giảm cồng kềnh Kết quả nghiên cứu góp phần mang lại lợi ích trực tiếp cho người trồng lúa và phát triển kinh tế sản xuất nông nghiệp nước nhà

Từ khóa: san phẳng laser, bộ phát laser, bộ nhận laser, hộp điều khiển, máy san phẳng

ABSTRACT

Land leveling is an important step of land preparation or reforming in order to decrease soil’s high deviation, water, fertilizer, pesticide, post harvest losses, Since 1970, laser controlled land leveling technology has developed to improve the accuracy and applicated in Viet Nam from 2004 showed a lot of benefits but remained some disadvantages because of importing equipment completely with high costs for investment, maintenance and repair Laser controlled land leveling system was fabricated including four main parts: 1/ laser-surface transmitter (PLS), receiver and control box (NLS), hydraulic system (TL) and scraper (GS) PLS includes a laser transmitter that is fixed to generate a verticle laser beam, a mirror with 45 degree angle was mounted on a motor to change the laser beam from verticle to horizontal surface and a MPU – 6050 sensor to adjust balance of laser surface NLS with an array of sensors to detect the tractor position on low, high or standard soil area and then control the hydraulic system to raise up, down or maintain the scraper to flatten the surface of soil PLS generates a horizontal balance laser surface with deviation less than 0.05 % NLS gives stable signals for three cases: raise up, down and balance TL was improved to prevent the causes of high temperature of oil, response faster and reduce space by replacing two valves 3/2 as imported equipment by a valve 4/3 The research results contribute directly benefits for farmers and develope the domestic agriculture economy

Keywords: laser land leveling, laser tranmitter, laser receiver, control box, leveling

machine

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

cĩ nước, cây phát triển khơng đều,… Với phương pháp truyền thống, người nơng dân thường

cao nên năng suất và hiệu suất thấp Một trong những giải pháp cho khâu làm đất là ứng dụng điều khiển bằng kỹ thuật laser trong cơng nghệ san phẳng Kỹ thuật san phẳng được điều khiển bằng tia laser đã phát triển nâng cao độ chính xác và cĩ thể áp dụng trên ruộng khơ nên nâng cao được năng suất và hiệu suất san phẳng Hiện nay, hệ thống này đang chú trọng phát

đến 2011 đã cho thấy san phẳng laser tiết kiệm được 21% nguồn nước tưới so với phương

triển nơng nghiệp theo mơ hình cánh đồng mẫu lớn và thuận lợi cho cơ giới hĩa trong sản xuất nơng nghiệp [3,4,5]

phí để đầu tư cho một hệ thống khá cao đồng thời khâu bảo trì, bão dưỡng khĩ khăn vì thiết bị đang thử nghiệm là nhập ngoại hồn tồn Vì vậy, nghiên cứu này nhằm nội địa hĩa hệ thống thiết bị để cĩ thể dễ dàng triển khai rộng rãi, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho nền nơng

phát mặt phẳng laser (PLS); thiết bị nhận tia laser và điều khiển (NLS);hệ thống thủy lực

7 6 1

Mặt phẳng Laser

9 8

3 2

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo của liên hợp máy san laser

1: Bộ phát tia laser 2 Xy lanh thủy lực 3 Bộ phận nhận tín hiệu laser

4 Cụm gàu san 5 Hộp phân phối thủy lực 6 Ống thủy lực

7 Van thủy lực 8 Hộp xử lý và điều khiển 9 Máy kéo

xuống vùng đất trũng, từ đó truyền tín hiệu về bộ điều khiển (8) xử lý Sau khi xử lý, tín hiệu được truyền tới hệ thống thủy lực (5) để kích đóng hoặc mở van thủy lực để nâng /hạ hay duy trì xy lanh thủy lực (2) Nghĩa là khi cụm gàu san lên vùng đất cao thì bộ phận điều khiển sẽ điều khiển cho xy lanh thủy lực hạ gàu san để lấy đất, còn khi cụm gàu san xuống vùng đất trũng thì bộ phận điều khiển sẽ điều khiển cho xy lanh thủy lực nâng gàu san lên để thả đất

phẳng laser

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2 1 Thi ết bị phát mặt phẳng laser

điều khiển vòng kín Khi hoạt động, tín hiệu từ cảm biến cân bằng MPU-6050 được báo liên

tục về vi điều khiển và vi điều khiển sẽ tiến hành phân tích trạng thái và xuất tín hiệu điều

Y hoạt động sẽ làm cho trạng thái cân bằng thay đổi Vòng lặp cứ thực hiện cho đến khi giá trị

Hình 2 K ết cấu cơ khí Hình 3 Sơ đồ điều khiển thiết bị phát mặt phẳng

laser t ự cân bằng 2.2 Thiết bị nhận tia laser và điều khiển

Yongsheng Si đã sử dụng kính lọc ánh sáng được thiết kế gồm kính đỏ và kính lọc nhiễu để

thiết kế thiết bị nhận, thiết bị nhận đã được thiết kế gồm kính lọc để lọc tia laser trước khi đến

ở vùng đất cao hay vùng đất trũng và sẽ truyền tín hiệu về cho thiết bị điều khiển xử lý để nâng hạ gàu san

Hình 4 Thiết bị nhận của Trimble Hình 5 Hộp điều khiển (Control box)

đề cốt lõi trong thiết kế bộ nhận Trong điều kiện ban ngày, cường độ của sánh sáng trời mạnh hơn cường độ tia laser nên phải làm sao để giảm ánh sáng trời yếu hơn tia laser khi đến cảm

được đưa qua một kính lọc màu đỏ để cho thành phần ánh sáng đỏ đi qua, loại bỏ bớt các

Hình 6 Sơ đồ khối bộ nhận laser

Điều khiển nâng/hạ hay duy trì gàu san được thực hiện nhờ vào việc điều khiển hệ thống thủy lực dựa vào tín hiệu laser nhận được từ bộ nhận tín hiệu Bộ điều khiển bao gồm các thành phần chính: CPU (STM32F103RCT6), bộ hiển thị độ cao, mạch chuyển đổi chế độ hoạt động bằng tay hoặc chế độ tự động, Solid State Relay (SSR) để điều khiển van thủy lực 4/3 như Hình 7

Hình 7 Sơ đồ bộ điều khiển

2 3 H ệ thống thủy lực

thái duy trì và hạ gàu san, đường dầu bị chặn cưỡng bức và chỉ trả về thùng khi nào áp lực dầu

HIGH

ON

LOW

MANUAL RAISE

LOWER

M A U L

AUTO

OFF ON POWER

10 AMP CONTROL SYSTEM

TRIMBLE

độ và làm cho thời gian đáp ứng hạ chậm Vì những lý do đó nên trong đề tài này thay thế 2 van thủy lực 3/2 bằng van thủy lực 4/3

Hình 8 Sơ đồ hệ thống thủy lực 3/2

a Trạng thái nâng; b Trạng thái duy trì;

c Trạng thái hạ theo trọng lượng

Hình 9 Gàu san

1 Ốc hiệu chỉnh 1; 2 Cữ chặn;

3 Lưỡi nạo

2.4 Gàu san

chi phí năng lượng do ma sát Cơ cấu thay đổi góc nâng đất của lưỡi nạo: do thiết kế cơ cấu lưỡi nạo (3) và ốc hiệu chỉnh 1 (1) nằm liền với nhau nên chỉ cần kìm hãm góc xoay bằng

chuyển động của lưỡi từ trái sang phải theo phương x Ốc hiệu chỉnh 1 có tác dụng kéo lưỡi từ

phải sang trái Cơ cấu thay đổi góc nâng đất của lưỡi nạo từ 5 ÷ 10º

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 K ết quả chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser

Kết quả chế tạo được trình bày trong Hình 10 [8]

a) b) c) d)

Hình 10 Bộ phát được chế tạo và lắp ráp

3.2 K ết quả chế tạo thiết bị nhận tia laser và điều khiển

gàu Như vậy, mạch cảm biến sẽ cho ra ba tín hiệu biểu thị độ cao của đất để điều khiển ba

như Hình 11 Thiết bị nhận được thiết kế gồm bốn mặt với 84 Photo IC trên mỗi mặt kết hợp

hiệu là 900, như vậy với bốn mặt ở bốn góc sẽ nhận được tia laser với góc 3600

Hình 11 Ghép các phần tử cảm biến Hình 12 Sơ đồ bố trí phần cứng bộ phận laser

nút nhấn, relay, công tắc gạt, bên ngoài có nút nhấn, nút gạt cùng đèn báo

Hình 13 K ết quả chế tạo thiết bị nhận và điều khiển 3.3 K ết quả chế tạo hệ thống thủy lực

ở vị trí B (Hình b) Dầu từ bơm đến van rồi được trả về thùng, xy lanh (8) được duy trì và gàu san cũng được duy trì ở mức chuẩn Khi gàu san ở vùng đất thấp (so với mức chuẩn), van

thủy lực (6) được kích ở vị trí C (Hình c) Dầu từ bơm thông qua van đẩy xy lanh (8) duỗi ra, gàu san được nâng lên để thả đất xuống vùng thấp

Ưu điểm của hệ thống này là khi xy lanh hoạt động ở cả 3 chế độ: nâng, hạ, duy trì, đường dầu được lưu thông từ bơm qua van đến xy lanh thủy lực rồi trả về thùng tạo thành một vòng khép kín Do đó giảm áp lực của dầu, giảm nhiệt độ dầu, không gây hiện tượng nóng

Hình 14 Nguyên lý làm việc của hệ thống van thủy lực 4/3

3.4 K ết quả chế tạo gàu san

tránh được hiện tượng trượt của gàu khi làm việc với đất dẽ Các bộ phận của gàu được chế

Hình 15 Sơ đồ lắp gàu san Hình 16 Kết quả chế tạo gàu san và thủy lực

3.5 K ết quả khảo nghiệm

Kh ảo nghiệm sự chênh lệch của mặt phẳng laser so với phương ngang

phương ngang được bố trí thí nghiệm theo Hình 17 và kết quả được thể hiện theo Hình 18

Hình 17 B ố trí thí nghiệm Hình 18 Biểu đồ kết quả sai lệch của mặt phát laser

phương ox va oy đều nhỏ hơn 44mm Kết quả này đáp ứng yêu cầu đặt ra là mặt phẳng laser

Khảo nghiệm độ ổn định của thiết bị nhận, điều khiển và đáp ứng nâng hạ gàu của

van th ủy lực

độ cao thấp khác nhau của mặt phẳng laser sao cho tia laser đến ba vùng cao, giữa, cân bằng

trên bộ nhận Quan sát tín hiệu trên bộ điều khiển thông qua ba đèn nâng, cân bằng hay hạ gàu

và quan sát đáp ứng nâng hạ của hệ thống thủy lực

B ảng 1 Kết quả đáp ứng của thiết bị nhận, điều khiển và đáp ứng nâng hạ gàu

c ủa van thủy lực

Mức laser đến

bộ nhận Tín hibộ điều khiển ệu đèn sáng trên Tín hilực Y1 (nâng gàu san) ệu kích van thủy Tín hilực Y2 (hạ gàu san) ệu kích van thủy

3.6 Th ảo luận

cũng như phần cảm biến so với thiết bị ngoại nhập Thiết bị sử dụng cảm biến cân bằng

hướng vuông góc nhau, từ đó điều khiển hai động cơ nâng hạ để xác lập vi trí cân bằng Kết

phẳng chứa tia laser Kết cấu này đơn giản, dễ chế tạo và dễ điều khiển

Thiết bị nhận laser và điều khiển: đáp ứng yêu cầu đặt ra như không bị nhiễu trong điều

của đất

chưa bị kích Khi gàu san được nâng lên quá giới hạn của pít tông, áp suất dầu tăng cao,

thùng chứa

K ẾT LUẬN

kế chế tạo hoàn chỉnh gồm bốn phần: Thiết bị phát mặt phẳng laser; Thiết bị nhận tia laser và điều khiển; Hệ thống thủy lực và Gàu san

phương ngang

xuất tín hiệu ổn định theo ba trường hợp nâng, duy trì và hạ gàu san

lưỡi nạo nhằm giảm nhiên liệu trong quá trình san phẳng

người trồng lúa nói riêng và phát triển của kinh tế sản xuất nông nghiệp nói chung

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P K Naresh, S P Singh, A K Misra, S S Tomar, Pardeep Kumar, Vineet Kumar and

Sanjeev Kumar Evaluation of the laser leveled land leveling technology on crop yield

and water user productivity in Western Uttar Pradesh African Journal of Agriculture

Vol 9(4), pp 473-478, 23 January, 2014

[2] Jeetendra Prakash Aryal Meera Bhatia mehrotra, m.L.Jat, Harminder Singh Sidhu

Impacts of laser land leveling in rice-wheat systems of the north-western indo-gangetic plains of India Food security June 2015, Volume 7, Issue 3, pp 725-738

[3] 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

chênh l ệch mặt đồng Kỷ yếu Hội thảo San phẳng đồng ruộng ứng dụng điều khiển kỹ

[5] Nguyễn Văn Khải, 2013 Các phương pháp san phẳng truyền thống Kỷ yếu Hội thảo

03/2013

[6] www.trimble.com

[7] www.topconpositioning.com

thi ết bị phát mặt phẳng laser ứng dụng trong hệ thống san phẳng Hội nghị toàn quốc lần

[9] S S Mohtasebi, A Hoseinzadeh, M.omid, N Bolfathi Design and evaluation of

automatic agricultural land leveling control system for scraper International journal of

agriculture and biology 1560-8530/2007/09-1-59-63

[10] Yongsheng Si, Giang Liu, Jianhan Lin, Qingfei Lv, Feng Juan Design of control system

of laser leveling machine based on fussy control theory International Conference on

Computer and Computing Technologies in Agriculture (CCTA 2007), Wuyishan, China, August 18-20, 2007

[11] Yang Zheng, LV Qingfei, Liu Gang Improvement and experiment on laser-controlled

land leveling system New Zealand Journal of agriculture research, 2007, Vol.50:

1059-1065

[12] Lv Qingfei, Liu Gang Research on an improved laser-controlled land leveling system

413-416 2008