THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ PHẬN CẮT TẠO HÌNH CỦA ROBOT TỈA VIỀN CÂY XANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ PHẬN CẮT TẠO HÌNH CỦA ROBOT TỈA VIỀN CÂY XANH Họ tên sinh viên: TRẦN TRÍ TÂM HỒ BẢO LỘC Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2014-2018 Tháng năm 2018 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ PHẬN CẮT TẠO HÌNH CỦA ROBOT TỈA VIỀN CÂY XANH TÁC GIẢ TRẦN TRÍ TÂM HỒ BẢO LỘC Khóa luận đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp kỹ sư ngành điện tử Giáo viên hướng đẫn: ThS Đào Duy Vinh Tháng năm 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Khoa Cơ Khí- Cơng Nghệ trường Đai Học Nơng Lâm Tp.HCM, thầy cô môn Cơ Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi cho em thực tốt khóa luận tốt nghiệp Em xin gửi lời tri ân đến thầy Ths Đào Duy Vinh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt q trình thực khóa luận Những góp ý sâu sắc tận tình thầy giúp cho khóa luận em hồn thiện chu nhiều Em xin gửi lời cảm ơn đến người anh, người bạn trước nghề chia kinh nghiệm vơ q bái Tận tình giải đáp thắc mắc góp ý vô chân thành Cuối chúng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên giúp đỡ chúng em suốt trình học tập Trong trình làm đề tài, em cố gắng nổ lực tìm kiếm tài liệu trao đổi kiến thức với ạn bè Mặc dù cố gắng nhiều để hoàn thành tốt luận văn này, chắn q trình làm việc khơng tránh khỏi sai sót han chế kính mong thơng cảm, góp ý từ phía thầy bạn Sinh viên thực Trần Trí Tâm i Hồ Bảo Lộc TÓM TẮT Ngày nay, Việt Nam giai đoạn đẩy mạnh phát triển công nghiệp, với việc ngày áp dụng tiến thành tựu khoa học kĩ thuật vào thực tiễn nhiều lĩnh vực Sự phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật đặt câu hỏi lớn cho nhiều lĩnh vực khác phải thích nghi với phát triển Cảnh quan mơi trường Việt Nam khơng ngoại lệ, nhu cầu chăm sóc cảnh ngày trọng điều kiện khoa học kĩ thuật không đủ đáp ứng nhu cầu giới hóa, tự động hóa nên nhiều hoạt động chăm sóc cắt, tỉa, tạo hình,….vẫn thơ sơ, suất lao động chưa cao Việc cải tiến thiết bị theo hướng chun mơn hóa, tự động động hóa cần trọng Chính vậy, nhóm em lựa chọn lĩnh vực cắt tỉa viền cụ thể Thiết kế, chế tạo Robot tỉa viền xanh tự động cho đề tài Nhưng thời gian có hạn nên nội dung đề tài bao gồm Thiết kế chế tạo điều khiển phận cắt tạo hình Robot tỉa viền xanh” Đề tài “Thiết kế, chế tạo điều khiển phận cắt tạo hình Robot tỉa viền xanh” xưởng CK6 khoa Cơ Khí- Cơng nghệ trường đại học Nông Lâm Đề tài đươc thực từ tháng 12 năm 2017 hoàn tất vào tháng năm 2018 Những nội dung đề tài: Thiết kế phần khung kết cấu tỉa viền cho Robot Phân tích chọn lựa kết cấu điều chỉnh cao độ lưỡi cắt Tính tốn chọn lựa cơng suất động cắt Thiết kế mạch điều khiển cấu tỉa viền Robot Thiết lập giải thuật điều khiển biên độ cắt phù hợp với tốc độ di chuyển Robot Khảo nghiệm Robot tỉa viền thực tế ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH v DANH SÁCH CÁC BẢNG vii Chương MỞ ĐẦU .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thưc tiễn Chương TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu đề tài 2.2 Một số phương pháp sử dụng để tỉa viền xanh 2.2.1 Tỉa kéo 2.2.2 Dùng máy cầm tay 2.3 Tình hình nghiên cứu nước 2.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .4 2.4 Tổng quát trình cắt thái vật thể 2.4.1 Cơ sở lí thuyết 2.4.2 Cơ sở vật lý 2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình cắt 2.5 Một số linh kiện, thiết bị sử dụng đề tài .11 2.5.1 Vi điều khiển Atmega 328 .11 2.5.2 Mạch nguồn LM2596 12 2.5.2 Encoder 12 2.5.3 Động điện chiều 13 2.5.4 Động chổi than 24V 250W hộp số giảm tốc .16 2.5.5 Động 775 16 2.5.7 Công tắc hành trình 17 iii 2.5.8 Rờ le(relay) 17 2.5.9 Cơ cấu truyền động vít me – đai ốc 18 2.5.10 Kết cấu tay quay trượt 20 2.6 Quy trình tỉa viền Robot 20 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 3.1 Nội dung .22 3.2 Phương pháp nghiên cứu 22 3.2.1 Phương pháp thực 22 3.2.2 Phương tiện thực 22 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 4.1 Robot tỉa viền xanh đường phố .23 4.2 Thiết kế phận cắt tỉa Robot tỉa viền xanh đường phố 24 4.3 Mơ hình tốn chuyển động lưỡi cắt tỉa viền xanh 25 4.4 Thiết kế lưỡi cắt tỉa robot tỉa viền xanh 28 4.4.1 Khảo sát kích thước bệ xi măng viền xanh 28 4.4.2 Thiết kế lưỡi cắt 29 4.5 Thiết kế phận cắt tỉa mặt xanh nâng hạ theo phương OZ 30 4.6 Thiết kế phận cắt tỉa hai mặt bên xanh 32 4.7 Tính tốn chọn chọn công suất động 33 4.7.1 Tính tốn chọn cơng suất động cắt 33 4.9 Tính tốn, thiết kế, chế tạo mạch điện điều khiển 35 4.9.1 Hệ thống điện phận cắt .35 4.8 Một số hình ảnh trình thực đề tài 47 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .49 5.1 Kết luận 49 5.2 Đề nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC………………………………………………………………………….51 iv DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Hàng rào xanh Hình 2.2: Cắt tỉa máy cầm tay Hình 2.3: Máy cắt xanh nông nghiệp Hình 2.4: Thơng số kỹ thuật Hình 2.5: Một số loại cảnh trồng viền hoa Hình 2.6: Lưỡi dao thí nghiệm cắt trượt .8 Hình 2.7: Góc cắt thái Hình 2.8: Đồ thị phụ thuộc q với W (%) vận tốc V(m/s) 10 Hình 2.9: Cấu tạo Atmega 328 11 Hình 2.10: Cấu tạo mạch nguồn LM2596 .12 Hình 2.11: Cấu tạo Encoder 13 Hình 2.12: Cấu tạo động DC 14 Hình 2.13: Nguyên tắc hoạt động động DC .15 Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo động DC 16 Hình 2.15: Động 775 16 Hình 2.17: Cấu tạo Relay 18 Hình 2.18: Cấu tạo Vít me- đai ốc 19 Hình 2.19: Cấu tạo tay quay trượt 20 Hình 2.20: Qui trình cắt tỉa viền robot 20 Hình 4.1: Robot tỉa viền xanh đường phố 23 Hình 4.2: Cấu tạo phận cắt tỉa robot cắt tỉa viền xanh 24 Hình 4.3: Mơ hình tốn chuyển động lưỡi cắt tỉa viền xanh 26 Hình 4.4: Quỹ đạo chuyển động lưỡi cắt 27 Hình 4.5: Mơ hình khảo sát kích thước bệ xi măng viền xanh 28 Hình 4.6: Nguyên lý hoạt động lưỡi cắt tỉa viền xanh .29 v Hình 4.7: Cấu tạo phận cắt tỉa mặt xanh nâng hạ theo phương OZ .30 Hình 4.8: Cấu tạo phận cắt tỉa hai mặt bên xanh .32 Hình 4.9: Sơ đồ khối điều khiển phận cắt tỉa cho xanh .33 Hình 4.10: Sơ đồ khối điều khiển phận cắt tỉa cho xanh 35 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn LM2596S .36 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phận cắt 36 Hình 4.13: Tín hiệu xung PWM 39 Hình 4.15: Giải thuật điều khiển 42 Hình 4.16: Khảo sát tốc độ 75 vòng/phút 44 Hình 4.17: Khảo sát tốc độ 150 vòng/phút 45 Hình 4.18: Khảo sát biên dạng cắt tốc độ 150 vòng/phút 46 Hình 4.19: Khảo sát biên dạng cắt tốc độ 150 vòng/phút 46 Hình 4.20: Hình ảnh thực tế hệ thống điện 47 Hình 4.21: Viền xanh trước sau cắt 47 Hình 4.22: Bộ phận cắt trình thử nghiệm .48 Hình 4.23: Robot trình khảo nghiệm thực tế .48 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật máy cắt xanh công nghiệp Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật vi điều khiển Atmega 328 11 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật mạch nguồn L2596 12 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật động 775 .17 Bảng 4.1: Số liệu khảo sát kích thước bệ xi măng viền xanh……………… 27 Bảng 4.2: Sơ đồ nối chân tín hiệu điều khiển ……………………… 36 Bảng 4.3: Bảng khảo sát thay đổi hệ số PID 40 vii Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Trong môi trường sống chúng ta, xanh yếu tố quan trọng thiếu Nhờ chúng mà không gian sống ta trở nên lành hơn, giúp lượng oxi tăng giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, bảo vệ khí chống thiên tai Cũng sinh vật khác, xanh phát triển lớn mạnh theo thời gian Thế nên, để giữ cho xanh tươi ngày cần phải chăm sóc liên tục Ngồi cơng việc tiếp dinh dưỡng cho tưới nước, bón phân việc cắt tỉa cành tạo viền cho xanh việc quan trọng giúp tăng thẩm mỹ cho sân vườn nhà bạn cơng trình cơng cộng đường xá, trường học, công viên, bệnh viện… Việc cắt tỉa tạo viền nhiều thời gian nhân công gây ảnh hướng đế sức khỏe người lao động, với việc khoa học kỹ thuật ngày phát triển máy móc thay người lao động giảm thời gian cơng sức người lao động Vì việc thiết kế, chế tạo Robot tỉa viền xanh nhu cầu cần thiết Hình 1.1: Hàng rào xanh Luật điều khiển PID Bảng 4.3 Bảng khảo sát thay đổi hệ số PID Đáp ứng HT Thời gian tăng Thời gian ổn định Vọt lố Kp Giảm Tăng Ki Giảm Tăng Kd Ít thay đổi Tăng Dựa vào bảng 4.3 ta thấy Sai lệch so với trạng thái bền Ít thay đổi Giảm Tăng Triệt tiêu Tăng Ít thay đổi luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh không triệt tiêu sai lệch, đồng thời làm vọt lố hệ thống tăng Khâu tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch tác động chậm Khâu vi phân phản ứng với tốc độ biến thiên sai lệch Ta cần xác định thông số Kp, Ki, Kd để hệ thống có chất lượng mong muốn Như vậy, chức thành phần điều khiển PID rõ Tùy vào mục đích đối tượng điều khiển mà điều khiển PID lượt bớt để trở thành điều khiển P, PI PD Cơng việc người thiết kế điều khiển PID chọn hệ số Kp, Kd Ki cho điều khiển hoạt động tốt ổn định (quá trình gọi PID gain tuning) Đây việc dễ dàng phụ thuộc vào nhiều yếu tố Tơi tóm tắt kinh nghiệm chọn hệ số cho PID sau: Chọn Kp trước: thử điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều chỉnh Kp cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm chọn giá trị thích hợp Steady state error xuất Thêm thành phần I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error đồng thời không overshot xuất trở lại 4.10 Giải thuật điều khiển Sau thiết lập xong thông số cho Robot, ta thực viết giải thuật điều khiển lập trình Arduino 41 Hình 4.15: Giải thuật điều khiển 42 Trong đó: Set_Speed: Tốc độ mong muốn động hoạt động KP , KD, KI: Hệ số PID dùng giải thuật điều khiển động TCNT1: Bộ đếm Timer Error _Speed: Tốc độ lỗi ( tốc độ chênh lệch tốc độ mong muốn tốc độ tại) Error_Speed_Sum: Tổng tốc độ lỗi Error_Speed_Pre: Tốc độ lỗi trước PWM: Xung tín hiệu để điều khiển tốc độ động Nguyên lí giải thuật điều khiển phận cắt Robot tỉa viền xanh Bắt đầu cần chọn chương trình cho hệ thống, chương trình chọn Auto đợi tín hiệu từ chân xung Encoder gắn với trục bánh xe Nếu có tín hiệu từ Encoder bắt đầu chạy chương trình Auto Ban đầu nhập giá trị đầu vào Set_Speed (tốc độ mong muốn), Kp, Ki, Kd , tương ứng với tốc độ , với cần nhập vào giá trị khoảng thời gian lấy mẫu để tính tốc độ Chương trình dừng đến hàm Interrupt thiết lập tín hiệu đầu vào từ Encoder (gắn với động nâng hạ lưỡi dao ngang) đạt trạng thái Rising Khi đó, giá trị xung n cộng dồn hàm Timer (TCNT1) đạt giá trị 59286, tốc độ thực tế động tính theo cơng thức giá trị Sau đó, cơng thức giải thuật PID đưa vào để tính tốn hệ số như: Error _Speed (Sự chênh lệch vận tốc vận tốc mong muốn), Error_Speed_Sum (Tổng tốc độ lỗi),Error_Speed_Pre (Tốc độ lỗi trước) Sau tín hiệu điều khiển PWM tính tốn theo cơng thức cho giá trị để điều khiển tốc độ động cho ổn định tốc độ Cuối chương trình đợi tín hiệu kết thúc xuất để tiếp tục hay để kết thúc chương trình Nếu chương trình chọn khơng phải Auto, chương trình đợi tín hiệu , tín hiệu điều khiển cho động quay thuận động quay thuận, động quay thuận có tín hiệu từ cơng tắc hành trình động dừng, tương tự, tín hiệu điều khiển cho động quay nghịch động quay nghịch, động quay có tín hiệu từ cơng tắc hành trình Nếu khơng có hai tín hiệu quay thuận hay quay nghịch chương trình dừng đợi tín hiệu điều 43 khiển Khi có tín hiệu kết thúc chương trình kết thúc chương trình, khơng chương trình lặp lặp lại Khảo sát tốc độ phận nâng hạ dao cắt ngang Sau áp dụng giải thuật PID vào trình điều khiển tốc độ động cơ, dùng phần mềm khảo sát tốc độ phận nâng hạ dao cắt ngang khảo sát tốc độ động theo thời gian thực Quá trình khảo sát hai tốc độ 75vòng/phút 150 vòng/phút để tìm hệ số Kp, Ki, Kd phù hợp với tốc độ chọn ban đầu Hình 4.16: Khảo sát tốc độ 75 vòng/phút Dựa vào biểu đồ hình 4.16, thấy tốc độ ban đầu áp dụng giải thuật PID có phần khơng ổn định hệ số tính tốn, sau khoảng vài giây hệ thống dần ổn định với mức chênh lệch tốc độ từ 72 -78 vòng/phút so với thơng số mong muốn 75 vòng/phút 44 Hình 4.17: Khảo sát tốc độ 150 vòng/phút Đồ thị hình 4.17 cho thấy tốc độ có phần ổn định tốc độ mong muốn mang giá trị lớn nên việc tính tốn hệ số bù lỗi dể dàng nhanh Tốc độ dao động từ 149 đến 159 vòng/phút 45 Khảo sát biên dạng cắt theo tốc độ hạ lưỡi cắt ngang Việc khảo sát biên dạng cắt thực trường hợp biên độ không đổi thay đổi tốc độ lên xuống dao cắt ngang, kết nhận được thể hình 4.18 4.19 Hình 4.18: Khảo sát biên dạng cắt tốc độ 150 vòng/phút Hình 4.19: Khảo sát biên dạng cắt tốc độ 75 vòng/phút 46 4.8 Một số hình ảnh trình thực đề tài Hình 4.20: Hình ảnh thực tế hệ thống điện Hình 4.21: Viền xanh trước sau cắt 47 Hình 4.22: Bộ phận cắt trình thử nghiệm Hình 4.23: Robot trình khảo nghiệm thực tế 48 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn thành: Thiết kế, chế tạo thành công phần khung kết cấu tỉa viền cho Robot Chọn lựa kết cấu điều chỉnh cao độ lưỡi cắt Thiết kế mạch điều khiển cấu tỉa viền Thiết lập giải thuật điều khiển biên độ cắt phù hợp với tốc độ chuển Robot Khảo nghiệm Robot tỉa viền thực tế Ưu điểm: Cắt tỉa viền có tính thẩm mĩ cao Tiết kiệm thời gian đáng kể so với thực cắt tỉa thủ công Hệ thống tự động nên tốn cơng sức q trình cắt Nhược điểm: Chỉ tạo biên dạng cong lần cắt Hệ thống dao cắt cồng kềnh Tạo tiếng ồn lớn trình cắt 5.2 Đề nghị Do thời gian thực đề tài có hạn nên chưa thể thực khảo nghiệm nhiều để dánh giá mức độ ổn định xác điều khiển Hướng phát triển Nghiên cứu phận điều chỉnh dao đứng tiện lợi Cải tiển tăng độ dịch chuyển phận nâng hạ dao cắt ngang Cải tiếp phận gôm viền để cắt ngàng Thiết kế chế tạo thêm phận giám sát trình theo thời gian thực thông qua Internet 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Miên, Máy chế biến thức ăn gia súc, NXB Tp Hồ Chí Minh 1996 [2] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật khí, Nhà xuất giáo dục 2002 [3] Phạm Thanh Huyền, Đỗ Việt Hà, 2002 Linh kiện điện tử bản, NXB Thông Tin Truyền Thông [4] Phạm Quang Huy, Lê Cảnh Trung Lập trình vi điều khiển với Arduino, NXB Khoa Hoc Kỹ Thuật 50 PHỤ LỤC Phần Code #define HT_TREN #define HT_DUOI #define pin_a #define pin_b #define DIR #define PWM #define MODEa 13 #define MODEb #define UP #define DOWN 12 11 bool motor_detect = false, motor_start = false; int encoder = 0; double pv_speed = 0, set_speed = 200, e_speed = 0, e_speed_pre = 0, e_speed_sum = 0; double pwm_pulse = 0, kp = 5, ki = 2.2, kd = 3; int timer1_counter; //for timer void setup() { pinMode(MODEa, INPUT); pinMode(MODEb, INPUT); pinMode(UP, INPUT); pinMode(DOWN, INPUT); pinMode(pin_a, INPUT); pinMode(pin_b, INPUT); pinMode(HT_TREN, INPUT); pinMode(HT_DUOI, INPUT); pinMode(DIR, OUTPUT); pinMode(PWM, OUTPUT); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin_a), detect_a, RISING); Serial.begin(115200); 51 noInterrupts(); // disable all interrupts TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; timer1_counter = 59286; // preload timer 65536-16MHz/256/2Hz (34286 for 0.5sec) (59286 for 0.1sec) TCNT1 = timer1_counter; // preload timer TCCR1B |= (1 255) { analogWrite(PWM, 0); } else { 54 analogWrite(PWM, 255); } } } void MAN() { if ((digitalRead(UP) == 1) && (digitalRead(DOWN) == 0) ) { if (digitalRead(HT_TREN) == 1) { MOTOR(1, 1); } else { MOTOR(1, 255); } } else if ((digitalRead(UP) == 0) && (digitalRead(DOWN) == 1)) { if (digitalRead(HT_DUOI) == 1) { MOTOR(0, 50); } else { MOTOR(0, 255); } } else { MOTOR(0, 255); } } 55 ... vực cắt tỉa viền cụ thể Thiết kế, chế tạo Robot tỉa viền xanh tự động cho đề tài Nhưng thời gian có hạn nên nội dung đề tài bao gồm Thiết kế chế tạo điều khiển phận cắt tạo hình Robot tỉa viền xanh ... 20 Hình 2.20: Qui trình cắt tỉa viền robot 20 Hình 4.1: Robot tỉa viền xanh đường phố 23 Hình 4.2: Cấu tạo phận cắt tỉa robot cắt tỉa viền xanh 24 Hình 4.3: Mơ hình tốn... v Hình 4.7: Cấu tạo phận cắt tỉa mặt xanh nâng hạ theo phương OZ .30 Hình 4.8: Cấu tạo phận cắt tỉa hai mặt bên xanh .32 Hình 4.9: Sơ đồ khối điều khiển phận cắt tỉa cho xanh .33 Hình