Thiết kế và chế tạo mô hình tàu hút rác trên sông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY ĐỖ THÀNH LÂM MAI ĐÌNH HUY Số thẻ sinh viên : 101120299 101120296 Lớp: 12CDT1 Đà Nẵng, 2017 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG TĨM TẮT Nội dung thuyết minh trình bày q trình thiết kế chế tạo tàu hút rác sông mang tên BICT (bin-catamaran) Tàu hút rác BICT thiết kế dựa theo nguyên lý hoạt động thùng rác “SEABIN” bao gồm thùng hút rác đặt thân mơ hình tàu hai thân Tàu thực nhiệm vụ thu gom rác thải bề mặt sông hồ Với khả hút rác tự động di chuyển linh hoạt tàu hồn tồn thay người việc dọn rác mặt nước Tàu điều khiển từ xa thông qua thiết bị điều khiển sóng vơ tuyến RF Với thực trạng ô nhiễm môi trường nước đáng báo động nay, nhóm mong muốn chế tạo thiết bị góp phần vào cơng tác bảo vệ mơi trường nói chung bảo vệ mơi trường nước nói riêng Tàu hút rác BICT sản phẩm công nghệ không phục vụ công tác dọn rác thải sơng mà cịn mang thơng điệp nhắc nhở đến người việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường sống Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xn Tùy THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SÔNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành Đỗ Thành Lâm 101120299 12CDT1 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mai Đình Huy 101120296 12CDT1 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài đồ án: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Kích thước tổng thể: 1200x700 mm Công suất yêu cầu: 500 W Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Đỗ Thành Lâm Mai Đình Huy Nội dung Chương 2: Thiết kế ngun lý tình tốn cấu b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung Đỗ Thành Lâm Chương 1: Giới thiệu tổng quan Mai Đình Huy Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Nội dung Đỗ Thành Lâm Bản vẽ lắp (A0) Bản vẽ chi tiết khung tàu thân tàu (A0) Mai Đình Huy Bản vẽ chi tiết thùng hút rác băng tải (A0) Bản vẽ sơ đồ khối thuật toán điều khiển (A0) b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung Đỗ Thành Lâm Bản vẽ mạch điều khiển trung tâm (A0) Mai Đình Huy Bản vẽ mạch điều khiển từ xa (A0) Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xn Tùy THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SÔNG Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung: PGS.TS Trần Xuân Tùy Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Trưởng Bộ môn Cơ điện tử Thuyết minh – Bản vẽ - Mơ hình …… /……./201… …… /……./201… Đà Nẵng, ngày tháng năm 201 Người hướng dẫn Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xn Tùy THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG LỜI NĨI ĐẦU Trong xã hội với phát triển khoa học kĩ thuật, đời sống quốc gia ln phải đối mặt với thách thức gia tăng dân số, tệ nạn xã hội, …và đặt biệt vấn đề ô nhiễm mơi trường Ơ nhiễm mơi trường khơng gây tác động xấu đến hệ sinh thái, môi trường sống mà gây nhiều hệ lụy cho hệ mai sau.Vì vậy, bảo vệ mơi trường vấn đề cấp bách cần giải Việt Nam nói chung giới nói riêng Tại Việt Nam, tình trạng nhiễm mơi trường vấn đề đáng báo động, đặc biệt nhiễm nguồn nước Do đó, nhiệm vụ sinh viên, kĩ sư, giảng viên ngành kĩ thuật nghiên cứu, tìm giải pháp để giải vấn đề Là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, định làm đề tài “Nguyên cứu chế tạo tàu hút rác nổi” Mục đích đề tài nghiên cứu đề giải pháp thu gom rác ao, hồ, kênh, rạch, góp phần cải thiện môi trường Với hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình thầy Trần Xuân Tùy, chúng em hoàn thành đề tài thời gian đặt đạt kết mong muốn Vì kiến thức cịn hạn hẹp, kinh nghiệm cịn non yếu nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong quý thầy cô thông cảm bảo thêm Qua đây, em chân thành cảm ơn quý thầy cô, đặc biệt thầy Trần Xuân Tùy tận tình bảo, giúp đỡ em hoàn thành đồ án Sinh viên thực Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TÀU HÚT RÁC TRÊN SƠNG CAM ĐOAN Trong q trình thực đề tài nhóm có tham khảo mơ hình có liên quan thơng qua mạng Internet, phần ghi rõ tên tác giả, nhóm tác giả, kết thực tế phần liên quan theo thơng tin mà nhóm tìm Các lý thuyết nguyên lý điều khiển nêu thuyết minh tham khảo trích dẫn từ tài liệu tham khảo ghi rõ phần phụ lục Ngoài thiết kế cấu, chi tiết tàu nhóm đề ra, khơng chép mơ hình khác Các tính tốn thiết kế, ngun lý hoạt động thực độc lập không sử dụng kết tính tốn từ nguồn có sẵn Các số liệu đo đạc, kết thực nghiệm lấy từ thực tế trình thí nghiệm, vận hành thử sản phẩm Nhóm cam kết không cung cấp số liệu ảo sai với thực tế Nhóm xin cam đoan nhóm trình bày thật cam kết tuân thủ quy định liêm học thuật nhà trường đề Đà Nẵng, ngày tháng , năm 2017 Sinh viên thực Đỗ Thành Lâm Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Mô tả ý tưởng thực đề tài 1.1.1 Giới thiệu dự án Seabin 1.1.2 Giới thiệu mô hình thực tế nghiên cứu đề tài 1.2 Tìm hiểu thiết bị môi trường nghiên cứu 1.2.1 Robot vớt rác sinh viên trường ĐH Sao Đỏ 1.2.2 Máy thu gom rác sông 1.2.3 Máy vớt bèo, lục bình sơng 1.2.4 Hệ thống dọn vệ sinh biển “Ocean Cleanup” 1.3 Thực trạng ô nhiễm môi trường nước nước ta 11 1.3.1 Phân loại hình thức nhiễm mơi trường nước 11 1.3.2 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước 11 1.3.3 Nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước 14 1.4 Ứng dụng thực tiễn đề tài 15 1.5 Phương pháp phương tiện nghiên cứu 16 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 19 1.5.3 Phương tiện nghiên cứu 19 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU 24 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 24 2.1.1 Các phương án thiết kế nguyên lý 24 2.1.2 Các phương án thiết kế hệ thống hút rác 25 2.1.3 Các phương án điều chỉnh thùng hút làm việc 26 2.1.4 Các phương án thiết kế phận chứa rác thải tàu 28 2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 29 2.3 Thiết kế hệ thống 29 2.3.1 Thiết kế thùng hút rác 29 Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 2.3.2 Thiết kế hệ thống nâng hạ thùng hút rác 33 2.3.3 Thiết kế hệ thống băng tải chuyển rác 35 2.2.4 Thiết kế hệ thống động lực tàu 37 2.2.5 Thiết kế khung thân tàu 39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 43 3.1 Lý thuyết pương án điều khiển 43 3.1.1 Điều khiển hoạt động hệ thống Rơle điện 43 3.1.2 Điều khiển động bước 44 3.1.3 Điều khiển động brushless 46 3.1.4 Điều khiển động RC servo 51 3.1.5 Điểu khiển từ xa băng module nRF24L01 52 3.2 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển hệ thống 53 3.2.1 Sơ đồ khối chức 53 3.2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống 54 3.3 Thiết kế mạch điều khiển 55 3.3.1 Mạch điều khiển trung tâm 55 3.3.3 Mạch động lực (điều khiển động brushless, động rc servo) 56 3.4 Lập trình điều khiển hệ thống 56 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hai nhà sáng chế người Úc Pete Ceglinski (trái) Andrew Turton (phải) với sản phẩm họ seabin Hinh 1.2: Hoạt động Seabin thực tế Hình 1.3: Mơ hình tàu hai thân Hình 1.4: Tàu đệm khí ATASD Hình 1.5: Robot vớt rác ĐH Sao Đỏ - Ảnh: Nguyễn Tú Hình 1.6: Bánh xe nước thu gom rác thải sơng Mỹ Hình 1.7: Hệ thống phao dẫn rác thiết bị Hình 1.8: Băng tải chuyển rác cỗ máy Hình 1.9: Máy vớt bèo lục bình sơng Hinh 1.10: Hệ thống thu gom rác thải biển Ocean Cleanup Hình 1.11: Hình ảnh phao Slat nhìn từ cao Hình 1.12: Rác thải sinh hoạt mặt hồ nước Hà Nội Hình 1.13: Rác thải cá chết sơng Sài Gịn Hình 1.14: Một đoạn kênh dẫn nước thành phố Hình 1.15: Mơ hình thùng hút rác thiết kế cho tàu Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động thùng hút rác Hình 1.17: Phần mềm Creo Parametric 3.0 Hình 1.18: Phần mềm Proteus Hình 2.1: Tàu vớt rác sử dụng băng tải Hình 2.2: Thùng hút rác tự động Hình 2.3: Sơ đồ động phương án nâng thùng dây kéo Hình 2.4: Sơ đồ động phương án nâng thùng truyền vít me Hình 2.5: Băng tải kéo rác Hình 2.6: Khoang chứa rác tàu Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động thùng hút rác Hình 2.8: Bản thiết kế thùng hút rác máy tính Hình 2.9: Thùng hút rác sau hồn thành Hình 2.10: Bơm chìm sử dụng thùng hút Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy Hình 2.11: Sơ đồ động hệ thống nâng hạ thùng hút Hình 2.12: Thơng số kỹ thuật động bước Hình 2.13: Hệ thống nâng thực tế Hình 2.14: Sơ đồ động hệ truyền động băng tải Hình 2.15: Mơ hình thiết kế 3d hệ thống băng tải Hình 2.16: Động giảm tốc 12V 116RPM GH-1632T Hình 2.18: Thơng số kỹ thuật động EMAX MT2216 Hình 2.19: Bản thiết kế khung tàu Hình 2.20: Bản thiết kế thân tàu Hình 2.21: Khng thạch cao thân tàu Hình 2.22: Thân tàu sau đắp composite Hình 2.23: Thân tàu sau hồn thiện Hình 3.1: Module rơle đơn giản Hình 3.2: Sơ đồi khối module TB6560 Hình 3.3: Sơ đồ ghép nối module TB6560 Hình 3.4: Suất phản diện động hình thang động brushless Hình 3.5: Stato động BLDC Hình 3.6: Rotor động BLDC Hình 3.7: Hall sensor động BLDC Hình 3.8: Dạng sóng sức phản điện động pha tín hiêu hall sensor Hình 3.9: Nguyên lý mạch động lực điều khiển động BLDC Hình 3.10: Bộ điều tốc ESC dùng để điều khiển động BLDC Hình 3.11: Sơ đồ kết nối ESC Hình 3.12: Động RC servo Hình 3.13: Xung điều khiển động RC servo Hình 3.14: Sơ đồ khối module nRF24l01 Hình 3.15: Sơ đồ khối chức điều khiển Hình 3.16: Sơ đồ thuật tốn điều khiển Hình 3.17: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm Hình 3.18: Mạch động lực Hình 3.19: Mạch động lực Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy đôi với động BLDC công suất lớn đồng nghĩa với ESC phải chịu công suất lớn thường phân loại theo dịng chịu đựng từ 10A -> 100A dĩ nhiên giá cao Hình 3.10: Bộ điều tốc ESC dùng để điều khiển động BLDC ESC hoạt động tương tự chuẩn PWM RC servo, loại ESC chuyên dụng (dùng cho multicopter) tần số hoạt động lên đến 400Hz chu kỳ rút ngắn lại cịn 2.5ms khơng phải 20ms RC servo, thời gian mức cao dao động từ 1ms -> 2ms tốc độ tối thiểu -> tốc độ tối đa Hình 3.11: Sơ đồ kết nối ESC Thường ESC có dây, đó: − dây nguồn nuôi động mạch điều khiển Nguồn nguồn cơng suất lớn, dịng tiêu thụ lên đến 20A tùy loại động Bạn sử Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 50 dụng pin lipo, khơng mang tính di động bạn sử dụng nguồn xung (nguồn tổ ong) Ampe lớn để thử động − dây kết nối với động BLDC − dây nhận tín hiệu điều khiển sử dụng RC servo, lưu ý RC servo ta cần cung cấp nguồn để servo hoạt động ESC dây dây có ký hiệu màu đỏ (hoặc cam) cấp nguồn 5V ngược môi trường 3.1.4 Điều khiển động RC servo RC servo thiết bị có gắn động mini hệ bánh giảm tốc, mục đích giúp trục quay đến góc mong muốn mà giữ góc xác khơng bị trơi lệch, ngồi RC servo cịn có khả chịu tải lớn nhiều lần so với trọng lượng RC servo thường ứng dụng robotic, đồ chơi mơ hình RC (máy bay, xe, thuyền, …) Hình 3.12: Động RC servo Hoạt động RC servo dựa nguyên lý nhận xung PWM cho góc quay RC servo xoay góc cố định có nghĩa khơng thể xoay quanh trục loại động bình thường Tùy loại RC servo mà góc quay hoạt động 0o hay 180o, đa phần 90o Hình 3.13: Xung điều khiển động RC servo Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 51 3.1.5 Điểu khiển từ xa băng module nRF24L01 Modul nRF24L01 hoạt động tần số sóng ngắn 2.4G nên Modul khả truyền liệu tốc độ cao truyền nhận liệu điều kiện mơi trường có vật cản Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền Điều giúp ta truyền nhận liệu nhiều kênh khác Modul khả thay đổi cơng suất phát chương trình, điều giúp hoạt động chế độ tiết kiệm lượng Chú ý: Điện áp cung cấp cho 1.9à3.6V Điện áp thường cung cấp 3.3V Nhưng chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều giúp giao tiếp rộng dãi với dịng vi điều khiển Hình 3.14: Sơ đồ khối module nRF24l01 Thơng số kỹ thuật: − Radio: + Hoạt động giải tần 2.4G + Có 126 kênh + Truyền nhận liệu + Truyền tốc độ cao 1Mbps 2Mbps − Cơng suất phát: Có thể cài đặt cơng suất nguồn phát: 0, -6, -12, -18dBm − Thu: + Có lọc nhiễu đầu thu + Khuếch đại bị ảnh hưởng nhiễu thấp (LNA) Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 52 − Nguồn cấp: + Hoạt động từ 1.9-3.6V + Các chân IO chạy 3.3 lẫn 5V − Giao tiếp: + pin SPI + Tốc độ tối đa 8Mbps + 3-32 bytes khung truyền nhận 3.2 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển hệ thống 3.2.1 Sơ đồ khối chức Hình 3.15: Sơ đồ khối chức điều khiển Bộ điều khiển nhận tín hiệu điều khiển thơng qua thu sóng RF sử dụng module nRF24l01 Tín hiệu điều khiển truyền đến xử lý mạch Arduino Mega theo chuẩn truyền thông spi Bộ điều khiển đưa tín hiệu điều khiển cho mạch động lực tương ứng với tín hiệu nhận Các cơng tắc hành trình dùng để giới hạn chuyển động động bước tránh trường hợp động chạy giới hạn khung trượt gây hư hỏng cho hệ thống Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 53 3.2.2 Thuật tốn điều khiển hệ thống Hình 3.16: Sơ đồ thuật toán điều khiển Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 54 3.3 Thiết kế mạch điều khiển 3.3.1 Mạch điều khiển trung tâm Hình 3.17: Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 3.3.2 Sơ đồ mạch động lực (điều khiển bơm nước, động điện van điện từ) Hình 3.18: Mạch động lực Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 55 3.3.3 Mạch động lực (điều khiển động brushless, động rc servo) Hình 3.19: Mạch động lực 3.4 Lập trình điều khiển hệ thống #include #include "RF24.h" #include // KHAI BAO NRF24L01 ============================================================= == const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; // địa phát RF24 radio(8,53);//thay 10 thành 53 với mega int msg[6]; Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 56 //============================================================ == // KHAI BAO TOAN CUC ============================================================= == Servo esc,turn; const byte active=39; const byte step_en=41; const byte step_dir=42; const byte step_clk=6; const byte bangtai=22; const byte bump=28; //============================================================ == void setup() { // SET PIN ====================================== pinMode(active,OUTPUT); pinMode(step_en,OUTPUT); pinMode(step_dir,OUTPUT); pinMode(step_clk,OUTPUT); pinMode(bangtai,OUTPUT); pinMode(bump,OUTPUT); esc.attach(2); turn.attach(4); //============================================== Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.setAutoAck(1); radio.setDataRate(RF24_1MBPS); // Tốc độ liệu radio.setChannel(10); // Đặt kênh radio.openReadingPipe(1,pipe); radio.startListening(); Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 57 //KHOI DONG ESC ================================== esc.writeMicroseconds(1000); delay(5000); //THIET LAP HE THONG ============================= digitalWrite(active,LOW); digitalWrite(bangtai,LOW); digitalWrite(bump,LOW); } void loop() { if (radio.available()) { while (radio.available()) { radio.read(&msg, sizeof(msg)); //============================================ /* Serial.print(msg[0]); Serial.print(" "); Serial.print(msg[1]); Serial.print(" "); Serial.print(msg[2]); Serial.print(" "); Serial.print(msg[3]); Serial.print(" "); Serial.print(msg[4]); Serial.print(" "); Serial.println(msg[5]); */ //============================================= //CHO PHEP HOAT DONG if (msg[0]==1) { digitalWrite(active,HIGH); Sinh viên thực hiện: Đỗ Thành Lâm, Mai Đình Huy Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy 58 if (msg[2]==1) { digitalWrite(bump,HIGH); digitalWrite(bangtai,HIGH); } else { digitalWrite(bump,LOW); digitalWrite(bangtai,LOW); } } else { digitalWrite(active,LOW); digitalWrite(bump,LOW); digitalWrite(bangtai,LOW); } //============================= //NANG HA THUNG HUT RAC if (msg[1]==1) { digitalWrite(step_en,LOW); while (msg[1]==1) { if (msg[5]>1500) digitalWrite(step_dir,HIGH); if (msg[5]1000) { for (int i=1000;i