Đồ án 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 5 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn - Thiết 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 - Thi công chế tạo đƣợc mô hình Robot dọn rác bề mặt sông. V. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình có liên quan, các tài liệu chuyên môn dùng trong việc tính toán cũng nhƣ điều khiển lập trình trên các trang Web cũng nhƣ trên các diễn đàn mạng Internet. Tìm hiểu các cơ cấu truyền động cũng nhƣ kiểu dáng canô mô hình để hỗ trợ trong việc thiết kế Robot. VI. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU Về phƣơng pháp nghiên cứu: - Tìm hiểu, khảo sát, tham khảo tài liệu, diễn đàn về kiểu dáng thiết kế cũng nhƣ cở sở tính toán chuyên nghành. - Đề ra ý tƣởng chung và dùng phƣơng 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 phƣơng 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 … ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 6 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 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 ngƣời, rác thải có số lƣợng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời. Là một nƣớc 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 nƣớc ta còn nhanh hơn nhiều các nƣớc 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 lƣợng rác thải sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, vởi tổng lƣợng ƣớc 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 7 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Đặt biệc là các hồ nằm trong công trình công cộng hoặc dọc theo các con đƣờng đều bị ảnh hƣởng bởi rác thải, mà nguyên nhân chính là do ý thức ngƣời quá kém trong việc giữ vệ sinh chung, vì mục đích bảo vệ môi trƣờng. Hình 1.2: Xả rác suống Hồ Hoàn Kiếm sau lễ hội phố hoa dịp đầu năm 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và hƣớng giải quyết. Trƣớc tình hình ô nhiễm trầm trọng môi trƣờng nƣớc do rác thải và sự trôi nổi dày đặt của bèo, thực vật sống trôi nổi trên sông làm cản trở phƣơng tiện đƣờng thủy. Cũng một phần công nghệ chế tạo không phức tạp và đƣợc khuyến khích nhƣ hiện nay thì việc nghiên cứu chế tạo ra những sản phẩm giúp cải thiện cho việc ô nhiễm do rác thải đang đƣợc đầu tƣ có mục đích và hiệu quả trong nƣớc 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 ( Trƣờng đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh ) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Bùi Thị Ánh Quốc Trang 8 Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn 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 đƣợc các chức năng nhƣ: cắt và vớt rong, cỏ dại dƣới mặt nƣớc ở độ sâu tối đa 1,5 m cùng với chiều rộng 2,36 m; vớt lục bình, rác thả nổi trên mặt nƣớc và lơ lửng ở độ sâu 0,5 m - bề rộng 4 m; chuyển tải vật sau khi cắt, vớt lên bờ hoặc đƣa lên phƣơng tiện vận chuyển đƣa đi nơi khác chế biến. Hệ thống có thể đƣợc ứng dụng trong hoạt động các công ty công ích c