Thiết kế bộ nhận và điều khiển hệ thống san phẳng lasler bằng hệ suy luận mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐĂNG KHOA THIẾT KẾ BỘ NHẬN VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SAN PHẲNG LASER BẰNG HỆ SUY LUẬN M

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐĂNG KHOA

THIẾT KẾ BỘ NHẬN VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SAN PHẲNG LASER BẰNG HỆ SUY LUẬN MỜ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 7 0 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

THIẾT KẾ BỘ NHẬN VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SAN

PHẲNG LASER BẰNG HỆ SUY LUẬN MỜ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐĂNG KHOA

THIẾT KẾ BỘ NHẬN VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SAN PHẲNG LASER BẰNG HỆ SUY LUẬN MỜ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa Cơ Khí-Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM

Ngành học: Cơ Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu, điều khiển tự động các thông số làm việc của máy đánh lông gà trong dây truyền giết mổ gia cầm ứng dụng PLC-S7200

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 08/2010 tại trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM

Người hướng dẫn:TS Nguyễn Văn Hùng

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày …, tháng ….,năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Đăng Khoa

iv

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:

- Thầy PGS.TS.Nguyễn Trường Thịnhvà thầy PGS.TS Nguyễn Văn

Hùngđã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận

văn

- Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau Đại Học, ban chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này

- Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện lắp đặt và khảo nghiệm để thực hiện đề tài

- Tập thể giảng viên khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ ThuậtTp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình tôi học tại trường

- Tập thể học viên lớp cao học điện tử khoá 2013Bđã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

v

TÓM TẮT

Thiết bị nhận laser ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng là một phần hết sức quan trọng trong hệ thống san phẳng đồng ruộng dùng công nghệ laser Thiết bị đƣợc gắn trên gàu san của hệ thống san phẳng Hoạt động chính của thiết bị là nhận chùm tia laser từ bộ phát theo mặt phẳng cân bằng từ đó nhận biết đƣợc gàu san đang nằm ở vị trí cao hay thấp trên mặt đồng để phát lệnh điều khiển gàu đi lên hoặc đi xuống so với vị trí cân bằngthông qua xi lanh thuỷ lực Để làm đƣợc điều này thiết bị phải có bốn mạch cảm biến (gồm nhiều cảm biến laser đƣợc sắp xếp theo độ cao) để nhận biết độ cao của mặt đồng Bốn mạch cảm biến đƣợc bố trí

động khi hệ thống di chuyển Để tăng độ chính xác và giảm hao mòn thiết bị lý thuyết mờ Fuzzy logic đƣợc ứng dụng điều khiển độ mở của van thuỷ lực thông qua hộp điều khiển khi nhận tín hiệu từ bộ phát Hộp điều khiển có nhiệm vụ chuyển đổi công suất từ tín hiệu điều khiển và phát lệnh điều khiển các van điện từ đóng mở từ

đó điều khiển vị trí của gàu san bằng cách nâng hạ xi lanh thuỷ lực Kết quả chế tạo

và kiểm nghiệm cho thấy cho thấy thiết bị nhận có kết cấu đơn giản, góc nhận tín

phẳng là 15mm trong phạm vi bán kính 100m

vi

ABSTRACT

A laser receiver applied to laser-controlled fieldleveling is a very important

mounted on the mast attached to the land grading implement The principle of the device is receiving the laser beam from the laser emission device This plane of laser light can be used as the leveling reference whichis transmitted to the control system which actuates the hydraulic system to raise or lower the implement To do this, the device must have four sensor circuits (including a series of detectors situated vertically) to identify the field level Four sensor circuits are arranged at an angle of 45 degrees on four sides so that the laser beam angle is 360 °, which ensures effective operation when moving To increase accuracy and limit the equipment in be being eroded, Fuzzy logic theory is applied to the controlling of hydraulic valve aperture through a control box when receiving signals from the transmitter The control box is responsible for converting an output of the control signal and commands the solenoid valve opens resulting in controlling the position

of the implement by raising or lowering the hydraulic lifting cylinder Results from manufacturing and testing show that the laser receiver has a simple structure 360 ° laser receiving angle ensures the system works when the tractor moves 15mm plane error is within a radius of 100m

vii

MỤC LỤC

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 4

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài: 5

1.4 Tính mới của đề tài 5

1.5 Phạm vi và nội dung nghiên cứu 6

1.6 Phương pháp nghiên cứu: 6

1.7 Cấu trúc của luận văn: 6

Chương 2 HỆ THỐNG LASER ỨNG DỤNG TRONG SAN PHẲNG ĐỒNG RUỘNG 8

2.1 Sơ lược về hệ thống san phẳng ứng dụng công nghệ laser 8

2.2 Các thành phần chính của hệ thống Laser trong san phẳng đồng ruộng 9

viii

2.2.1 Đầu phát laser 9

2.2.2 Thiết bị nhận và điều khiển 10

2.2.3 Hệ thống gàu san 14

2.2.4 Hệ thống điều khiển gàu san 15

2.3 Phân tích nguyên lý, tính toán động học hệ thống gàu san 17

2.3.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống gàu san 17

2.3.2 Bậc tự do của cơ cấu 17

2.3.3 Mối quan hệ khi d2thay đổi và góc quay 1 19

Chương 3 HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU SAN PHẲNG 22

3.1 Phân tích đặc tính của chùm laser phát từ bộ phát 22

3.2 Chọn cảm biến quang 24

3.3 Thiết kế bộ nhận laser và hộp điều khiển ứng dụng trong san phẳng 26

3.3.1 Thiết kế mạch cảm biến 27

3.3.2 Bố trí các mạch cảm biến cho bộ nhận 30

3.3.3 Xử lý tín hiệu laser trước khi đưa vào bộ điều khiển 30

3.3.4 Thiết kế phần cứng mạch điều khiển 32

3.4 Kết quả chế tạo 35

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN GÀU SAN TRONG HỆ THỐNG SAN PHẲNG ĐỒNG RUỘNG 37

4.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển hệ thống 37

4.1.1 Điều khiển theo mức 37

4.1.2 Điều khiển bằng PID 37

4.1.3 Điều khiển mờ luật Nếu…Thì… 38

ix

4.1.4 Điều khiển mờ ANFIS 38

4.2 Thuật toán điều khiển thiết bị nhận laser 39

4.3 Ứng dụng Logic mờ (Fuzzy logic) trong điều khiển gàu san 41

4.3.1 Logic mờ (Fuzzy logic) là gì ? Tại sao sử dụng? 41

4.3.2 Ứng dụng Fuzzy logic trong điều khiển bộ nhận laser 41

4.3.3 Xây dựng các hàm thành viên 45

4.3.4 Kết quả chạy mô phỏng 48

Chương 5 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51

5.1 Phương pháp tiến hành khảo nghiệm 51

5.2 Kết quả đo đạc và đánh giá hiệu quả của thiết bị 52

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 56

6.1 Kết luận 56

6.2 Đề nghị 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

Phụ lục 1: Mã nguồn điều khiển hệ thống san phẳng 59

Phụ lục 2: Một số hình ảnh trong quá trình chế tạo lắp đặt thiết bị nhận laser 68

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: San ƣớt bằng tay 1

Hình 1.2: San ƣớt dùng trâu 1

Hình 1.3: Cày đất 2

Hình 1.4: San ƣớt bằng bừa trên máy kéo tay 2

Hình 1.5: San phẳng mặt đồng ứng dụng công nghệ phát tia laser 2

Hình 1.6: Hệ thống san phẳng ở Mỹ (a) và Úc (b) 3

Hình 1.7: Liên hợp máy hệ thống san phẳng 4

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của liên hợp máy san laser 8

Hình 2.2: Cấu tạo bộ phát laser 9

Hình 2.3: Bộ nhận lắp trên dụng cụ đo độ cao 11

Hình 2.4: Bộ nhận lắp trên gàu san 11

Hình 2.5: Đầu nhận Laser LR 40 của Trimble 12

Hình 2.6: Đầu nhận Laser của Trimble 12

Hình 2.7: Hộp điều khiển (Control box) 13

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối hộp điều khiển với các thiết bị 14

Hình 2.9: Các thành phần hệ thống gàu san 15

Hình 2.10: Sơ đồ thuỷ lực điều khiển gàu san 16

Hình 2.11: Hệ thống gàu san phẳng đồng ruộng 17

Hình 2.12: Mô hình vật lý hệ thống gàu san 18

Hình 2.13: Phân tích chuyển vị của gàu san 19

Hình 3.1: Chùm tia laser phát ra từ bộ phát 22

xi

Hình 3.2: Mối quan hệ vận tốc góc và vận tốc dài tại điểm A 23

Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý IC 9684 24

Hình 3.4: Phổ đáp ứng của IC9684 25

Hình 3.5: Sơ đồ khối thiết bị nhận laser 27

Hình 3.6: Nguyên lý ghép các phần tử cảm biến 28

Hình 3.7: Mạch nguyên lý mạch kết nối 9681 và board mạch thực tế 29

Hình 3.8: Sơ đồ bố trí phần cứng bộ phận laser 30

Hình 3.9: Sơ đồ khối bộ nhận laser 31

Hình 3.10: Thiết kế bộ lọc nhiễu ánh sáng trắng 31

Hình 3.11: Sơ đồ khối bộ điều khiển 32

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm STM32 33

Hình 3.13: Kết quả chế tạo board mạch điều khiển STM32 33

Hình 3.14: Solid Sate Relay (SSR) 34

Hình 3.15: Sơ đồ mạch hộp điều khiển 35

Hình 3.16: Mạch cảm biến và board điều khiển trung tâm 35

Hình 3.17: Hộp điều khiển chế tạo thực tế 36

Hình 3.18: Hộp nhận tín hiệu laser 36

Hình 3.19: Lắp thiết bị nhận laser trên gàu 36

Hình 4.1: Điều khiển góc nâng gàu san bằng bộ điều khiển theo mức 37

Hình 4.2: Điều khiển góc nâng của gàu san dựa vào phương trình toán và PID 37

Hình 4.3: Điều khiển góc nâng gàu san bằng hệ suy luận mờ luật Nếu…Thì… .38

Hình 4.4: Điều khiển gàu san dựa vào hệ suy luận mờ ANFIS 38

Hình 4.5: Bộ điều khiển theo mức điều khiển di chuyển của gàu san 39

xii

Hình 4.6: Giải thuật điều khiển trung tâm 40

Hình 4.7: Sơ đồ khối bộ điều khiển gàu san bằng Fuzzy logic 42

Hình 4.8 Ý tưởng hình hài hàm tốc độ di chuyển của gàu san 43

Hình 4.9 Tốc độ thay đổi vị trí của gàu với chiều cao đo lường 43

Hình 4.10: Bộ điều khiển Fuzzy logic dạng Mamdani 45

Hình 4.11: Các hàm thành viên ngõ vào Fuzzy logic biến “Level” 45

Hình 4.12: Hàm thành viên ngõ vào Fuzzy logic biến “Rate” 46

Hình 4.13: Hàm thành viên ngõ ra Fuzzy logic biến “Valve” 47

Hình 4.14: Điều khiển Fuzzy Logic dùng Rule Viewer 49

Hình 4.15: Điều khiển Fuzzy Logic dùng Rule Viewer 49

Hình 4.16: Đồ thị thể hiện mặt phẳng sai số cho hai yếu tố đầu vào 50

Hình 5.1: Phương pháp đo độ cao mặt đồng 51

Hình 5.2: Mối quan hệ giữa hmin, hmaxvà htb .52

Hình 5.3: Đồ thị mô phỏng mặt đồng trước và sau san phẳng 55

xiii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kết quả khảo nghiệm chu kỳ quét tia laser 23

Bảng 3.2: Bảng thông số của photo IC 9684 26

Bảng 4.1: Các thông số thiết kế của bộ nhận laser 42

Bảng 4.2: Các tham số của bộ điều khiển Fuzzy logic 44

Bảng 4.3: Không gian vào của các hàm thành viên ngõ vào cho biến “Level” 46

Bảng 4.4: Không gian vào của các hàm thành viên cho biến ngôn ngữ “Rate” 46

Bảng 4.5: Không gian ngõ ra của các hàm thành viên của biến ngõ ra “Valve” 47

Bảng 4.6: Bảng tóm tắt luật suy diễn mờ 48

Bảng 5.1: Độ cao mặt đồng trước khi san phẳng 52

Bảng 5.2: Bảng mô tả độ mấp mô mặt đồng so với độ cao trung bình .53

Bảng 5.3: Độ cao mặt đồng sau khi san phẳng 53

1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Trong sản xuất nông nghiệp chuẩn bị đất là một trong những công đoạn quan trọng Trong đó, khâu làm đất đặc biệt là khâu san phẳng có ý nghĩa lớn giúp cho mặt đồng phẳng dễ hứng và thấm nước ở mức tốt nhất Công việc này trước đây chủ yếu do người nông dân thực hiện một cách thủ công tốn nhiều công và độ chính xác không cao Ở Việt Nam trong những năm trước thế kỷ 19, san phẳng được thực hiện nhờ vào sức kéo trâu bò hoặc bằng tay con người là chủ yếu (hình 1.1 và 1.2 ) [1]

Hình 1.1: San ướt bằng tay Hình 1.2: San ướt dùng trâu

Bước sang thế kỷ 19, cơ giới hoá được ứng dụng trong nông nghiệp việc san phẳng được thực hiện với các khâu cày đất và san khô bằng máy ủi (hình 1.3), san tinh dùng mực nước với bánh lồng và bừa gắn trên máy kéo (hình 1.4) [1]

2

Hình 1.3: Cày đất Hình 1.4: San ướt bằng bừa trên máy kéo tay

San thủ công hoă ̣c bằng máy dựa theo mức nước trên mă ̣t đồng tốn nhiều thời gian và công sức Nhược điểm lớn nhất là không chính xác nên đô ̣ chênh lê ̣ch vẫn còn cao, dẫn đến các tổn ha ̣i về nước, phân bón,…và tổn thất sản phẩm

Hiện nay trên thế giới vấn đề san phẳng đồng ruộng được thực hiện tự động hoàn toàn bằng công nghệ laser (hình 1.5) [2]

Hình 1.5: San phẳng mặt đồng ứng dụng công nghệ phát tia laser

(Nguồn: International Rice Reseach Institute (IRRI)) Máy canh tác

Chùm tia Laser

3

Chùm tia laser được phát từ bộ pháttheo một phẳng ngang trên mặt đồng Các máy canh tác chạy trên mặt đồng được gắn thiết bị nhận tín hiệu laser điều khiển cơ cấu chấp hành của máy Ở một số nước việc san phẳng còn được phát triển điều khiển tự động bằng công nghệ GPS (hình 1.6) [3]

Hình 1.6: Hệ thống san phẳng ở Mỹ (a) và Úc (b)

(Nguồn:Trần Văn Khanh, và ctv, 2013)

Sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể định được vị trí, khoảng cách của đối tượng Tuy nhiên hạn chế của phương pháp bao gồm việc giá thành đắt, chế tạo phức tạp Trong ứng ứng dụng san phẳng mặt động ở nước ta hiện nay khó có thể thực hiện được

Việc ứng dụng hệ thống san phẳng điều khiển bằng laser (hình 1.7) tại Việt Nam từ năm 2005 đến năm 2008 cho thấy tiết kiệm được khoảng 25 - 30% lượng nước tưới tiêu, giảm mật độ cỏ dại từ 45 - 66%, cỏ phát sinh chậm hơn và có năng suất lúa cao hơn khoảng 350 kg/ha so với đồng ruộng không san phẳng [2,8]

Tuy nhiên, việc triển khai trên diện rộng hệ thống san phẳng điều khiển bằng laser đã gặp phải nhiều trở ngại do hệ thống thiết bị nhận và điều khiển phải nhập ngoại, giá thành cao Ngoài ra, vấn đề bảo trì, sửa chữa không thể chủ động được vì đây là thiết bị công nghệ cao, độc quyền phải phụ thuộc vào đối tác cung cấp Từ

4

các lý do trên, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị san phẳng đồng ruộng, trong đó nghiên cứu thiết kếchế tạo thiết bị nhận và điều khiển bằng laser là cần thiết và cấp bách nhằm đáp ứng nhu cầu, cho phép hạ giá thành, chủ động được công việc sửa chữa, bảo trì Qua đó, cho phép làm chủ công nghệ để có thể cải tiến, phát triển các kết cấu phù hợp với điều kiện canh tác trong nước, tạo ra sản phẩm cạnh tranh trên thị trường thế giới và góp phần ứng dụng tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp

Hình 1.7: Liên hợp máy hệ thống san phẳng

Xuất phát từ những nhu cầu trên, với mong muốn làm chủ công nghệ và nội địa hoá sản phẩm để kỹ thuật san phẳng bằng tia laser được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp là điều hết sức cần thiết

Vì vậy, với sự chấp thuận của phòng sau đại học, Khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Mình, dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh và Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, học viên Nguyễn Đăng Khoa thực hiện đề tài:

”Thiết kế bộ nhận và điều khiển hệ thống san phẳng laser bằng hệ suy

luận mờ”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu, thiết kế thiết bị nhận laser và hộp điều khiển hệ thống gàu san ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng dựa trên thuật toán Fuzzy Logic nhằm hạ giá