đồ án tốt nghiệp 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 của các đô thị, công ty khai thác
công trình thủy lợi.
 Thiết bị tự động thu gom rác trên song do kỹ sƣ Hoàng Tử Cƣờng,
Tổng Công ty Cơ khí Giao thông vận tải Sài Gòn đã nghiên cứu và chế tạo.

Hình 1.4: Tàu vớt rác tự động trên sông, biển
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 9
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Thiết bị này giống nhƣ một con tàu thông thƣờng nhƣng có hai thân riêng biệt,
dạng phao nổi, liên kết với nhau bởi phần khung sàn tàu cao hơn mặt nƣớc, đầu thân
tàu gắn với cánh tay gom rác. Vì vậy, khi tàu chuyển động sẽ tạo nên một dòng
chảy mang theo rác nổi vào thân tàu hứng. Rác sẽ đƣợc tự động gom vào giữa thân
tàu và đổ về thùng chứa mà không phải nhờ đến sức lực, thao tác của công nhân.
Tàu gồm các phần nhƣ: boong chính, thiết bị lái, truyền động lái, thiết bị neo, chằng
buộc, thiết bị cứu sinh, thiết bị cứu hỏa và các thiết bị tín hiệu
Theo thiết kế, tàu vớt rác đƣợc sử dụng tại các sông, kênh, rạch và các hồ có
chiều sâu nƣớc từ 1,2m trở lên. Chiếc tàu này có kết cấu cơ bản kiểu 2 thân dạng
phao nổi, khi tàu chạy tạo dòng chảy ở giữa thiết bị. Tàu có 2 cánh hƣớng rác có độ
mở rộng 4m, khi tàu chạy, rác nổi đƣợc hƣớng vào luồng chảy giữa 2 thân phao.
Tại khoảng giữa của tàu có trang bị một lƣới chắn rác và gàu vớt rác. Khi rác vào
đầu gầu, công nhân chỉ việc ấn nút là gàu vớt rác tự động lật lên đổ rác vào thùng
đƣợc đặt trên mâm quay. Ngoài ra, tàu vớt rác còn đƣợc trang bị các thiết bị an toàn
bao gồm còi, đèn xoay, đèn làm việc và phao cứu sinh
Tuy nhiên mặc khuyết điểm cảu các máy vớt rác này là chỉ làm việc đƣợc ở
những con sông, kênh rạch có diện tích lớn. Trong khi đó thì tính chất những rác
nổi nhỏ luôn bị trôi dạt, gom lại thành khối và tấp và gần bờ, gần những chân bờ đá
trong các hồ địa hình chật hẹp giới hạn về không gian làm việc. Chính vì vậy
những giải pháp sang kiến nhƣ những Robot vớt rác có thể làm việc ở các địa hình
phức tạp trong các kênh, hồ Thành Phố là rất cần thiết và mang tính khả thi cao.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN
2.1 Cơ sở tính toán Robot.
2.1.1 Các khái niệm về lực:

Ngoại lực: Là tác dụng của môi trƣờng bên ngoài hay của các vật thể khác lên
vật thể khảo sát. Ngoại lực bao gồm tải trọng và phản lực liên kết.
Nội lực: Dƣới tác dụng của ngoại lực, lực tƣơng tác giữa các phân tử của vật thể
sẽ thay đổi để chống lại sự dịch chuyển bên trong vật thể đó gọi là nội lực.
Tải trọng: Là các tác động dƣới dạng lực bên ngoài tác dụng lên vật thể gây ra
sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng…so với trạng thái cân bằng ban đầu.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 10
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Phản lực liên kết: Là những lực thụ động, phát sinh tại nơi tiếp giáp giữa vật thể
khảo sát và vật thể xung quanh khi có tác dụng của tải trọng.
Mômen xoắn: Là một đại lƣợng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay
quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể. Nó là khái niệm ở rộng cho chuyển
động quay từ khái niệm lực trong chuyển động thẳng.
Mômen xoắn còn đặc trƣng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ và đƣợc
truyền tới thiết bị đẩy là chân vịt của tàu thông qua hệ trục truyền động tạo lực đẩy.
Ứng suất: Tại một điểm trên mặt cắt là cƣờng độ của nội lực trên một đơn vị
diện tích tại điểm đó, nó gọi là đại lƣợng véc tơ. Có thể phân ứng suất
p

thành hai
thành phần: một trên phƣơng pháp tuyến
n
của mặt cắt gọi là ứng suất pháp tuyến
ký hiệu

, một nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp tuyến ký hiệu


. Ta có hệ
thức:
2 2 2
p





Vậy ứng suất đặc trƣng cho mức độ chịu đựng của vật liệu tại một điểm. Nếu ứng
suất vƣợt quá một giới hạn nào đó thì vật liệu bị phá hoại, việc xác định ứng suất là
cơ sở đánh giá mức độ an toàn của vật liệu.
2.1.2 Thanh chịu xoắn:
Thanh chịu xoắn thuần túy khi trên mọi mặt cắt ngang chỉ tồn tại một thành
phần ứng lực 

.

Hình 1.5: Các trƣờng hợp thanh chịu xoắn thuần túy
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 11
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Thanh chịu xoắn thƣờng đƣợc gọi đối với trục. Trục truyền lực, trục động cơ,
những dầm cầu đƣờng ô tô cũng có thể bị xoắn nếu tải trọng không đặt đúng tim
cầu.
 Công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:
( Theo tài liệu SỨC BỀN VẬT LIỆU, Lê Thanh Phong, Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP Hồ Chí Minh)

Theo các giả thiết đã nêu, ta có thể xem: trên tiết diện ứng suất pháp bằng không,
chỉ tồn tại ứng suất tiếp vuông góc với bán kính tiết diện, là kết quả của biến dạng
trƣợt do các mặt cắt ngang xoay tƣơng đối với nhau quanh trục
z
. Xét phân tố tách
ra nhƣ hình 6.3a, giới hạn bởi hai mặt vuông góc với trục có tọa độ
z
và
dzz

.
Tiếp tục tách ra phân tố con (hình 6.3b) giới hạn bởi hai mặt trụ bán kính
R

,

d
và hai mặt cắt nhau bởi giao tuyến là trục
z
, hợp với nhau một góc
d
.
Trạng thái ứng suất tại mọi điểm của trục là trạng thái trƣợt thuần túy.

Hình 1.6: Phân tích biến dạng thanh chịu xoắn

Tiết diện bên trái, ở tọa độ z, có góc xoay

.
Tiết diện bên phải, ở tọa độ

dzz

, sẽ có góc xoay
 d

.
Hiệu số
d
, là góc xoay tƣơng đối của hai tiết diện cách nhau một đoạn dz, đƣợc
gọi là góc xoắn của đoạn trục có chiều dài dz. Bán kính của tiết diện bên phải
cũng có góc xoay tƣơng đối
d
so với bán kính tƣơng ứng của tiết diện bên trái.

là biến dạng góc vuông của phân tố hay còn gọi là góc trƣợt, ta có:




dz
d
dz
AA
1
(a).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 12
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn

Trị số

là góc xoay tƣơng đối giữa hai mặt cắt cách nhau một đơn vị chiều dài
gọi là góc xoắn tỷ đối của thanh - là hằng số trên tiết diện, và là hàm số theo tọa
độ z, thứ nguyên [Rad]/[chiều dài]:
dz
d


(6.1).
Theo định luật Hooke về trƣợt:
 GG

(b).
Theo định nghĩa: tổng mômen đối với trục z của các ứng suất tiếp trên toàn tiết
diện
F
chính là mômen xắn
z
M
:


F
2
F
z
dFGdFM 

(c).

Tích
G
là hằng số trên tiết diện,

F
dF
2

là mômen quán tính cực

J
của tiết diện
đối với tâm nên

 J.GM
z

hay:



J
M
G
z

(6.2).
Thay (6.2) vào (b) ta nhận đƣợc công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:



J
M
z

(6.3).
Biểu đồ ứng suất tiếp trên tiết diện:
Ứng suất tiếp trên tiết diện có phƣơng vuông góc với bán kính, có chiều của
mômen xoắn
z
M
và có trị số phụ thuộc bậc nhất với khoảng cách từ tâm đến
điểm tính ứng suất (xem hình 6.4).


W
M
2
d
.
J
M
zztd
max

(6.4).
2/d
JJ
W
max





đƣợc gọi là mômen chống xoắn, là đặc trƣng hình học của
tiết diện, có thứ nguyên
 
3
daøichieàu
.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 13
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn

Hình 1.7: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện
của thanh chịu xoắn thuần túy

Với tiết diện tròn đặc (hình 6.4a):
32
4
d
J




3

3
2,0
16
d
d
W



.
Tiết diện hình vành khăn (hình 6.4b):
 
44
44
323232
dD
dD
J



 










4
4
344
12,0
32
2
D
d
DdD
D
W


.
Ứng suất tiếp đối ứng nhƣ hình 6.4c
 Điều kiện bền – ba bài toán cơ bản:
Phân tố vật thể trong trục chịu xoắn ở trạng thái ứng suất trƣợt thuần túy, phân tố
nguy hiểm là những phân tố ở sát mặt ngoài của trục có
max

.
Điều kiện bền đƣợc viết:
 
 













max
ztd
maxmax
W
M
max
(6.5).
Trị số cho phép của ứng suất tiếp đƣợc xác định từ thí nghiệm xoắn:
 
n
0



;
0

là ứng suất nguy hiểm và
n
là hệ số an toàn.
Trong trƣờng hợp chỉ có thí nghiệm kéo-nén thì ứng suất tiếp cho phép lấy theo
thuyết bền:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 14
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Theo thuyết bền thứ ba (thuyết bền ứng suất tiếp):
 
 
2



.
Theo thuyết bền thứ tƣ (thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi hình dáng):
 
 
3



.
Từ điều kiện bền ta cũng có ba bài toán cơ bản:
Kiểm tra bền:
Ta kiểm tra xem ứng suất trong trục có thỏa điều kiện bền hay không?
 
%5
W
M
max
z
max













.
Chọn kích thước mặt cắt ngang:
Đây là bài toán thiết kế, ta phải định kích thƣớc mặt cắt ngang của trục sao cho đảm
bảo điều kiện bền. Từ (6.5) ta có:
 
%5
M
W
z



. Nếu chọn ở trạng thái giới hạn thì:
 
%5


z

M
W
, từ đó ta có thể
xác định đƣợc kích thƣớc mặt cắt ngang của trục.
Định tải trọng cho phép:
Từ (6.5) ta dễ dàng xác định đƣợc nội lực lớn nhất có thể đạt đƣợc của thanh là:
 
%5WM
z



, hay ở trạng thái giới hạn:
 
 
%5

 WM
z

Có
 
z
M
ta có thể tìm đƣợc trị số cho phép của tải trọng tác dụng lên công trình hay
chi tiết máy.
2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot).
Lực đẩy Archimedes (hay lực đẩy Ácsimét) là lực tác động bởi một chất lƣu
(chất lỏng hay chất khí) lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong
một trƣờng lực (nhƣ trọng trƣờng hay lực quán tính). Lực này có cùng độ lớn và

ngƣợc hƣớng của tổng lực mà trƣờng lực tác dụng lên phần chất lƣu có thể
tích bằng thể tích vật thể chiếm chỗ trong chất này.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 15
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn

Hình 1.8: Phân tích tác dụng các lực đẩy Archimedes
Lực này đƣợc đặt tên theo Ácsimét, nhà bác học ngƣờiHy Lạp đã khám phá ra
nó. Lực đẩy Ácsimét giúp thuyền và khí cầu nổi lên, là cơ chế hoạt động của sự
chìm nổi của tàu ngầm hay cá, và đóng vai trò trong sự đối lƣu của chất lƣu.
Nếu thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì:
 

<  Vật chìm xuống
 

>  Vật nổi lên
 

=  Vật lơ lửng trong chất lỏng
Công thức tính lực đẩy Archimedes:
Độ lớn của lực đẩy Archimedes bằng tích của trọng lƣợng riêng của chất
lỏng và thể tích bị vật chiếm chỗ:


= . 
Trong đó:
 


là lực đẩy Archimedes
  là trọng lƣợng riêng của chất lỏng
  là thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 16
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu.
 Sức cản tàu:
Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả
năng chuyển động của tàu. Ngoại lực tác dụng lên tàu gồm nhiều thành phần: sức
cản song, sức cản ma sát, sức cản áp suất…Để tàu chuyển động đƣợc thì lực tạo ra
do thiết bị đẩy của tàu phải thắng đƣợc ngoại lực. Việc tính sức cản tàu là hết sức
cần thiết và quan trọng trong việc thiết kế tính toán tàu, chọn động cơ và thiết kế
chọn chân vịt phù hợp.
 Tính sức cản theo phƣơng pháp giải quân:
Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong quá trình thiết kế sơ bộ. Công
thức tính nhƣ sau:


=


3
. 
2
3


0

Trong đó : 

: Công suất kéo cần thiết của tàu


: Vận tốc tàu (hl/h)
D : lƣợng chiếm nƣớc của tàu


: Hệ số hải quân
Hệ số hải quân xác định từ tàu mẫu hoặc theo bản. Phƣơng pháp này cho kết quả tốt
khi lựa chon tàu mẫu có hình dáng gần giống tàu thiết kế.
 Tính sức cản theo phƣơng pháp Papmel:
Sử dụng cho các tàu có các thông số cơ bản nhƣ sau:
= 0.35 ÷ 0.8


= 4 ÷ 11


= 1.5 ÷ 3.5


< 0.9
Công thức tính:

0

=

. 




3




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 17
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
Trong đó:
D: Lƣợng chiếm nƣớc của tàu (
3
)
L: Chiều dài thiết kế của tàu (m)
: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vịt
= 1 khi tàu có một trục chân vịt
= 1.05 khi tàu có hai trục chân vịt
= 1.075 khi tàu có ba trục chân vịt
= 1.1 khi tàu có bốn trục chân vịt
Hệ số  đƣợc tính theo công thức:
= 0.7 + 0.3


100

100 thì = 1
=


 Hệ số thon của tàu
Với B là chiều rộng của tàu, L là chiều dài tàu,  là hệ số béo thể tích của tàu


là hệ số xác định từ đồ thị Papmel trong đó hệ số 


đƣợc xác định nhƣ sau



= 





Sức cản toàn bộ của tàu đƣợc xác định nhƣ sau:
= 75

0

(kG)
Với v (m/s), 

0
(cv)
 Tính sức cản theo phƣơng pháp Zvonkov:
Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông có thể tính theo công thức:
= 

. 
1.825
+ . . . 
1.7+4

Trong đó:


: Hệ số lực cản ma sát


= 0.17 đối với tàu vỏ thép


= 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu võ gỗ
S diện tích sƣờn giữa (
2
)
 diện tích mặt ƣớt (
2
) đƣợc tính bằng = V
2
3
3.3 +

L
2.09.V
1
3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 18
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn
V: Thể tích chiếm nƣớc của tàu (
3
)
L: Chiều dài mặt ƣớt của tàu ()
 :Hệ số béo thể tích của tàu
v: Vận tốc tàu
Fr: Hệ số Fruode của tàu đƣợc tính theo công thức:
=


.

V: Vận tốc tàu (m/s)
L: Chiều dài tàu (m)
=
17.7..
2.5


6


3
+2
: Hệ số lực cản dƣ
m=1.0 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt
m=1.2 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt đạo lƣu
 Công suất động cơ (máy chính):
Sau khi tính toán đƣợc lực cản của tàu có thể tính sơ bộ công suất máy chính theo
công thức: 
0
=
.
75

R: Sức cản toàn phần của tàu
v: Vận tốc tàu
Tuy nhiên công thức trên chỉ có ý nghĩa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai
đoạn thiết kế tiếp theo ta phải tính tƣơng đối chính xác công suất máy để chọn đƣợc
máy phù hợp với chế độ làm việc của tàu, tạo đƣợc hiệu suất đẩy cao nhất và tƣơng
thích với chân vịt.
2.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống.
2.2.1 Lý thuyết sóng RF chuẩn truyền UART.
Tần số vô tuyến (RF) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tƣơng
ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô
tuyến. RF thƣờng đƣợc xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí, dù
các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại.



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn

Bùi Thị Ánh Quốc Trang 19
Võ Thành Luận
Trƣơng Hữu Toàn











Hình 1.9: Module RF sử dụngtruyền thông UART
Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal
Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền
nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ. USART hay UART cần phải kết hợp với
một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó. Ví dụ,
chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART
và chip chuyển đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UART thƣờng theo mức TTL:
mức logic high là 5, mức low là 0V. Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên
máy tính cá nhân thƣờng là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low.