THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT MÔ PHỎNG ĐỘ MẤP MÔ MẶT ĐỒNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT
MÔ PHỎNG ĐỘ MẤP MÔ MẶT ĐỒNG

Tác giả

ĐOÀN TỐ HỮU
TRẦN VĂN HÀNH

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:
ThS. NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Tháng 5 năm 2016
1


CẢM TẠ

Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại Học Nông Lâm TPHCM
và quý Thầy Cô trong khoa CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ đã trang bị cho em những kiến
thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường để em có
đủ những kiến thức để thực hiện đề tài một cách tốt nhất
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ em
nhiệt tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài .
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Đăng Khoa đã tận
tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành thời gian
để nhận xét và góp ý cho đề tài của em hoàn thiện hơn và cho tính ứng dụng của đề tài
cao hơn.

Cuối cùng , em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã động
viên, ủng hộ và luôn tạo điều kiện cho chúng em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt
quá trình hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 6 năm 2016
Sinh Viên Thực Hiện

Đoàn Tố Hữu
Trần Văn Hành

2


TÓM TẮT

Hiện nay hệ thống san phẳng mặt ruộng điều khiển bằng tia Laser ứng dụng
mạnh mẽ trong nông nghiệp nhằm tăng năng suất giảm rủi ro. Tuy nhiên một vấn đề
khi đo đạc chiều cao của mặt đồng cần tốn rất nhiều thời gian và công sức của người
thực hiện. Nhằm tự động hóa quá trình thu thập giá trị mấp mô của bề mặt để giảm tốn
thời gian và công sức nên chúng tôi thiết kế và chế tạo mô hình robot mô phỏng độ
mấp mô của mặt đồng. Hoạt động chính yếu của mô hình robot là thu thập dữ liệu
chiều cao của mặt đồng để mô phỏng độ mấp mô của mặt đồng trực quan thông qua
phần mềm trên máy tính. Để có thể làm được như vậy, mô hình robot cần những bộ
phần có tính năng riêng biệt gồm bộ thu tia laser được gắn trực tiếp trên bộ phận cân
bằng với sai số so với mặt phẳng ngang chênh lệch gần 10mm, mô hình robot có thể di
chuyển đến điểm cần đo có độ sai số thực tế khoảng 10-200mm so với điểm cần đo.
Thông qua bộ phận truyền nhận dữ liệu không dây bluetooth dữ liệu độ mấp mô mặt
đồng cũng được truyền nhận trực tiếp lên phần mềm trên máy tính, phần mềm trên
máy tính sẽ xử lý dữ liệu và mô phỏng lại bề mặt đo đạt bằng biểu đồ trên giao diện.
Kết quả thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và khảo nghiệm cho thấy mô hình robot mô
phỏng độ mấp mô của mặt đồng có thiết kế đơn giản, hoạt động ổn định, đáp ứng được

mục tiêu của đề tài.
Đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt
đồng.” được tiến hành tại khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm
Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 1/2016 đến tháng 6/2016.

3


MỤC LỤC
TRANG TỰA................................................................................................................. i
MỤC LỤC.................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.........................................................................................viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG..........................................................................................xi
Chương 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề...........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài..................................................................................2
1.3. Phạm vi và nội dung nghiên cứu.........................................................................2
1.4. Giới hạn của đề tài..............................................................................................2
Chương 2 TỔNG QUAN...............................................................................................3
2.1. Tổng quan về phương pháp đo độ cao bằng máy thủy chuẩn..............................3
2.1.1. Đo cao hình học...........................................................................................3
2.1.2. Đo cao lượng giác........................................................................................9
2.1.3. Đo cao thủy tĩnh.........................................................................................10
2.1.4. Đo cao khí áp.............................................................................................10
2.2. Tổng quan về phương pháp đo độ cao bằng tia laser.........................................11
2.2.1. Thiết bị thiết yếu trong hệ thống đo độ cao bằng tia laser..........................11
2.2.2. Phương pháp đo đạc độ cao bằng tia laser..................................................12
2.2.3. Ứng dụng phương pháp đo độ cao bằng tia laser........................................13
2.2.4. Nhận xét.....................................................................................................15

2.3. Tổng quan về gui trong Matlab để thiết kế phần mềm điều khiển mô hình.......16
2.4. Tổng quan về Arduino.......................................................................................17
Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................19
3.1. Bố trí thực hiện đề tài........................................................................................19
3.2. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................19
3.2.1. Phương pháp lý thuyết...............................................................................19
4


3.2.2. Phương pháp chế tạo phần cứng................................................................19
3.2.3. Phương pháp xây dựng phần mềm.............................................................20
3.2.4. Phương pháp nội suy 2 chiều.....................................................................20
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................22
4.1. Chế tạo mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng...................................22
4.1.1. Bộ phận di chuyển khung mô hình robot...................................................23
4.1.2. Bộ phận cân bằng cảm biến........................................................................24
4.1.3. Thiết kế mạch cảm biến nhận tín hiệu laser................................................28
4.1.4. Tính toán chọn nguồn cho mô hình robot...................................................32
4.1.5. Hình ảnh mô hình robot sau khi thi công...................................................32
4.2. Xây dựng thuật toán điều khiển mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng.
................................................................................................................................. 33
4.2.1. Thuật toán di chuyển tự động đến điểm cần đo..........................................34
4.2.2. Thuật toán bộ phận cân bằng......................................................................36
4.2.3. Thuật toán dò tìm tia laser..........................................................................40
4.2.4. Phương pháp chọn điểm để đo đạc độ mấp mô mặt đồng..........................41
4.2.5. Phần mềm điều khiển trên máy tính Simulator...........................................42
4.2.6. Phương pháp kết nối phần mềm điều khiển trên máy tính với mô hình robot
mô phỏng độ mấp mô mặt đồng...........................................................................43
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.........................................................................46
5.1. Kết luận............................................................................................................. 46

5.2. Đề nghị.............................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................47
PHỤ LỤC.................................................................................................................... 48
PHỤ LỤC 1: Code chương trình file Main.ino điều khiển trên Arduino.................48
PHỤ LỤC 2: Code Arduino phần kiểm tra tín hiệu Start và Stop............................51
PHỤ LỤC 3: Code Arduino giao tiếp I2C với module MPU6050...........................52
PHỤ LỤC 4: Code Arduino bộ phận cảm biến dò tia laser......................................54
PHỤ LỤC 5: Code Arduino bộ phận cân bằng........................................................55
PHỤ LỤC 6: Code Arduino di chuyển đến điểm cần đo độ cao mặt đồng...............60
PHỤ LỤC 7: Code Arduino xử lý điểm cần đo........................................................65
5


PHỤ LỤC 8: Code phần mềm điều khiển trên máy tính..........................................77
PHỤ LỤC 9: Tập lệnh AT để giao tiếp Bluetooth....................................................81
PHỤ LỤC 10: Hình ảnh khảo nghiệm đo đạc độ mấp mô mặt đồng.......................82

6


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

DC: ...................................Direct Current.
IC: ....................................International Circuit.
I2C:...................................Inter-Integrated Circuit.
UART................................universal asynchronous receiver/transmitter.
WIFI..................................Wireless Fidelity.
AT......................................Attention.

7

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Đo cao hình học............................................................................................3
Hình 2.2: Các thiết bị trong đo độ cao hình học............................................................3
Hình 2.3: Máy thủy chuẩn và các bộ phận....................................................................4
Hình 2.4: Máy thủy chuẩn thường gặp..........................................................................5
Hình 2.5: Mia thủy chuẩn.............................................................................................5
Hình 2.6: Phương pháp đo tỏa......................................................................................7
Hình 2.7: Đo cao lượng giác.........................................................................................9
Hình 2.8: Cách tính đo cao lượng giác..........................................................................9
Hình 2.9: Phương pháp đo cao bằng tia laser..............................................................11
Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của bộ phát tia laser.................................................11
Hình 2.11: Máy dò tia laser và cách lắp đặt lên mia thủy chuẩn.................................12
Hình 2.12: Cách đo độ cao bằng tia laser....................................................................12
Hình 2.13: Phương pháp đo độ cao mặt ruộng bằng laser...........................................13
Hình 2.14: Ứng dụng đo độ cao bằng tia laser trong dân dụng...................................14
Hình 2.15: Ứng dụng vào việc ốp tường trong xây dựng............................................14
Hình 2.16: Ứng dụng trong xây dựng cấp thoát nước.................................................14
Hình 2.17: Ứng dụng trong việc lắp đặt trần nhà........................................................15
Hình 2.18: Xây dựng rào bằng phương pháp san phẳng laser.....................................15
Hình 2.19: Lắp đặt thiết bị nội thất trong nhà bằng phương pháp san phẳng laser......15
Hình 2.20: Giao diện Matlab.......................................................................................16
Hình 2.21: Giao diện Gui của phần mềm trên máy tính..............................................16
Hình 2.22: Board Arduino mega được sử dụng trong mô hình...................................18
Hình 3.1: Kết quả của phương pháp nội suy 2 chiều...................................................21
Hình 3.2: Kết quả hiển thị nội suy 2 chiều trên Matlab...............................................21
Hình 4.1:Mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng...........................................22
Hình 4.2: Khung xe mô hình robot.............................................................................23

Hình 4.3: Cơ cấu bốn khâu bản lề...............................................................................24
8


Hình 4.4: Cơ cấu bộ phận cân cho bằng cảm biến dò tia laser....................................24
Hình 4.5: Cơ cấu điều chỉnh cân bằng theo phương ox...............................................25
Hình 4.6: Cơ cấu điều chỉnh cân bằng theo phương oy...............................................25
Hình 4.7: Tay quay......................................................................................................26
Hình 4.8: Thanh đỡ khớp cardan.................................................................................26
Hình 4.9: Giá đỡ cảm biến laser..................................................................................26
Hình 4.10:Tấm mặt phẳng cân bằng...........................................................................27
Hình 4.11: Bộ phận cân bằng sau khi thi công............................................................27
Hình 4.12: Mối quan hệ vận tốc góc và vận tốc dài tại điểm A...................................29
Hình 4.13:Sơ đồ nguyên lý IC 9684............................................................................29
Hình 4.14: Phổ đáp ứng của IC9684...........................................................................30
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dò tia laser.............................................31
Hình 4.16: Hình ảnh thực tế mạch dò tia laser sau khi thi công..................................31
Hình 4.17: Mô hình robot sau khi thi công hoàn thành...............................................32
Hình 4.18: Sơ đồ khối tổng quát của mô hình robot đo đạc độ mấp mô mặt đồng......33
Hình 4.19: Sơ đồ khối chi tiết của mô hình robot đo đạc độ mấp mô mặt đồng..........33
Hình 4.20: Tính toán số vòng để đi được 1 mét..........................................................34
Hình 4.21:Lưu đồ thuật toán di chuyển đến điểm cần đo độ cao................................35
Hình 4.22: Sơ đồ kết nối của bộ phận chuyển động....................................................35
Hình 4.23: Biểu đồ khảo nghiệm thuật toán di chuyển...............................................36
Hình 4.24: Lưu đồ thuật toán bộ phận cân bằng.........................................................37
Hình 4.25: Nguyên lý làm việc của cảm biến cân bằng..............................................37
Hình 4.26: Sơ đồ kết nối chân của bộ phận cân bằng..................................................38
Hình 4.27: Sai lệch mặt phẳng cân bằng theo phương OX.........................................39
Hình 4.28: Sai lệch mặt phẳng cân bằng theo phương OY.........................................39
Hình 4.29: Lưu đồ thuật toán bộ dò tia laser...............................................................40

Hình 4.30: Sơ đồ kết nối dây giữa arduino và các ngoại vi bộ dò laser.......................41
Hình 4.31: Quỹ đạo đường đi của robot......................................................................41
Hình 4.32: Giao diện phần mềm điều khiển trên máy tính..........................................42
Hình 4.33: Module Bluetooth HC05...........................................................................44
9


Hình 4.34: Sơ đồ kết nối chân Module HC05 với Arduino.........................................45
Hình PL 1: Sơ đồ layout mạch cảm biến laser............................................................82
Hình PL 2: Mạch cảm biến tia laser............................................................................82
Hình PL 3: Khung xe robot.........................................................................................82
Hình PL 4: Bộ phận cân bằng sau khi thi công...........................................................83
Hình PL 5: Khảo nghiệm mô phỏng độ mấp mô mặt đồng.........................................83
Hình PL 6: Mô hình robot di chuyển đến điềm cần đo...............................................84
Hình PL 7: Hình ảnh mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng........................84

10


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Kết quả khảo nghiệm chu kỳ quét tia laser..................................................28
Bảng 4.2: Kết quả khảo nghiệm sau 10 lần di chuyển đến các điểm khác nhau..........35
Bảng 4.3: Chức năng các chân cảm biến MPU6050....................................................38
Bảng 4.4: Kết quả sai lệch khi khảo nghiệm bộ phận cân bằng với mặt ngang lý tưởng.
..................................................................................................................................... 38
Bảng 4.5: Bảng tập lênh AT sử dụng cho module Bluetooth.......................................45

11

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề.
Hiện nay, trong lĩnh vực nông nghiệp có rất nhiều vấn đề cần đề cập đến để có
thể tăng năng suất và sản lượng nông phẩm cho người dân. Mảnh ruộng có độ cao
chênh lệch trung bình từ 10 - 20 cm hoặc cao hơn rất khó khăn trong quá trình canh
tác, làm lúa dễ bị đỗ ngã, ảnh hưởng của gió cũng có sự khác biệt rỏ ràng làm cho sản
lượng bị ảnh hưởng nghiêm trọng .
Theo báo cáo San phẳng mặt ruộng điều khiển bằng tia Laser (Phan Hiếu Hiền
và ctv, trường Đại Học Nông Lâm TPHCM). San phẳng ruộng lúa điều khiển bằng tia
Laser (Laser leveling) được dùng nhiều trong nông nghiệp Mỹ, Nhật, Úc và bước đầu
được áp dụng ở các nước đang phát triển. Thí nghiệm của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc
tế (IRRI) tại Philippines và Campudia cho thấy các lợi điểm của mặt ruộng bẳng
phẳng:



Tăng năng suất lúa khoảng 0.5 tấn/ha.
Dễ dàng kiểm soát cỏ dại, do khống chế mức nước, giảm 70% công lao động




làm cỏ.
Tăng diện tích đất hữu hiệu thêm khoảng 5- 7% vì không cần bờ ruộng.
Vận hành máy canh tác hiệu quả hơn, do giảm được 10- 15% thời gian quay




vòng.
Thuận tiện cho sử dụng máy sạ hàng.
Tiết kiệm nước, ví dụ một cánh đồng chênh nhau 160 mm sẽ đòi hỏi 100 mm
nước nhiều hơn, tức là gấp đôi nhu cầu nước cho lúa.

So với máy san phẳng thông thường, san phẳng laser đòi hỏi đầu tư thiết bị laser khá
cao, cần người vận hành thạo, bù lại có thể kiểm soát độ chênh lệch mặt ruộng.

1


Tuy nhiên khâu đo đạc độ cao mặt đồng tốn khá nhiều thời gian và công sức
của người thi công, để giải quyết vấn đề này chúng em đã thực hiện đề tài “ Thiết kế,
chế tạo mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng ”.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài.
Áp dụng những lý thuyết đã học vào thực tế nhằm tạo được những sản phẩm có
tính ứng dụng cao. Nhằm tạo ra một mô hình giải quyết vấn đề bề mặt ruộng để tăng
năng suất sản lượng cho nông nghiệp .
Hoàn thành Mô hình Robot có chức năng như sau:
 Mô phỏng độ mấp mô mặt đồng và hiểu thị lên phần mềm trên máy tính.
 Điều khiển không dây khoảng cách trung bình hơn 10 mét.
1.3. Phạm vi và nội dung nghiên cứu.
Trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp việc nghiên cứu được giới hạn trong
phạm vi nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt
đồng. Các nội dung kết nối với máy công cụ khác không thuộc phạm vi nghiên cứu.
Đề tài thực hiện với các nội dung chủ yếu sau:
 Thiết kế chế tạo mô hình robot mô phỏng độ mấp mô mặt đồng.
 Thiết kế phần mềm mô phỏng độ mấp mô mặt đồng trên máy tính bằng phần
mềm thiết kế Matlab.

1.4. Giới hạn của đề tài.
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, trình độ và kinh nghiệm có giới hạn nên đề
tài còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và
bạn bè để đề tài hoàn thiện hơn.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về phương pháp đo độ cao bằng máy thủy chuẩn.
2.1.1. Đo cao hình học.

Hình 2.1: Đo cao hình học.
Thực chất của đo cao hình học là dùng tia ngắm nằm ngang song song với mặt
thủy chuẩn phối hợp với mia thăng bằng để tính ra độ chênh cao giữa 2 điểm như
(hình 2.1).

Δh: Là độ chênh cao giữa 2 điểm.
S: Số đọc theo chỉ giữa trên mia dựng ở điểm đã biết độ cao.
T: Số đọc theo chỉ giữa trên mia dựng ở điểm chưa biết độ cao.
Theo độ chính xác giảm dần mà chia ra 5 cấp hạng đo cao hình học: hạng I, II,
III, IV và kỹ thuật. Trong xây dựng cơ bản thường đo hạng IV và kỹ thuật.
2.1.1.1. Dụng cụ đo cao trong hình học.

1. Mia thủy chuẩn đặt tại điểm A

2. Máy thủy chuẩn

3. Mia thủy chuẩn đạt tại điểm B

3. Mia thủy chuẩn đạt tại điểm B’
3


Hình 2.2: Các thiết bị trong đo độ cao hình học.

4


Máy thủy chuẩn:

Hình 2.3: Máy thủy chuẩn và các bộ phận.
Máy thuỷ chuẩn chủ yếu dùng cho việc xác định độ cao các điểm theo phương
pháp đo cao hình học (tia ngắm nằm ngang).
Quan hệ hình học chủ yếu của các cụm máy là trục ống kính, trục quay máy và
trục ống bọt nước.
Độ chính xác của máy phụ thuộc vào giá trị góc của vạch khắc 2mm trên ống
thuỷ (τ = 2mm/R) và độ phóng đại của ống kính.
Hiện nay trong sản xuất thường sử dụng rộng rãi máy thuỷ chuẩn tự động (có
đường ngắm tự chỉnh bằng). Đối với loại máy này độ chính xác không phụ thuộc vào
giá trị vạch khắc 2mm trên ống thuỷ mà chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của con lắc
chỉnh bằng.
Phân loại các máy thủy chuẩn:
Theo độ chính xác: có 3 loại




Máy thuỷ chuẩn chính xác có mh = (0,5 ÷ 1)mm/1km.

Máy thuỷ chuẩn chính xác vừa có mh = (4 ÷ 8)mm/1km.
Máy thuỷ chuẩn chính xác thấp có mh = (15 ÷ 30)mm/1km.

Theo cách đưa tia ngắm về vị trí nằm ngang: có 3 loại




Máy thuỷ chuẩn có ốc kích nâng.
Máy thuỷ chuẩn tự động.
Máy thuỷ chuẩn điện tử (máy thủy chuẩn số).

5


Hình 2.4: Máy thủy chuẩn thường gặp.
Mia thủy chuẩn: là loại mia 2 mặt dài 3-4m, một mặt đen và một mặt đỏ. Mặt
đen có cấu tạo như mia 1 mặt (mia địa hình) hai mặt đỏ của một cặp mia thường có số
ghi ở chân mia chênh nhau 100mm (4475 và 4575). Mia có gắn ống bọt nước tròn để
làm căn cứ mia thẳng đứng.
Khi đo thuỷ chuẩn với độ chính xác cao nên dùng mia Invar là loại mia chính
xác. Giải InVar ở giữa 2 thang chính phụ ở 2 bên.
Hiện nay khi đo bằng máy thuỷ chuẩn điện tử người ta thường dùng mia có cấu
tạo dưới dạng mã vạch.

Hình 2.5: Mia thủy chuẩn.

6

2.1.1.2. Phương pháp đo cao hình học hạng IV.
Phương pháp này dùng máy có độ phóng đại V X > 25x độ nhạy ống thủy dài
τ ≤ 25’’/2mm và mia 2 mặt có gắn ống thủy tròn, giá mia.
Trình tự thao tác tại mỗi trạm đo như sau:
Ngắm mặt đen mia sau, cân bằng máy, đọc số trên mia theo chỉ giữa, đọc
khoảng cách.
Ngắm mặt đen mia trước, cân bằng máy, đọc số trên mia theo chỉ giữa, đọc
khoảng cách.
Ngắm mặt đỏ mia trước, cân bằng máy, đọc số trên mia theo chỉ giữa.
Ngắm mặt đỏ mia sau, cân bằng máy, đọc số trên mia theo chỉ giữa.
2.1.1.3. Phương pháp đo cao hình học hạng kỹ thuật(hạng V).
Phương pháp này dùng máy có độ phóng đại V X > 20x . Độ nhạy của ống thủy
dài τ< 45’’/2mm. Trình tự thao tác tại mỗi trạm đo như sau:
Khi dùng mia 2 mặt:
Đọc số theo chỉ giữa mặt đen, rồi mặt đỏ mia sau.
Đọc số theo chỉ giữa mặt đen, rồi mặt đỏ mia trước.
Khi dùng mia 1 mặt:
Đọc số theo chỉ giữa mia sau.
Đọc số theo chỉ giữa mia trước.
Thay đổi chiều cao máy từ 5 – 10cm:
Đọc số theo chỉ giữa mia trước.
Đọc số theo chỉ giữa mia sau.
Một số quy định trong đo cao hạng kỹ thuật:
Tầm ngắm từ máy đến mia xác định sơ bộ bằng bước chân không quá 120 mét,
máy đặt giữa 2 mia.

7


Sự khác nhau về độ chênh cao (Δ h) tính theo 2 mặt đen, đỏ (khi dùng mia 2

mặt) hay giữa 2 lần thay đổi độ cao máy (khi dùng mia một mặt) không quá ± 5mm.
2.1.1.4. Phương pháp đo tỏa.

Hình 2.6: Phương pháp đo tỏa.
Giả sử đã biết độ cao của điểm A là HA.
Cần tìm độ cao của các điểm B, C, D, E … khi yêu cầu độ chính xác không cao
thì ta đặt máy tại điểm 0 ở giữa các điểm cần tìm độ cao B, C, D, E …(hình 2.6).
Như vậy chỉ có một trị số đọc sau (S) ứng với điểm mốc A đã biết độ cao H A.
Còn lại là các trị số đọc trước (T) ứng với các điểm cần tìm độ cao B, C, D, E, …
Đối với phương pháp này không cần tính chênh cao (Δ h) mà chỉ cần tính độ cao
tia ngắm Hi là đủ.

Hx: độ cao của điểm cần tìm.
Hi = H A + S
2.1.1.5. Sai số trong đo cao hình học.
Trong kết quả đo cao hình học có chứa những sai số. Cần phải xác định nguyên
nhân và đưa ra biện pháp hạn chế, khắc phục những sai số đó.
Sai số do môi trường: hiện tượng khúc xạ đứng là yếu tố quan trọng nhất. Cần
đo vào lúc đẹp trời, phải dùng ô che nắng cho máy. đảm bảo tia ngắm cao hơn mặt đất
0,2m.
Sai số do dụng cụ đo: sai số do điều kiện cơ bản của máy thủy chuẩn không
được đảm bảo (trục ngắm không song song với trục ống thủy dài). Để hạn chế nó, khi
8


đo phải hạn chế tầm ngắm từ máy đến mia, hạn chế độ chênh lệch tầm ngắm trước, sau
(đặt máy cách đều hai mia). Do khoảng chia trên mia không chính xác.
Sai số do người đo:
Sai số do cân bọt nước không thật chính xác. Để hạn chế sai số này dùng máy
có τ càng nhạy càng tốt.

Sai số ngắm sinh ra do khả năng phân biệt của mắt người có hạn. Để hạn chế nó
cần dùng máy có độ phóng đại ống kính lớn.
Sai số do dựng mia nghiêng. Để hạn chế nó phải dùng mia có gắn ống thủy tròn
để làm căn cứ dựng mia thẳng đứng.
Sai số do làm tròn số đọc. Khi đọc số người ta thường có xu hướng làm tròn số.
Ảnh hưởng của độ cong trái đất:
Người ta chứng minh được biểu thức:

Δh: Là sai số do ảnh hưởng độ cong trái đất.
t: Là khoảng cách nằm ngang giữa 2 điểm đang xét.
R: Là bán kính trái đất.
Nếu t = 50m thì Δh = 0,2mm. Bởi vậy chúng ta có thể bỏ qua giá trị này.
Như vậy trong đo cao hình học việc hạn chế tầm ngắm từ máy đến mia là có ý
nghĩa nhất.
2.1.1.6. Nhận xét.
Phương pháp đo cao hình học có độ chính xác tương đối. Tuy nhiên phương
pháp này sẽ tốn nhiều thời gian và công sức của người đo đạc. Không những vậy sai số
của phương pháp đo cao hình học có rất nhiều lý do. Vì vậy trong mô hình robot mô
phỏng độ mấp mô không sử dụng phương pháp đo cao hình học.

9


2.1.2. Đo cao lượng giác.

Hình 2.7: Đo cao lượng giác.
Dựa trên cơ sở giải tam giác vuông có cạnh huyền là tia ngắm nghiêng để tính
ra độ chênh cao giữa 2 điểm (hình 2.7).

Đo cao lượng giác được áp dụng khi đo vẽ chi tiết bản đồ. Đo cao lượng giác

kém chính xác hơn đo cao hình học. Nhưng khi cần phải đo nhiều và nhanh, yêu cầu
độ chính xác không cao ta sẽ áp dụng phương pháp đo cao lượng giác.

Hình 2.8: Cách tính đo cao lượng giác.
Để xác định độ chênh cao Δh AB. Khi đã biết độ cao của điểm A, ta đặt máy kinh
vĩ tại A. Đo chiều cao của máy là i. Dựng mia địa hình thẳng đứng tại B (hình 2.8).
Theo hình vẽ ta có:

Δh AB+l = h + i
Δh = h + i – l
mà h = d.tgv

Ta có công thức tổng quát sau khi chứng minh:
Δh AB = ½ KnSin 2v + i – l
Trong đó: K : Hệ số nhân của máy (k=100).
n : Là khoảng cách trên mia chắn giữa 2 vạch đo xa.
V : Là góc đứng.
i : Chiều cao của máy.
l : Số đọc theo chỉ giữa trên mia.
10


2.1.3. Đo cao thủy tĩnh.
Đo cao thủy tĩnh dựa trên tính chất mặt thoáng của dịch thể ở trong các bình
thông nhau luôn ở cùng một mức độ cao như nhau.
Đo cao thủy tĩnh đạt được độ chính xác ± 2mm trên 16m dài. Phương pháp này
thường được áp dụng khi lắp đặt các thiết bị, quan trắc biến dạng công trình.
2.1.4. Đo cao khí áp.
Càng lên cao thì áp suất của khí quyển càng giảm. Dùng áp kế sẽ xác định được
áp suất khí quyển ở giữa các điểm. Sai số xác định độ cao của các điểm bằng áp kế từ

2 mét đến 3 mét (hiện nay có loại vi áp kế cho phép xác định độ cao các điểm với độ
chính xác 0,3 mét). Phương pháp này được áp dụng ở giai đọan khảo sát sơ bộ công
trình.

11


2.2. Tổng quan về phương pháp đo độ cao bằng tia laser.
Phương pháp đo độ cao bằng tia laser được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ ở
nước ngoài. Ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, công nghiệp và
nông nghiệp.

Hình 2.9: Phương pháp đo cao bằng tia laser.
2.2.1. Thiết bị thiết yếu trong hệ thống đo độ cao bằng tia laser.
Bộ phát tia laser: được gắn trực tiếp trên giá đỡ. Khi làm việc sẽ phát tia laser
đồng thời quay quanh 360o và phát ra một mặt phẳng laser được xem là mặt phẳng
chuẩn trong phương pháp đo đạc này. Mặt phẳng chuẩn được tạo ra từ tia laser có thể
chỉnh bằng tay trên thiết bị. Thiết bị có thể quay với vận tốc khác nhau từ 300rpm đến
600rpm và phạm vi có thể lên đến 800m.

Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của bộ phát tia laser.
Giá đỡ là dụng cụ dùng để đỡ bộ phát laser. Nhằm tạo sự cố định trong quá
trình đo đạt.
12


Bộ dò tia laser: được lắp cố định trên mia thủy chuẩn sẽ xác định được giá trị
độ cao bằng cách đọc giá trị tại vị trí gắn bộ dò tia laser trên mia thủy chuẩn khi bộ dò
phát hiện được tia laser. Hoạt động tốt cả ngoài trời và trong nhà.

Hình 2.11: Máy dò tia laser và cách lắp đặt lên mia thủy chuẩn.
2.2.2. Phương pháp đo đạc độ cao bằng tia laser.
Phương pháp đo đạc bằng tia laser hoạt động tốt cả trong nhà và ngoài trời.

Hình 2.12: Cách đo độ cao bằng tia laser.
Đặt giá đỡ ở nơi được xem là trung tâm của diện tích cần đo.
Gắn bộ phát tia laser và điều chỉnh mặt phẳng chuẩn sao cho phù hợp.
Đặt mia thủy chuẩn tại điểm xác định cần đo độ cao.
Gắn bộ dò tia laser trực tiếp lên mia thủy chuẩn.
Di chuyển bộ dò lên xuống dọc theo mia thủy chuẩn để tìm tia laser.
Khi phát bộ dò phát hiện được tia laser người đo sẽ đọ giá trị trên mia thủy
chuẩn và ghi lại số liệu vào sổ tay hay bất cứ đâu.
13


2.2.3. Ứng dụng phương pháp đo độ cao bằng tia laser.
2.2.3.1. Đo độ cao mặt đồng bằng hệ thống san phẳng dùng tia laser.
Nhận thấy sự chính xác của phương pháp san phẳng bằng tia laser. Vì vậy
phương pháp này được ứng dụng trong đo đạc độ cao mặt ruộng nhằm đạt sự chính
xác cao hơn so với đo cao hình học.
Vì để đo đạc độ cao của toàn bộ bề mặt ruộng là hết sức tốn thời gian và công
sức. Vì thế phương pháp đo được đề cập nhằm giảm thiểu thời gian và công sức.

Hình 2.13: Phương pháp đo độ cao mặt ruộng bằng laser.
Trong đó: xi: là khoảng cách ngang từ điểm góc đến điểm đo thứ i.
yj: là khoảng cách dọc từ điểm góc đến điểm đo thứ j.
hij: là giá trị độ cao tại điểm có tọa độ i và j.
Độ cao mặt đồng được đo đạc trực tiếp tại các điểm hoạch định trước thông qua
bộ dò laser gắn trên mia thủy tỉnh như( Hình 2.13).
Các số liệu khảo nghiệm được chia ra làm 2 loại:

Số liệu đo đạc trực tiếp: Kích thước diện tích cần đo, chiều cao mặt đồng h.
Số liệu xác định gián tiếp: Độ mấp mô của mặt đồng.
Độ mấp mô của mặt đồng hij là giá trị được tính toán bằng phương pháp nội suy
hai chiều. Phép nội suy này được thực hiện trực tiếp bằng phần mềm trên máy tính.
14