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

S K C0 0 4 7 0 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ 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


Quê quán: Mỹ Tho, Tiền Giang

Dân tộc:Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa Cơ Khí-Công Nghệ Trƣờng Đại Học
Nông Lâm Tp.HCM.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 01229905412

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ……/….đến …./ …..

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 09/2010

Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng 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


Học Viên Cao Học

Kỹ Thuật Tp.HCM

ii


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

iii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:
- Thầy PGS.TS.Nguyễn Trƣờng Thịnhvà thầy PGS.TS. Nguyễn Văn
Hùngđã tận tình hƣớng 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 trƣờng Đại Học Sƣ 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 Trƣờng 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



ABSTRACT
A laser receiver applied to laser-controlled fieldleveling is a very important
part of field leveling equipment using laser control systems. The laser receiver is
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.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii

Chƣơng 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 trƣớc khi đƣa vào bộ điều khiển ................................. 30
3.3.4 Thiết kế phần cứng mạch điều khiển ........................................................ 32
3.4 Kết quả chế tạo ................................................................................................... 35
Chƣơng 4 ĐIỀU KHIỂN GÀU SAN TRONG HỆ THỐNG SAN PHẲNG ĐỒNG
RUỘNG ......................................................................................................................... 37
4.1 Lựa chọn phƣơng 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

viii


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
Chƣơng 5 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................. 51
5.1 Phƣơng pháp tiến hành khảo nghiệm ................................................................. 51
5.2 Kết quả đo đạc và đánh giá hiệu quả của thiết bị ............................................... 52
Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 56

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

x


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 phƣơng trình toán và PID ......37

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 trƣớc 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

xiii


Chƣơng 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 nƣớc ở mức tốt nhất. Công việc này trƣớc đây chủ
yếu do ngƣời nông dân thực hiện một cách thủ công tốn nhiều công và độ chính xác
không cao. Ở Việt Nam trong những năm trƣớc thế kỷ 19, san phẳng đƣợc thực hiện
nhờ vào sức kéo trâu bò hoặc bằng tay con ngƣời là chủ yếu (hình 1.1 và 1.2 ) [1].

Hình 1.1: San ƣớt bằng tay

Hình 1.2: San ƣớt dùng trâu



a)

b)

Hình 1.6: Hệ thống san phẳng ở Mỹ (a) và Úc (b)
(Nguồ n:Trầ n Văn Khanh, và ctv, 2013)
Sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể định đƣợc vị trí, khoảng cách
của đối tƣợng. Tuy nhiên hạn chế của phƣơng pháp bao gồm việc giá thành đắt, chế
tạo phức tạp. Trong ứng ứng dụng san phẳng mặt động ở nƣớc ta hiện nay khó có
thể thực hiện đƣợc.
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 đƣợc khoảng 25 - 30% lƣợng
nƣớc tƣới 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 đƣợc vì
đây là thiết bị công nghệ cao, độc quyền phải phụ thuộc vào đối tác cung cấp. Từ

3


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 đƣợc
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 nƣớc, tạo ra sản phẩm
cạnh tranh trên thị trƣờng thế giới và góp phần ứng dụng tiến bộ kỹ thuật vào sản
xuất nông nghiệp.

- Tiết kiệm khoảng 25% ÷ 30% lƣợng nƣớc tƣới tiêu.
- Giảm mất độ cỏ dại từ 45% ÷ 66% và cỏ phát sinh chậm hơn.
- Giảm công lao động.
- Năng suất lúa cao hơn khoảng 350 kg/ha so với cánh đồng không san
phẳng [2,8].
Đề xuất một phƣơng án thiết kế hoàn toàn mới, thiết bị nhận và điều khiển
gàu san ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng dựa vào thuật toán mờ Fuzzy logic.
1.4 Tính mới của đề tài
Thực trạng hiện nay trong nƣớc, việc nghiên cứu các thiết bị điều khiển bằng
tia laser chƣa đƣợc phát triển mạnh, đặc biệt là chƣa có đối với việc ứng dụng cải
tạo mặt đồng. Với nhận xét và nội dung đề xuất nhƣ trên, đề tài chứa đựng tính mới
và khoa học là thiết kế chế tạo thiết bị nhậnlaser phù hợp với liên kết điều khiển
thuỷ lực và điều kiện san phẳng đất lúa ở Việt Nam và nhất là yêu cầu cánh đồng
mẫu lớn ở Đồng bằng sông Cửu Long.

5


S

K

L

0

0

2