Luận văn thạc sĩ về thiết kế và điều khiển hệ thống chổi quét đường trong kỹ thuật cơ điện tử

• Tác giả: Thái Thanh Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Điều Khiển Hệ Thống Chổi Quét Đường Trong Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP.HCM

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giải thích khái niệm
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.3. Mô hình chổi quét của University of Surrey
• 1.4. Các tiêu chí của hệ điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHỔI BÊN CỦA XE QUÉT ĐƯỜNG
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về hệ thống chổi quét

Hệ thống chổi quét đường đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì vệ sinh đô thị và môi trường. Hệ thống chổi quét được thiết kế để làm sạch bề mặt đường, loại bỏ bụi bẩn và rác thải. Trong bối cảnh phát triển công nghệ, robot quét đường đã trở thành một giải pháp hiệu quả, giúp tiết kiệm thời gian và tăng cường hiệu suất làm việc. Công nghệ này không chỉ đơn thuần là một thiết bị mà còn là một phần của hệ thống tự động hóa trong ngành công nghiệp vệ sinh. Việc áp dụng công nghệ quét đường hiện đại đã mang lại nhiều lợi ích, từ việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường đến nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân đô thị.

1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ quét đường

Công nghệ quét đường đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Ban đầu, các phương pháp quét đường chủ yếu dựa vào sức lao động con người. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của kỹ thuật cơ điện tử, nhiều thiết bị tự động đã được ra đời. Những chiếc robot công nghiệp ngày nay không chỉ có khả năng quét mà còn được trang bị cảm biến thông minh, giúp nhận diện và xử lý các loại rác thải khác nhau. Sự phát triển này không chỉ giảm thiểu sức lao động mà còn tăng cường hiệu quả làm sạch, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

II. Thiết kế hệ thống chổi quét

Thiết kế hệ thống chổi quét đường cần chú trọng đến nhiều yếu tố như hiệu suất làm việc, khả năng tự động hóa và tính thân thiện với môi trường. Thiết kế hệ thống bao gồm việc lựa chọn các thành phần như cảm biến trong cơ điện tử, mạch điều khiển và các bộ phận cơ khí. Các cảm biến sẽ giúp hệ thống nhận diện được các vật cản và điều chỉnh hoạt động của chổi quét một cách hợp lý. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong thiết kế không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống chổi quét được thiết kế sao cho dễ dàng bảo trì và sửa chữa, nhằm đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống chổi quét bao gồm nhiều thành phần chính như động cơ, cảm biến, và mạch điều khiển. Động cơ là bộ phận chính giúp chổi quét hoạt động, trong khi cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện môi trường xung quanh. Các cảm biến này có thể là cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, hoặc cảm biến quang học, giúp hệ thống phát hiện và tránh các vật cản. Mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ sao cho phù hợp, đảm bảo hiệu suất làm sạch tối ưu.

III. Điều khiển tự động hệ thống chổi quét

Điều khiển tự động là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc vận hành hệ thống chổi quét. Điều khiển tự động giúp hệ thống hoạt động một cách hiệu quả mà không cần sự can thiệp của con người. Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại, như PID, giúp cải thiện độ chính xác và phản hồi của hệ thống. Hệ thống chổi quét có thể được lập trình để hoạt động theo các chế độ khác nhau, từ việc quét rác nhẹ nhàng đến việc làm sạch các khu vực có nhiều rác thải. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn tiết kiệm năng lượng.

3.1. Các phương pháp điều khiển

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau được áp dụng trong hệ thống chổi quét. Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất, giúp duy trì độ ổn định và chính xác trong quá trình hoạt động. Ngoài ra, các phương pháp điều khiển mờ (fuzzy control) cũng đang được nghiên cứu và áp dụng, giúp hệ thống có thể hoạt động linh hoạt hơn trong các điều kiện môi trường khác nhau. Việc kết hợp các phương pháp điều khiển này sẽ tạo ra một hệ thống chổi quét thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh hoạt động dựa trên tình huống thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống chổi quét

Hệ thống chổi quét đường hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ quản lý đô thị đến các khu công nghiệp. Ứng dụng cơ điện tử trong hệ thống chổi quét giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí lao động. Các thành phố lớn đang ngày càng chuyển sang sử dụng các hệ thống quét tự động để duy trì vệ sinh môi trường. Ngoài ra, các công ty cung cấp dịch vụ vệ sinh cũng đang áp dụng công nghệ này để cải thiện chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng.

4.1. Tác động đến môi trường

Việc sử dụng hệ thống chổi quét tự động không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu cho thấy, việc duy trì vệ sinh đường phố có thể giảm thiểu ô nhiễm không khí và cải thiện chất lượng sống cho cư dân đô thị. Hệ thống chổi quét hiện đại có khả năng thu gom rác thải hiệu quả, giúp giảm thiểu lượng rác thải rơi vãi trên đường phố, từ đó giảm thiểu tác động đến môi trường. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc đầu tư vào công nghệ quét đường hiện đại trong bối cảnh phát triển bền vững.

V. Kết luận và triển vọng phát triển

Hệ thống chổi quét đường trong kỹ thuật cơ điện tử đang có những bước tiến đáng kể trong việc nâng cao hiệu suất làm việc và bảo vệ môi trường. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống này hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong công tác quản lý đô thị. Triển vọng phát triển của công nghệ chổi quét rất lớn, với khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất và tính năng của hệ thống, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Trong tương lai, nghiên cứu về hệ thống chổi quét có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng tự động hóa và tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT). Các công nghệ này sẽ giúp hệ thống chổi quét không chỉ hoạt động hiệu quả hơn mà còn có khả năng tự học và tự điều chỉnh dựa trên dữ liệu thu thập được từ môi trường. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực vệ sinh đô thị, góp phần xây dựng một môi trường sống sạch sẽ và bền vững hơn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, tự động hóa và điều khiển hệ thống ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, trong lĩnh vực xe chuyên dụng như xe quét đường, xe ép rác, việc cải tiến hệ thống chổi quét bên góp phần nâng cao hiệu quả làm sạch và giảm thiểu chi phí vận hành. Theo ước tính, nhu cầu sử dụng xe quét đường tại các khu vực đô thị ngày càng tăng, kéo theo yêu cầu về hiệu suất làm việc và độ bền của hệ thống chổi quét cũng được nâng cao. Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống chổi quét bên cho xe quét đường nhằm cải thiện hiệu suất làm việc và khả năng làm sạch của xe.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên nền tảng xe HINO FC9JETC, với mô hình toán học và mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021 tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Mục tiêu cụ thể là thiết kế hệ thống điều khiển PID cho chổi quét bên, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả, từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất làm việc của xe quét đường.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại vào các thiết bị công nghiệp, góp phần giảm thiểu sức lao động thủ công, tăng độ chính xác và hiệu quả làm sạch, đồng thời giảm chi phí bảo trì và vận hành cho các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ vệ sinh môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Mô hình chổi quét (Brush Model): Mô hình này mô tả cấu trúc và lực tác động lên các sợi chổi quét, bao gồm các thành phần như lực tác dụng lên chổi, lực tác dụng lên từng sợi chổi, góc nghiêng chổi, và độ thâm nhập của chổi vào mặt đường. Các khái niệm chính gồm:

   • Lực tác dụng lên chổi (Fb)
   • Lực tác dụng lên sợi chổi (Ft)
   • Góc nghiêng chổi (E)
   • Độ thâm nhập chổi (ο)

2. Series Elastic Actuator (SEA): SEA là mô hình truyền động đàn hồi nối tiếp, được sử dụng để điều khiển lực tác động lên chổi quét một cách chính xác và linh hoạt. Hai biến thể chính được nghiên cứu là FSEA và RFSEA, với các đặc điểm về truyền lực và giảm chấn khác nhau. SEA giúp giảm thiểu rung động và tăng độ bền cho hệ thống điều khiển.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: mô men quán tính, moment xoắn vít me, lực đàn hồi lò xo, hàm truyền hệ thống điều khiển PID, và các thông số kỹ thuật của bộ truyền động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô hình toán học, mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm và các thông số kỹ thuật thực tế của xe HINO FC9JETC. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bộ phận cơ khí và điện tử của hệ thống chổi quét bên, với các phép đo lực, mô men, và góc nghiêng được thực hiện qua cảm biến Loadcell và encoder.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình hóa toán học hệ thống chổi quét và bộ truyền động SEA.
• Thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình toán học.
• Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm Matlab để đánh giá hiệu suất.
• Thực nghiệm trên mô hình thực tế để kiểm chứng kết quả mô phỏng.
• So sánh các thông số lực, mô men, và độ thâm nhập chổi giữa mô hình và thực nghiệm.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 9 tháng, từ tháng 9/2020 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển PID trên hệ thống chổi quét bên: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID giúp duy trì độ thâm nhập chổi ổn định trong khoảng 0.5 đến 1.5 cm, tăng hiệu suất làm sạch lên khoảng 15% so với hệ thống không điều khiển.

2. Lực tác động lên chổi và sợi chổi: Lực tác dụng lên chổi (Fb) được đo trung bình khoảng 7.21 kg, trong đó lực tác dụng lên từng sợi chổi (Ft) dao động theo vị trí và thời gian, phù hợp với mô hình toán học dự báo. Độ lệch giữa mô hình và thực nghiệm dưới 10%, cho thấy tính chính xác cao của mô hình.

3. Ứng dụng Series Elastic Actuator (SEA): SEA giúp giảm rung động và tăng độ bền cho hệ thống truyền động, với mô men xoắn vít me được tính toán khoảng 0.3 Nm, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. So sánh giữa FSEA và RFSEA cho thấy RFSEA có khả năng giảm chấn tốt hơn khoảng 20%, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

4. Tính toán mô men quán tính và moment xoắn: Mô men quán tính của hệ thống được xác định là 7.21 kg·m², moment xoắn vít me khoảng 0.3 Nm, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện tải trọng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc áp dụng mô hình toán học chính xác kết hợp với thiết kế bộ điều khiển PID phù hợp, giúp kiểm soát tốt lực tác động và độ thâm nhập của chổi quét. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về hệ thống chổi quét và truyền động SEA, đồng thời vượt trội hơn các hệ thống truyền thống sử dụng rơ-le hoặc PLC đơn giản.

Việc sử dụng SEA giúp giảm thiểu rung động và hao mòn cơ khí, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì. Các biểu đồ lực tác động theo thời gian và độ thâm nhập chổi minh họa rõ sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điều khiển PID, đồng thời bảng so sánh mô men xoắn giữa các loại truyền động cho thấy ưu điểm vượt trội của RFSEA.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu suất làm việc của xe quét đường, giảm thiểu sức lao động thủ công và tăng tính bền vững trong vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển PID cho chổi quét bên trên các dòng xe quét đường hiện có: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu tăng hiệu suất làm sạch ít nhất 15%, thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất và bảo trì xe quét đường.

2. Ứng dụng công nghệ Series Elastic Actuator (SEA) để giảm rung động và tăng độ bền thiết bị: Động từ hành động "ứng dụng", mục tiêu giảm chi phí bảo trì 20%, thời gian 1 năm, chủ thể là các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế cơ khí.

3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển mới: Động từ hành động "đào tạo", mục tiêu giảm lỗi vận hành 30%, thời gian 3 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và giám sát trực tuyến hệ thống điều khiển chổi quét: Động từ hành động "phát triển", mục tiêu tăng khả năng giám sát và điều chỉnh từ xa, thời gian 1 năm, chủ thể là các công ty công nghệ và nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế và phát triển xe chuyên dụng: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về mô hình hóa và điều khiển hệ thống chổi quét, giúp cải tiến sản phẩm.

2. Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ vệ sinh môi trường: Áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất làm sạch và giảm chi phí vận hành.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, tự động hóa: Tài liệu tham khảo về ứng dụng điều khiển PID và truyền động SEA trong thực tế.

4. Trung tâm đào tạo kỹ thuật và bảo trì xe chuyên dụng: Cung cấp kiến thức thực tiễn và phương pháp đào tạo vận hành hệ thống điều khiển hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển PID có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
   Bộ điều khiển PID giúp duy trì độ ổn định và chính xác trong việc điều chỉnh lực tác động lên chổi quét, giảm thiểu dao động và tăng hiệu suất làm sạch lên khoảng 15% so với hệ thống dùng rơ-le hoặc PLC đơn giản.

2. Series Elastic Actuator (SEA) là gì và tại sao lại được sử dụng?
   SEA là bộ truyền động có phần tử đàn hồi nối tiếp giúp giảm rung động và tăng độ bền thiết bị. Nó cho phép điều khiển lực chính xác và giảm thiểu hao mòn cơ khí, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như chổi quét bên.

3. Mô hình toán học có độ chính xác như thế nào so với thực nghiệm?
   Mô hình toán học dự báo lực tác động và độ thâm nhập chổi với sai số dưới 10% so với kết quả thực nghiệm, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy cao của mô hình.

4. Việc áp dụng nghiên cứu này có thể giảm chi phí bảo trì như thế nào?
   Nhờ giảm rung động và hao mòn cơ khí, hệ thống truyền động SEA giúp giảm chi phí bảo trì khoảng 20%, đồng thời kéo dài tuổi thọ thiết bị.

5. Thời gian triển khai hệ thống điều khiển mới trên xe quét đường là bao lâu?
   Theo đề xuất, việc triển khai hệ thống điều khiển PID có thể hoàn thành trong vòng 6 tháng, bao gồm thiết kế, lắp đặt và đào tạo vận hành.

Kết luận

• Thiết kế và điều khiển hệ thống chổi quét bên bằng bộ điều khiển PID giúp cải thiện hiệu suất làm sạch xe quét đường khoảng 15%.
• Mô hình toán học và mô hình thực nghiệm cho kết quả tương đồng với sai số dưới 10%, đảm bảo tính chính xác và khả thi.
• Ứng dụng Series Elastic Actuator (SEA) giúp giảm rung động, tăng độ bền và giảm chi phí bảo trì khoảng 20%.
• Đề xuất triển khai hệ thống điều khiển PID và SEA trong vòng 6-12 tháng nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.
• Khuyến khích các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển phần mềm giám sát và đào tạo kỹ thuật viên để tối ưu hóa hệ thống.

Hành động tiếp theo là tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các dòng xe quét đường khác và phát triển hệ thống giám sát trực tuyến nhằm nâng cao hiệu quả vận hành. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.