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: San ƣớt bằng tay Hình 1.2: San ƣớt dùng trâu Bƣớc sang thế kỷ 19, cơ giới hoá đƣợc ứng dụng trong nông nghiệp việc san phẳng đƣợc thực hiện với các khâu cày đất và san khô bằ ng máy ủi (hình 1.3), san tinh dùng mực nƣớc với bánh lồng và bừa gắn trên máy kéo (hình 1.3: Cày đất Hình 1.4: San ƣớt bằng bừa trên máy kéo tay San thủ công hoă ̣c bằ ng máy dƣ̣a theo mƣ́c nƣớc trên mă ̣t đồ ng tố n nhiề u thời gian và công sƣ́c.
Nhƣơ ̣c điể m lớn nhấ t là không chính xác nên đô ̣ chênh lê ̣ch vẫn còn cao, dẫn đế n các tổ n ha ̣i về nƣớc, phân bón,…và tổ n thấ t sản phẩ m. Hiện nay trên thế giới vấn đề san phẳng đồng ruộng đƣợc thực hiện tự động hoàn toàn bằng công nghệ laser (hình 1. Máy canh tác Chùm tia Laser Hình 1.5: San phẳng mặt đồng ứng dụng công nghệ phát tia laser (Nguồn: International Rice Reseach Institute (IRRI)) 2 Chùm tia laser đƣợc phát từ bộ pháttheo một phẳng ngang trên mặt đồng. Các máy canh tác chạy trên mặt đồng đƣợc gắn thiết bị nhận tín hiệu laser điều khiển cơ cấu chấp hành của máy.
Ở một số nƣớc việc san phẳng còn đƣợc phát triển điều khiển tự động bằng công nghệ GPS (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.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 đƣợc 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 trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Mình, dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Trƣờng 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 4 thành, tăng độ chính xác, giảm hao mòn máy và sự phá vỡ các thiết bị. Bên cạnh đó làm chủ công nghệ, chủ động về thiết bị và giảm chi phí sửa chữa, bảo hành, đóng góp vào sự phát triển ứng dụng kỹ thuật laser và san phẳng đồng ruộng nói riêng và nông nghiệp Việt Nam nói chung.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài: Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ hiện nay, việc ứng dụng hệ thống san phẳng mặt đồng sử dụng kỹ thuật laser là hết sức cần thiết, giúp hạn chế cỏ dại, tiết kiệm nƣớc trong khâu tƣới tiêu, giảm thời gian tƣới tiêu, tăng năng suất và chất lƣợng. Theo thống kê của Trung tâm Năng lƣợng và Máy Nông nghiệp (CAEM), Trƣờng Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh về việc ứng dụng hệ thống san phẳng laser (Laser levelling) từ năm 2005 đến năm 2008 cho thấy: - 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.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 Phạm vi và nội dung nghiên cứu Trong khuôn khổ của luận văn việc nghiên cứu đƣợc giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, thiết kế bộ nhận laservà hộp điều khiển ứng dụng trong san phẳng mặt đồng bằng Fuzzy logic. Các nội dung kết nối với máy san phẳng đồng ruộng và bộ phận phát mặt phẳng laser không thuộc phạm vi nghiên cứu. Đề tài thực hiện với các nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống san phẳng đồng ruộng ứng dụng công nghệ laser. - Khảo sát một số thiết bị nhận laser ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng và đề xuất phƣơng pháp thiết kế.
- Nghiên cứu lý thuyết và thiết lập bài toán vật lý cho hệ thống gàu san. - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình thiết bị nhận laser và hộp điều khiển van thuỷ lực. Nghiên cứu lựa chọn và chế tạo mạch điện điều khiển thiết bị. - Ứng dụng Fuzzy Logic trong điều khiển bộ nhận Laser và mô phỏng thuật toán trên phần mềm Matlab.
- Tiến hành khảo nghiệm và đánh giá khả năng làm việc của thiết bị.6 Phƣơng pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết và phƣơng pháp thực nghiệm. Từ những nguồn tài liệu sách báo cũng nhƣ Internet phân tích đánh giá một số bộ phận nhận laser ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng. Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các thiết bị tƣơng đƣơng hiện có trên thị trƣờng. Từ đó đề xuất nguyên lý thu nhận tín hiệu laser.
Thiết kế, chế tạo mạch điện điều khiển thiết bị nhận laser ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng. Điều khiển thiết bị bằng Fuzzy Logic. Sau khi chế tạo tiến hành thử nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị.7 Cấu trúc của luận văn: Nội dung thiết minh của luận văn bao gồm: 6 Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Hệ thống laser ứng dụng trong san phẳng đồng ruộng Chƣơng 3: Hệ thống thu thập dữ liệu san phẳng Chƣơng 4: Điều khiển gàu san trong hệ thống san phẳng đồng ruộng Chƣơng 5: Thử nghiệm và đánh giá kết quả Chƣơng 6: Kết luận và đề nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 7 Chƣơng 2 HỆ THỐNG LASER ỨNG DỤNG TRONG SAN PHẲNG ĐỒNG RUỘNG 2.1Sơ lƣợc về hệ thống san phẳng ứng dụng công nghệ laser Sơ đồ nguyên lý san phẳng của hệ thống san phẳng mặt đồng điều khiển bằng kỹ thuật laser đƣợc thể hiện trên hình2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Maët phaúng Laser Vaïch 0 1: Bộ phát tia laser 2.
Xi lanh thủy lực 3. Bộ phận nhận tín hiệu laser 4. Cụm gàu san 5. Cụm van thủy lực 6.
Ống thủy lực 7. Van thủy lực 8. Hộp xử lý và điều khiển 9.1: Sơ đồ cấu tạo của liên hợp máy san laser Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Bộ phát laser (1) đƣợc đặt trên giá đỡ, phát ra tia laser tạo thành một mặt phẳng song song với mặt phẳng nằm ngang. Bộ phận nhận tín hiệu laser (3) lắp cố định trên cụm gàu san (4) sẽ xác định vị trí tƣơng đối của cụm gàu san so với mặt phẳng laser khi hai bánh xe mang cụm gàu san lên vùng đất cao hay xuống vùng đất trũng, rồi truyền tín hiệu về bộ điều khiển (8) xử lý.
Sau khi xử lý, tín hiệu đƣợc truyền tới cụm van thủy lực (5) kích đóng hoặc mở các vị trí của van thủy lực để nâng hoặc hạ xi lanh thủy lực (2). Nghĩa là khi cụm gàu san lên vùng đất cao thì bộ phận điều khiển sẽ điều khiển cho xi lanh thủy lực hạ gàu san để lấy đất, còn khi cụm gàu san xuống vùng đất trũng thì bộ phận điều khiển sẽ điều khiển cho xi lanh 8 thủy lực nâng gàu san lên để thả đất. Gàu san nâng lên hay hạ xuống sao cho vạch chuẩn trên bộ nhận luôn nằm trên mặt phẳng laser.2 Các thành phần chính của hệ thống Laser trong san phẳng đồng ruộng 2.1Đầu phát laser Bộ phát laser đƣợc gắn trên giá đỡ, phát chùm tia laser tỏa ra xung quanh tạo thành một mặt phẳng xoay tròn song song với mặt phẳng nằm ngang có bán kính khoảng 400m(hình 2.2b), tốc độ quay của đèn laser có thể điều chỉnh từ 300÷600(vòng/phút), đƣa tín hiệu đến bộ nhận laser lắp trên cụm gàu san.
