Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Hiện nay ở các vườn ươm cây giống ở nước ta tiêu tốn rất nhiều nhân công lao động nhưng hiệu quả vẫn chưa cao việc ươm trồng các cây giống với kỹ thuật còn khá thô sơ chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nên cây giống không được đồng bộ gây khó khăn cho việc gieo trồng chăm sóc và thu hoạch Với mong muốn tạo ra một dây chuyền tự động gieo trồng chăm sóc cây trên các lâm trường với quy mô lớn ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong cuộc sống và sản xuất nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh làm đề tài tốt nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

GV hướng dẫn: TS Đặng Phước Vinh

GV duyệt: TS Nguyễn Danh Ngọc

Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:

1 Nhu cầu thực tế của đề tài:

Hiện nay ở các vườn ươm cây giống ở nước ta tiêu tốn rất nhiều nhân công lao động nhưng hiệu quả vẫn chưa cao, việc ươm trồng các cây giống với kỹ thuật còn khá thô sơ chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nên cây giống không được đồng bộ gây khó khăn cho việc gieo trồng, chăm sóc và thu hoạch

Với mong muốn tạo ra một dây chuyền tự động gieo trồng, chăm sóc cây trên các lâm trường với quy mô lớn, ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong cuộc sống và sản xuất, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh" làm đề tài tốt nghiệp

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:

✓ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot có thể tự động gieo trồng, chăm sóc và theo dõi điều kiện môi trường xung quanh

✓ Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vào robot nông nghiệp

✓ Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng sạch trong các loại robot di động, thân thiện với môi trường

✓ Xây dựng hệ thống cảm biến, lập biểu đồ ghi lại các điều kiện khí hậu, thỗ nhưỡng

✓ Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thu phát sóng Wifi

✓ Nghiên cứu và sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3

✓ Thiết kế và chế tạo các mạch điều khiển động cơ, cảm biến cho robot

3 Nội dung đề tài đã được thực hiện:

✓ Số trang thuyết minh: 67 trang

✓ Số bản vẽ: 6 bản vẽ A0

✓ Mô hình: 1

4 Kết quả đạt được:

• Phần lý thuyết

✓ Nghiên cứu, ứng dụng thư viện OpenCV để xử lý hình ảnh

✓ Xử lý ảnh thành công việc nhận diện các loại cây trồng cũng như hướng

di chuyển của robot

✓ Thiết kế robot bằng phần mềm Solidwork và vẽ bản vẽ bằng Autocad

✓ Lý thuyết về các loại cảm biến, NodeMCU, Raspberry Pi 3

✓ Thiết kế mạch bằng phần mền Proteus, Altium

✓ Lý thuyết về nguồn năng lượng mặt trời

✓ Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ IoT

• Phần tính toán, thiết kế

✓ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí

✓ Thiết kế và chế tạo các mạch điền khiển

✓ Đã chế tạo thành công mô hình hoạt động tương đối ổn định

✓ Tính toán và thiết kế hệ thống cảm biến

✓ Thiết kế giao diện trên website và điện thoại di động

Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019

Sinh viên thực hiện

1 Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

2 Đề tài thuộc diện: Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo thực tế

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Lê Chí Hiếu

- Tính toán, thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí robot

- Thiết kế hệ thống mạch điện điều khiển robot

- Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển robot

- Nghiên cứu sử dụng Raspberry Pi 3

- Nghiên cứu, thiết kế việc xử lý dữ liệu cảm biến, truyền gửi dữ liệu lên website và smartphone

- Nghiên cứu, thiết kế mạch sạc pin sử dụng tấm năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu, lập trình cánh tay Delta

- Nghiên cứu việc truyền nhận tín hiệu điều khiển giữa Raspberry và Arduino

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a Phần chung:

1 Lê Chí Hiếu Bản vẽ tổng thể robot 1 A0

Bản vẽ sơ đồ khối 1 A0

b Phần riêng:

1 Lê Chí Hiếu Bản vẽ sơ đồ khối mạch điều khiển 1 A0

Bản vẽ các khối mạch điện 1 A0

2 Đoàn Đại Thắng Bản vẽ sơ đồ động 1 A0

Bản vẽ các cụm chi tiết 1 A0

6 Họ và tên người hướng dẫn: T.S Đặng Phước Vinh

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/2/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 1/6/2019

Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019

Trưởng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Người hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự ảnh hưởng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ngành Cơ khí

nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng là một trong những ngành phát triển rất mạnh

với nhiều thay đổi về kỹ thuật công nghệ cũng như về chất lượng Để đạt được điều đó

đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật ngoài trình độ chuyên môn của mình còn phải có một tư

duy sáng tạo, đi sâu nghiên cứu để tận dụng hết khả năng, nguồn lực của mình

Qua thời gian học tại khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa, dưới sự tận

tình hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy, cô giáo cũng như sự nỗ lực của bản thân, chúng

em đã tích luỹ một số kiến thức như là hành trang để trở thành những kỹ sư tương lai

Thước đo những kiến thức ấy chính là đồ án tốt nghiệp Đó thực sự là thách thức lớn

đối với sinh viên chúng em khi đây là lần đầu tham gia, giải quyết một khối lượng

công việc lớn như thế này

Công việc thực hiện đồ án tốt nghiệp gặp vất nhiều khó khăn, nhiều vấn đề nan

giải Tuy nhiên được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Phước Vinh

cũng như các thầy cô giáo khác đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này Nhưng với

kiến thức hạn hẹp cũng như chưa có kinh nghiệm trong tính toán, thi công thực tế nên

khó có thể tránh được những sai sót Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo

của các thầy, cô để em hoàn thiện kiến thức hơn nữa

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí –

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Đặng Phước Vinh

cũng như các bạn cùng gia đình đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá

CAM ĐOAN

Kính gửi khoa Cơ khí - Trường đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật:

• Không bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;

• Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoặc hoạt động học thuật khác;

• Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;

• Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không có trích dẫn

• Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không

có trích dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình

để công bố trên nhiều ấn phẩm

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI NÓI ĐẦU v

CAM ĐOAN vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài 3

1.2.1 Khái quát về xử lý ảnh 3

1.2.2 Tổng quan về Internet of Things 4

1.2.3 Giới thiệu về nguồn năng lượng tái tạo 6

1.2.4 Ý tưởng thiết kế robot 7

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 10

2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp: 10

2.2 Phương án truyền động cho bánh xe dẫn động: 11

2.2.1 Phương án 1: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền đai ngoài 11

2.2.2 Phương án 2: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền xích ngoài 12 2.3 Tính toán các bộ truyền và chọn động cơ 13

2.4 Các phương án thiết kế cơ cấu chấp hành cho robot 15

2.4.1 Phương án 1: Sử dụng cánh tay robot làm cơ cấu chấp hành 15

2.4.2 Phương án 2: Sử dụng cánh tay Delta 16

2.5 Tính toán động học cơ cấu cánh tay Delta 16

2.5.1 Động học thuận robot 17

2.5.2 Động học ngược robot 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 22

3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 22

3.2 Giới thiệu sơ lược các linh kiện trong mạch điều khiển 24

3.2.1 Raspberry Pi 3 model B 24

3.2.2 Camera 25

3.2.3 Tấm pin năng lượng mặt trời 26

3.2.4 Arduino Uno R3 27

3.2.5 Arduino Nano 29

3.2.6 Node MCU 30

3.2.7 Driver động cơ VNH2SP30 32

3.2.8 Động cơ Servo 32

3.2.9 Mạch hạ áp LM2596 33

3.2.10 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 33

3.2.11 Cảm biến cường độ sáng BH1750 34

3.2.12 Cảm biến lưu lượng dòng chảy 34

3.2.13 Cảm biến đo dòng ASC712 35

3.3 Thiết kế khối mạch sạc, khối nguồn cho robot 36

3.4 Khối điều khiển động cơ 36

3.5 Khối mạch cảm biến 38

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 39

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 39

4.2 Xử lý ảnh 39

4.2.1 Thư viện OpenCV 39

4.2.2 Quy trình xử lý ảnh 40

4.2.3 Chương trình xử lý ảnh 43

4.3 Giao diện người dùng 43

4.3.1 Giới thiệu về Cayenne 43

4.3.2 Giao diện trên website 44

4.3.3 Giao diện trên smartphone 44

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 1 48

PHỤ LỤC 2 53

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của robot 13

Bảng 2.2 Bảng hệ số ma sát ứng với các loại vật liệu 13

Bảng 3.1 Thông số tấm pin năng lượng mặt trời 27

Bảng 3.2 Thông số của Arduino Uno R3 29

Bảng 3.3 Thông số của Arduino Nano 30

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật cảm biến đo dòng ASC712 35

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Chăm sóc cây giống ở vườn ươm trong nước ta hiện nay 2

Hình 1.2 Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh trong bãi giữ xe thông minh 3

Hình 1.3 Mô hình xe tự lái sử dụng công nghệ xử lý ảnh 4

Hình 1.4 Các cuộc cách mạng công nghiệp và tầm nhìn tương lai 5

Hình 1.5 Ứng dụng Internet Of Things trong giải pháp nhà thông minh 5

Hình 1.6 Hệ thống pin năng lượng mặt trời 6

Hình 1.7 Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời 7

Hình 1.8 Robot gieo hạt 7

Hình 1.9 Farmbot 8

Hình 1.10 Luống ươm cây tại một số vườn ươm nước ta 8

Hình 1.11 Ý tưởng thiết kế robot 9

Hình 2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp 10

Hình 2.2 Sơ đồ động bộ truyền bánh đai răng 11

Hình 2.3 Sơ đồ động bộ truyền xích 12

Hình 2.4 Robot hái dâu 15

Hình 2.5 Cơ cấu cánh tay Delta 16

Hình 2.6 Các tham số dùng cho việc tính toán 17

Hình 2.7 Các tham số dùng cho việc tính toán 17

Hình 2.8 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY 18

Hình 2.9 Kí hiệu các tham số cần tính toán 19

Hình 2.10 Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ 20

Hình 2.11 Kí hiệu tọa độ tính toán 21

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển 22

Hình 3.2 Board mạch Raspberry Pi 3 model B 24

Hình 3.3 Camera IP của hãng KBVISION 26

Hình 3.4 Mặt trước và sau tấm pin năng lượng mặt trời 50W 27

Hình 3.5 Arduino Uno R3 28

Hình 3.6 Chức năng các chân Arduino Uno R3 28

Hình 3.7 Arduino Nano 29

Hình 3.8 Board mạch NodeMCU 31

Hình 3.8 Sơ đồ chân NodeMCU 31

Hình 3.9 Driver VNH2SP30 32

Hình 3.10 Động cơ Servo MG996R 32

Hình 3.11 Mạch giảm áp LM2596 33

Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 34

Hình 3.13 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 34

Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng dòng chảy 35

Hình 3.15 Cảm biến đo dòng ASC712 35

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc, khối nguồn robot 36

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý driver VNH3SP30 37

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 37

Hình 3.19 Sơ đồ mạch cảm biến 38

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 39

Hình 4.2 Hệ thống nhận diện hình ảnh trên đường phố sử dụng OpenCV 40

Hình 4.3 Quy trình xử lý ảnh khi tưới 41

Hình 4.4 Ảnh chụp từ camera của robot 41

Hình 4.5 Ảnh sau khi đã lọc màu và chuyển sang hệ màu đen trắng 42

Hình 4.6 Kết quả sau khi đã xử lý ảnh 42

Hình 4.7 Giao diện hiển thị trên web 44

Hình 4.8 Giao diện hiển thị trên smartphone 44

Mục tiêu của đồ án là thiết kế và chế tạo một mô hình robot tự động gieo trồng hạt giống, chăm sóc cây và theo dõi điều kiện môi trường trong các vườn ươm Thuyết minh được cấu trúc như sau: chương 1 giới thiệu tổng quan về robot; chương 2 trình bày phần tính toán và thiết kế cơ khí; chương 3 tính toán và thiết kế mạch điều khiển; chương 4 thiết kế chương trình điều khiển; chương 5 trình bày những ưu nhược điểm cũng như hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Rừng là "lá phổi" của trái đất, rừng có vai trò rất quan trọng trong việc duy trì cân bằng sinh thái và sự đa dạng sinh học trên hành tinh chúng ta Tuy nhiên diện tích rừng ở trên thế giới cũng như ở nước ta đang dần bị thu hẹp một cách nhanh chóng

Tính đến hết năm 2016, cả nước có 14.377.682 ha rừng Trong đó rừng tự nhiên

là 10.242.141 ha và rừng trồng là 4.135.541 ha Nếu tính so với tổng diện tích tự nhiên toàn quốc là 33.095.250 ha thì hiện nay tỷ lệ độ che phủ là 41,19% Bộ trưởng Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn khẳng định mục tiêu đến năm 2020 phải nâng

độ che phủ rừng lên 42% trở lên Chính vì vậy, cần phải có một nguồn cung ứng các giống cây để trồng rừng là một yêu cầu cấp thiết Tuy nhiên hiện nay, ở các trang trại cung ứng giống cây để trồng rừng vẫn gieo trồng, ươm cây một cách thủ công, tốn nhiều nhân công lao động, năng suất không cao

Hình 1.1 Chăm sóc cây giống ở vườn ươm trong nước ta hiện nay

Hiện nay ở các nước trên thế giới, việc tự động hoá trong nông nghiệp không còn là điều gì mới mẻ, xa lạ nhưng ở nước ta hiện nay, nông nghiệp đang bị bỏ ngỏ, không được chú trọng một cách đúng mức Mặc dù nhu cầu lâm sản ở nước ta vô cùng lớn, nhưng tài nguyên rừng thì có hạn, rừng sản xuất lại được trồng một cách thủ công,

chưa được chăm sóc một cách đúng mức nên chất lượng cũng như số lượng sản phẩm lâm nghiệp còn hạn chế

Bởi vậy, nhóm đã nảy ra ý tưởng nghiên cứu phát triển loại robot có thể tự động gieo trồng, ươm giống các loại cây công nghiệp nhằm giải toả bớt nhân công lao động trong các vườn ươm, tăng năng suất để cung ứng đầy đủ cây giống cho các trang trại Đồng thời có thể tạo ra một dây chuyền tự động gieo trồng, chăm sóc cây trên các lâm trường với quy mô lớn, ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào trong cuộc sống và sản xuất

1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài

Ngày nay xử lý ảnh đã được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: photoshop, nén ảnh , nén video, nhận dạng biển số xe, nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng chữ viết,…

Hình 1.2 Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh trong bãi giữ xe thông minh

Chính vì vậy trong đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh", nhóm tác giả sẽ ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

như là "đôi mắt" của robot để giúp robot di chuyển cũng như nhận diện được các đối tượng nhằm phân tích, xử lý và hoạt động trong môi trường thực tế

Hình 1.3 Mô hình xe tự lái sử dụng công nghệ xử lý ảnh Hiện nay, đã có rất nhiều thư viện, phần mền hỗ trợ cho viết xử lý ảnh tích hợp vào trong nhiều loài robot khác nhau như EmguCV, SimpleCV, OpenCV,… Mỗi thư viện, phần mền đều có những ưu điểm nhược điểm riêng Qua quá trình tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn, nhóm nghiên cứu đã chọn nghiên cứu, ứng dụng thư viện OpenCV để xử lý ảnh bởi những lý do sau:

• Thư viện OpenCV là thư viện mã nguồn mở được viết và tối ưu hóa

bằng ngôn ngữ C/C++ nên có thể dễ dàng sử dụng, nhúng vào hệ thống một cách đơn giản

• Thư viện OpenCV có một cộng đồng người dùng rộng lớn, liên tục được nâng cấp hỗ trợ người dùng

1.2.2 Tổng quan về Internet of Things

Trong những ngày qua, khái niệm "Các mạng Công nghiệp 4.0" được nhắc đến rất nhiều trên truyền thông cũng như các mạng xã hội Theo Gartner, cách mạng Công nghiệp 4.0 xuất phát từ khái niệm "Industrie 4.0" trong một báo cáo của chính phủ Đức năm 2013 Công nghiệp 4.0 là xu hướng hiện thời trong việc tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất Nó bao gồm các hệ thống không gian mạng thực-ảo (cyber-physical system), Internet of Things và điện toán đám mây và điện toán

Hình 1.4 Các cuộc cách mạng công nghiệp và tầm nhìn tương lai

Hiểu một cách đơn giản Internet Of Things là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng 50

tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa Internet

Of Things sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng

Hình 1.5 Ứng dụng Internet Of Things trong giải pháp nhà thông minh

Bởi vậy, Internet Of Things là một cơ hội cũng như một thách thức để đưa nền công nghiệp nước ta vươn ra thế giới Việc nghiên cứu và ứng dụng IoT sẽ giúp các sản phẩm công nghệ đến gần hơn với người dùng, người sử dụng có thể kiểm soát quản lý robot từ mọi nơi trên thế giới qua đó giúp tiết kiệm thời gian, thuận tiện cho người sử dụng

1.2.3 Giới thiệu về nguồn năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh

là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt

là từ mặt trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong bốn lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn

Hình 1.6 Hệ thống pin năng lượng mặt trời Hiện nay, công nghệ năng lượng mặt trời ở nước ta đang được phát triển một cách nhanh chóng với mục đích thay thế nguồn năng lượng hoá thạch, bảo vệ môi trường Đặc biệt, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời còn giúp cho các loại robot

có thể hoạt động ngoài trời một cách liên tục không cần sạch pin nhiều lần

Hình 1.7 Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời Chính vì những lợi ích như vậy, nhóm đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời vào trong đồ án tăng tính công nghệ, thiết thực cho đề tài đồ án tốt nghiệp

1.2.4 Ý tưởng thiết kế robot

Hiện nay, trong nước và trên thế giới đã có rất nhiều loại robot sử trong nông nghiệp có thể gieo trồng, chăm sóc cây Tuy nhiên các loại cơ cấu robot đó cũng còn nhiều mặt hạn chế

Hình 1.8 Robot gieo hạt Hình 1.8 là robot gieo hạt đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi Robot này

có thể trồng và chăm sóc cây trên các vườn ươm rộng lớn, gieo trồng được nhiều hạt Tuy nhiên, nó vẫn còn nhiều khuyết điểm như:

• Máy khó có thể thay đổi độ sâu của hạt giống cần gieo

• Máy phải có người điều khiển giám sát trực tiếp

• Máy không có các loại cảm biến để thu thập được các điều kiện môi trường

Hình 1.9 Farmbot Hình 1.9 là Farmbot đã được bán trên thị trường Robot có khả năng gieo hạt trồng nhiều loại cây trồng Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh giúp quản lý các loại cây trồng Tự động gieo trồng, chăm sóc, diệt cỏ cho cây trồng Đồng thời robot còn

có giao diện trên website giúp người dùng có thể quản lý được các loại cây trồng trong vườn Tuy nhiên robot cũng còn một vài nhược điểm như:

• Robot chỉ hoạt động được trên diện tích nhỏ, tính cơ động không cao

• Chi phí gia công tốn kém

Hình 1.10 Luống ươm cây tại một số vườn ươm nước ta

Chính vì vậy cần thiết kế loại robot có thể di chuyển trên vườn rộng, tính linh hoạt cao đồng thời còn có thể thu thập được giá trị các loại cảm biến để lưu lại thông tin môi trường xung quanh, sử dụng được pin năng lượng mặt trời để tăng thời lượng

sử dụng robot Theo tình hình thực tế, nhóm quyết định thiết kế loại robot đi trên luống

để có thể trồng và chăm sóc cây trồng một cách tốt nhất

Hình 1.11 Ý tưởng thiết kế robot

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp:

Hình 2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp 1: Bánh xe dẫn động 5: Cụm cơ cấu chấp hành

2: Bánh xe điều hướng 6: Cơ cấu đầu chấp hành

3: Khung robot 7: Vị trí gắn camera

4: Tấm pin năng lượng mặt trời

Robot có cấu tạo gồm: 4 bánh xe với 2 bánh xe trước dẫn động (1) được nối với động cơ thông qua bộ truyền xích với tỉ lệ 1:5 để tăng lực kéo cho xe Bánh xe được chế tạo có cơ cấu căng xích Hai bánh điều hướng (2) di chuyển tự do được kéo đi bởi hai bánh dẫn động phía trước

Phần khung robot (3) được nâng cao để có khoảng không gian để bố trí các mạch điều khiển, bình đựng nước tưới, acquy

Tấm pin năng lượng mặt trời (4) được đặt trên cùng để nhận đầy đủ ánh nắng

để cung cấp năng lượng cho robot hoạt động

Cơ cấu đầu chấp hành (5) được gắn trên robot có ưu điểm hơn loại cơ cấu trên các loại máy khác là nó có thể di chuyển một cách linh hoạt, thay đổi số cây trên một luống, khoảng cách các cây, các hàng với nhau một cách linh hoạt tuỳ giống cây và người sử dụng

Cơ cấu đầu chấp hành (6) được dùng để gắn các loại cảm biến để theo dõi điều kiện thổ nhưỡng, cơ cấu gieo hạt giống, vòi phun tưới nước cho cây trồng Các cơ cấu được thiết kế sao cho có thể dễ dàng thay đổi với nhau tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng nhắm tận dụng được tối đa sự linh hoạt của robot với mục tiều là đạt năng suất một cách tối đa

Robot được trang bị một camera IP (7) được gắn dưới tấm pin năng lượng mặt trời Camera có thể quay phim với độ phân giải 1920×1080@30fps (30 khung hình trên giây) Nhờ đó robot có thể thu thập dữ liệu hình ảnh thực tế, thông qua chương trình xử lý ảnh trên Raspberry Pi 3 sẽ giúp robot nhận diện được các loại cây trồng, vùng làm việc để có thể thực hiện nhiệm vụ Camera có góc rộng được gắn dưới tấm pin năng lượng mặt trời để bao quát toàn bộ vùng hoạt động của robot từ đó có thể đưa

ra các thông tin điều khiển một cách chính xác và nhanh chóng

2.2 Phương án truyền động cho bánh xe dẫn động:

2.2.1 Phương án 1: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền đai ngoài

Hình 2.2 Sơ đồ động bộ truyền bánh đai răng

• Kích thước bộ truyền đai lớn hơn so với các bộ truyền khác

• Tỉ số truyền thay đổi do sự trơn trượt giữa đai và bánh răng

• Tuổi thọ của bộ truyền thấp

2.2.2 Phương án 2: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền xích ngoài

Hình 2.3 Sơ đồ động bộ truyền xích

Ưu điểm:

• Có thể làm việc khi quá tải đột ngột, hiệu suất cao hơn bộ truyền đai, không có hiện tượng trượt

• Không đòi hỏi phải căng xích , lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn

• Kích thước bộ truyền xích nhỏ hơn bộ truyền đai nếu cùng công suất, số vòng quay

Nhược điểm:

• Bộ truyền xích tương đối ồn khi làm việc

• Phải bôi trơn thường xuyên và phải có bánh điều chỉnh xích

=> Như vậy, qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án, ta thấy robot có vận tốc chậm, đi trên đường đất nên cần momen xoắn lớn Robot di chuyển linh hoạt nên cần bộ truyền nhỏ gọn, đơn giản dễ lắp ráp, chỉnh sửa Chính vì những lý do trên nhóm đã chọn thiết kế theo phương án 2: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc và bộ truyền xích

2.3 Tính toán các bộ truyền và chọn động cơ

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của robot

Ta có khối lượng của toàn robot tính cả bình nước tưới xấp xỉ 55kg Như vậy ta xem như trọng lượng phân bố đều ra cả 4 bánh xe mỗi bánh chịu tải trọng là 13,75 kg

Ta có bản hệ số ma sát ứng với các loại vật liệu như sau:

Bảng 2.2 Bảng hệ số ma sát ứng với các loại vật liệu

Ta có công suất tính momen cản như sau:

Pms=Fc×v=m×g×fms×v×k=70×9,8×0,4×0,2 = 54,88(W) Trong đó:

• Pms: công suất do momen cản gây ra

• Ptt: Công suất cần thiết của động cơ dẫn động

• Pms : Công suất do momen cản gây ra

• η1: Hiệu suất của cặp ổ lăn

• η2: Hiệu suất của bộ truyền xích

Ta sử dụng bộ truyền xích cho 2 bánh xe dẫn động với tỉ số truyền u = 2, ta tính

được tốc độ góc của bánh xe:

ω=ωbx1=ωbx2= v

0,20,352

Dựa vào kết quả tính toán ở trên ta chọn phương án thiết kế với hai động cơ gắn

ở hai bánh dẫn động thông qua bộ truyền xích với tỷ lệ truyền 1:2 Mỗi động cơ có thông số kỹ thuật như sau:

• Điện áp hoạt động : 12VDC

• Dòng động cơ : 4,8A

• Công suất động cơ : 50W

• Tốc độ vòng quay : 80 vòng/phút

2.4 Các phương án thiết kế cơ cấu chấp hành cho robot

2.4.1 Phương án 1: Sử dụng cánh tay robot làm cơ cấu chấp hành

Hình 2.4 Robot hái dâu

• Giá thành để chế tạo tương đối cao

• Đòi hỏi kiến thức kĩ thuật cũng như khả năng gia công cơ khí cao

• Sử dụng nhiều động cơ nên tương đối tốn năng lượng

2.4.2 Phương án 2: Sử dụng cánh tay Delta

Hình 2.5 Cơ cấu cánh tay Delta

• Chi phi hơi cao

• Vùng hoạt động thấp hơn cánh tay robot

=> Như vậy, qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án, ta thấy cơ cấu cánh tay Delta là phù hợp với robot bởi robot gieo trồng hạt giống, chăm sóc cây nên không cần vùng làm việc lớn như sử dụng cánh tay robot, nhờ đó giảm được giá thành đưa robot gần với thực tế hơn

2.5 Tính toán động học cơ cấu cánh tay Delta

Trước tiên, ta đặt một số thông số quan trọng của hình học của robot:

• f là khoảng cách từ tâm O của bàn máy cố định tới trục mỗi động cơ, ở đây ta giả sử tâm O có cùng độ cao với trục các động cơ

• e là khoảng cách từ tâm E bàn máy di động tới các trục thanh nối của bàn máy động

• rf là chiều dài của khâu dẫn động

• re là chiều dài của cấu trúc hình bình hành (tức chiều dài của khâu bị động)

Đây là các thông số vật lý được xác định để thiết kế của robot Khung tham chiếu sẽ được chọn với nguồn gốc ở trọng tâm của gá tam giác cố định, do đó, toạ độ z của gá khâu công tác kết thúc sẽ luôn luôn dương, như được hiển thị dưới đây:

Hình 2.6 Các tham số dùng cho việc tính toán

Để chương trình xử lý động học robot được hiệu quả giảm sai số và dể dàng thiết lập cho vi điều khiển, nên ở đây ta sẽ thiết lập đơn giản động học robot bằng phương pháp hình học

2.5.1 Động học thuận robot

Hình 2.7 Các tham số dùng cho việc tính toán

Hình 2.8 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY Gọi J′′1, J′′2, J′′3 là hình chiếu của J1, J2, J3 lên mặt phẳng OXY

2 (2.5)

Ta có hệ phương trình (2.4) và (2.5) giải hệ ta đươc:

2.5.2 Động học ngược robot

Ta gọi hình chiếu của E1 lên mặt phẳng XZ là E1’

Hình 2.9 Kí hiệu các tham số cần tính toán

Để đơn giản chúng ta hãy xoay tọa độ trong mặt phẳng XY quanh trục Z thông qua góc 120° ngược chiều kim đồng hồ để trục Y trùng với OF2, như thể hiện dưới đây

Hình 2.11 Kí hiệu tọa độ tính toán

Ta có tọa độ E0 trong tọa độ mới OX’Y’ là:

E0' = Rot(z,120)-1E0= [

- sin 1200

cos 1200

01

00

= [

𝑥0cos 120 + 𝑦0sin 120

− 𝑥0sin 120 + 𝑦0cos 120

𝑧01

=> Vậy từ tọa độ E0(x0,y0,z0) ta tìm ra được 3 góc Ɵ

Từ đây ta có thể tạo ra chương trình tính động học robot giúp robot hoạt động

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Điều khiển các hoạt động của robot thông qua các mạch điều khiển động cơ, camera Đồng thời còn có các mạch cảm biến để thu thập thông tin từ môi trường và

sử dụng wifi để giao tiếp với bên ngoài thông qua mạng Internet

3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của mạch điều khiển robot dùng trong nông nghiệp bao gồm các khối và chức năng như sau:

• Tấm pin năng lượng mặt trời: sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời

công suất 50W giúp cho robot có thể hoạt động liên tục không cần nạp

lại năng lượng với điều kiện ánh sáng mạnh, liên tục cả ngày

• Khối mạch sạc: sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 để sạc cho

acquy theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để ổn định điện áp nạp vào acquy Đồng thời sử dụng cảm biến đo dòng ACS712 để đo dòng nạp vào acquy Đọc giá trị dung lượng pin còn lại để gửi đến hiển

thị qua giao diện người dùng

• Khối nguồn: sử dụng acquy 12V 5.2Ah là loại acquy thông dụng thường được sử dụng trong xe gắn máy

• Khối xử lý trung tâm: sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 sử dụng

hệ điều hành Raspbian đã được cài đặt thư viện OpenCV thực hiện chức năng xử lý hình ảnh thu được từ camera và đưa ra tín hiệu điều khiển

cho các cơ cấu khác

• Khối camera: dùng camera IP KBVISION có khả năng quay video full

hd 1920×1080@30fps Ngoài ra camera còn có led hồng ngoại để có thể

sử dụng được vào ban đêm Camera được kết nối với Raspberry Pi 3

thông qua cổng Ethernet

• Khối điều khiển động cơ, cơ cấu chấp hành: sử dụng driver

VNH3SP30 để điều khiển Driver sử dụng chip VNH3SP30 có khả năng chip dòng tới 30A, thích hợp cho việc điều khiển động cơ Cơ cấu cánh

tay Delta sử dụng ba động cơ Servo MG996R để điều khiển

• Khối tưới nước: sử dụng động cơ bơm để bơm nước từ trong bình được đặt vào khoan chứa hàng của robot

• Khối cảm biến: robot có thể thay đổi được các đầu cảm biến để theo dõi

các dữ liệu về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, cảm biến mưa Các dữ liệu của cảm biến sẽ được gửi lên cơ sở dữ liệu thông qua mạng Wifi Từ đó có thể đưa dữ liệu lên website và ứng

dụng trên smartphone

• Cơ sở dữ liệu: sử dụng cơ sở dữ liệu của myDevice làm nơi lưu trữ các

giá trị của cảm biến, cũng như các tín hiệu điều khiển robot từ website

hay từ ứng dụng trên điện thoại di động

• Hiển thị website và ứng dụng Android: người dùng có thể tương tác

với robot thông qua website và ứng dụng trên điện thoại di động Chính

vì vậy, người sử dụng có thể điều khiển robot cũng như theo dõi các thông tin về cây giống và điều kiện từ bất cứ nơi đâu trên thế giới Đây cũng chính là xu hướng trong nghiên cứu, thiết kế robot trong nền công nghiệp 4.0

3.2 Giới thiệu sơ lược các linh kiện trong mạch điều khiển

3.2.1 Raspberry Pi 3 model B

Raspberry Pi là chiếc máy tính kích thước nhỏ được tích hợp nhiều phần cứng mạnh mẽ đủ khả năng chạy hệ điều hành và cài đặt được nhiều ứng dụng trên nó Với giá chỉ vài chục USD, Raspberry hiện đang là mini computer nổi bật nhất hiện nay Ban đầu, tổ chức Raspberry Pi Foundation phát triển dự án Raspberry với mục tiêu chính là giảng dạy máy tính cho trẻ em và tạo ra một công cụ giá rẻ (chỉ vài chục USD) để sinh viên nghiên cứu học tập Tuy nhiên, sau khi xuất hiện, Raspberry Pi được cộng đồng đánh giá cao về tính ứng dụng với phần cứng được hỗ trợ tốt, Pi đã nhanh chóng phát triển một cách rộng rãi Pi phù hợp cho những ứng dụng cần khả năng xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm hoặc giải trí và đặc biệt cần chi phí thấp Hiện nay đã

có hàng ngàn ứng dụng đa dạng được cài đặt trên Rasberry Pi

Hình 3.2 Board mạch Raspberry Pi 3 model B Thông tin cấu hình Raspberry Pi 3:

• Broadcom BCM2837 chipset running at 1.2 GHz

• 64-bit quad-core ARM Cortex-A53

• 802.11 b/g/n Wireless LAN

• Bluetooth 4.1 (Classic & Low Energy)

• Dual core Videocore IV® Multimedia co-processor

• GB LPDDR2 memory

• Supports all the latest ARM GNU/Linux distributions and Windows 10

• MicroUSB connector for 2.5 A power supply

• × 10/100 Ethernet port

• 1 × HDMI video/audio connector

• 1 × RCA video/audio connector

• 4 × USB 2.0 ports

• 40 GPIO pins

• Chip antenna

• DSI display connector

• MicroSD card slot

• Dimensions: 85 × 56 × 17 mm

Nhóm sử dụng lập trình sử lý ảnh nên cần bộ xử lý trung tâm có cấu hình tương đối cao, có khả năng thu thập, phân tích xử lý hình ảnh một cách liên tục đồng thời điều khiển các cơ cấu chấp hành thời gian thực Chính vì vậy phải cần đến các loại máy tính, laptop mới có khả năng để xử lý

Tuy nhiên, laptop hay máy tính để có khối lượng lớn, tương đối cồng kềnh, năng lượng tiêu thụ lớn nên việc đặt lên robot để di chuyển trong vườn ươm là tương đối bất tiện Chính vì vậy nhóm quyết định chọn máy tính nhúng Raspberry Pi 3 có cấu hình tương đối phù hợp, đặc biệt là kích thước cũng như năng lượng tiêu thụ nhỏ nên phù hợp với các loại robot di động

3.2.2 Camera

Camera IP là loại camera quan sát có hình ảnh được số hóa, xử lý và mã hóa từ bên trong, sau đó truyền tải tín hiệu ảnh số qua một kết nối Ethernet về máy vi tính, cũng có thể là một thiết bị lưu trữ tín hiệu số như: hệ thống NAS, hệ thống server hoặc đầu ghi hình IP…

Thông số kỹ thuật camera IP KBVISION KX-2011N

• Cảm biến hình ảnh: 1/2.7" 2.0 Megapixel Aptina - V2

• Chuẩn nén hình ảnh: H.264 và MJPEG

• Ghi hình: 25fps@1920×1080

• Tích hợp 20 user truy cập cùng lúc

• Ống kính: 3.6mm (góc nhìn 93°)

• Tích hợp cân bằng ánh sáng, bù sáng, chống ngược sáng, chống nhiễu 3D-DNR, cảm biến ngày/đêm giúp camera tự động điều chỉnh hình ảnh

và màu sắc đẹp nhất phù hợp nhất với mọi môi trường ánh sáng

Hình 3.3 Camera IP của hãng KBVISION

3.2.3 Tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (Solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một

số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng, hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Hình 3.4 Mặt trước và sau tấm pin năng lượng mặt trời 50W Bảng 3.1 Thông số tấm pin năng lượng mặt trời