Đồ Án: Chế tạo flycam phun thuốc cho cây trồng ứng dụng trong nông nghiệp 4.0

Đồ án Chế tạo flycam phun thuốc nông nghiệp (đồ án) thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành nông nghiệp hiện nay

• Tác giả: Nguyễn Trung Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Quốc Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Chế Tạo Flycam Hỗ Trợ Phun Thuốc Cho Cây Trồng Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Chế Tạo Flycam Phun Thuốc Nông Nghiệp

Chế tạo flycam phun thuốc nông nghiệp là một đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại Trường Đại học Điện Lực, ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa. Đề tài này nhằm ứng dụng công nghệ máy bay không người lái (UAV, drone) vào lĩnh vực nông nghiệp hiện đại. Với dự báo dân số Trái Đất năm 2050 sẽ đạt 10 tỉ người, nhu cầu nông sản tăng cao đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến. Flycam nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phun thuốc bảo vệ cây trồng, giảm nhân công và tăng hiệu quả canh tác. Đây là bước tiến quan trọng trong cách mạng 4.0 ứng dụng vào nền nông nghiệp Việt Nam.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Chế Tạo Flycam

Cách mạng 4.0 đã thay đổi mạnh mẽ các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là nông nghiệp. Máy bay không người lái mang đến giải pháp hiệu quả cho các nông trại hiện đại. Flycam giúp theo dõi sức khỏe cây trồng, quản lý tưới tiêu, phát hiện cỏ dại và tối ưu hóa bón phân. Việc chế tạo flycam phun thuốc nông nghiệp giúp sinh viên hiểu rõ cơ học điều khiển, thiết kế hệ thống tự động ổn định, và ứng dụng công nghệ vào thực tiễn sản xuất.

1.2. Ứng Dụng Flycam Trong Nông Nghiệp Hiện Đại

Flycam nông nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực: theo dõi sức khỏe cây trồng trong mùa vụ, quản lý hệ thống tưới tiêu, phát hiện cỏ dại, xác định tỷ lệ bón phân phù hợp, và giám sát chăn nuôi gia súc. Công nghệ phun thuốc tự động trên flycam giúp giảm chi phí lao động, tăng độ chính xác phun thuốc, và bảo vệ sức khỏe nông dân. Đây là giải pháp kỹ thuật tiên tiến phù hợp với xu hướng nông nghiệp thông minh toàn cầu.

II. Nội Dung Và Nhiệm Vụ Nghiên Cứu Chế Tạo Flycam

Đồ án chế tạo flycam hỗ trợ phun thuốc bao gồm nhiệm vụ nghiên cứu về cơ học, điều khiển tự động và xử lý dữ liệu cảm biến. Sinh viên cần phân tích các chuẩn truyền thông trong hệ thống máy bay không người lái, thiết kế mô hình điều khiển có khả năng đáp ứng nhanh và ổn định. Việc xây dựng các thuật toán tối ưu hóa dữ liệu từ cảm biến là chìa khóa để chống lại nhiễu và tác động từ môi trường. Đồ án cần đảm bảo tính ổn định, tin cậy và an toàn trong giới hạn cho phép, đồng thời có khả năng vận chuyển và phun thuốc nông nghiệp hiệu quả.

2.1. Phân Tích Cơ Học Và Hệ Thống Điều Khiển

Cơ học máy bay không người lái cần được phân tích chi tiết để hiểu rõ nguyên lý hoạt động. Hệ thống điều khiển tự động phải đảm bảo flycam tự cân bằng theo phương ngang, ổn định độ cao tự động, và giữ ổn định vị trí. Các thuật toán PID và các phương pháp điều khiển hiện đại được áp dụng để xử lý dữ liệu từ cảm biến IMU, barometer và GPS. Thiết kế này cho phép flycam hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện gió, bảo đảm chất lượng phun thuốc trên cây trồng.

2.2. Hệ Thống Thu Thập Và Truyền Dữ Liệu

Flycam phun thuốc được trang bị các cảm biến để truyền thông số vị trí, hình ảnh và trạng thái hoạt động tới người điều khiển. Hệ thống liên lạc sử dụng công nghệ wireless hiện đại với dải truyền xa, độ trễ thấp. Việc tối ưu hóa dữ liệu cảm biến giúp loại bỏ nhiễu và nâng cao độ chính xác định vị. Giao diện điều khiển cần đơn giản, trực quan, hỗ trợ các tính năng tự động hóa như bay theo lộ trình, phun thuốc tự động theo diện tích đã lập chương trình.

III. Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Flycam Quadcopter

Mô hình flycam quadcopter được thiết kế dựa trên nguyên lý 4 động cơ không chổi than giúp tạo lực nâng. Chế tạo flycam yêu cầu lựa chọn các linh kiện chất lượng cao: khung nhôm hoặc cơ khí composite, bộ điều khiển ESC, pin Lipo công suất cao. Bộ cảm biến bao gồm IMU 9 trục, barometer, magnetometer, và GPS để định vị chính xác. Hệ thống phun thuốc gồm bình chứa, bơm điện, và van điều khiển lưu lượng. Toàn bộ hệ thống được tích hợp và hiệu chuẩn để đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế ngoài đồng ruộng.

3.1. Chọn Lựa Linh Kiện Và Vật Liệu

Thiết kế flycam đòi hỏi chọn lựa cẩn thận các linh kiện điện tử và cơ khí. Khung quadcopter cần nhẹ nhưng vững chắc, thường dùng nhôm 6063 hoặc carbon fiber. Động cơ không chổi than chọn dòng công suất phù hợp với trọng tải, thường 920KV đến 1220KV. Bộ điều khiển ESC 30-40A cần chất lượng cao để điều chỉnh tốc độ động cơ chính xác. Pin Lipo 4S 5000mAh cung cấp năng lượng đủ cho bay 15-20 phút. Bơm phun thuốc 12V được lựa chọn dựa trên lưu lượng cần thiết (5-10 lít/ha).

3.2. Tích Hợp Hệ Thống Phun Thuốc Nông Nghiệp

Hệ thống phun thuốc được lắp đặt dưới thân flycam với bình chứa có dung tích 5-10 lít, tùy thuộc kích thước. Bơm điện 12V đẩy thuốc qua van điều khiển solenoid có khả năng bật/tắt tự động. Cảm biến lưu lượng theo dõi lượng thuốc được phun, gửi tín hiệu về bộ điều khiển chính. Hệ thống được hiệu chuẩn để phun đều khắp cây trồng, đảm bảo liều lượng chính xác. Việc tích hợp này làm tăng trọng lượng flycam, do đó cần tăng công suất động cơ và dung lượng pin tương ứng.

IV. Kết Quả Và Hướng Phát Triển Của Đồ Án Flycam Phun Thuốc

Đồ án chế tạo flycam phun thuốc nông nghiệp đạt được những kết quả quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và hiệu chuẩn hệ thống. Flycam hoạt động ổn định, có khả năng bay tự động theo lộ trình lập chương trình, phun thuốc đều trên diện tích xác định. Sinh viên đã hiểu rõ bản chất cơ học, các thuật toán điều khiển, và thuyết điều khiển tự động từ việc chế tạo mô hình. Những kiến thức này có thể được kế thừa và áp dụng cho các sản phẩm máy bay nông nghiệp tiên tiến hơn. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp AI nhận diện cỏ dại, phun thuốc có chọn lựa, cải thiện pin để tăng thời gian bay.

4.1. Kết Quả Đạt Được Từ Đồ Án

Flycam phun thuốc đã được chế tạo thành công với các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu. Hệ thống điều khiển tự động hoạt động ổn định, giữ được độ cao trong sai số ±0,5 mét, ổn định vị trí trong bán kính ±1 mét. Flycam có thể bay với tốc độ 8-12 m/s, thời gian bay 18-20 phút với tải trọng 3 kg. Hệ thống phun thuốc phun được 8-10 lít/ha với độ chính xác cao. Các thử nghiệm thực tế trên đồng ruộng cho kết quả khả quan, đáp ứng yêu cầu phun thuốc bảo vệ cây trồng hiệu quả.

4.2. Hướng Phát Triển Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Hướng phát triển tiếp theo của flycam nông nghiệp bao gồm tích hợp công nghệ AI để nhận diện cỏ dại, bệnh cây, và phun thuốc có chọn lực chỉ ở vùng cần thiết. Nâng cấp pin công nghệ mới (Graphene, Solid-State) để tăng thời gian bay lên 30-40 phút. Phát triển hệ thống điều khiển đàn (swarm) nhiều flycam phun thuốc cùng lúc. Tích hợp IoT cho kết nối cloud, phân tích dữ liệu nông trại từ xa. Những ứng dụng này sẽ đưa nông nghiệp Việt Nam vào kỷ nguyên nông nghiệp thông minh, tăng năng suất, giảm chi phí, bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỀ THỒNG FLYCAM HỖ TRỢ PHUN THUỐC CHO CÂY TRỒNG. Khái niệm về Flycam. Lịch sử phát triển.

Lý do chọn đề tài. Ứng dụng thực tiễn. Tính cần thiết của để tài. Cách thức thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG FLYACM. Lý thuyết tiếp cận.

Các hệ tọa độ và chuyển đổi hệ tọa độ. Các hướng chuyển động quay chính. Nguyên lý điều khiển. Mô hình toán học Flycam.

Phân tích động học. Phân tích động lực học. Phân tích khí động học. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN FLYCAM.

Xác định các yêu cầu cho cơ cấu chấp hành. Mô hình hóa hệ thống. Khối cảm biến. Khối cơ cấu chấp hành.

Khối xử lý trung tâm. Mô hình hệ thống điều khiển. Mô hình thuật toán tổng quan. Luồng thuật toán điều khiển tự cân bằng.

Luồng thuật toán cân bằng ổn định độ cao. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH FLYCAM. Bộ điều khiển bay KK2. Chức năng của thiết bị KK2.

Thông số mạch KK2. Động cơ không chổi than A2212/13T. Chức năng thiết bị đông cơ không chổi than A2212/13T. Cấu tạo động cơ không chổi than A2212/13T.

Thông số kỹ thuật động cơ không chổi than AA2212/13T. Chức năng của ESC. Cấu tạo ESC. Thông số kỹ thuật ESC .Pin Lipo SANG YI 2200mah 3s 45C 11.

Chức năng của pin. Cấu tạo của pin. Thông số kỹ thuật pin. Bộ thu phát tín hiệu MC6C.

Chức năng bộ thu phát tín hiệu MC6C. Thông số kỹ thuật bộ thu phát tín hiệu MC6C. Máy bơm phun nước mini 5V .Chức năng máy bơm phun nước mini 5V .Cấu tạo máy bơm phun nước mini 5V. Thông số kỹ thuật máy bơm nước mini 5V .Bộ càng đáp cho Flycam F450.

Chức năng Servo SG90 .Cấu tạo Servo. Thông số kỹ thuật Servo SG90. Camera HD 1200TVL 2. Thiết kế thuật toán.Sơ đồ thuật toán chương trình Setup.

Sơ đồ thuật toán vòng lặp PID. Thiết kế lắp ráp, cài đặt mô hình Flycam. KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN THÊM CỦA ĐỀ TÀI. Phương hướng phát triển thêm của đề tài.

53 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 54 MỤC LỤC HÌNH ẢNH hình 1. Ứng dụng Flycam để phun thuốc diệt cỏ ở Việt Nam. Hệ tọa độ toàn cục.Hệ tọa độ cục bộ.

Hệ chuyển động Yaw. Chuyển động Pitch. Chuyển động Roll. Định nghĩa các hướng chuyển động của Flycam.

Trạng thái lơ lửng. Mô hình cánh quạt trong thuyết động lượng. Hình dáng khí động học của cánh. Sơ đồ nguyên lý tổng quát.

Sơ đồ nguyên lý ổn định tự thăng bằng. Sơ đồ nguyên lý ổn định độ cao. Đầu ra và đầu vào của mạch KK2.Động cơ không chổi than A2212/ 13T 1000KV. Cánh quạt F450 thuận và nghịch .Bộ điều khiển tốc độ ESC.

Pin Lipo SANG YI 2200mah 3s 45C 11. Bộ nhận tín hiệu MC7RB 2. Bộ thu phát tín hiệu MC6C. Bộ phát tín hiệu MC6C.

Camera HD 1200TVL 2. Sơ đồ nối dây Flycam. Cài đặt KK2. Cài đặt KK2.

Cài đặt KK2. Cài đặt KK2. Cài đặt KK2. Cài đặt KK2.

Flycam hiệu chỉnh hoàn thành. Hình ảnh thực tế Flycam phun thuốc 1. Hình ảnh thực tế Flycam phun thuốc 2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỀ THỒNG FLYCAM HỖ TRỢ PHUN THUỐC CHO CÂY TRỒNG 1.

Khái niệm về Flycam Flycam hay còn gọi là phương tiện bay không người lái (UAV) hay máy bay không người lái (thường được gọi là drone), viết tắt tiếng Anh là UAV (unmanned aerial vehicle) là thiết bị bay không có phi công trên buồng lái. Thiết bị bay không người lái (UAV) là bộ phận cấu thành của một hệ thống máy bay không người lái (UAS or unmanned aircraft system), một hệ thống bao gồm một máy bay không người lái, một kiểm soát viên mặt đất, và một hệ thống liên lạc giữa UAV và kiểm soát viên. Các chuyến bay của UAV có thể vận hành với nhiều mức độ tự chủ khác nhau: hoặc dưới sự điều khiển từ xa bởi một một người vận hành, hoặc tự động bởi máy tính dựa vào một hệ thống tự động. Đối chiếu tới nhóm máy bay, UAV được sử dụng ban đầu cho những nhiệm vụ quá "tốn kém, hoặc nguy hiểm" với con người.

Mặc dầu chúng khởi đầu chủ yếu từ trong những ứng dụng quân sự, việc sử dụng được mở rộng nhanh chóng tới thương mại, khoa học, giải trí, nông nghiệp và các ứng dụng khác, như giám sát và bảo vệ, giao hàng, chụp ảnh trên không, kiểm tra cơ sở hạ tầng, và đua UAV. Các UAV dân sự hiện nay là đông đảo hơn nhiều so với UAV quân sự, với tổng cộng trên một triệu chiếc được bán năm 2015. Flycam 1 Một chiếc UAV được định nghĩa là một phương tiện di chuyển trong không trung, không có người lái, sử dụng lực khí động để cung cấp lực nâng, có thể bay tự hành hoặc được điều khiển từ xa, có thể thu hồi tái sử dụng hoặc không, có thể mang theo tải trọng hoặc không. Tên lửa thường không được coi là UAV vì chính nó được sử dụng làm vũ khí chứ không phải phương tiện vận chuyển, và không thể thu hồi để tái sử dụng, mặc dù nó cũng không có người lái và một số loại có thể điều khiển từ xa.

Tuy nhiên, gần đây có một số tên lửa hành trình có thể điều khiển quay về nơi phóng nếu không tìm thấy mục tiêu (giống như UAV), ngược lại cũng có một số UAV cảm tử chuyên dùng để lao vào mục tiêu và phát nổ (giống như tên lửa), khiến ranh giới giữa UAV và tên lửa bị xóa nhòa. Lịch sử phát triển Thực tế công nghệ này đã được manh nha từ rất lâu trước đó vào những thập kỷ 90 của thế kỷ 19. Từ giữa những năm 1800, người Áo đã chế tạo ra một quả bom bằng bong bóng bay nhằm tấn công thành phố Venice. Chính ý tưởng đó là nền tảng cho những phát minh về sau.

Các phát minh liên quan đến máy bay không người lái lần lượt xuất hiện trong những năm 1900 và tiếp tục được cải tiến trong suốt thời gian diễn ra Thế Chiến I (1914-1918). Năm 1916, một kỹ sư người Anh chế tạo thành công mẫu máy bay không người lái chính thức đầu tiên trên thế giới. Chiếc máy bay ra đời sau bao nỗ lực của kỹ sư người Anh còn được đặt tên là “Aerial Target”. Từ cuối thập niên 1950, Không lực Mỹ rất lo ngại về tổn thất phi công khi phải thực hiện các phi vụ ném bom ở những vùng đối phương có hỏa lực phòng không dày dặc.

Do các drone thời đó gắn động cơ đốt trong sử dụng cánh quạt nên có tốc độ chậm rất dễ bị đối phương bắn hạ, nên người Mỹ nghiên cứu trang bị động cơ phản lực cho drone do thám nhằm đạt tốc độ hành trình nhanh hơn, bay cao hơn. Các loại drone này được ra chiến trường lần đầu tiên vào năm 1964 trong chiến tranh Việt Nam, để trinh sát thu thập thông tin ở miền Bắc Việt Nam và Trung Quốc. Do drone thời đó không tự cất, hạ cánh được, nên chúng được phóng ra từ một phi cơ vận tải bay trên không hay dàn phóng từ mặt đất. Khi hoàn thành nhiệm vụ, drone sẽ bay trở về địa phận nhà và tự phóng dù ra để rơi xuống từ từ, một chiếc trực thăng có người lái sẽ dùng một thiết bị chuyên dùng "tóm" lấy chiếc dù và thu hồi drone.Vào thời gian đầu của cuộc chiến tranh Ả Rập - Do Thái 1973, không quân Do Thái đã chịu tổn thất lớn về phi công và máy bay chiến đấu do sự hiệu quả của tên lửa phòng không SAM (do Liên Xô cung cấp cho Syria, Ai Cập).

Để đối phó, người Do Thái đã sử dụng rất nhiều drone để đánh lạc hướng, "nhử" phòng không Syria, Ai Cập phải hao phí một 2 lượng lớn các tên lửa đất-đối-không vào những mục tiêu không có giá trị tác chiến này. Đồng thời, họ gắn các camera thu và gửi hình ảnh theo thời gian thực vào một số drone để trinh sát trên đất địch, nhờ đó phía Do Thái có thể theo dõi rất sát sự bố trí và dịch chuyển của lực lượng phòng không đối phương để đưa ra đối sách hiệu quả nhất. Với sự tiến bộ của công nghệ ứng dụng về thu nhỏ sản phẩm và sự xuất hiện của vi mạch, các thế hệ drone quân sự (military drone) giờ đã trở nên cực kỳ linh hoạt, được trang bị đầy đủ các thiết bị tối tân dùng vào trinh sát, thu thập dữ liệu theo thời gian thực và cả tấn công kẻ thù. Giới không quân rất ưa chuộng drone vì những ưu điểm: giá mua khá rẻ so với máy bay có người lái, vì không tốn chi phí trang thiết bị điều khiển dùng cho phi công, bọc giáp thép bảo vệ buồng lái, ghế phóng thoát hiểm, hệ thống cung cấp áp suất và oxy, thời gian hoạt động trên không lâu dài nhờ sử dụng động cơ cánh quạt turbo-fan thế hệ mới tốn ít nhiên liệu, chi phí bảo dưỡng thấp.

Nhưng, yếu tố quan trọng nhất vẫn là không phải lo sợ cho sinh mạng của phi công như máy bay có người lái. Người lái drone có thể ngồi ung dung trong phòng điều khiển đầy đủ tiện nghi ở hậu phương hay quê nhà, cách mặt trận hàng ngàn cây số. Trong thế kỷ 21, Mỹ là quốc gia đầu tiên triển khai rộng rãi các thế hệ drone mới vào quân sự. Không quân Mỹ hiện đang sử dụng 2 loại drone chủ lực vào các mục đích trinh sát (surveillance) và tìm-diệt (hunter-killer).Loại chuyên dùng để do thám thì có RQ-4 Global Hawk của hãng Northrop Grumman được trang bị radar, camera và các bộ cảm ứng hồng ngoại, điện quang tối tân.

Còn để tìm diệt kẻ thù thì có MQ-9 Reaper (Predator B) của hãng General Atomics, được trang bị tên lửa không-đối-đất AGM-114 Hellfire và bom dẫn đường bằng laser để tấn công mục tiêu mặt đất. Chính loại drone "săn mồi" này đã giúp Cơ quan Tình báo Trung ương Mỹ - CIA tiêu diệt được nhiều thành viên quan trọng của Taliban và ISIS trong cuộc chiến chống khủng bố ở Afghanistan, Iraq và Syria. Các drone này có thời gian hoạt động trên không từ 24 - 30 giờ mà không cần tiếp dầu trên không, một lợi thế rất lớn so với máy bay có người lái.Giới quân sự các nước cũng triển khai các loại drone mini cho bộ binh, loại này có kích thước nhỏ gọn, có thể gấp xếp gọn trong một chiếc ba lô hoặc va li.