Đồ án tốt nghiệp: Chế tạo Flycam hỗ trợ phun thuốc cho cây trồng trong nông nghiệp

Đồ án tốt nghiệp chế tạo flycam phun thuốc cho cây trồng. Phân tích chi tiết về thiết kế, thuật toán và ứng dụng thực tế trong nông nghiệp 4.0.

• 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 Đồ án Chế tạo Flycam Phun Thuốc Nông nghiệp

Đồ án chế tạo Flycam phun thuốc nông nghiệp là một dự án tiên tiến trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ 4.0 vào nông nghiệp hiện đại. Với dự báo dân số Trái Đất năm 2050 lên tới 10 tỷ người, nhu cầu lương thực ngày càng tăng, buộc các quốc gia phải ứng dụng công nghệ máy bay không người lái (UAV/drone) để tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp. Flycam phun thuốc không chỉ giúp giảm chi phí phun thuốc mà còn nâng cao hiệu quả bảo vệ cây trồng, đảm bảo an toàn lao động và bảo vệ môi trường. Đây là một bước tiến quan trọng trong cuộc cách mạng nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

1.1. Nhu cầu và ý nghĩa của Flycam trong nông nghiệp

Flycam nông nghiệp giải quyết những thách thức lớn trong phun thuốc bảo vệ cây trồng truyền thống. Phương pháp thủ công tốn nhiều thời gian, công lực và tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại gây nguy hiểm cho sức khỏe người nông dân. Drone phun thuốc có khả năng bay tự động, phun thuốc đều đặn, tiết kiệm thuốc lên đến 50% so với phương pháp truyền thống, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường và chi phí sản xuất.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ Flycam

Flycam phun thuốc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nông nghiệp: theo dõi sức khỏe cây trồng, tưới tiêu và giám sát hệ thống tưới tiêu, xác định cỏ dại, tối ưu hóa bón phân, và giám sát chăn nuôi gia súc. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong các vùng trồng trọt lớn, giúp nông dân quản lý và chăm sóc cây trồng một cách khoa học, chính xác và tiết kiệm thời gian.

II. Cấu trúc và Thiết kế Kỹ thuật của Flycam Phun Thuốc

Thiết kế Flycam phun thuốc dựa trên nền tảng máy bay không người lái loại bốn cánh (Quadcopter) với các cải tiến đặc biệt cho chức năng phun thuốc. Hệ thống bao gồm khung cơ kỹ thuật, bốn động cơ không chổi than (brushless motor), hệ thống pin lithium polymer, bộ điều khiển điện tử (ESC), vi điều khiển chính (Flight Controller), cảm biến IMU, GPS, các cảm biến hạ độ cao, và hệ thống phun thuốc độc lập. Thiết kế Flycam phải đảm bảo độ ổn định cao, khả năng mang tải đủ cho bình chứa thuốc, và độ bền trong điều kiện sử dụng ngoài trời khắc nghiệt.

2.1. Hệ thống điều khiển Flycam phun thuốc

Hệ thống điều khiển Flycam bao gồm bộ điều khiển bay, cảm biến IMU 6 trục, cảm biến barometer hạ độ cao, và GPS định vị. Thuật toán điều khiển sử dụng bộ lọc Kalman để tối ưu hóa dữ liệu cảm biến, đảm bảo máy bay tự động cân bằng theo phương ngang, ổn định độ cao, và giữ vị trí chính xác. Điều này cho phép Flycam phun thuốc hoạt động hiệu quả ngay cả khi có gió mạnh.

2.2. Hệ thống phun thuốc và cơ cấu truyền động

Bộ phun thuốc được lắp dưới thân máy bay, sử dụng bơm điện mini và buồng phun được điều khiển bằng relay điện từ. Dung tích bình chứa từ 2-4 lít tùy theo công suất và loại Flycam. Hệ thống phun được tối ưu để phun thuốc đều đặn, giảm drift thuốc, và bảo vệ cánh quạt từ thẩm thấu thuốc. Độ phun được điều chỉnh thông qua chương trình firmware.

III. Nội dung Nghiên cứu và Phát triển Đồ án

Đồ án chế tạo Flycam phun thuốc tập trung vào nhiều khía cạnh nghiên cứu toàn diện. Thứ nhất, phân tích cơ học của máy bay không người lái, bao gồm động lực học, mô hình toán học, và đánh giá các yếu tố ngoại lực như gió, độ ẩm. Thứ hai, xây dựng và thiết kế mô hình điều khiển PID, LQR, hoặc các thuật toán tiên tiến khác đảm bảo phản hồi nhanh và ổn định. Thứ ba, phân tích chuẩn truyền thông giữa bộ điều khiển bay và trạm điều khiển mặt đất (sử dụng 2.4GHz hoặc các tần số khác). Cuối cùng, xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu cảm biến để khử nhiễu, tối ưu độ chính xác.

3.1. Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển Flycam yêu cầu hiểu sâu về các phương trình động lực, mô hình PID (Proportional-Integral-Derivative). Thuật toán điều khiển phải đảm bảo máy bay tự động cân bằng theo các trục roll, pitch, yaw, ổn định độ cao nhờ hạ độ cao cảm biến, và giữ vị trí GPS. Việc tinh chỉnh các hệ số PID là rất quan trọng để đạt hiệu suất tối ưu.

3.2. Tối ưu hóa dữ liệu cảm biến và xử lý tín hiệu

Cảm biến IMU trên Flycam dễ chịu tác động từ nhiễu từ, nhiễu rung, và yếu tố môi trường. Sử dụng bộ lọc Kalman và bộ lọc complementary để tối ưu hóa tín hiệu, nâng cao độ chính xác định vị. Xử lý dữ liệu từ cảm biến barometer, GPS cải thiện khả năng ổn định độ cao và vị trí của máy bay.

IV. Yêu cầu Kỹ thuật và Tiêu chí Đánh giá Flycam Phun Thuốc

Flycam phun thuốc phải đáp ứng một loạt yêu cầu kỹ thuật khắt khe để hoạt động hiệu quả và an toàn. Thứ nhất, tính ổn định và tin cậy trong giới hạn cho phép, đảm bảo máy bay không rơi hoặc chệch hướng đột ngột. Thứ hai, có khả năng vận chuyển thuốc từ 2-4 lít mà không ảnh hưởng đến hiệu suất bay. Thứ ba, tự động cân bằng theo phương ngang trong suốt quá trình bay, chống lại tác động của gió. Thứ tư, ổn định độ cao tự động nhằm đảm bảo phun thuốc ở độ cao tối ưu (1-3 mét). Thứ năm, ổn định vị trí cho phép tự động bay theo lộ trình được lập trình. Cuối cùng, truyền dữ liệu vị trí, hình ảnh, trạng thái máy bay về trạm điều khiển cho người vận hành.

4.1. Tiêu chí hiệu suất và an toàn của Flycam

Flycam phun thuốc cần đạt các tiêu chí: thời gian bay liên tục từ 15-20 phút, tầm hoạt động từ 500m trở lên, độ chính xác định vị GPS ±2 mét, tốc độ bay tối đa 15 m/s, tải trọng tối thiểu 1.5 kg. Yêu cầu an toàn bao gồm hệ thống cắt động cơ tự động khi pin yếu, chế độ quay về nhà tự động, và cơ chế chống va chạm.

4.2. Công năng sử dụng và ứng dụng thực tế

Ứng dụng của Flycam trong phun thuốc nông nghiệp được đánh giá qua: tỷ lệ tiết kiệm thuốc so với phun thủ công, diện tích phun được trong một lần bay, độ đều của lớp thuốc, an toàn lao động cho người nông dân, và khả năng hoạt động trong các loại điều kiện thời tiết khác nhau.

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 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 2 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 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 3 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. Loại nhỏ nhất được phóng bằng tay giống như ta phóng một chiếc máy bay xếp giấy. Drone mini có tầm hoạt động ngắn (20-40 km) nhưng được trang bị camera thu/phát thời gian thực, dùng vào trinh sát tiền tuyến, giúp cấp chỉ huy tại chỗ có thể bao quát tình hình trận địa, theo 4 dõi cách bố phòng và di chuyển lực lượng của đối phương và trinh sát mục tiêu chuẩn bị tấn công.