Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

  • Lý do chọn đề tài: Nhu cầu thu hoạch nông sản trên cây cao, nơi người lao động khó tiếp cận, đang tăng cao. Các thiết bị bay không người lái (drone) đã được áp dụng trong phun thuốc nhưng chưa có giải pháp thu hoạch thực tế.
  • Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu
    1. Thiết kế một drone có khả năng mang tải tối thiểu 800 g và hoạt động trong phạm vi khoảng cách điều khiển 20 m, độ cao 10 m.
    2. Xây dựng hệ thống truyền‑nhận dữ liệu video và điều khiển qua smartphone Android.
    3. Phát triển bộ phận thu hoạch nông sản có khả năng hứng và vận chuyển trái cây xuống mặt đất an toàn.
    4. Đánh giá hiệu suất cân bằng bay thông qua bộ điều khiển PID và bộ lọc (low‑pass, Digital Biquad, Mahony Filter).
  • Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
    • Đối tượng: Drone hỗ trợ thu hoạch trái cây (đặc biệt là xoài) trong nông nghiệp.
    • Phạm vi không gian: Thử nghiệm tại môi trường phòng thí nghiệm và hiện trường trên cây xoài.
    • Thời gian: Thực hiện trong năm học 2020, báo cáo hoàn thiện vào cuối năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

  • Khung lý thuyết

    • Khái niệm các trục roll, pitch, yaw trong điều khiển máy bay (định nghĩa từ tài liệu tham khảo [3]).
    • Các loại đa rotor: tricopter, quadcopter, hexacopter, octocopter; luận văn lựa chọn hexacopter (6 motor) vì khả năng chịu tải cao hơn (800 g) và độ ổn định tốt.
    • Bộ điều khiển PID (Proportional‑Integral‑Derivative) và các bộ lọc: Low‑pass, Digital Biquad, Mahony Filter (được mô tả chi tiết trong chương 2).
    • Giao thức truyền thông socket (TCP/UDP, stream, datagram, WebSocket, Unix socket) và mjpg‑streamer cho truyền video.
    • Giao thức I2C cho kết nối cảm biến MPU‑9255 (gia tốc, con quay hồi chuyển, từ kế) và MS5611 (barometer).
  • Phương pháp nghiên cứu

    • Phân tích‑tổng hợp tài liệu và mô hình đa rotor.
    • Thiết kế kỹ thuật: lựa chọn khung YoungRC F550 Drone Frame Kit 550mm, mở rộng khoảng cách trục motor‑trọng tâm thêm 100 mm.
    • Thử nghiệm thực nghiệm: đo tải trọng, tiêu thụ dòng điện, hiệu năng bộ lọc PID, chất lượng video truyền.
    • Khảo sát: không có khảo sát định lượng người dùng; toàn bộ dữ liệu thu thập từ các thử nghiệm thiết bị.
  • Nguồn dữ liệu

    • Thông số kỹ thuật Emax MT2216 810KV (RPM/V), Hobbywing Skywalker 40A 2‑4S PWM (50 Hz / 400 Hz), Pin Li‑Po ShangYi 3S 5200 mAh 45C.
    • Kết quả thử nghiệm tải và tiêu thụ (bảng 3.1).
    • Video và ảnh thu thập từ Camera Module V1 (Raspberry Pi 3B+).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan đề tài

  • Luận điểm: Đánh giá hiện trạng drone trong nông nghiệp, xác định khoảng trống chưa có giải pháp thu hoạch.
  • Phát hiện: Các drone thương mại (ví dụ DJI MG‑1S) chỉ hỗ trợ phun thuốc, chưa thực hiện thu hoạch.

Chương 2 – Nghiên cứu lý thuyết

  • Khái niệm trục và phân loại đa rotor (tricopter → 3 motor, quadcopter → 4 motor, hexacopter → 6 motor, octocopter → 8 motor).
  • Bộ điều khiển PID và bộ lọc: công thức và sơ đồ khối (hình 2.18, 2.19, 2.21).
  • Các cảm biến: MPU‑9255, MS5611, cách đọc giá trị và tích hợp vào bộ điều khiển.

Chương 3 – Phân tích và thiết kế hệ thống

  • Mô hình tổng quát (hình 3.1): Smartphone Android ↔ Wi‑Fi ↔ Raspberry Pi 3B+ ↔ STM32F4 (flight controller) ↔ Motor‑ESC ↔ Cánh quạt ↔ Bộ thu hoạch.
  • Khung drone: YoungRC F550, thay đổi chiều dài trục motor‑trọng tâm +100 mm, lắp khung 6 cánh.
  • Motor: Emax MT2216 810KV, tải thử 725 g, dòng tiêu thụ 10 A (bảng 3.1).
  • ESC: Hobbywing Skywalker 40A, điều khiển PWM 50 Hz (range 1.5 ms‑2 ms).
  • Pin: ShangYi 3S 5200 mAh 45C, điện áp 11.1 V.
  • Bộ thu hoạch: khung hỗ trợ, cơ cấu hứng và chứa trái cây, gắn dưới drone.

Chương 4 – Kết quả thực nghiệm

Thử nghiệm Kết quả Ghi chú
Truyền nhận dữ liệu Độ trễ < 200 ms, video 720p ổn định Sử dụng mjpg‑streamer, socket TCP
Bộ lọc và PID Sai số góc < 2°, thời gian đáp ứng < 0.5 s So sánh low‑pass vs Biquad
Giữ độ cao Độ cao ổn định ±0.3 m ở 10 m Thuật toán Mahony + PID
Khối lượng tải Tối đa 800 g (giới hạn thiết kế) Thực nghiệm 725 g thành công
Thu hoạch Thu hoạch thành công 90 % trái trên cây cao Video minh chứng

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chính: Xây dựng prototype drone hexacopter với khả năng mang 800 g, điều khiển qua Android app, truyền video thời gian thực, và thực hiện thu hoạch trái cây trên cây cao.
  • Giải pháp/kiến nghị:
    1. Tăng khoảng cách trục motor‑trọng tâm để gắn bộ thu hoạch mà không ảnh hưởng tới cân bằng.
    2. Sử dụng PWM 50 Hz cho ESC để giảm độ trễ phản hồi.
    3. Áp dụng Mahony Filter kết hợp PID cho ổn định độ cao.
  • Đóng góp so với nghiên cứu trước:
    • Đối chiếu với các drone hiện có (chỉ phun thuốc) nên đề xuất một hệ thống thu hoạch thực tế.
    • Cung cấp bộ thiết kế phần cứng và phần mềm mở, có thể tái sử dụng cho các dự án tương tự.

Thiết kế và triển khai

  • Kiến trúc phần cứng:

    • Raspberry Pi 3B+ làm Access Point, kết nối Wi‑Fi với smartphone, xử lý video và truyền dữ liệu tới STM32F4.
    • STM32F4 nhận dữ liệu sensor (MPU‑9255, MS5611) qua I2C, thực hiện điều khiển PID và gửi lệnh PWM tới ESC.
    • Camera Module V1 cung cấp video truyền tới smartphone qua mjpg‑streamer.
  • Công nghệ phần mềm:

    • Ứng dụng Android (Java/Kotlin) sử dụng socket TCP để gửi lệnh điều khiển và nhận video.
    • Stream socket cho truyền dữ liệu điều khiển; WebSocket cho giao tiếp thời gian thực; mjpeg‑streamer cho video.
    • Thuật toán Mahony Filter triển khai trên STM32 để ước tính góc quay từ dữ liệu IMU.
  • Kiểm thử:

    • Kiểm thử chức năng: kiểm tra kết nối Wi‑Fi, độ trễ truyền lệnh, tốc độ khung hình video.
    • Kiểm thử hiệu năng: đo tiêu thụ điện năng của motor/ESC, nghiệm tính tải trọng, độ ổn định độ cao.
    • Kiểm thử thu hoạch: đánh giá tỷ lệ thu hoạch thành công trên cây xoài (90 %).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Khối lượng tải thực tế chỉ đạt 800 g, chưa đủ cho các loại nông sản nặng hơn.
    • Phạm vi điều khiển 20 m còn hạn chế đối với các đồi núi hoặc khu vực rộng.
    • Chưa tích hợp hệ thống định vị GPS cho tự động định vị vị trí cây.
  • Hướng nghiên cứu:
    1. Nâng cấp motor, khung và pin để tăng tải lên 1.5 kg.
    2. Tích hợp modem LTE hoặc RF để mở rộng phạm vi điều khiển.
    3. Phát triển thuật toán computer vision để tự động nhận dạng trái cây và tối ưu lộ trình thu hoạch.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng: sinh viên ngành Kỹ thuật máy tính, Công nghệ thông tin, Công nghệ chế tạo máy, và các nhà nghiên cứu muốn triển khai hệ thống drone trong nông nghiệp.
  • Phần tham khảo đáng chú ý: thiết kế khung YoungRC F550, bộ điều khiển PID và Mahony Filter, mô hình socket đa dạng, và quy trình thử nghiệm tải trọng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Drone có thể mang tải bao nhiêu?

    • Theo thử nghiệm, tối đa 800 g, với motor Emax MT2216 đạt 725 g trong điều kiện thực tế.
  2. Khoảng cách điều khiển tối đa là bao lâu?

    • Hệ thống được thiết kế để hoạt động ổn định trong 20 m (độ trễ < 200 ms).
  3. Drone sử dụng loại cảm biến nào để duy trì cân bằng?

    • MPU‑9255 (gia tốc, con quay hồi chuyển, từ kế) kết hợp Mahony Filter và bộ điều khiển PID.
  4. Làm sao để truyền video từ drone về smartphone?

    • Qua Wi‑Fi (Raspberry Pi 3B+ làm AP) sử dụng mjpg‑streamer và socket TCP để truyền video 720p.
  5. Bộ thu hoạch được gắn ở đâu và có thể thu hoạch loại nông sản nào?

    • Gắn dưới khung drone, thiết kế để hứng và chứa trái cây (đặc biệt là xoài) trên cây cao; hiện tại hỗ trợ kéo 800 g nông sản.

Kết luận

  • Khóa luận đã chứng minh khả năng thiết kế một drone hexacopter có thể thực hiện thu hoạch nông sản trên cây cao, với tải trọng 800 g, điều khiển qua smartphone và truyền video thời gian thực.
  • Các thành phần phần cứng và phần mềm được tích hợp hợp lý, cho phép kiểm soát ổn định nhờ PID, Mahony Filter, và bộ lọc low‑pass.
  • Kết quả thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp, đồng thời mở ra các hướng phát triển về tải trọng, phạm vi điều khiển và tự động hoá thu hoạch.