Nghiên Cứu Động Lực Học và Điều Khiển Hệ Thống Phun Thuốc Tự Động cho Thanh Long: Luận Án Tiến Sĩ

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

2. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1. Tình hình trồng và tiêu thụ thanh long ở Việt Nam

2.1.1. Tình hình trồng thanh long ở Việt Nam

2.1.2. Tình hình tiêu thụ thanh long

2.2. Tổng quan về công nghệ và thiết bị phun thuốc cho cây thanh long ở Việt Nam

2.2.1. Công nghệ phun thuốc cho cây thanh long ở Việt Nam

2.2.2. Những tồn tại trong công việc phun thuốc chăm sóc cây thanh long

2.2.3. Về tình hình nghiên cứu các thiết bị phun thuốc cho cây thanh long trên thế giới và ở Việt Nam

2.2.3.1. Tình hình nghiên cứu các thiết bị phun thuốc cho cây thanh long trên thế giới

2.2.3.2. Tình hình nghiên cứu thiết bị phun thuốc cho cây thanh long ở Việt Nam

2.2.4. Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án: sử dụng đường cáp vận chuyển cụm thiết bị tự động phun thuốc cho cây thanh long

2.3. Mục tiêu nghiên cứu

2.4. Nội dung nghiên cứu

2.4.1. Nội dung nghiên cứu lý thuyết

2.4.2. Nội dung thực nghiệm để kiểm chứng mô hình lý thuyết

2.5. Đối tượng nghiên cứu

2.5.1. Vườn trồng thanh long

2.5.2. Yêu cầu về công nghệ phun thuốc cho cây thanh long

2.5.3. Đường cáp tự động phun thuốc cho cây thanh long

2.6. Phương pháp nghiên cứu

2.6.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

2.6.2. Kiểm chứng mô hình lý thuyết

2.7. Kết luận chương 1

3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHUN THUỐC CHO CÂY THANH LONG

3.1. Các kết quả nghiên cứu về độ võng cáp chịu tải phân bố đều đã công bố

3.2. Độ võng nhịp cáp với hai gối đỡ có độ cao bằng nhau

3.3. Trường hợp hai gối đỡ của nhịp cáp có độ cao lệch nhau

3.4. Tính độ võng nhịp cáp chịu tải phân bố tập trung

3.4.1. Trường hợp hai gối đỡ của nhịp cáp có độ cao ngang nhau

3.4.2. Trường hợp hai gối đỡ nhịp cáp có độ cao lệch nhau

3.5. Tính toán các thông số cơ học của đường cáp khép kín, tựa trên các puli đỡ có độ cao lệch nhau, chịu tải phân bố đều với cường độ khác nhau trên các nhịp và một nhịp thêm một tải tập trung

3.6. Thiết lập phương trình dao động của cụm thiết bị phun thuốc cho trái thanh long khi cáp di chuyển

3.6.1. Phương trình dao động của cụm thiết khi chưa có cơ cấu chống rung

3.6.2. Phương trình dao động của cụm thiết khi có cơ cấu chống rung

3.7. Cơ cấu hoạt động của hệ thống phun thuốc

3.8. Nhận diện hình ảnh nụ hoa, trái, lá thanh long cần phun thuốc trên cây. Huấn luyện và nhận diện ảnh

3.9. Điều khiển hoạt động của hệ thống phun thuốc

3.10. Cơ cấu hoạt động của hệ thống tự động điều chỉnh tạ chống rung

3.11. Tính toán công suất tiêu thụ khi vận hành đường cáp

3.11.1. Công suất tiêu thụ cho việc di chuyển cụm thiết bị phun thuốc

3.11.2. Công suất tiêu thụ thắng lực cản ma sát

3.11.3. Công suất tiêu thụ cho toàn hệ thống cáp khép kín

3.12. Xác định giới hạn biên độ góc dao động cụm thiết bị phun thuốc

3.13. Kết luận chương 2

4. KHẢO SÁT HỆ PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRONG CƠ CẤU CHỐNG RUNG CỦA CỤM THIẾT BỊ PHUN THUỐC

4.1. Khai triển Fourier vận tốc dây cáp chuyển động theo phương x

4.2. Khảo sát hệ phương trình dao động của cụm thiết bị phun thuốc cho cây thanh long khi cáp di chuyển

4.3. Xác định tần số dao động riêng của cụm thiết bị có chống rung

4.4. Xác định độ cứng chống xoắn của lò xo trong cơ cấu chống rung

4.5. Xác định độ dài treo tạ chống rung theo tần số gió ɷ và khối lượng cụm thiết bị phun thuốc m

4.6. Động lực học và điều khiển chống rung cho cụm thiết bị phun thuốc

4.7. Kết luận chương 3

5. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

5.1. Mục tiêu và nhiệm vụ thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết

5.2. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

5.3. Nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm

5.4. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

5.5. Chọn phương pháp nghiên cứu

5.6. Chọn phương pháp thực nghiệm

5.7. Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu

5.8. Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu

5.9. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu và thiết bị đo

5.10. Phương pháp xác định gia tốc góc dao động ngang của cụm thiết bị tự động phun thuốc cho cây thanh long

5.11. Xác định vận tốc cụm thiết bị phun thuốc và chiều dài nhịp

5.12. Thiết bị khuếch đại và chuyển đổi A/D

5.13. Thiết bị tạo luồng gió có cường độ và tần số thay đổi

5.14. Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm

5.15. Số lượng số liệu đo đạc

5.16. Phương pháp tính biên độ dao động góc dao động của cụm thiết bị từ số liệu thực nghiệm đo gia tốc góc

5.17. Kiểm tra sự tương quan giữa hai dãy giá trị

5.18. Tổ chức tiến hành thí nghiệm

5.19. Tổ chức thí nghiệm

5.20. Kết quả đo gia tốc dao động cụm thiết bị tự động phun thuốc cho cây thanh long

5.21. Xử lý số liệu đo và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán theo mô hình lý thuyết

5.22. Kết luận chương 4

PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Hệ Thống Phun Thuốc Thanh Long 55

Thanh long là loại cây ăn quả đặc hữu của Việt Nam, mang lại giá trị kinh tế cao và được xuất khẩu sang nhiều nước. Trong năm 2023, xuất khẩu thanh long đạt gần 450 triệu USD. Tuy nhiên, khâu phun thuốc dưỡng trái thanh long hiện nay còn nhiều tồn tại, chủ yếu thực hiện thủ công, gây tốn nhân công, lãng phí thuốc và ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động. Do đó, việc nghiên cứu hệ thống phun thuốc tự động cho thanh long là cần thiết và có tính thời sự, nhằm đáp ứng yêu cầu bảo vệ cây trồng, giảm công sức lao động và tăng năng suất. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào động lực học và điều khiển hệ thống, tạo cơ sở khoa học cho thiết kế và chế tạo hệ thống phun thuốc hiệu quả.

1.1. Tình hình trồng và tiêu thụ thanh long ở Việt Nam

Thanh long được trồng rộng rãi ở nhiều tỉnh thành, với diện tích tập trung lớn nhất ở Bình Thuận, Long An và Tiền Giang. Phần lớn sản lượng thanh long được xuất khẩu, chủ yếu sang Trung Quốc theo hình thức mua bán biên mậu. Bộ Nông nghiệp khuyến cáo ổn định diện tích thanh long khoảng 60.000 ha, duy trì sản lượng từ 1,3 đến 1,5 triệu tấn đến năm 2030. Để nâng cao giá trị và khả năng cạnh tranh, cần cải thiện quy trình sản xuất và ứng dụng công nghệ hiện đại, trong đó có tự động hóa phun thuốc.

1.2. Tổng quan về công nghệ phun thuốc cho cây thanh long

Hiện nay, công nghệ phun thuốc cho thanh long còn lạc hậu, chủ yếu là phun thủ công hoặc sử dụng máy phun cầm tay. Các phương pháp này gây lãng phí thuốc, không kiểm soát được liều lượng và ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động. Một số nơi đã ứng dụng UAV hoặc xe tự hành để phun thuốc, nhưng còn nhiều hạn chế về chi phí và hiệu quả. Nghiên cứu này đề xuất sử dụng đường cáp vận chuyển trái thanh long sẵn có để triển khai hệ thống phun thuốc tự động, giảm chi phí đầu tư và tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có.

II. Thách Thức Điều Khiển Hệ Thống Phun Thuốc Tự Động 58

Việc triển khai hệ thống phun thuốc tự động cho thanh long đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là việc đảm bảo sự ổn định của cụm thiết bị phun thuốc trong quá trình di chuyển. Các yếu tố như độ võng của cáp, tác động của gió, phản lực phun thuốc có thể gây dao động, ảnh hưởng đến hiệu quả phun và độ chính xác. Luận án này tập trung vào nghiên cứu động lực học để giải quyết vấn đề này, đề xuất phương pháp chống rung và tính toán các thông số điều khiển phù hợp. Nghiên cứu cũng hướng đến việc phát triển hệ thống nhận diện và điều khiển phun thuốc thông minh, tự động điều chỉnh liều lượng và vị trí phun theo nhu cầu của cây.

2.1. Những tồn tại trong công việc phun thuốc thủ công

Phun thuốc thủ công cho thanh long gây ra nhiều vấn đề như tốn nhân công, chi phí sản xuất cao, lãng phí thuốc, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động và năng suất thấp. Phương pháp này phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người phun, khó đảm bảo tính đồng đều và chính xác. Cần có giải pháp thay thế để khắc phục những hạn chế này, nâng cao hiệu quả và tính bền vững của quá trình sản xuất thanh long.

2.2. Đề xuất hướng nghiên cứu Đường cáp tự động phun thuốc

Luận án đề xuất sử dụng đường cáp vận chuyển trái thanh long sẵn có để triển khai hệ thống phun thuốc tự động. Hướng nghiên cứu này tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có, giảm chi phí đầu tư và dễ dàng triển khai. Hệ thống sẽ bao gồm cụm thiết bị phun thuốc di chuyển dọc theo đường cáp, được điều khiển tự động để phun thuốc theo lịch trình hoặc theo nhu cầu của cây. Cần nghiên cứu kỹ về động lực học và điều khiển hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu luận án tiến sĩ

Mục tiêu của luận án là đề xuất phương pháp chống rung và tính toán các thông số điều khiển để cụm thiết bị phun thuốc làm việc ổn định trong quá trình di chuyển. Nghiên cứu cũng nhằm đưa ra phương pháp nhận biết nụ hoa, lá, trái thanh long và điều khiển hệ thống tự động phun thuốc cho các đối tượng này. Bên cạnh đó, luận án sẽ xác định giới hạn về điều kiện làm việc ngoài trời của hệ thống, đảm bảo hiệu quả hoạt động trong các điều kiện thời tiết khác nhau.

III. Phương Pháp Tính Toán Động Lực Học Hệ Thống 59

Luận án tập trung vào tính toán động lực học của hệ thống phun thuốc tự động, bao gồm: tính toán độ võng của cáp, thiết lập phương trình dao động của cụm thiết bị phun thuốc và đề xuất cơ cấu chống rung. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng bao gồm: lý thuyết động lực học dây mềm, phương pháp phần tử hữu hạn và các thuật toán điều khiển. Kết quả nghiên cứu sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm, sử dụng các thiết bị đo đạc hiện đại và phương pháp xử lý số liệu thống kê. Nghiên cứu này là cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phun thuốc hiệu quả và ổn định.

3.1. Tính toán độ võng của nhịp cáp chịu tải phân bố và tập trung

Luận án nghiên cứu độ võng của nhịp cáp chịu tải phân bố đều và tải tập trung, cả trong trường hợp hai gối đỡ có độ cao bằng nhau và khác nhau. Các kết quả nghiên cứu về độ võng cáp chịu tải phân bố đều đã được công bố trước đây sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việc tính toán. Nghiên cứu này cũng thiết lập phương trình độ võng cho nhịp cáp chịu tải tập trung, một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống phun thuốc tự động.

3.2. Thiết lập phương trình dao động của cụm thiết bị phun thuốc

Nghiên cứu thiết lập phương trình dao động của cụm thiết bị phun thuốc khi cáp di chuyển, cả khi chưa có và khi có cơ cấu chống rung. Phương trình này sẽ mô tả sự dao động của cụm thiết bị dưới tác động của các yếu tố như độ võng cáp, gió và phản lực phun thuốc. Việc giải phương trình này sẽ giúp xác định các thông số cần thiết cho việc thiết kế cơ cấu chống rung hiệu quả.

3.3. Phương pháp nhận diện hình ảnh và điều khiển phun thuốc

Luận án nghiên cứu phương pháp nhận diện hình ảnh nụ hoa, trái và lá thanh long cần phun thuốc trên cây, sử dụng các thuật toán AI và học máy. Dựa trên kết quả nhận diện, hệ thống sẽ tự động điều khiển hoạt động của vòi phun, đảm bảo phun thuốc đúng mục tiêu và liều lượng cần thiết. Phương pháp này giúp tăng hiệu quả phun thuốc và giảm lãng phí.

IV. Giải Pháp Cơ Cấu Chống Rung Điều Khiển Tự Động 60

Để giải quyết vấn đề dao động của cụm thiết bị phun thuốc, luận án đề xuất cơ cấu chống rung sử dụng tạ và lò xo. Cơ cấu này sẽ giúp giảm thiểu dao động và đảm bảo sự ổn định của cụm thiết bị trong quá trình phun thuốc. Nghiên cứu cũng đề xuất các thuật toán điều khiển tự động, sử dụng PID control, Fuzzy logic control hoặc Model predictive control (MPC) để điều khiển vị trí và tốc độ của cụm thiết bị, cũng như điều chỉnh liều lượng và góc phun thuốc. Các thuật toán này sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

4.1. Cơ cấu hoạt động của hệ thống phun thuốc tự động

Hệ thống phun thuốc tự động bao gồm cụm thiết bị phun thuốc, đường cáp vận chuyển, hệ thống điều khiển và hệ thống nhận diện hình ảnh. Cụm thiết bị phun thuốc được gắn trên đường cáp và di chuyển dọc theo luống cây. Hệ thống điều khiển sẽ điều khiển vị trí, tốc độ và hoạt động của vòi phun dựa trên thông tin từ hệ thống nhận diện hình ảnh và các cảm biến.

4.2. Tính toán công suất tiêu thụ và giới hạn biên độ dao động

Luận án tính toán công suất tiêu thụ của hệ thống, bao gồm công suất cần thiết để di chuyển cụm thiết bị phun thuốc và công suất để thắng lực cản ma sát. Nghiên cứu cũng xác định giới hạn biên độ góc dao động của cụm thiết bị, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả. Các kết quả này là cơ sở cho việc lựa chọn động cơ và thiết kế hệ thống điều khiển phù hợp.

4.3. Điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu hệ thống phun thuốc

Để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, luận án đề xuất sử dụng điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu. Điều khiển thích nghi sẽ tự động điều chỉnh các thông số điều khiển theo sự thay đổi của môi trường và tải trọng. Điều khiển tối ưu sẽ tìm kiếm các thông số điều khiển tốt nhất để tối đa hóa hiệu quả phun thuốc và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

V. Thực Nghiệm Kiểm Chứng Mô Hình Đánh Giá Hiệu Quả 57

Để kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết và đánh giá hiệu quả của hệ thống phun thuốc tự động, luận án thực hiện các thí nghiệm thực tế trên vườn thanh long. Các thí nghiệm này sẽ đo đạc các thông số như độ võng cáp, gia tốc dao động của cụm thiết bị, liều lượng thuốc phun và năng suất cây trồng. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, từ đó đánh giá độ chính xác của mô hình và hiệu quả của hệ thống. Các thí nghiệm cũng sẽ đánh giá tác động của hệ thống đến năng suất, chất lượng và môi trường.

5.1. Mục tiêu và nhiệm vụ thực nghiệm kiểm chứng mô hình

Mục tiêu của các thí nghiệm thực nghiệm là kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết và đánh giá hiệu quả của hệ thống phun thuốc tự động. Các nhiệm vụ bao gồm đo đạc các thông số quan trọng, so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán và đánh giá tác động của hệ thống đến năng suất, chất lượng và môi trường.

5.2. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu và thiết bị đo

Luận án sử dụng các phương pháp đo đạc hiện đại để xác định các đại lượng nghiên cứu, bao gồm: cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc, thiết bị đo độ võng cáp và thiết bị đo liều lượng thuốc phun. Các thiết bị đo này đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả thí nghiệm.

5.3. Xử lý số liệu và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

Số liệu đo đạc từ các thí nghiệm sẽ được xử lý bằng các phương pháp thống kê và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. Việc so sánh này sẽ giúp đánh giá độ chính xác của mô hình và hiệu quả của hệ thống. Các kết quả cũng sẽ được phân tích để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống và đề xuất các cải tiến.

VI. Kết Luận Tương Lai Ứng Dụng Hệ Thống Phun Thuốc 55

Luận án đã nghiên cứu thành công động lực học và điều khiển hệ thống phun thuốc tự động cho thanh long, đề xuất cơ cấu chống rung hiệu quả và các thuật toán điều khiển phù hợp. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống phun thuốc tự động có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống, tích hợp các công nghệ mới như GIS trong nông nghiệp, GPS trong nông nghiệp và Robot nông nghiệp, nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của quá trình sản xuất thanh long.

6.1. Những đóng góp mới của luận án tiến sĩ

Luận án đã xây dựng mô hình và phương pháp tính toán độ võng của nhịp cáp đơn và hệ thống đường cáp khép kín chịu tải trọng tập trung. Nghiên cứu cũng đã thiết lập phương trình động lực học của cụm thiết bị phun thuốc trong quá trình cáp di chuyển và đề xuất cơ cấu chống rung hiệu quả. Các kết quả này là đóng góp mới cho lĩnh vực nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ thống.

6.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống phun thuốc tự động cho thanh long. Hệ thống này có thể giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng, bảo vệ sức khỏe người lao động và giảm thiểu tác động đến môi trường. Nghiên cứu cũng có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa khác trong nông nghiệp.

6.3. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống phun thuốc tự động, tích hợp các công nghệ mới như IoT, trí tuệ nhân tạo và robot. Hệ thống cũng có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại cây trồng khác, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nông nghiệp thông minh và bền vững.

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHUN THUỐC CHO CÂY THANH LONG