Luận án nghiên cứu hệ thống điều khiển tay máy thu hoạch dứa tự động vùng Tây Nam Bộ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh

• Tác giả: Bùi Lê Cường Quốc
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về sản xuất dứa ở Việt Nam
• 1.2. Đặc điểm về điều kiện tự nhiên khu vực trồng dứa tại vùng Tây Nam Bộ
• 1.3. Đặc điểm của mẫu vườn dứa đến thời điểm thu hoạch
• 1.4. Công nghệ và thiết bị thu hoạch dứa ở Vùng Tây Nam Bộ
• 1.5. Những tồn tại trong thu hoạch quả dứa ở vùng Tây Nam Bộ và ở Việt Nam
• 1.6. Công nghệ và thiết bị thu hoạch quả dứa ở một số nước trên thế giới
• 1.7. Tổng quan về các công trình nghiên cứu về thiết bị tự động hóa trong thu hoạch nông sản trên thế giới
• 1.8. Các công trình nghiên cứu robot trong lĩnh vực nông nghiệp
• 1.9. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị thu hoạch quả dứa
• 1.10. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị thu hoạch quả dứa ở Việt Nam
• 1.11. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.12. Nội dung nghiên cứu của luận án
• 1.12.1. Nghiên cứu lý thuyết
• 1.12.2. Nghiên cứu thực nghiệm
• 1.13. Đối tượng nghiên cứu của luận án
• 1.14. Thiết bị nghiên cứu
• 1.15. Đối tượng của tay máy thu hoạch quả dứa
• 1.16. Phương pháp nghiên cứu của luận án
• 1.16.1. Phương pháp nguyên cứu lý thuyết
• 1.16.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.17. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY THU HOẠCH DỨA
• 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tay máy thu hoạch dứa
• 2.1.1. Cấu tạo tay máy thu hoạch dứa
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.2. Xây dựng mô hình động học tay máy thu hoạch dứa
• 2.2.1. Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ
• 2.2.2. Phương trình động học tay máy
• 2.3. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động tay máy hái dứa
• 2.3.1. Các giả thiết qui đổi của mô hình động lực học
• 2.3.2. Phương trình động lực học lý tưởng
• 2.3.3. Phương trình động lực học quy về đầu trục động cơ khớp trong trường hợp lý tưởng
• 2.3.4. Xây dựng mô hình động lực học tay máy hái dứa khi xét tới tác động nhiễu từ môi trường làm việc
• 2.3.5. Phương trình động lực học tay máy hái dứa khi xét tới tác động của nhiễu từ môi trường làm việc
• 2.3.6. Phương trình động lực học quy đổi về đầu trục động cơ khớp khi xét tới tác động của nhiễu từ môi trường làm việc
• 2.3.7. Phân tích đặc điểm mô hình động lực học tay máy hái dứa
• 2.3.8. Khảo sát mối liên hệ giữa mô hình động lực học lý tưởng và mô hình động lực học tay máy khi xét tới tác động của môi trường làm việc
• 2.4. Phân tích thành phần sai lệch giữa mô hình lý thuyết và mô hình thực tế tay máy thu hoạch dứa
• 2.5. Các thuật toán điều khiển đề xuất trong môi trường làm việc lý tưởng
• 2.5.1. Thuật toán phi tuyến tựa mô hình
• 2.5.2. Phương pháp momen tính toán (PD-bù trọng trường)
• 2.5.3. Phương pháp PID
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY THU HOẠCH DỨA TỰ ĐỘNG
• 3.1. Nhận diện quả dứa cần thu hoạch
• 3.1.1. Thuật toán YOLO
• 3.1.2. Nghiên cứu nhận diện quả dứa
• 3.1.3. Huấn luyện nhận diện phân biệt quả dứa xanh và chín (huấn luyện lần 2)
• 3.1.4. Huấn luyện nhận diện phân biệt quả dứa xanh và chín dựa vào đặc điểm của thân trái và đài trái (huấn luyện lần 3)
• 3.1.5. Kết quả huấn luyện
• 3.2. Điều khiển chuyển động cánh tay máy hái dứa
• 3.2.1. Phương trình động lực học rút gọn tương ứng với hệ thống điều khiển chuyển động
• 3.2.2. Điều khiển chuyển động cánh tay máy dựa trên thuật toán PD kinh điển (Proportional Derivative - PD)
• 3.2.3. Điều khiển chuyển động cánh tay với thuật toán tỷ lệ đạo hàm kết hợp với ước tính nhiễu môi trường (PD+DE; Proportional Derivative +Disturbance Estimation)
• 3.2.4. Mô phỏng và phân tích kết quả điều khiển
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm
• 4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm
• 4.1.2. Nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm
• 4.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm
• 4.3. Cơ sở xác định tính chính xác giữa mô hình lý thuyết qua các số liệu thực nghiệm
• 4.3.1. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai
• 4.3.2. Kiểm tra tính tương thích của số liệu thực nghiệm và công thức lý thuyết
• 4.4. Xây dựng hệ thống thực nghiệm
• 4.4.1. Cấu trúc phần cứng hệ thống
• 4.4.2. Phần mềm mã nguồn
• 4.4.3. Mô hình thực nghiệm toàn bộ hệ thống
• 4.4.4. Dụng cụ, thiết bị đo hỗ trợ trong quá trình thực nghiệm
• 4.5. Tổ chức thực nghiệm
• 4.5.1. Tổ chức thực nghiệm kiểm chứng kết quả đọc tọa độ của camera
• 4.5.2. Tổ chức thực nghiệm kiểm chứng chuyển động tay máy hái dứa
• 4.6. Kết quả thực nghiệm
• 4.6.1. Kết quả thực nghiệm xác định tọa độ quả dứa của camera
• 4.6.2. Kết quả thực nghiệm chuyển động tay máy thu hoạch dứa
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TUYỂN TẬP CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ VỀ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hệ thống chuyển động

Luận án tập trung nghiên cứu hệ thống chuyển động của tay máy tự động trong việc thu hoạch dứa. Hệ thống này được thiết kế với cấu hình Robot dạng Đề-các 3 bậc tự do, bao gồm tay cắt chuyên dụng với lồng kẹp và dao cắt. Phương trình động lực học của tay máy được thiết lập dựa trên phương pháp Euler-Lagrange, xem xét cả điều kiện lý tưởng và môi trường thực tế với nhiễu ngoại. Các sai lệch giữa mô hình lý thuyết và thực tế được phân tích để phát triển các thuật toán điều khiển thông minh.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Tay máy thu hoạch dứa được thiết kế với ba khớp chuyển động, mỗi khớp được điều khiển bằng hệ thống servo và khí nén. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc xác định tọa độ quả dứa thông qua hệ thống thị giác máy tính, sau đó điều khiển tay máy di chuyển đến vị trí chính xác để thu hoạch.

1.2. Mô hình động lực học

Mô hình động lực học của tay máy được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange, xem xét cả điều kiện lý tưởng và môi trường thực tế với nhiễu ngoại. Các phương trình này giúp phân tích chuyển động của tay máy và tối ưu hóa hiệu suất thu hoạch.

II. Điều khiển tay máy

Luận án đề xuất các thuật toán điều khiển để tối ưu hóa hoạt động của tay máy tự động. Thuật toán PDDE (Proportional Derivative + Disturbance Estimation) được sử dụng để điều khiển chuyển động của tay máy, đảm bảo độ chính xác cao khi thu hoạch dứa. Thuật toán này kết hợp ước lượng nhiễu để giảm thiểu sai số trong điều kiện môi trường không ổn định.

2.1. Thuật toán PDDE

Thuật toán PDDE được đề xuất để điều khiển chuyển động của tay máy, kết hợp giữa điều khiển tỷ lệ-vi phân và ước lượng nhiễu. Thuật toán này giúp tay máy di chuyển chính xác đến vị trí quả dứa, ngay cả trong điều kiện môi trường có nhiễu.

2.2. Mô phỏng và phân tích

Các kết quả mô phỏng trên MatLab/Simulink cho thấy thuật toán PDDE giúp tay máy di chuyển đến vị trí quả dứa với sai số chấp nhận được. Điều này chứng minh hiệu quả của thuật toán trong việc điều khiển chuyển động tay máy.

III. Tự động hóa nông nghiệp

Luận án đóng góp vào lĩnh vực tự động hóa nông nghiệp bằng cách phát triển hệ thống thu hoạch dứa tự động. Hệ thống này tích hợp công nghệ thị giác máy tính và thuật toán điều khiển thông minh, giúp tăng năng suất và giảm chi phí nhân công. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại nông sản khác.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống thu hoạch dứa tự động đã được thử nghiệm tại các cánh đồng dứa ở Tây Nam Bộ, cho thấy hiệu quả cao trong việc tăng năng suất và giảm chi phí nhân công. Hệ thống này có thể được nhân rộng cho các loại nông sản khác.

3.2. Ý nghĩa khoa học

Luận án đã tích hợp giữa động lực học chuyển động của tay máy và trí tuệ nhân tạo, tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm

Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số động lực học của tay máy và tọa độ vị trí quả dứa. Các kết quả thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng và hoàn thiện mô hình lý thuyết, đồng thời cung cấp dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo.

4.1. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc xác định tọa độ quả dứa thông qua hệ thống thị giác máy tính và kiểm tra chuyển động của tay máy trong điều kiện thực tế. Các số liệu thu được được so sánh với mô hình lý thuyết để đánh giá độ chính xác.

4.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể xác định chính xác tọa độ quả dứa và điều khiển tay máy di chuyển đến vị trí thu hoạch với sai số nhỏ. Điều này chứng minh tính khả thi của hệ thống trong thực tế.

Nội dung chính

Content đã được tạo hoàn chỉnh tại seo_luan_an_tay_may_thu_hoach_dua.md.

---

Tóm tắt những điểm nổi bật trong content

Evidence cụ thể được tích hợp:

• Kim ngạch xuất khẩu 3,8 tỷ USD (tăng 12,1%), mục tiêu 5 tỷ USD đến 2025
• Thông số 3 khớp tay máy: Khớp 1 (38 kg, hành trình 0–1,1m), Khớp 2 (4,5 kg), Khớp 3 (9,5 kg, xi-lanh khí nén)
• 5.000 ảnh mẫu, 3 lần huấn luyện YOLOv3
• 55.000 ha dứa toàn quốc; huyện Tân Phước 16.000 ha; khoảng cách trồng 0,4×0,4m

So sánh quốc tế (≥2 công trình):

• Wang Hai Feng [58] — Trung Quốc: có cơ khí nhưng thiếu mô hình động lực học
• Bin Li [57] — xử lý ảnh nhưng thiếu lớp điều khiển tích hợp
• Girshick [23], Kondo [15], Scarfe [20], Tanigaki [17] — chỉ phòng lab, không địa hình đất yếu

Lý thuyết được chỉ danh:

• Euler–Lagrange mechanics, Lyapunov stability theory, YOLOv3/YOLO architecture
• Phương pháp Cochran & Fisher cho kiểm định thực nghiệm

Phát hiện counter-intuitive: Đặc điểm hình học thân/đài trái hiệu quả hơn màu sắc quả trong điều kiện ánh sáng biến đổi ngoài trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về sản xuất dứa ở Việt Nam Cây dứa (cây khóm) là cây ăn quả nhiệt đới được trồng khá phổ biến hiện nay ở Việt Nam, sản lượng và diện tích chỉ sau cây có múi và cây chuối, theo số liệu của Cục trồng trọt Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn thì cây dứa được trồng từ Miền Bắc vào đến Miền Nam, diện tích trồng dứa hiện nay ở Việt Nam khoảng 55.000 ha, sản lượng đạt 600.000 tấn/năm, các tỉnh Miền Bắc trồng dứa có Ninh Bình, Thanh Hóa, Tuyên Quang, Lao Cai, Miền Trung có Nghệ An, Quảng Bình, Bình Định, Miền Nam có Tiền Giang, Hậu Giang, Long An, Cà Mau, Kiên Giang, trong đó các tỉnh vùng Tây Nam Bộ chiếm 90% về diện tích và sản lượng trồng dứa trên cả nước, riêng 3 tỉnh Tiền Giang, Long An, Hậu Giang diện tích trồng dứa đạt 40.000 ha, huyện trồng dứa nhiều nhất trong cả nước là huyện Tân Phước tỉnh Tiền Giang với diện tích 16.000 ha, hiệu quả kinh tế của trồng dứa thu được gấp 4-5 lần trồng lúa bằng 1/2 trồng thanh long.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên khu vực trồng dứa tại vùng Tây Nam Bộ Vùng Tây Nam Bộ là vùng đất trũng, chua phèn nên không phù hợp với cây lúa, người dân nơi đây đã sử dụng máy xúc múc đất ở dưới ruộng lên đắp thành liếp để trồng dứa, cây dứa thích hợp với vùng đất phèn này. Theo kết quả điều tra khảo sát 100% diện tích trồng dứa ở vùng Tây Nam Bộ đều trồng dứa ở trên liếp. Kích thước liếp có chiều rộng 6-9m, chiều dài 50-300m, xung quanh có kênh do múc đất đổ lên tạo liếp, kích thước kênh rạch rộng 3-5m, sâu 1-2m.

Đặc điểm của mẫu vườn dứa đến thời điểm thu hoạch - Kích thước liếp: chiều rộng 6m đến 9m, chiều dài từ 50m đến 300m. - Xung quanh liếp có mương nước, kích thước mương: chiều rộng 3-5m, chiều sâu 1m đến 3m, về mùa khô thì mực nước trên kênh mương là 0,7m-1,5m. - Đất trên liếp là đất chua phèn được múc ở dưới mương lên, do vậy nền 6 đất là đất yếu, các loại xe máy có tải trọng lớn khi di chuyển trên liếp là bị sụt lún. - Dứa được trồng thành từng hàng kích thước hàng cách hàng là 0,4m, cây cách cây là 0,3m.

- Chiều cao cây dứa đến thời điểm thu hoạch lần đầu là 0,4-0,6m, lần thứ 2 là 1-1,2m. Cánh đồng Dứa ở huyện tân Phước - Tiền Giang 1. Công nghệ và thiết bị thu hoạch dứa ở Vùng Tây Nam Bộ Công nghệ thu hoạch quả dứa hiện nay ở Việt Nam Khái niệm: Công nghệ thu hoạch quả dứa là quá trình biến quả dứa ở trong vườn trồng thành quả dứa ở nơi tiêu thụ hoặc là nhà máy chế biến nông sản. Công nghệ thu hoạch quả dứa hiện nay ở Việt Nam được thực hiện như sau: 7 Vườn trồng Cắt quả dứa Vớt quả Di chuyển dứa đã đến thời và quăng dứa lên quả dứa điểm thu hoạch xuống kênh thuyền 3 về bến tập lá kết Vận chuyển đến Bốc xếp quả dứa nhà máy chế biến lên lên xe ô tô, hoặc nơi tiêu thụ hoặc lên tầu thuyền Thuyết minh công nghệ - Khâu cắt quả dứa: trong thu hoạch dứa hiện nay ở Việt Nam khâu hái và cắt trái chủ yếu bằng thủ công, cắt quả dứa bằng dao.

- Khâu quăng quả dứa xuống mương: Sau khi chặt xong quả dứa thì người chặt quăng quả dứa xuồng mương nước. - Khâu vớt quả dứa lên thuyền: Để thu gom quả dứa lại thì một người chèo thuyền 3 lá và vớt từng quả dứa lên thuyền 3 lá, quá trình vớt bằng thủ công.