Đặt vấn đề Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng nhất của Việt Nam. Nền nông nghiệp Việt Nam có vai trò to lớn trong việc cung cấp lương thực, thực phẩm cho nhu cầu xã hội, nguyên liệu cho phát triển công nghiệp và khu vực đô thị. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ 4.0 ngành nông nghiệp Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc. Sản xuất nông nghiệp đã chuyển dịch theo hướng sản xuất hàng hóa, ứng dụng công nghệ cao, nâng cao năng suất, chất lượng, giá trị gia tăng.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ 4.0 đã và đang được triển khai tại nhiều địa phương, tiêu biểu là công nghệ nhà màng thông minh ứng dụng hệ thống tưới nhỏ giọt, kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, … giúp tăng năng suất và chất lượng rau củ, quả. Tại Việt Nam, cà chua là loại nông sản phổ biến được áp dụng công nghệ nhà màng ở một số nơi như Đắk Lắk, Tây Ninh, Buôn Ma Thuột, … Bên cạnh lợi ích giúp tăng năng suất cây trồng, việc ứng dụng công nghệ nhà màng còn để chuẩn bị cho tình trạng thiếu hụt lao động trong tương lai. Theo báo cáo tình hình thị trường lao động việt nam năm 2023 của Tổng Cục Thống kê, so sánh các năm từ 2020 đến nay (trừ năm 2021 do ảnh hưởng của dịch Covid-19), sự chuyển dịch cơ cấu ngành giữa khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản, khu vực công nghiệp và xây dựng, khu vực dịch vụ có xu hướng giảm chậm (2020 giảm 1%, năm 2022 giảm 1,6% và năm 2023 giảm 0,6% so với cùng kỳ năm trước) [1]. Với mục đích góp phần cải thiện năng suất cây trồng cũng như chuẩn bị cho vấn đề thiếu hụt lao động ngành Nông nghiệp trong tương lai, nhóm tác giả đề ra ý tưởng thu hoạch trái cà chua trong nhà màng bằng robot sử dụng học sâu (Machine learning).
Ý tưởng này sẽ góp phần nâng cao năng suất thu hoạch cà chua bằng nguồn lao động thay thế và trong tương lai có thể phát triển thu hoạch nhiều loại nông sản khác nhau. Tình hình cà chua bi Việt Nam So với thế giới, lịch sử phát triển cà chua Nova ở Việt Nam còn rất non trẻ. Cây cà chua Nova mới được trồng ở nước ta khoảng từ những năm gần đây. Diện tích đất trồng cho giống cà chua này đang ngày càng tăng và phân bố rộng ở các tỉnh: Miền Bắc: cà chua Nova được trồng nhiều ở các tỉnh như Hà Nam, Nam Định, Hưng Yên, 1 Bắc Ninh; Miền Trung: Các tỉnh như Thanh Hóa, Nghệ An cũng trồng khá nhiều cà chua Nova; Miền Nam: Ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh miền Đông Nam Bộ cũng có những vùng trồng cà chua Nova.
Sản lượng cà chua Nova phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích trồng, điều kiện thời tiết và kỹ thuật canh tác. Trung bình mỗi hecta có thể cho sản lượng từ 40-60 tấn cà chua mỗi vụ tùy thuộc vào điều kiện chăm sóc và thời tiết. Trồng cà chua Nova mang lại lợi nhuận khá cao cho nông dân. Với chi phí đầu tư ban đầu không quá lớn và khả năng cho sản lượng cao, người trồng có thể thu được lợi nhuận tốt.
Trung bình, lợi nhuận có thể đạt từ 100-200 triệu đồng/ha mỗi vụ, tùy thuộc vào giá bán cà chua và chi phí đầu tư cụ thể của từng vùng. Một số thông số chi tiết cà chua Nova và cách trồng ở vườn Tây Ninh Trong đề tài này, nông sản em hướng đến là cà chua Nova canh tác trong nhà màng. Cây cà chua là cây rau ăn quả được trồng, tiêu thụ tại hầu hết các nước trên thế giới. “Sản lượng cà chua tăng 13,68% từ 159,02 triệu tấn (2013) lên 180,77 triệu tấn (2019).
Mức gia tăng về sản lượng là do sự gia tăng mạnh về năng suất và sự gia tăng về diện tích. Với sản lượng trên, bình quân tiêu thụ cà chua tính theo đầu người khoảng trên 23 kg/người/năm. Điều đó khẳng định, cây cà chua là cây trồng quan trọng trong nền nông nghiệp của nhiều nước trên thế giới (FAO, 2020)” [2]. Ở nước ta, thông thường cà chua sẽ được thu hoạch bằng tay và thu hoạch nhiều vụ trong năm.
Thời điểm thu hoạch cà chua thường sẽ là từ 3 - 4 tháng sau khi gieo trồng. Trong thời gian thu hoạch, cà chua thường cho thu hoạch nhiều đợt, đòi hỏi phải thu hoạch đúng thời điểm để cho chất lượng quả tốt, thu hoạch phải cẩn thận tránh bị dập quả. Để giúp cho việc thu hoạch trở nên dễ dàng hơn, thay vì phải thuê nhiều nhân công, hiện nay robot có thể thay thế vị trí người thu hoạch và có thể làm liên tục trong nhiều giờ. Theo một số mô hình trồng cà chua nhà màng hiện nay, quy mô trồng cà chua trong nhà màng vào khoảng 2.
Khoảng cách giữa các hàng cây khoảng 120cm, cây cách cây khoảng từ 30 – 60cm, chiều cao cây khi trưởng thành từ 60 – 70 cm [3]. Quả cho thấp nhất là 2/3 cây từ trên tính xuống vậy có nghĩa là tính từ đáy chậu trở lên khoảng 0.7m là cây đậu quả vị trí thấp nhất. Vì cà chua là loại quả mềm, do đó thao tác khi thu hái, sắp xếp và vận chuyển phải hết sức nhẹ nhàng để tránh gây dập nát quả khi thu hoạch.1 Hình ảnh trực quan cà chua Nova 1. Các loại máy thu hoạch cà chua tự động hiện nay Ở Việt Nam hầu như chưa có loại máy phục vụ cho việc thu hoạch cà chua tự động, đa số là các tập đoàn như Nhật Bản và một số nước lớn đã và đang đầu tư lớn cho nông nghiệp.
Tuy nhiên nếu về khía cạnh nông nghiệp thì ở Việt Nam là một trong các nước đứng đầu về xuất khẩu mặt hàng nông nghiệp nên việc áp dụng các loại máy móc hỗ trợ cho việc thu hoạch là ưu tiên và cần thiết cho sản xuất theo quy mô lớn. Robot thu hoạch của tập đoàn Panasonic Đây là Robot được phát triển bởi Panasonic nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt lao động trong ngành nông nghiệp ở Nhật Bản. Robot có kết cấu giống với Scada robot, tay robot có thể trượt dọc trên thanh ray thẳng đứng nhằm cải thiện khả năng thu hoạch.2 Robot thu hoạch cà chua của tập đoàn Panasonic [4] 3 Robot được thiết kế di chuyển dọc theo đường ray được đặt giữa các hàng cây giống cà chua. Thông qua camera được tích hợp trên robot và học sâu, robot sẽ nhận biết được những quả cần thu hoạch, từ đó tính toán đưa ra lộ trình vận hành và đưa cơ quan tác động cuối cùng đến vị trí cần thiết.
Cơ cấu đầu cuối robot được thiết kế kiểu vòng rút, quả cà chua được đưa qua vòng rút, sau đó vòng này rút lại để tách phần cuống ra khỏi cành. Tuy nhiên, cơ cấu này được thiết kế khá phức tạp và chiếm nhiều không gian, ảnh hưởng đến hiệu suất thu hoạch. Việc thu hoạch hiện được thực hiện với tốc độ 6 giây một quả cà chua và robot có thể hoạt động liên tục từ 10 giờ trở lên và cũng có thể hoạt động vào ban đêm nên trang trại đánh giá tốc độ này là đủ đối với chúng.1 Thông số kỹ thuật robot thu hoạch của tập đoàn Panasonic [5] Kích thước 950 x 1600 x 1800 mm Khối lượng 150 kg Thời gian thu hoạch liên tục 4 tiếng - tùy vào điều kiện Tốc độ di chuyển Nhanh nhất 30cm/s Robot thu hoạch Grow của hãng Metomotion Robot sử dụng hai cánh tay robot để thu tiếp cận và thi hoạch nông sản, mỗi cánh tay robot là sự kết hợp của 5 khớp xoay và tuyến tính để đảm bảo tiếp cận chính xác thân cây từ mọi góc độ và mọi vị trí. Với thiết kế hai cánh tay robot như vậy thì hiệu suất thu hoạch được tăng đáng kể nhưng bù lại kích thước robot lớn và sử dụng nhiều năng lượng hơn.
GRoW sử dụng dao cắt tích hợp trên đồ kẹp để thu hoạch, dao cắt sẽ cắt tại phần cuống trái (nhánh), đồng thời bộ phận kẹp có tác dụng giữ lại quả (chùm quả) vừa mới được cắt ra và di chuyển đến băng chuyền bên trong xe. Cơ chế cắt cắt thông minh cho phép GRoW tìm vị trí tối ưu, thực hiện đường cắt chính xác và cố định giàn cho bất kỳ loại cà chua nào - cà chua anh đào, mận mini, nho hoặc cocktail. Robot sử dụng học sâu và công nghệ thị giác 3D AI giúp nó có thể tiếp cận các giàn khó tiếp cận một cách trơn tru, linh hoạt và chính xác, ngay cả trong không gian hạn chế. Người dùng có thể đặt trạng thái thu hoạch cho máy tùy thuộc theo nhu cầu thị trường.3 Robot Grow [6] Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật robot thu hoạch GRow Robot [6] Kích thước 2609 x 865 x 2248 mm Khối lượng 600 kg Thời gian thu hoạch liên tục 16 tiếng - tùy vào điều kiện Tốc độ di chuyển Chưa có thông số cụ thể Robot GR 100 của hãng FOUR GROWERS GR-100 là robot thu hoạch cà chua tự động cải tiến, thông qua việc sử dụng cánh tay robot được hiệu chỉnh bằng bốn camera âm thanh nổi, nó có thể phát hiện và thu hoạch cà chua với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Cơ cấu thu hoạch của robot được thiết kế theo kiểu hút chân không, qua cần thu hoạch sẽ được hút qua thông qua ống hút ở đầu tay robot và được vận chuyển qua ống dẫn đến vị trí lưu trữ. Việc thiết kế ống hút để thu hoạch giúp cải thiện được tốc độ thu hoạch và tiết kiệm được thời gian công tác của tay robot, Tuy nhiên, kích thước robot sẽ trở nên to lớn do phải thiết kế thêm không gian cho hệ thống hút chân không. Ngoài ra robot còn được sử dụng công nghệ AI hiện đại, giúp người dùng dễ dàng theo dõi sản lượng, dự đoán sản lượng cho lần thu hoạch tiếp theo.5 Robot GR100 [5] Bảng 1. Thông số kỹ thuật robot GR 100 [5] Kích thước Tốc độ thu hoạch 43 kg/h Thời gian vận hành 24/7 Khối lượng 246 kg Ngoài các Robot được sản xuất bởi hãng ở trên còn có một số robot được ở một số đơn vị nghiên cứu khác trên thế giới với một số đặc tính như sau: Bảng 1.