Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế Việt Nam, bảo đảm an ninh lương thực và cung cấp nguyên liệu cho các ngành kinh tế. Trong xu thế phát triển nông nghiệp công nghệ cao, mô hình canh tác trong nhà màng thông minh tích hợp hệ thống tưới nhỏ giọt và điều hòa vi khí hậu đang được mở rộng tại nhiều địa phương như Tây Ninh, Đắk Lắk, Buôn Ma Thuột. Cà chua Nova (cà chua bi) là một trong những loại cây trồng phổ biến trong các hệ thống nhà màng nhờ năng suất trung bình đạt 40–60 tấn/ha/vụ và lợi nhuận dao động từ 100–200 triệu đồng/ha/vụ.

Tuy nhiên, quá trình thu hoạch cà chua bi đòi hỏi nhiều nhân công, thực hiện nhiều đợt liên tục trong suốt 4–5 tháng của mùa vụ và phải thao tác cẩn trọng nhằm tránh làm dập nát quả. Trong khi đó, theo Báo cáo tình hình thị trường lao động năm 2023 của Tổng cục Thống kê, tỷ trọng lao động thuộc khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản tại Việt Nam đang có xu hướng giảm đều (năm 2020 giảm 1%, năm 2022 giảm 1,6% và năm 2023 giảm 0,6%). Xu hướng này tạo ra nguy cơ thiếu hụt lao động trực tiếp trong khâu thu hoạch.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể:

  1. Khảo sát hiện trạng canh tác giống cà chua bi Nova tại nhà màng thực tế và phân tích các hệ thống robot thu hoạch trên thế giới.
  2. Xác lập các thông số đầu vào và bài toán thiết kế hệ thống mobile robot tự hành phù hợp với điều kiện nhà màng tại Việt Nam.
  3. Nghiên cứu, so sánh và lựa chọn phương án cho hệ thống cơ khí, cơ cấu chấp hành, cảm biến định vị, nguồn động lực và kiến trúc điều khiển.
  4. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết bao gồm ổn định động học, lực kéo tiếp tuyến, bộ truyền xích, bề rộng dải xích và chọn công suất động cơ.
  5. Xây dựng cấu trúc điều khiển phân tán dựa trên nền tảng ROS (Robot Operating System), máy tính nhúng và vi điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mobile robot tự hành thu hoạch cà chua bi Nova.
  • Phạm vi không gian: Mô hình nhà màng trồng cà chua Nova diện tích 1.000 m² (kích thước 16 m × 62,5 m) tại Tây Ninh. Quy mô gồm 18 luống đôi (dãy), mỗi dãy 116 cây, tổng số 2.088 cây; khoảng cách giữa hai luống là 110–120 cm; khoảng cách giữa các cây là 50 cm; chiều cao cây từ 2–3 m với vùng mang quả tập trung ở khoảng độ cao từ 0,7–2 m.
  • Phạm vi vận hành: Năng suất vườn ước tính 80 quả/cây, tương đương 167.040 quả/vụ. Robot được thiết kế làm việc 4 ca/ngày (mỗi ca tối đa 2,5 giờ, tổng cộng 12 giờ làm việc/ngày), năng suất 500–700 quả/ca, tương ứng thời gian thu hoạch trung bình 10 giây/quả trên tổng quãng đường di chuyển 605 m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng các mô hình lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành cơ điện tử:

  • Lý thuyết động lực học máy kéo bánh xích: Áp dụng phương trình cân bằng lực kéo tiếp tuyến, lực quán tính và lực cản lăn của phương tiện bánh xích trên nền đất mềm.
  • Phương pháp Bekker: Tính toán tương tác giữa đất nông nghiệp và dải xích để xác định lực cản lăn và bề rộng bản xích dựa trên các hệ số cơ lý đất ($k_c, k_\phi, n$).
  • Tiêu chuẩn tính toán chi tiết máy: Phương pháp tính toán và kiểm nghiệm độ bền bộ truyền xích theo tiêu chuẩn ANSI (American National Standards Institute) và tiêu chuẩn thiết kế bộ truyền trục vít – bánh vít kín.
  • Tiêu chuẩn nông sản: TCVN 5605:1991 áp dụng cho việc thu hoạch, đóng gói và tiêu thụ cà chua tươi không giữ lại cuống quả trong ngày.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) dùng để kiểm soát vận tốc và giảm thiểu sai số bám quỹ đạo của mobile robot.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp: Thu thập và so sánh thông số kỹ thuật của các dòng robot thương mại và mô hình nghiên cứu quốc tế.
  • Phương pháp ma trận đánh giá đa tiêu chí (Trade-off Matrix): Chấm điểm có trọng số nhằm lựa chọn kết cấu di chuyển, cảm biến dẫn đường, phương pháp chuyển hướng và cảm biến tải trọng.
  • Phương pháp tính toán giải tích: Xây dựng mô hình toán cơ học xác định điều kiện chống lật, chống trượt khi quay vòng, tính toán công suất động cơ dẫn động và hệ số an toàn chi tiết máy.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Số liệu thống kê từ Tổng cục Thống kê Việt Nam (2023) và Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO, 2020).
  • Số liệu khảo sát thực địa tại vườn cà chua Nova ở Tây Ninh.
  • Thông số kỹ thuật từ sổ tay thiết kế chi tiết máy và tài liệu tra cứu động cơ công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh về mặt cơ khí, điện tử và điều khiển nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật:

Thông số thiết kế Giá trị quy định
Kích thước bao (Dài × Rộng × Cao) 900 × 900 × 200 mm
Khối lượng khung sàn xe (Platform) 117 kg
Tổng tải trọng toàn phần 140 kg
Vận tốc di chuyển lớn nhất ($v_{max}$) 0,2 m/s
Gia tốc lớn nhất ($a_{max}$) 0,2 m/s²
Tốc độ thu hoạch định mức 10 giây/quả
Năng suất thu hoạch 500–700 quả/ca (2,5 giờ/ca)
Tầm với tay robot gắp quả 0,7–1,5 m

Kiến trúc cơ khí và dẫn động

  • Vật liệu chế tạo: Gầm xe sử dụng vật liệu thép (độ cứng 120–650 HB, độ bền kéo 400–2000 MPa, khối lượng riêng 7.850 kg/m³) nhằm bảo đảm độ cứng vững và khả năng chịu tải trọng 140 kg. Khung thân trên sử dụng nhôm định hình (khối lượng riêng 2.700 kg/m³) để giảm tải trọng toàn xe và chống oxy hóa trong môi trường nhà màng ẩm ướt.
  • Cơ cấu di chuyển: Hệ thống bánh xích hai bên, cho phép robot quay tại chỗ với bán kính $R = 0,45$ m, tăng diện tích tiếp xúc và giảm độ lún trên nền đất pha cát ẩm.
  • Bộ truyền động: Sử dụng bộ truyền trục vít – bánh vít tỉ số truyền $u_{tv} = 10$, hiệu suất $\eta_{tv} = 0,92$, giúp tạo mô-men khởi động lớn và duy trì khả năng tự hãm khi dừng hái quả.
  • Bộ phận công tác đầu cuối: Tay kẹp 2 ngón cơ học, hoạt động theo nguyên lý tách rời quả và cuống bằng lực kéo cơ học lợi dụng liên kết mềm tự nhiên giữa quả và nhánh cây.

Kiến trúc điện tử và điều khiển

  • Mô hình điều khiển: Cấu trúc phân tán 2 tầng.
    • Tầng máy chủ (Master): Máy tính nhúng Jetson Nano chạy hệ điều hành ROS trên nền Linux, xử lý thuật toán định vị SLAM, nhận diện mã QR chuyển hướng và phân loại quả chín.
    • Tầng chấp hành (Slave): Vi điều khiển STM32F4 đảm nhận việc đọc xung encoder từ động cơ, thực thi thuật toán điều khiển PID vận tốc và điều khiển các mạch công suất (driver).
  • Hệ thống cảm biến:
    • Định vị và dẫn đường: Cảm biến Lidar 2D dùng quét khoảng cách giữa hai hàng cây để duy trì vị trí tâm luống.
    • Chuyển hướng giữa các luống: Camera 3D nhận diện mã QR dán tại đầu mỗi dãy cây kết hợp đo khoảng cách theo chiều sâu.
    • Thị giác nhận diện quả: Stereo camera gắn trực tiếp trên tay máy (cấu hình Hand-eye), cung cấp hình ảnh màu RGB và bản đồ độ sâu khoảng cách gần để định vị tọa độ 3D của quả chín.
    • Cảm biến tải trọng: Cảm biến điện trở Strain Gauge Loadcell gắn dưới đáy thùng chứa nông sản, phục vụ xác định thời điểm thùng đầy để kích hoạt lệnh di chuyển về trạm tập kết.
  • Nguồn năng lượng: Hệ thống ắc quy khô khép kín, chống rò rỉ dung dịch axit và đáp ứng dòng xả cao cho động cơ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan ngành nông nghiệp công nghệ cao và tình hình canh tác cà chua Nova tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp số liệu diện tích và phân bố vùng trồng tại các tỉnh miền Bắc (Hà Nam, Nam Định, Hưng Yên, Bắc Ninh), miền Trung (Thanh Hóa, Nghệ An) và miền Nam (Đông Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu Long).

Chương này cũng tiến hành khảo sát và lập bảng so sánh các giải pháp robot thu hoạch tự động trên thế giới:

Dòng robot / Đơn vị nghiên cứu Kích thước (mm) Khối lượng (kg) Thời gian hái Cơ cấu đầu cuối
Panasonic (Nhật Bản) 950 × 1600 × 1800 150 6 giây/quả Vòng rút
Metomotion GRoW 2609 × 865 × 2248 600 Liên tục 16 giờ Dao cắt + Kẹp
Four Growers GR-100 — 246 43 kg/giờ Ống hút chân không
Beijing Univ. of Technology — — 15 giây/quả Kẹp cơ khí (86%)
Shanghai Jiao Tong Univ. — — $\le$ 30 giây/quả Cắt hút chân không (87,5%)

Từ kết quả khảo sát, tác giả xác lập các thông số đầu bài cho robot phù hợp với quy mô vườn 1.000 m² tại Tây Ninh gồm 2.088 cây, năng suất 167.040 quả/vụ, yêu cầu thu hoạch 2.784 quả/ngày.

Chương 2: Lựa chọn phương án

Chương 2 trình bày quá trình đánh giá và ra quyết định thiết kế thông qua các ma trận chấm điểm có trọng số:

  • Phương án di chuyển: Đánh giá giữa chạy trên ray, bám line, thiết bị bay (Drone) và xe tự hành. Nhóm tác giả lựa chọn xe tự hành sử dụng SLAM nhằm loại bỏ chi phí lắp đặt ray cố định và hạn chế rủi ro dừng xe khi mất vạch dẫn hướng.
  • Phương án bánh xe: Ma trận trade-off so sánh giữa hệ thống bánh xích và hệ thống 4 bánh xe:
Tiêu chí đánh giá Trọng số Bánh xích Bốn bánh
Tính linh hoạt xoay và di chuyển 40% 8 8
Tính cân bằng 30% 8 6
Độ bền 10% 9 8
Chi phí 10% 8 7
Khả năng bảo trì và thay thế 10% 6 9
Tổng điểm đánh giá 100% 7,9 7,4

Kết quả đánh giá khẳng định phương án bánh xích vượt trội về độ ổn định và phân bố tải trọng.

  • Cảm biến và thị giác: Lidar đạt 7,2 điểm (so với Camera 3D: 6,7 và Stereo: 6,9) được chọn để dẫn đường. Camera 3D kết hợp mã QR đạt 8,7 điểm được chọn cho tác vụ rẽ luống. Stereo camera gắn trên tay máy được chọn để nhận diện quả chín ở cự ly gần. Cảm biến Strain Gauge Loadcell đạt 7,4 điểm được chọn để cân khối lượng quả.
  • Động cơ và điều khiển: Chọn động cơ DC tích hợp encoder kết hợp bộ điều khiển thuật toán PID trên vi điều khiển STM32F4, liên kết với máy tính nhúng Jetson Nano theo mô hình phân tán.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày các bước tính toán động lực học và kiểm nghiệm độ bền chi tiết máy:

  1. Tính toán chống lật và chống trượt:

    • Điều kiện không lật quanh tâm xoay: $$h \le \frac{g \cdot b \cdot R}{2 \cdot v^2}$$ Với khoảng cách giữa hai dải xích $b = 0,8$ m, bán kính quay tại chỗ $R = 0,45$ m, gia tốc trọng trường $g = 9,81$ m/s², vận tốc $v = 0,2$ m/s, chiều cao trọng tâm $h$ của robot hoàn toàn thỏa mãn điều kiện ổn định.
    • Vận tốc tới hạn chống trượt ngang khi quay vòng đạt $v_{max} = 1,49$ m/s, lớn hơn vận tốc hoạt động thực tế 0,2 m/s.

  2. Tính toán lực kéo tiếp tuyến và công suất động cơ:

    • Lực quán tính khi tăng tốc: $$P_j = M_{robot} \cdot a = 140 \cdot 0,2 = 28\text{ N}$$
    • Lực cản lăn trên đất pha cát ẩm (chọn hệ số cản lăn $f = 0,1$): $$P_f = G \cdot f = 140 \cdot 9,81 \cdot 0,1 = 137,34\text{ N}$$
    • Tổng lực kéo tiếp tuyến: $$P_k = P_f + P_j + G = 137,34 + 28 + (140 \cdot 9,81) = 1528,72\text{ N}$$
    • Lực kéo trên mỗi bên bánh xích: $F = 769,37\text{ N}$.
    • Công suất động cơ yêu cầu với hệ số an toàn 1,5, hiệu suất xích $\eta_x = 0,93$, hiệu suất ổ lăn $\eta_{ol} = 0,99$, hiệu suất trục vít $\eta_{tv} = 0,92$: $$P_{đc} = \frac{1,5 \cdot F \cdot v}{\eta_x \cdot \eta_{ol}^2 \cdot \eta_{tv}} = \frac{1,5 \cdot 769,37 \cdot 0,2}{0,93 \cdot 0,99^2 \cdot 0,92} = 275,24\text{ W}$$

  3. Tính toán và lựa chọn bộ truyền xích:

    • Chọn loại xích con lăn tiêu chuẩn ANSI 60-1 với bước xích $p_c = 19,05$ mm, tải trọng phá hỏng $Q = 41,5$ kN, sử dụng má gá xích mã hiệu WK-1.
    • Số răng đĩa xích dẫn $z_1 = 27$ răng, đường kính vòng chia $d = 164,09$ mm, đường kính đỉnh răng $d_a = 172,51$ mm.
    • Khoảng cách trục tính toán $a = 760$ mm, số mắt xích $X = 107$, chiều dài dải xích $L = 2038,35$ mm.
    • Kiểm nghiệm hệ số an toàn mòn và độ bền xích đạt $s = 49,64$, vượt mức cho phép $[s] = 7$.
    • Bề rộng tiếp xúc dải xích tính theo phương pháp Bekker đạt $b = 120$ mm.

  4. Lựa chọn động cơ thực tế:

    • Dựa trên mô-men xoắn tính toán $T_{đc} = 9,98$ Nm ở tốc độ 240 vòng/phút, nhóm tác giả chọn động cơ DC không chổi than DMKE D6BLD300-12GU-30S với công suất định mức 300 W, hộp giảm tốc tỉ số 1:15, tốc độ đầu ra 200 vòng/phút và mô-men xoắn cho phép 10,46 Nm.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thiện bộ thông số hình học và động lực học cho mobile robot thu hoạch nông nghiệp hoạt động trong luống hẹp 110 cm, tải trọng toàn phần 140 kg và vận tốc 0,2 m/s.
  • Xác lập quy trình tính toán lực kéo máy kéo xích kết hợp phương pháp Bekker cho robot nông nghiệp di chuyển trên nền đất nhà màng.
  • Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí hoàn chỉnh gồm bộ xích tiêu chuẩn ANSI 60-1, má gá WK-1 và bộ truyền trục vít bánh vít tỉ số truyền 1:10 kết nối động cơ 300 W.
  • Xây dựng cấu trúc điều khiển phân tán Jetson Nano – STM32F4 tích hợp ROS, định vị luống bằng Lidar, nhận diện quả bằng Stereo camera và điều hướng rẽ luống bằng Camera 3D quét mã QR.
  • Đề xuất cơ cấu thu hoạch kẹp 2 ngón không sử dụng dao cắt hay hệ thống khí nén cồng kềnh, giảm trọng lượng thiết bị và tương thích với yêu cầu thu hoạch đóng hộp trong ngày theo TCVN 5605:1991.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp tài liệu thiết kế có tính toán cơ học chi tiết cho mô hình robot thu hoạch cà chua bi tự hành phù hợp với đặc thù canh tác nhà màng tại Việt Nam, thay thế các phương án chạy trên ray tốn kém chi phí hoặc thiết bị bay hạn chế góc nhìn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu tập trung vào khâu tính toán lý thuyết, lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu chấp hành và kiến trúc điều khiển, chưa công bố dữ liệu thử nghiệm thực tế dài hạn về tỉ lệ nhận diện quả thành công dưới các điều kiện ánh sáng thay đổi.
  • Cảm biến Stereo camera có sai số đo độ sâu tăng dần khi khoảng cách đo vượt xa vùng làm việc gần của tay kẹp.
  • Hệ thống điều khiển phân tán nhiều khối cảm biến và vi điều khiển đòi hỏi quy trình đi dây và chống nhiễu nghiêm ngặt trong môi trường độ ẩm cao.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Cải tiến thuật toán xử lý ảnh học sâu nhằm nâng cao độ chính xác nhận diện quả chín khi bị lá che khuất hoặc trong điều kiện cường độ ánh sáng phức tạp.
  • Tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động của cánh tay gắp để rút ngắn thời gian thu hoạch xuống dưới 10 giây/quả.
  • Tích hợp thêm các giải thuật trí tuệ nhân tạo (AI) giúp robot tự học và tự điều chỉnh vận tốc theo mật độ quả trên từng cây.
  • Chế tạo mô hình thực nghiệm và kiểm tra độ bền của dải xích, động cơ và mạch điều khiển trong môi trường nhà màng thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Robot và Tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận tính toán động lực học phương tiện bánh xích nông nghiệp, quy trình tra cứu tiêu chuẩn xích ANSI và phương pháp thiết lập ma trận trade-off kỹ thuật.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu phát triển thiết bị nông nghiệp thông minh: Tham khảo kiến trúc điều khiển phân tán ROS – Vi điều khiển, cấu hình thị giác máy tính Hand-eye và giải pháp định vị hàng cây trong nhà kính.
  • Phần nội dung có giá trị sử dụng cao: Toàn bộ công thức tính toán động lực học, lực cản lăn, lựa chọn công suất động cơ dẫn động tại Chương 3 và phương pháp tích hợp cảm biến đa tầng tại Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước và tải trọng thiết kế của mobile robot là bao nhiêu?
Robot có kích thước bao là 900 × 900 × 200 mm, khối lượng khung sàn xe là 117 kg và tổng tải trọng khi mang đầy đủ thiết bị, thùng chứa quả là 140 kg.

2. Tại sao nhóm nghiên cứu chọn hệ thống di chuyển bánh xích thay vì bánh xe thông thường?
Dựa trên ma trận trade-off, bánh xích đạt 7,9 điểm so với 7,4 điểm của hệ 4 bánh. Bánh xích giúp phân bổ đều tải trọng 140 kg, giảm độ lún trên nền đất pha cát ẩm của nhà màng, cho phép quay tại chỗ ($R = 0,45$ m) trong không gian luống hẹp 110 cm và duy trì độ cân bằng cho cánh tay robot.

3. Động cơ dẫn động được lựa chọn có thông số kỹ thuật như thế nào?
Từ công suất tính toán yêu cầu 275,24 W và mô-men xoắn 9,98 Nm, nhóm tác giả chọn động cơ DC không chổi than DMKE D6BLD300-12GU-30S với công suất định mức 300 W, hộp giảm tốc 1:15, tốc độ 200 vòng/phút và mô-men xoắn cho phép 10,46 Nm.

4. Hệ thống điều khiển của robot phân chia nhiệm vụ như thế nào giữa các bộ xử lý?
Hệ thống sử dụng kiến trúc phân tán: Máy tính nhúng Jetson Nano làm Master chạy ROS để xử lý thuật toán SLAM với Lidar, nhận diện quả qua Stereo camera và đọc mã QR qua Camera 3D. Vi điều khiển STM32F4 làm Slave nhận lệnh điều khiển, đọc encoder động cơ và thực thi thuật toán PID kiểm soát vận tốc và hướng di chuyển.

5. Robot thực hiện việc chuyển hướng giữa các luống cây bằng phương pháp nào?
Robot sử dụng Camera 3D quét các mã QR được bố trí tại đầu mỗi dãy cây để nhận dạng vị trí luống và đo chính xác khoảng cách chiều sâu, từ đó điều khiển cụm bánh xích quay vòng chuyển luống an toàn mà không bị tích lũy sai số như phương pháp chỉ đọc encoder.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế mobile robot thu hoạch cà chua bi trong nhà màng" của sinh viên Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM đã hoàn thành các mục tiêu tính toán và thiết kế hệ thống robot nông nghiệp tự hành. Đề tài đã xây dựng cơ sở toán học vững chắc cho hệ thống di chuyển bánh xích trên nền đất mềm, chuẩn hóa bộ truyền động xích ANSI và động cơ dẫn động 300 W, đồng thời thiết lập kiến trúc điều khiển phân tán ROS kết hợp STM32F4. Các kết quả tính toán chi tiết trong đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật hữu ích cho hướng nghiên cứu tự động hóa thu hoạch nông sản trong nhà kính tại Việt Nam.