Đồ Án HCMUTE: Robot Phun Thuốc và Tưới Cây Trong Nhà Kính

Đồ án nghiên cứu hcmute robot phun thuốc tưới cây trong nhà kính, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Trần Văn Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Robot Phun Thuốc Tưới Cây Trong Nhà Kính
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu một số loại Robot
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Hạn chế của đề tài
• 1.4. Bố cục
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô tả phần cứng
• 2.2. Vi điều khiển 18F4620
• 2.3. Cảm biến siêu âm SRF05
• 2.4. Động cơ DC
• 2.5. Động cơ Servo
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot Tưới Cây Tự Động

Robot Tưới Cây Tự Động là một giải pháp công nghệ cao trong nông nghiệp, đặc biệt là trong môi trường nhà kính. Robot tưới cây không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả tưới tiêu. Việc áp dụng công nghệ tưới cây tự động giúp giảm thiểu lượng nước sử dụng và đảm bảo cây trồng nhận đủ nước cần thiết. Hệ thống này hoạt động dựa trên các cảm biến và vi điều khiển, cho phép điều chỉnh lượng nước tưới theo nhu cầu thực tế của cây trồng. Theo nghiên cứu, việc sử dụng robot nông nghiệp trong nhà kính đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Công Nghệ Tưới Cây Trong Nhà Kính

Nhà kính là một môi trường lý tưởng cho việc trồng cây, giúp kiểm soát tốt các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm. Công nghệ tưới cây trong nhà kính thường sử dụng các hệ thống tưới nhỏ giọt hoặc phun sương, giúp cung cấp nước một cách hiệu quả. Hệ thống tưới tự động không chỉ giúp tiết kiệm nước mà còn giảm thiểu công sức lao động. Việc áp dụng công nghệ nhà kính kết hợp với robot tưới cây thông minh đã mở ra một hướng đi mới cho nền nông nghiệp hiện đại, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

III. Thiết Kế Hệ Thống Robot Tưới Cây

Thiết kế hệ thống robot tưới cây bao gồm nhiều thành phần quan trọng như cảm biến, vi điều khiển và cơ cấu phun. Cảm biến siêu âm được sử dụng để đo khoảng cách và xác định vị trí của cây trồng. Vi điều khiển sẽ xử lý thông tin từ cảm biến và điều khiển hoạt động của robot. Hệ thống phun nước được thiết kế để có thể điều chỉnh lượng nước phun ra, đảm bảo cây trồng nhận đủ nước mà không bị lãng phí. Việc thiết kế hệ thống tưới tự động không chỉ giúp tăng hiệu quả tưới tiêu mà còn giảm thiểu rủi ro cho cây trồng.

IV. Đánh Giá Kết Quả Thực Hiện

Kết quả thực hiện của robot tưới cây tự động cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc tưới tiêu cây trồng. Robot hoạt động hiệu quả trong việc cung cấp nước cho cây, đồng thời giảm thiểu lượng nước lãng phí. Các thử nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng robot tự động trong nhà kính không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao năng suất cây trồng. Đánh giá từ người sử dụng cho thấy sự hài lòng cao với hiệu quả của hệ thống, mở ra triển vọng cho việc áp dụng rộng rãi công nghệ này trong nông nghiệp.

V. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Hướng phát triển trong tương lai cho robot tưới cây bao gồm việc cải tiến công nghệ cảm biến và mở rộng khả năng tự động hóa. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống có thể giúp robot tự động điều chỉnh lượng nước tưới dựa trên điều kiện thời tiết và nhu cầu của cây trồng. Ngoài ra, việc phát triển các mô hình robot nhỏ gọn hơn cũng sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng trong các loại hình nông nghiệp khác nhau. Giải pháp tưới cây thông minh sẽ tiếp tục là một xu hướng quan trọng trong nông nghiệp công nghệ cao.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa nông nghiệp, mô hình nông nghiệp công nghệ cao ứng dụng nhà kính kết hợp hệ thống tưới và cơ giới hóa đã chứng minh hiệu quả tại các quốc gia như Israel và Nhật Bản, đồng thời được triển khai tại Việt Nam ở các khu vực như Đà Lạt, TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội. Nhà kính cung cấp môi trường sinh trưởng ổn định và ngăn ngừa sâu bệnh hại. Tuy nhiên, quá trình canh tác đòi hỏi việc bổ sung phân bón qua lá dạng lỏng và phun thuốc bảo vệ thực vật. Các loại hóa chất này gây ra nguy cơ nghiêm trọng đối với sức khỏe con người, bao gồm nhiễm trùng da, ngộ độc cấp tính và các bệnh lý mãn tính nguy hiểm khi tiếp xúc trực tiếp kéo dài.

Đặc thù cây trồng trong nhà kính thường được bố trí thành các khu vực hoặc phân theo từng luống cố định. Để thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại này, đề tài "Robot phun thuốc trong nhà kính" được thực hiện nhằm chế tạo một hệ thống tự hành có khả năng phun thuốc tự động và điều khiển từ xa.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định gồm 6 nội dung cụ thể:

1. Nội dung 1: Tìm hiểu các cách bố trí luống rau trong nhà kính.
2. Nội dung 2: Nghiên cứu các giải pháp thiết kế hệ thống Robot phun thuốc.
3. Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
4. Nội dung 4: Thiết kế mô hình cơ khí.
5. Nội dung 5: Thi công Robot hoàn chỉnh.
6. Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện của hệ thống.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế phần cứng cơ khí, mạch điều khiển nhúng, giải thuật điều khiển bám tường và cơ cấu phun hóa chất của robot tự hành trong nhà kính.
• Phạm vi không gian: Khảo sát trên địa hình bằng phẳng trong môi trường nhà kính trồng rau có các kiểu bố trí luống (đặc biệt là dạng luống có vách ngăn).
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 22/03/2016 và hoàn thành nghiệm thu vào ngày 15/07/2016 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài khảo sát ba phương pháp tưới và phun hóa chất thông dụng trong nhà kính nhằm lựa chọn giải pháp tích hợp:

Phương pháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Hệ thống tưới trên cao	Cách ly con người khỏi hóa chất; vừa tưới nước vừa phun thuốc; điều khiển được thời gian tưới.	Phun toàn bộ diện tích gây lãng phí nước và hóa chất; để lại tồn dư thuốc trong môi trường.
Hệ thống tưới nhỏ giọt	Tiết kiệm nước và dung dịch; đưa thuốc đến từng gốc cây; cách ly con người.	Chi phí lắp đặt cao; chỉ tác dụng qua hệ thống rễ, không trị được sâu bệnh trên thân và lá.
Phương pháp thủ công	Căn chỉnh chính xác vị trí; định lượng linh hoạt; áp dụng được cho mọi loại cây.	Người lao động tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe.

Về cơ chế di chuyển của robot, tác giả phân tích hai hình thức di động: di chuyển bằng chân (vượt địa hình gồ ghề tốt nhưng kết cấu nhiều bậc tự do phức tạp, nặng, tốc độ thấp, giá thành cao) và di chuyển bằng bánh xe (lực kéo và độ ổn định cao, điều khiển đơn giản, phù hợp địa hình nhà kính bằng phẳng). Khung gầm 4 bánh được chọn với 2 bánh trước vô hướng và 2 bánh sau dẫn động độc lập.

Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động dựa trên thuật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID). Tín hiệu điều khiển được mô tả toán học theo sai số:

$$u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$

Trong điều khiển vận tốc động cơ một chiều (DC Servo), khâu vi phân ($K_d$) được loại bỏ nhằm tránh khuếch đại nhiễu đo lường từ bộ đếm xung (encoder), chuyển thành cấu trúc bộ điều khiển PI. Phương pháp xác định tham số dựa trên quy tắc thực nghiệm:

1. Đặt $K_i = 0$, tăng dần $K_p$ đến khi ngõ ra bắt đầu xuất hiện dao động, sau đó giảm nhẹ $K_p$ để hệ thống hoạt động ổn định không dao động.
2. Giữ nguyên $K_p$, tăng dần $K_i$ cho đến khi sai số xác lập triệt tiêu hoàn toàn và hệ thống đạt đáp ứng quá độ mong muốn.
3. Thay vì cấp tín hiệu hàm nấc (step) đột ngột làm tăng dòng khởi động và biến động mô-men, hệ thống áp dụng tín hiệu đặt dạng hàm dốc (ramp) trong thời gian khoảng 0,1 giây để làm mịn dòng tải.

Các chuẩn giao tiếp truyền thông nhúng sử dụng trong hệ thống gồm:

• Chuẩn I2C: Bus truyền thông 2 dây (SDA, SCL) kết nối vi điều khiển với màn hình LCD 20x4 thông qua vi mạch mở rộng PCF8574 ở tốc độ chuẩn (Standard mode 100 kbit/s).
• Chuẩn SPI: Giao thức đồng bộ 4 dây (MOSI, MISO, SCK, SS) kết nối bộ xử lý trung tâm với bộ thu tín hiệu tay cầm không dây PlayStation 2 (tần số xung clock từ 80 kHz đến 500 kHz).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: tính toán động lực học cơ khí; thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm chuyên ngành; lập trình mã nguồn nhúng C cho vi điều khiển; gia công cơ khí khung gầm; kiểm thử thực tế khả năng bám thành luống và phun sương hóa chất.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống robot được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 8 khối chức năng xoay quanh bộ xử lý trung tâm:

Khối chức năng	Linh kiện / Thiết bị sử dụng	Chức năng kỹ thuật
Xử lý trung tâm	Vi điều khiển PIC 18F4620 (Microchip, thạch anh 20 MHz)	Tiếp nhận dữ liệu cảm biến, giải mã lệnh SPI từ tay cầm, thực thi thuật toán PID, điều chế xung PWM và xuất tín hiệu điều khiển rơ-le.
Cảm biến	03 cảm biến siêu âm SRF05 (khoảng cách đo từ 3 cm đến 4 m)	Bố trí tại 3 vị trí: đầu xe (phát hiện chướng ngại vật), giữa xe và đuôi xe (đo khoảng cách thành luống để bám tường).
Điều khiển từ xa	Tay cầm không dây PlayStation 2 (PS2) và module thu sóng 2,4 GHz	Nhận lệnh điều khiển thủ công các hướng di chuyển, góc nâng hạ, góc xoay trục ngang và đóng cắt bơm qua sóng RF.
Công suất	Bo mạch cầu H công suất IRF3205 (dòng liên tục 10 A, dòng đỉnh 30 A, áp 3V–36V)	Điều khiển vận tốc và chiều quay của 2 động cơ kéo thông qua 2 kênh PWM độc lập.
Giao tiếp / Chấp hành	Mạch module 05 rơ-le điện từ kết hợp cách ly	Đóng cắt động cơ bơm áp lực, đảo chiều động cơ trượt ngang và động cơ nâng hạ cơ cấu phun.
Phun thuốc	Động cơ bơm áp lực cao; Động cơ nâng hạ Mitsuba WR-5; Động cơ trượt ngang TG-05	Bơm đẩy hóa chất từ bình chứa tạo sương mù; nâng hạ giàn phun (tải trọng nâng đến 20 kg); dịch chuyển vòi phun sang trái/phải.
Di chuyển	02 động cơ DC Servo NF5475A gắn bộ đếm encoder quang học	Dẫn động độc lập 2 bánh sau qua hệ thống dây đai (dây curoa) và puli.
Hiển thị	Màn hình ký tự LCD 20x4 tích hợp module chuyển đổi I2C	Hiển thị chế độ hoạt động (Manual/Auto), thông số khoảng cách đo được và trạng thái các rơ-le.

Sơ đồ phân bổ chân ngoại vi trên vi điều khiển PIC 18F4620:

• Port A: Chân RA0, RA1 xuất tín hiệu logic DIR1, DIR2 chọn chiều quay động cơ kéo; chân RA2, RA3 điều khiển rơ-le động cơ trượt ngang; chân RA6, RA7 nối mạch dao động thạch anh 20 MHz.
• Port B: Chân RB0 và RB4 nhận xung encoder bánh trái; RB1 và RB5 nhận xung encoder bánh phải; RB2 nhận dữ liệu DATA từ đầu thu PS2; RB6 và RB7 sử dụng ngắt ngoại vi đọc tín hiệu Echo của các cảm biến siêu âm.
• Port C: Chân RC1, RC2 xuất 2 kênh xung PWM1, PWM2 đến bo công suất IRF3205; RC3 (SCL) và RC4 (SDA) giao tiếp I2C với màn hình LCD; RC5 nhận dữ liệu nối tiếp SPI.
• Port D: Chân RD0 đến RD3 phát tín hiệu kích hoạt Trigger cho 4 ngõ cảm biến siêu âm; RD4, RD5 kết nối vi mạch 74HC14 phục vụ chọn kênh đọc cảm biến; RD6, RD7 làm chân điều khiển Slave Select và phát xung nhịp SCK cho module thu PS2.
• Port E: Chân RE0 kích hoạt rơ-le động cơ máy bơm; RE1, RE2 điều khiển rơ-le động cơ nâng hạ vòi phun; RE3 nối nguồn 5V tích cực trạng thái vi điều khiển.

Tính toán động cơ di chuyển:

• Khối lượng ước tính của toàn bộ xe khi mang tải bình hóa chất: $M = 10\text{ kg}$.
• Bánh xe cao su di chuyển trên nền đất/bê tông trơn, chọn hệ số ma sát trượt $\mu = 0,4$. Lực ma sát cản trở chuyển động:

$$F_{ms} = M \cdot g \cdot \mu = 10 \cdot 9,81 \cdot 0,4 = 39,24\text{ N}$$

• Bán kính bánh xe di chuyển: $R_{bx} = 5\text{ cm} = 0,05\text{ m}$. Mô-men cản tổng cộng tác động lên trục bánh xe:

$$T = F \cdot R_{bx} = 39,24 \cdot 0,05 \approx 1,96\text{ N}\cdot\text{m}$$

• Do sử dụng 2 động cơ dẫn động độc lập chia đều tải trọng, mô-men cần thiết trên mỗi trục bánh:

$$T_1 = T_2 = \frac{T}{2} = \frac{1,96}{2} = 0,98\text{ N}\cdot\text{m}$$

• Hệ thống sử dụng cơ cấu giảm tốc đai răng và puli giữa trục motor ($R_{motor} = 4\text{ mm}$) và trục bánh xe ($R_{bx_puli} = 50\text{ mm}$), xác định tỷ số truyền:

$$i = \frac{R_{bx_puli}}{R_{motor}} = \frac{50}{4} = 12,5$$

• Vận tốc thiết kế của bánh xe là 240 vòng/phút. Tốc độ định mức cần thiết của động cơ điện:

$$n_{motor} = n_{bx} \cdot i = 240 \cdot 12,5 = 3000\text{ vòng/phút}$$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của tự động hóa nông nghiệp nhằm giải quyết nguy cơ nhiễm độc hóa chất ở người lao động. Tác giả khảo sát các dòng robot tự hành tiêu biểu trên thế giới gồm robot vận chuyển thức ăn GoCart (sử dụng cảm biến và camera tránh vật cản), robot thám hiểm Sao Hỏa Sojourner của NASA năm 1997 (hoạt động 84 ngày truyền dữ liệu qua vệ tinh), và robot y tế Terapio (vận chuyển thiết bị bệnh viện theo chế độ bám người Human-Tracking mode). Từ đó, đề tài xác định mục tiêu chế tạo robot phun thuốc trong nhà kính với 6 nội dung nghiên cứu, phân tích rõ các giới hạn vận hành và cấu trúc tổng thể của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung mô tả chi tiết phần cứng và nền tảng lý thuyết áp dụng:

• Cấu trúc vi điều khiển PIC 18F4620 với 35 chân I/O (giới hạn dòng 25 mA mỗi chân, tổng tải mỗi Port không quá 90 mA), kiến trúc RISC 8-bit và các module truyền thông.
• Đặc tính cảm biến siêu âm SRF05: Tầm đo nâng từ 3 m (của SRF04) lên 4 m, đo khoảng cách bằng cách tính thời gian truyền - nhận sóng âm, hoạt động độc lập với màu sắc bề mặt nhưng dễ chịu ảnh hưởng bởi tạp âm âm học.
• Đặc tính bo công suất IRF3205, động cơ Servo điều khiển góc, động cơ DC điều khiển vận tốc, cấu trúc tập lệnh và giao thức truyền nhận dữ liệu của tay cầm không dây PlayStation 2 gồm chuỗi byte trạng thái nút bấm (D-pad, phím chức năng, 2 cần analog).
• Lý thuyết điều khiển PID, bảng quy tắc Ziegler-Nichols hiệu chỉnh $K_p, K_i, K_d$ và quy trình hiệu chỉnh thực nghiệm cho động cơ DC.
• Cơ sở truyền thông đồng bộ qua chuẩn nối tiếp I2C và SPI trên vi điều khiển PIC.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa thiết kế hệ thống cơ khí và mạch điện tử:

• Thiết kế khung xe 4 bánh mang vòi phun, bình chứa và hệ thống nguồn; cơ cấu giàn phun di chuyển 2 bậc tự do (trục dọc nâng hạ bằng động cơ kéo cáp/vít me Mitsuba WR-5 tải trọng 20 kg, trục ngang dịch chuyển bằng motor TG-05).
• Thiết lập sơ đồ khối chức năng và sơ đồ chân kết nối vi điều khiển với bo mạch công suất, module rơ-le, mạch giải mã 74HC14, IC PCF8574 và tay cầm PS2.
• Tính toán động lực học xe: Khối lượng $M = 10\text{ kg}$, hệ số ma sát $\mu = 0,4$, tính toán mô-men kéo yêu cầu trên trục bánh xe và tốc độ quay động cơ đạt 3000 vòng/phút thông qua bộ truyền dây curoa tỷ số truyền 12,5.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình thực tế:

• Thi công mạch in PCB cho khối vi điều khiển trung tâm, khối rơ-le công suất và khối đệm giao tiếp.
• Quy trình lắp ráp cơ khí, bố trí cảm biến siêu âm ở các vị trí đo khoảng cách đầu xe, hông xe và đuôi xe; lắp ráp cơ cấu truyền động puli - dây đai cho 2 bánh dẫn động.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho toàn bộ hệ thống: Lưu đồ chương trình chính, lưu đồ đọc gói tin SPI từ tay cầm PS2, chương trình ngắt Timer và ngắt Port B xử lý xung phản hồi Echo của SRF05, thuật toán PID ổn định tốc độ bánh xe dựa trên phản hồi encoder.
• Xây dựng quy trình hướng dẫn thao tác vận hành an toàn cho người dùng khi cấp nguồn và chuyển đổi chế độ Manual/Auto.

Chương 5: Kết quả nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thử nghiệm mô hình thực tế của robot:

• Hoàn thiện mô hình vật lý 3D và khung gầm thực tế có khả năng mang tải bình chứa nước và giàn phun 2 trục.
• Thử nghiệm chế độ điều khiển bằng tay: Robot đáp ứng chuẩn xác các lệnh di chuyển tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải từ tay cầm game PS2 qua sóng 2,4 GHz; các phím chức năng điều khiển bật/tắt bơm và căn chỉnh độ cao/vị trí vòi phun hoạt động ổn định.
• Thử nghiệm chế độ tự động: Robot thực hiện bám theo vách ngăn của luống rau thông qua thuật toán xử lý tín hiệu từ cụm cảm biến siêu âm SRF05; thuật toán PID duy trì vận tốc xe ổn định khi di chuyển dọc theo chiều dài luống.
• Thử nghiệm phun thuốc: Động cơ bơm áp lực cao kết hợp đầu béc phun tạo chùm hạt sương phân bố đều lên mặt lá cây trồng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành về mặt cơ khí, mạch điện và giải thuật điều khiển. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cấp trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật định lượng và định tính:

• Chế tạo thành công mô hình robot tự hành tích hợp hệ thống phun sương hóa chất, tải được trọng lượng toàn tải 10 kg di chuyển ổn định trên mặt phẳng.
• Hệ thống truyền động đạt tốc độ bánh xe 240 vòng/phút thông qua cơ cấu giảm tốc đai răng tỷ số 12,5 từ động cơ 3000 vòng/phút.
• Chế độ điều khiển từ xa hoạt động ổn định ở dải tần vô tuyến 2,4 GHz qua tay cầm không dây PS2, cho phép điều hướng di chuyển và điều khiển vị trí giàn phun 2 bậc tự do linh hoạt.
• Chế độ tự động bám tường sử dụng cụm cảm biến SRF05 phản hồi tín hiệu khoảng cách, kết hợp vòng lặp điều khiển PID giữ cho tốc độ xe không bị sụt giảm khi tải trọng thay đổi hoặc khi nền đường có độ ma sát biến thiên.
• Hệ thống phun gồm bơm áp lực cao và các động cơ điều khiển trục ngang (TG-05), trục dọc (Mitsuba WR-5 nâng được tải trọng 20 kg) giúp định vị vòi phun phù hợp với chiều cao và tán rộng của từng luống rau.

Các giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất:

• Cần chuẩn hóa cấu trúc luống rau trong nhà kính nông nghiệp công nghệ cao bằng cách xây dựng vách ngăn gờ thấp đồng đều dọc hai bên luống, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho sóng siêu âm phản xạ ổn định.
• Sử dụng tín hiệu điều khiển hàm dốc (ramp) trong khoảng thời gian khởi động 0,1 giây cho động cơ DC để triệt tiêu hiện tượng vọt lố dòng điện và bảo vệ cơ cấu truyền động đai.

Đóng góp của đồ án:

• Hiện thực hóa thành công một giải pháp cơ điện tử tích hợp phục vụ nông nghiệp công nghệ cao với chi phí gia công chế tạo thấp, sử dụng các linh kiện nhúng thông dụng (PIC 18F4620, bo IRF3205, cảm biến SRF05).
• Đưa ra giải pháp cách ly triệt để người lao động khỏi môi trường phun xịt hóa chất bảo vệ thực vật độc hại trong không gian kín của nhà kính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản xác định cụ thể:

• Khả năng thích ứng địa hình: Robot chỉ vận hành được trên các bề mặt bằng phẳng; lộ trình di chuyển phải được xây dựng và bố trí cố định từ trước.
• Khả năng nhận diện mục tiêu: Robot thực hiện phun hóa chất liên tục theo tuyến định sẵn mà chưa có khả năng nhận diện hình thái cây rau hoặc nhận diện mật độ sâu bệnh để điều tiết vòi phun.
• Dung tích và kiểm soát hóa chất: Bình chứa dung tích còn nhỏ; lưu lượng phun chưa được điều chỉnh tự động theo thời gian thực mà phải chỉnh thủ công bằng van trước khi khởi hành.
• Giám sát trạng thái: Robot chưa tích hợp cảm biến đo mức dung tích còn lại trong bình chứa; khi hết dung dịch robot không tự động dừng lại mà đòi hỏi người dùng phải quan sát từ xa để can thiệp.
• Phụ thuộc kết cấu luống: Đối với mô hình trồng rau kiểu tầng hoặc luống không có vách ngăn bao quanh, robot không thể tự định hướng nếu không xây thêm tường chắn nhân tạo làm mốc phản xạ siêu âm.

Hướng phát triển đề xuất:

• Tích hợp thêm cảm biến đo mức chất lỏng trong bình chứa để tự động ngắt hệ thống bơm và dừng xe khi cạn thuốc.
• Nghiên cứu thuật toán xử lý ảnh số thông qua camera để nhận diện luống rau và xác định chính xác khu vực có sâu bệnh cần phun thuốc.
• Nâng cấp hệ thống định vị và cảm biến dẫn đường để robot có thể di chuyển trên các luống trồng không có gờ vách ngăn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho:

• Sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện các đồ án thiết kế robot tự hành (AGV) chuyên dụng trong nông nghiệp.
• Những nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển họ PIC (cụ thể là dòng 8-bit PIC 18F4620) trong việc tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp ngoại vi đồng thời (I2C điều khiển LCD, SPI đọc tay game PS2, ngắt ngoài Port B xử lý cảm biến siêu âm, PWM điều khiển cầu H).
• Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động công suất nhỏ cần tài liệu tham khảo về phương pháp tính chọn mô-men động cơ kéo, tỷ số truyền dây đai và quy trình hiệu chỉnh thực nghiệm thông số bộ điều khiển PI trên động cơ DC.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot sử dụng bộ vi điều khiển nào và nguồn dao động nhịp hoạt động ở tần số bao nhiêu?
Robot sử dụng vi điều khiển 8-bit RISC PIC 18F4620 do Microchip sản xuất, kết nối với mạch dao động thạch anh ngoài có tần số 20 MHz gắn tại chân RA6 và RA7.

2. Động cơ nâng hạ cơ cấu vòi phun sử dụng loại gì và có thông số tải trọng ra sao?
Cơ cấu nâng hạ giàn phun sử dụng động cơ Mitsuba WR-5 có khối lượng 600 g, công suất cao, có khả năng nâng được khối lượng giàn cơ khí lên đến 20 kg.

3. Tại sao khi điều khiển tốc độ động cơ DC kéo robot tác giả lại bỏ khâu vi phân (D) trong bộ điều khiển PID?
Theo phân tích thực nghiệm trong tài liệu, trong bài toán điều khiển vận tốc động cơ DC, khâu vi phân không cần thiết và có thể gây khuếch đại nhiễu từ tín hiệu phản hồi encoder, do đó hệ thống chỉ sử dụng bộ điều khiển PI (tích phân - tỷ lệ).

4. Giao diện điều khiển từ xa bằng tay cầm PS2 kết nối với vi điều khiển theo chuẩn truyền thông nào?
Đầu thu tín hiệu không dây 2,4 GHz của tay cầm PlayStation 2 kết nối và giao tiếp dữ liệu đồng bộ với vi điều khiển PIC thông qua giao thức SPI (gồm các đường DATA, COMMAND, CLOCK, ATTENTION/SS), với xung nhịp trong dải từ 80 kHz đến 500 kHz.

5. Robot định hướng bám tường trong chế độ tự động bằng cách nào?
Robot sử dụng 3 cảm biến siêu âm SRF05 (trong đó có các cảm biến gắn ở bên hông giữa xe và đuôi xe) để liên tục phát và thu sóng âm đo khoảng cách thực tế đến vách ngăn của luống rau, gửi dữ liệu về vi điều khiển để điều chỉnh hướng lái giữ khoảng cách ổn định theo vách tường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Robot phun thuốc trong nhà kính" của nhóm sinh viên Trần Văn Hiền và Nguyễn Văn Đoài đã thiết kế và thi công thành công một mô hình robot nông nghiệp hoàn chỉnh dựa trên vi điều khiển PIC 18F4620. Hệ thống tích hợp linh hoạt giữa chế độ điều khiển thủ công qua tay cầm sóng vô tuyến PS2 và chế độ tự động bám vách luống nhờ cụm cảm biến siêu âm SRF05 kết hợp thuật toán điều khiển vận tốc PID. Nghiên cứu giải quyết tốt bài toán cơ điện tử thực tiễn nhằm cách ly con người khỏi môi trường phun thuốc bảo vệ thực vật độc hại, tạo nền tảng ứng dụng thiết thực cho các vùng chuyên canh nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN luống rau nhà kính và lý thuyết di chuyển của Robot, tìm hiểu một số chuẩn giao tiếp sử dụng trong Robot.  Chương 3: Tính toán và thiết kế Thiết kế phần cứng, đưa ra sơ đồ khối và phân tích tính toán từng khối đưa ra linh kiện thiết bị phù hợp cho từng khối từ đó vẽ mạch nguyên lý cho Robot. Tính toán các thông số điều khiển cho thuật toán sử dụng  Chương 4: Thi công hệ thống Tiến hành thi công và viết lưu đồ thuật toán chương trình, giới thiệu phần mềm viết chương trình, mô tả cách thức sử dụng Robot.

 Chương 5: Kết quả Kết quả thực nghiệm trong 2 chế độ đó là tự động và cơ cấu tự hành.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đánh giá thực tế kết quả mà Robot có thể đạt được rồi từ đó định hướng cho việc phát triển Robot sau này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

MÔ TẢ PHẦN CỨNG 2. Vi điều khiển 18F6420 [7] PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy người ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi).

CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600. PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). Sơ đồ chân vi điều khiển Pic 18F4620 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như một số dòng vi đuều khiển 8 bit thông dụng, cấu trúc Pic 18F4620 bao gồm các thành phần chính như: khối CPU, bộ nhớ, I/O, Timer, ngắt, các bộ truyền thông giao tiếp như được mô tả trong Hình 2.

Các thành phần chính của Pic 18F4620 Các cổng vào ra của pic : Module I/O của PIC18F4620 có 35 I/O trong đó có 1 Input. Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA, đủ điều khiển 2 LED mắc song song. Tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ là 90mA mà thôi. Do đó, khi thiết kế BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT cần tính toán tránh quá tải cho từng chân (vượt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT (90mA). Các PORT của PIC18F4620 lần lượt được đặt tên theo chữ cái là PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE, tương ứng với mỗi chân I/O ngoài chứng năng Input và Output logic ra còn tích hợp thêm nhiều tính năng khác. Port A Port B Port C Port D có 8 bit các chân của cổng A có tích hợp một số tính năng ngoại vi,bình thường Port A là cổng vào ra 2 chiều. CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 [8] Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều lại cảm biến được sử dụng cho Robot tùy thuộc vào mục đích và chức năng của Robot như cảm biến đo khoảng cách, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất… Trong Robot này chỉ sử dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách.

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua việc phát và thu sóng siêu âm. Cảm biến siêu âm có thể phát hiện các vật có hệ số phản xạ âm thanh đủ lớn Hình 2. Cảm biến SRF05 Cảm biến siêu âm SFR05 được phát triển từ cảm biến siêu âm SFR04 được thiết kế để nâng cao độ linh hoạt, tầm đo tăng từ 3m lên 4m, giảm giá thành. SFR05 có 2 chế độ làm việc : - Chế độ 1: Cần 1 chân trigger và 1 chân echo.

- Chế độ 2: Chỉ cần 1 chân cho cả trigger và echo sẽ tiết kiệm được số chân khi kết nối với vi điều khiển, vi xử lí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1 : Ưu và nhược điểm của cảm biến siêu âm Ưu điểm Nhược điểm - Cảm biến có thể phát đo được khoảng - Cảm biến siêu âm chỉ có thể phát hiện đối cách lên đến 4m. tượng có diện tích bề mặt tối thiểu nhất định (giá trị tùy thuộc loại cảm biến).

- Sóng phản hồi của cảm biến không bị ảnh hưởng bởi màu sắc hay khả năng - Sóng phản hồi của cảm biến bị ảnh hưởng phản xạ ánh sáng của đối tượng. bởi sóng âm thanh tạp âm. - Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiêm - Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng bởi khoảng cách phát hiện nhỏ nhất. - Với đối tượng có mật độ vật chất thấp rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn.

Động cơ DC Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng một chiều. Động cơ DC sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân cư cũng như các ngành công nghiệp. Thông thường động cơ DC chỉ chạy ở một tốc độ khi kết nối với nguồn điện, nhưng vẫn có thể kiểm soát tốc độ và hướng của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử với phương pháp PWM. Động cơ DC thường hoạt động với điện áp thấp, được sử dụng với tải trọng nhỏ.

Trong công nghiệp, động cơ DC được sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi phải có momen lớn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2. Động cơ SERVO Động cơ Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PWM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o.

Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lớn (vài chục Newton/m). MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IRF3205 IRF3205 là là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Tất cả các mạch kích, mạch cầu đều được tích hợp sẵn với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 3V – 36V , dòng lên đến 30A, IRF3205 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất lớn … Hình 2.

Board IRF3205 Điện áp định mức: 3V-36V (có thể được tùy chỉnh theo người sử dụng) Dòng định mức: 10A BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƯƠNG 2. PLAYSTATION 2 PlayStation 2 (viết tắt PS2) là thiết bị dùng để chơi game của công ty Sony, đây là phiên bản thứ 2. Sản phẩm bắt đầu được bán ở Nhật vào ngày 3 tháng 4 vào năm 2000. Đây là một trong những phiên bản thành công nhất của công ty Sony với hơn 1.5 tỷ thiết bị được sản xuất, trong năm 2013 Sony tuyên bố ngừng sản xuất thiết bị chơi game này.

Tay cầm PS2 Cấu tạo đầu phát gồm tất cả 16 nút nhấn : - 4 Phím di chuyển bên trái (D-Pad) Nút Analog, Select, Start ở giữa. - 4 Phím bên phải gồm Square, Triangle, Circle, X gồm 2 Phím L2, L1 ở phía trước bên trái và 2 Phím R, R2 ở phía trước bên phải. - Stick/L3 bên trái : Stick khi ở chế độ Analog/L3 khi ở chế độ Digital. - Stick/R3 bên trái : Stick khi ở chế độ Analog/R3 khi ở chế độ Digital.

- 1 Led báo nguồn màu đỏ, 1 Led chế độ Analog/Digital màu xanh. Cấu tạo đầu thu gồm tất cả 9 chân : - Chân số 1: Data chân dử liệu từ PS2 tới vi điều khiển (VĐK). Nhận 8 bit đồng bộ từ PS2 khi phát hiện cạnh xuống của xung clock (từ mức logic 1 sang 0). - Chân số 2: Command chân gửi lệnh từ VĐK tới PS2 , truyền 8 bit đồng bộ từ VĐK tới PS2 khi phát hiện cạnh xuống của xung clock.

- Chân số 3: Không sử dụng. - Chân số 5: Vcc (3. - Chân số 6: Slave select (SS) cho phép truyền lệnh, tín hiệu sẽ có mức logic 0 trong suốt quá trình truyền tín hiệu. - Chân 7: Xung Clock, sử dụng để đồng bộ tín hiệu, tần số xung Clock 80KHz tới 500KHz.

- Chân số 8,9 : Không sử dụng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 do an CHƯƠNG 2. LCD 20x4 Có 16 chân như sau : Bảng 2.2 : Bảng liệt kê danh sách các chân và chức năng tương ứng của LCD Chân Kí hiệu I/O Mô tả 1 Vss - Đất (Ground) 2 Vcc - Nguồn dương 5 V 3 Vee - Cấp nguồn điều khiển phản 4 RS I RS = 0 chọn thanh ghi lệnh RS = 1 chọn thanh ghi dữ liệu 5 R/W I R/W = 1 : Đọc dữ liệu R/W = 0 : Ghi dữ liệu 6 E I Chân cho phép 7 - 14 DB0 – DB7 I/O Các bit dữ liệu Chân 15, 16 : A và K. Là anode và Katode của 1 con LED dùng để sáng LCD trong bóng tối, thường không sử dụng.

Nếu muốn sử dụng thì nối chân A qua 1 điện trở từ 1- 5K lên Vcc, chân K nối đất, đèn sẽ sáng. Nguyên lý hoạt động của LCD: - Chân Vcc , Vss và Vee : Các chân Vcc, Vss và Vee: Cấp dương nguồn 5V và GND tương ứng, Vee được dùng để điều khiển độ tương phản của LCD. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Chân chọn thanh ghi RS (Register Select) : Có hai thanh ghi trong LCD, chân RS (Register Select) được dùng để chọn thanh ghi, như sau : Nếu RS = 0 thì thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi 1 lệnh chẳng hạn như xóa màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng…Nếu RS =1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị lên LCD.

- Chân đọc ghi (R/W) : Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W =1 - Chân cho phép E (Enable) : chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt dữ liệu của nó. Khi dữ liệu được cấp tới chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được áp lên chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu. Xung này phải rộng tối thiểu là 450ns.