Nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch cà chua tự động

• Tác giả: Phạm Văn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Trí Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot thu hoạch quả cà chua
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• LỜI CAM KẾT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Bố cục đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan về cây cà chua trong nhà màng
• 2.2. Tổng quan về ứng dụng của Robot trong nông nghiệp
• 2.2.1. Ưu điểm
• 2.2.2. Thách thức và cơ hội
• 2.2.3. Một vài ứng dụng tại Việt Nam
• 2.3. Tổng quan về công nghệ xử lý ảnh
• 2.4. Kết cấu của Robot
• 2.5. Các nghiên cứu khác
• 2.5.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 2.5.2. Nghiên cứu trong nước
• 2.6. Các tồn tại của các Robot
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Cơ sở tính toán động học ngược
• 3.2. Tổng quan về các thuật toán xử lý ảnh
• 3.2.1. Xử lý ảnh hình thái học (Morphological Image Processing)
• 3.2.2. Xử lý hình ảnh Gaussian
• 3.2.3. Fourier Transform trong xử lý ảnh
• 3.2.4. Phát hiện cạnh trong xử lý ảnh
• 3.2.5. Xử lý hình ảnh Wavelet
• 3.3. Các phần mềm liên quan
• 3.3.1. Phần mềm Visual Studio
• 3.3.2. Phần mềm Arduino IDE
• 3.3.3. Thư viện EmguCV - OpenCV
• 3.3.4. Thư viện Numpy
• 3.3.5. Chuẩn giao tiếp UART
• 3.3.6. Một số đặc điểm quả cà chua chịu nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
• 4.1. Yêu cầu đề tài
• 4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện
• 4.2.1. Phương án thiết kế hệ di chuyển
• 4.2.2. Phương án thiết kế cánh tay cắt
• 4.2.3. Lựa chọn phương án
• 4.2.4. Trình tự công việc tiến hành
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHẾ TẠO
• 5.1. Tính toán thiết kế bộ điều khiển
• 5.2. Tổng quan về hệ thống robot
• 5.3. Lựa chọn các mạch, cảm biến và motor điều khiển
• 5.4. Hệ thống điện
• 5.5. Thuật toán lập trình nhận diện và điều khiển
• 5.6. Quy trình xử lý ảnh
• 5.7. Quy trình đo khoảng cách
• 5.8. Tính phương trình động học ngược
• 5.9. Thuật toán chuyển đổi pixel tọa độ máy ảnh thành tọa độ khung cơ sở rô-bốt
• 5.10. Lưu đồ giải thuật tổng thể
• 5.11. Tính toán thiết kế cơ khí
• 5.12. Chọn động cơ cho xe
• 5.13. Thiết lập đường đi của xe
• 5.14. Tính toán kích thước khung xe
• 5.15. Lựa chọn vật liệu làm khung xe
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Quy trình chế tạo
• 6.2. Tính toán vật liệu
• 6.3. Thiết kế khung robot
• 6.4. Thiết kế mạch điện
• 6.5. Thực nghiệm kiểm tra khả năng nhận diện quả cà chua qua camera
• 6.6. Thực nghiệm khả năng di chuyển của Robot
• 6.7. Thực nghiệm quá trình cắt thu hoạch cà chua của cơ cấu cắt
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài 'Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch cà chua hiệu quả' tập trung vào việc ứng dụng công nghệ robot và tự động hóa trong nông nghiệp, cụ thể là thu hoạch cà chua. Với sự phát triển của nông nghiệp công nghệ cao, việc sử dụng robot thu hoạch giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sức lao động và nâng cao hiệu quả. Đề tài này không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào sự phát triển của nông nghiệp hiện đại tại Việt Nam.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành xu hướng toàn cầu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng robot thu hoạch vẫn còn hạn chế. Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt lao động và nâng cao hiệu quả thu hoạch cà chua, một loại nông sản có giá trị kinh tế cao. Việc nghiên cứu và chế tạo robot thu hoạch cà chua sẽ mở ra hướng đi mới cho nông nghiệp tự động hóa.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài mang lại giá trị khoa học thông qua việc ứng dụng các kiến thức về thiết kế robot, xử lý ảnh, và tự động hóa. Về mặt thực tiễn, robot thu hoạch giúp giảm thiểu sức lao động, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Đây là bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam.

II. Tổng quan về robot thu hoạch

Robot thu hoạch là một ứng dụng tiêu biểu của công nghệ robot trong nông nghiệp. Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh hiệu quả của robot thu hoạch trong việc tự động hóa quy trình thu hoạch các loại nông sản như cà chua, dâu tây, và ớt chuông. Tại Việt Nam, việc ứng dụng robot nông nghiệp vẫn còn ở giai đoạn đầu, nhưng tiềm năng phát triển là rất lớn.

2.1 Ứng dụng robot trong nông nghiệp

Robot nông nghiệp được sử dụng trong nhiều khâu sản xuất, từ gieo trồng, chăm sóc đến thu hoạch. Ưu điểm của robot thu hoạch là khả năng làm việc liên tục, chính xác và giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Các nghiên cứu tại Nhật Bản và các nước phát triển đã chứng minh hiệu quả của robot thu hoạch trong việc nâng cao năng suất và chất lượng nông sản.

2.2 Thách thức và cơ hội

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc ứng dụng robot thu hoạch tại Việt Nam vẫn gặp nhiều thách thức, bao gồm chi phí đầu tư cao và thiếu kiến thức về vận hành, bảo dưỡng. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ tự động hóa, đây là cơ hội lớn để hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam.

III. Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch cà chua

Quá trình thiết kế robot và chế tạo robot thu hoạch cà chua bao gồm nhiều bước, từ nghiên cứu cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm. Robot thu hoạch cà chua được thiết kế với cánh tay robot 3 bậc tự do, hệ thống di chuyển và bộ điều khiển tích hợp công nghệ xử lý ảnh để nhận diện và xác định vị trí quả cà chua chín.

3.1 Thiết kế cơ khí

Thiết kế robot tập trung vào việc tạo ra cánh tay robot linh hoạt, có khả năng di chuyển và thu hoạch cà chua một cách chính xác. Khung robot được thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với điều kiện làm việc trong nhà màng. Vật liệu sử dụng được lựa chọn để đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải.

3.2 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển của robot thu hoạch được tích hợp công nghệ xử lý ảnh để nhận diện quả cà chua chín và tính toán vị trí thu hoạch. Các thuật toán xử lý ảnh như xử lý hình thái học và phát hiện cạnh được sử dụng để nâng cao độ chính xác của hệ thống.

IV. Thực nghiệm và đánh giá

Quá trình thực nghiệm robot thu hoạch cà chua được tiến hành trong môi trường nhà màng để đánh giá hiệu quả và độ chính xác của hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot thu hoạch có khả năng nhận diện và thu hoạch cà chua chín với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu thời gian và sức lao động.

4.1 Kết quả thực nghiệm

Robot thu hoạch đã được thử nghiệm trong môi trường thực tế, với khả năng nhận diện và thu hoạch cà chua chín đạt hiệu suất cao. Hệ thống xử lý ảnh hoạt động hiệu quả, giúp robot xác định vị trí quả cà chua một cách chính xác.

4.2 Đánh giá hiệu quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot thu hoạch cà chua có khả năng thay thế lao động thủ công, giảm thiểu thời gian thu hoạch và nâng cao năng suất. Đây là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ robot vào nông nghiệp hiện đại.