Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông - Đồ án tốt nghiệp công nghệ cơ điện tử

LỜI CAM KẾT

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.3. Giới hạn của đề tài

1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.5. Phương pháp nghiên cứu đề tài

1.6. Bố cục của đồ án tốt nghiệp

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tự động hóa trong nông nghiệp

2.2. Tổng quan về robot thu hoạch trái cây

2.3. Các thành phần chính của robot thu hoạch trái cây

2.4. Nguyên lý hoạt động của robot thu hoạch trái cây

2.5. Phát hiện đối tượng

3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

3.1. Yêu cầu kỹ thuật

3.2. Phương án thiết kế

3.2.1. Phương án thiết kế cho hệ thống di chuyển

3.2.2. Phương án thiết kế cho cơ cấu chấp hành

3.2.3. Phương án thiết kế cho cơ cấu tay kẹp

3.2.4. Phương án cho hệ thống xử lý ảnh

3.3. Ý tưởng thiết kế

3.4. Cấu tạo tổng quan của robot

3.5. Tính toán hệ thống di chuyển

3.5.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho xe

3.5.2. Tính toán và lựa chọn bộ truyền đai

3.5.3. Tính toán thiết kế trục theo điều kiện bền

3.5.4. Tính kiểm nghiệm độ bền trục

3.5.5. Tính toán và lựa chọn gối đỡ trục

3.5.6. Lựa chọn bánh xe

3.6. Tính toán cơ cấu chấp hành

3.6.1. Tính toán và lựa chọn động cơ cho cánh tay robot

3.6.2. Tính toán trục vít me

4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1. Yêu cầu kỹ thuật

4.2. Sơ đồ khối và tổng quan về hệ thống điện

4.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống

4.2.2. Sơ đồ điện của hệ thống

4.3. Khối cấp nguồn

4.3.1. Tính toán và lựa chọn nguồn điện

4.3.2. Mạch giảm áp DC LM2596

4.4. Khối xử lý dữ liệu chính

4.4.1. Nhiệm vụ của khối xử lý dữ liệu chính

4.4.2. Board Jetson Nano

4.5. Khối cảm biến

4.5.1. Nhiệm vụ của khối cảm biến

4.5.2. Camera Intel RealSense Depth D435

4.6. Khối điều khiển

4.6.1. Nhiệm vụ của khối điều khiển

4.6.2. Vi điều khiển STM32F103RCT6

4.6.3. Vi điều khiển STM32F103C8T6

4.6.4. Mạch cầu H HI216

4.6.5. Mạch điều khiển động cơ bước TB6600

4.7. Khối thực thi

4.7.1. Nhiệm vụ của khối thực thi

4.7.2. Động cơ DC servo

4.7.3. Động cơ bước Nema

4.8. Vị trí tủ điện

4.8.1. Hình ảnh thiết kế 3D

4.8.2. Hình ảnh thực tế

5. CHƯƠNG 5: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT

5.1. Tính toán động học của xe

5.1.1. Xác định các quỹ đạo cố định cho trước

5.1.2. Xe bám quỹ đạo cho trước

5.1.3. Xác định quãng đường bánh xe trái và phải cần đi khi quãng đường được chia nhỏ

5.1.4. Động học thuận của xe

5.1.5. Động học nghịch của xe

5.1.6. Vận tốc bánh xe từ xung encoder

5.2. Tính toán động lực học của xe

5.3. Tính toán động học của cánh tay robot

5.3.1. Động học thuận của cánh tay robot

5.3.2. Động học nghịch của cánh tay robot

5.4. Tính toán động lực học của cánh tay robot

5.4.1. Khi cánh tay đang ở trạng thái tĩnh

5.4.2. Khi cánh tay đang ở trạng thái động

5.5. Nhiệm vụ của thuật toán

5.6. Lưu đồ giải thuật của mô hình

5.6.1. Lưu đồ giải thuật của toàn bộ quá trình hoạt động

5.6.2. Lưu đồ giải thuật của PID đáp ứng vận tốc mong muốn

5.6.3. Lưu đồ giải thuật của mô hình bám quỹ đạo bất kỳ

5.7. Cấu trúc bộ điều khiển PID cho động cơ

5.8. Tìm hàm truyền của động cơ từ thực nghiệm

5.9. Tìm các thông số của bộ điều khiển PID để điều khiển tốc độ động cơ

5.10. Kết quả thực nghiệm của bộ điều khiển PID trên hai động cơ

6. CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH

6.1. Nhiệm vụ của thuật toán

6.2. Lưu đồ nhận dạng ớt chuông

6.3. Tạo mô hình nhận diện trái ớt chuông

6.5. Tính toán tọa độ xyz của vật

7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

7.3. Hạn chế của đề tài

7.4. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông tập trung vào việc phát triển một hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp, cụ thể là thu hoạch ớt chuông. Robot thu hoạch ớt chuông được thiết kế để tăng năng suất, giảm chi phí lao động và cải thiện hiệu quả trong quá trình thu hoạch. Đề tài này nhằm giải quyết các thách thức trong việc thu hoạch thủ công, đồng thời ứng dụng công nghệ hiện đại như xử lý ảnh và điều khiển tự động.

1.1 Lý do chọn đề tài

Ớt chuông là loại cây trồng phổ biến tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác. Việc thu hoạch thủ công gây tốn kém thời gian và nhân lực. Robot thu hoạch ớt chuông được đề xuất để tự động hóa quy trình, giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công và tăng năng suất. Đề tài này cũng phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp hiện đại, ứng dụng công nghệ cao.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo một robot thu hoạch ớt chuông có khả năng di chuyển, nhận diện và thu hoạch ớt chuông chín. Robot cần tích hợp hệ thống xử lý ảnh để xác định vị trí và trạng thái của ớt chuông, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong quá trình thu hoạch.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tự động hóa trong nông nghiệp và robot thu hoạch trái cây. Các thành phần chính của robot bao gồm hệ thống di chuyển, cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển. Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên việc kết hợp giữa cơ khí, điện tử và công nghệ xử lý ảnh.

2.1 Tự động hóa trong nông nghiệp

Tự động hóa trong nông nghiệp đang trở thành xu hướng toàn cầu, giúp tăng năng suất và giảm chi phí. Robot thu hoạch ớt chuông là một ứng dụng cụ thể của xu hướng này, giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến lao động thủ công và nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.2 Nguyên lý hoạt động của robot

Robot hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa hệ thống di chuyển, cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển. Hệ thống xử lý ảnh được sử dụng để nhận diện ớt chuông chín, sau đó robot sẽ di chuyển và thực hiện quá trình thu hoạch.

III. Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí

Chương này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí của robot thu hoạch ớt chuông. Các yêu cầu kỹ thuật bao gồm khả năng di chuyển, độ bền và độ chính xác của cơ cấu chấp hành. Các phương án thiết kế được đề xuất và tính toán chi tiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot.

3.1 Yêu cầu kỹ thuật

Hệ thống cơ khí của robot cần đảm bảo khả năng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, độ bền và độ chính xác trong quá trình thu hoạch. Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể bao gồm khối lượng robot, kích thước khung và lựa chọn vật liệu.

3.2 Phương án thiết kế

Các phương án thiết kế bao gồm hệ thống di chuyển sử dụng bánh xe đa hướng, cơ cấu chấp hành dạng cánh tay robot và hệ thống kẹp để thu hoạch ớt chuông. Các phương án được tính toán và mô phỏng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

IV. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Hệ thống điện và điều khiển là phần quan trọng của robot thu hoạch ớt chuông. Chương này trình bày các yêu cầu kỹ thuật, sơ đồ khối và các thành phần chính của hệ thống điện. Các thuật toán điều khiển được nghiên cứu và phát triển để đảm bảo hoạt động chính xác của robot.

4.1 Yêu cầu kỹ thuật

Hệ thống điện cần đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho các bộ phận của robot, bao gồm động cơ, cảm biến và hệ thống xử lý ảnh. Các yêu cầu kỹ thuật cụ thể bao gồm điện áp, công suất và hiệu suất sử dụng năng lượng.

4.2 Thuật toán điều khiển

Các thuật toán điều khiển được phát triển để điều khiển chuyển động của robot và quá trình thu hoạch. Thuật toán PID được sử dụng để điều khiển tốc độ và vị trí của các động cơ, đảm bảo độ chính xác trong quá trình hoạt động.

V. Thuật toán xử lý ảnh

Hệ thống xử lý ảnh là phần quan trọng giúp robot nhận diện và xác định vị trí của ớt chuông chín. Chương này trình bày các thuật toán nhận diện ớt chuông, bao gồm việc tạo mô hình nhận diện và tính toán tọa độ của vật thể. Các kết quả thử nghiệm được đánh giá để đảm bảo độ chính xác của hệ thống.

5.1 Nhận diện ớt chuông

Thuật toán nhận diện ớt chuông được phát triển dựa trên công nghệ AI và xử lý ảnh. Hệ thống sử dụng camera để chụp ảnh và phân tích màu sắc, kích thước của ớt chuông, từ đó xác định vị trí và trạng thái chín của quả.

5.2 Tính toán tọa độ

Sau khi nhận diện ớt chuông, hệ thống tính toán tọa độ XYZ của quả để robot có thể di chuyển và thu hoạch chính xác. Các thuật toán được thử nghiệm và đánh giá để đảm bảo độ chính xác trong quá trình hoạt động.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông đã đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm việc thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot. Robot có khả năng nhận diện và thu hoạch ớt chuông chín với độ chính xác cao. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải thiện hiệu suất, tích hợp thêm các công nghệ mới và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp khác.

6.1 Kết quả đạt được

Mô hình robot đã được thiết kế và chế tạo thành công, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và hoạt động hiệu quả trong quá trình thu hoạch ớt chuông. Các thử nghiệm thực tế cho thấy robot có khả năng nhận diện và thu hoạch chính xác.

6.2 Hướng phát triển

Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải thiện hiệu suất của robot, tích hợp thêm các công nghệ mới như IoT và AI, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp khác như thu hoạch cà chua, dâu tây.

Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Thu Hoạch Ớt Chuông Công Nghệ Cơ Điện Tử