CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài Ớt chuông là một trong những loại rau củ quả phổ biến tại Việt Nam và các quốc gia phát triển như Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Italia, Mexico. Hiện nay, ớt chuông được trồng rộng rãi trên khắp ba miền Việt Nam để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng cao trong nhà hàng, gia đình và trong ngành chế biến thực phẩm. Đồng thời, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, nhóm đã quyết định thúc đẩy tự động hóa trong quá trình thu hoạch ớt chuông nhằm tiết kiệm thời gian, tăng năng suất và hiệu quả thu hoạch, đồng thời giảm chi phí nhân công cho các nông trại sản xuất ớt chuông. Trước đây, việc sử dụng robot để thu hoạch trái cây chưa phổ biến, hầu hết việc thu hoạch vẫn được thực hiện thủ công, gây ra nhiều ảnh hưởng đến năng suất và tốn nhiều thời gian, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe của người nông dân.
Do đó, nhà nước cần đầu tư vào cơ sở hạ tầng và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng để xây dựng nền tảng phát triển và áp dụng công nghệ của Cách mạng Công nghiệp 4. Điều này sẽ thúc đẩy quá trình tự động hóa trong nông nghiệp, đặc biệt là trong công đoạn thu hoạch sản phẩm. Trái lại, việc tích hợp robot thông minh và công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp đã được phát triển mạnh mẽ ở các quốc gia như Mỹ, Châu Âu, Hàn Quốc, Nhật Bản,. Trong đó, Hoa Kỳ là một trong những quốc gia tiên phong trong việc áp dụng công nghệ robot thông minh, đóng vai trò quan trọng và dẫn đầu trong nghiên cứu về robot thông minh.
Hiện nay, có nhiều loại robot tự động được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp trên toàn cầu như: Robot bay thu hoạch trái cây Virgo 1, robot thu hoạch cà chua GRoW, robot thu hoạch dâu tây Rubion, robot thu hoạch nho Wall-Ye,. Với việc nhận thấy rằng ớt chuông là một trong những loại cây trồng phổ biến, chính vì vậy đề tài của nhóm chúng em là thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông.1: Robot thu hoạch táo do nhóm Ripe Robotics chế tạo [6] Hình 1.2: Robot thu hoạch dâu tây trong vườn thủy canh [7] 1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài "Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông" mà nhóm mong muốn đạt được bao gồm: - Hoàn thành mô hình robot dựa trên bản vẽ, có khả năng di chuyển và hoạt động như mô phỏng, đảm bảo sai số không vượt quá mức cho phép. 2 - Đối với phần thân và cánh tay của robot, có thể điều khiển được vị trí và vận tốc theo yêu cầu. - Tích hợp hệ thống xử lý ảnh để robot có thể thu hoạch trái ớt chuông ở bất kỳ vị trí nào.3 Giới hạn của đề tài Với mong muốn thiết kế ban đầu là robot có khả năng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, không gian gọn gàng và sạch sẽ, để robot thu hoạch các quả ớt chuông ở vị trí cao và đảm bảo chúng nhận đủ ánh sáng độ ẩm, chất lượng phát triển quả cao.
Mô hình này phù hợp với việc trồng ớt chuông trong nhà kính và thủy canh. Trồng ớt chuông trong nhà kính và thủy canh mang lại nhiều lợi ích như dễ trồng và chăm sóc, có thể quan sát và điều chỉnh từng giai đoạn phát triển, và có thể trồng quanh năm không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và đất đai. Ớt chuông ít bị ảnh hưởng bởi sâu bệnh và dễ chăm sóc. Hơn nữa, sản phẩm ớt chuông từ phương pháp này có năng suất cao, chất lượng tốt và an toàn vệ sinh, không cần sử dụng quá nhiều phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí.3: Trồng ớt chuông trong vườn thủy canh [8] 1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài Sau khi nghiên cứu các nguồn tài liệu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng cũng như yêu cầu thực tế, nhóm đã thảo luận và đưa ra các nhiệm vụ cụ thể và giới hạn nghiên cứu như sau: - Trong dự án tốt nghiệp này, nhóm sẽ thiết kế mô hình mô phỏng robot thu hoạch ớt chuông dưới dạng xe tự hành AGV với bánh xe đa hướng, kết hợp với cánh tay robot Scara.
3 - Sử dụng camera và công nghệ xử lý ảnh AI để nhận diện màu sắc, kích thước của ớt chuông và xác định thời điểm thu hoạch tối ưu. - Thực hiện thiết kế và vẽ mô hình hóa cho robot bằng phần mềm thiết kế 2D, 3D như Solidworks và AutoCAD. - Gia công các chi tiết của robot và thực hiện công đoạn lắp ráp. - Thực hiện các thử nghiệm và điều chỉnh để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
- Đánh giá hoạt động thực tế của robot và dựa vào kết quả này để đưa ra các đề xuất về hướng phát triển cho dự án.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài - Sử dụng các phần mềm thiết kế cơ khí như SolidWorks, AutoCAD trong quá trình thiết kế và chế tạo ra mô hình có thể ứng dụng đưa vào thực tiễn. - Tìm hiểu về công nghệ AI, xử lý ảnh, thuật toán phát hiện đối tượng. - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến robot tự hành, robot Scara, và các phương pháp nhận diện xử lý ảnh từ nhiều nguồn như báo cáo, nghiên cứu khoa học, tài liệu trên Internet, và các thuật toán điều khiển tương ứng. - Tìm kiếm tài liệu, vận dụng những kiến thức đã học cũng như tìm hiểu thêm bên ngoài để ứng dụng vào việc nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng chạy thử nghiệm trên phần mềm.6 Bố cục của đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông được nhóm chia làm 7 chương chính: Chương 1: Giới thiệu về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống điện Chương 5: Thuật toán điều khiển chuyển động robot Chương 6: Xây dựng thuật toán xử lý ảnh Chương 7: Kết luận và hướng phát triển 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tự động hóa trong nông nghiệp Việc xác định và đánh giá độ chín của quả trái cây là một yếu tố vô cùng quan trọng để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng giá trị tiêu thụ.
Sử dụng các thông số độ chín phù hợp cho từng loại trái cây sẽ giúp người tiêu dùng có được những loại quả chất lượng cao. Ta có thể xác định được mức độ hay giai đoạn các loại quả theo hai nhóm tiêu chí như: - Nhóm dựa vào quan sát hay có thể nói là dựa vào kinh nghiệm: Quả chín thường được xác định dựa trên ba tiêu chí sau: sự thay đổi màu sắc của vỏ quả, hàm lượng chất khô trong nước ép quả, và cảm nhận hương vị khi thử nếm. Quả chín có vỏ căng mọng, bóng, màu sắc chuyển từ màu xanh trắng sang màu đặc trưng của từng giống cây và loại quả. Phần gần cuống quả thường hơi phồng lên, giữa đáy quả có thể lõm hoặc có một vòng tròn nhỏ.
- Nhóm dựa vào phân tích chất lượng: Sử dụng các tiêu chí cơ bản như đo độ ngọt, xác định hàm lượng chất khô trong nước ép quả, xác định độ axit tổng hợp trong nước ép quả, xác định hàm lượng đường tổng hợp, và đo lường hàm lượng vitamin C trong nước ép quả.1: Trạng thái các loại trái cây chuyển trạng thái chín [5] Việc xác định độ chín của quả trái cây trước khi thu hoạch có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sản phẩm sau khi thu hoạch trong chuỗi giá trị. Nhưng với bài toán tự động hóa trong khâu thu hoạch các loại quả là một bài toán khó, đòi hỏi nhiều yếu tố khác nhau. Robot thu hoạch phải thật gọn trong bộ phận thu hoạch, nhẹ nhàng với đối tượng thu hoạch đẻ tránh 5 bị bầm, dập và hư hỏng. Đặc biệt, việc lựa chọn thời điểm thu hoạch cũng rất quan trọng, nên thu hoạch vào buổi sáng sớm khi thời tiết mát mẻ, sau đó nhanh chóng vận chuyển đến điểm thu mua để bảo vệ chất lượng của quả cây.
Trong quá trình vận chuyển, cần tránh việc quá tải hoặc chất quá đầy giỏ hàng, đặc biệt là việc đặt vật nặng lên trên quả cây có thể gây tổn thương. Các loại quả sau khi thu hoạch cần phải được bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, tránh ánh nắng trực tiếp. Đối với những quả được bảo quản trong môi trường lạnh, cần điều chỉnh nhiệt độ trước khi tiêu thụ để tránh hiện tượng "sốc nhiệt" và hạn chế sự ngưng tụ nước trên bề mặt quả gây hư thối. Hiện nay, các loại quả như táo, cam, vải, xoài, măng cụt, dâu tây, ớt chuông.
đều được áp dụng công nghệ tự động hóa trong quá trình thu hoạch.2: Robot thu hoạch táo được phát triển bởi Đại học Monash ở Melbourne [9] 6 Hình 2.3: Robot thu hoạch ớt chuông trong nhà kính [10] 2.2 Tổng quan về robot thu hoạch trái cây Nền nông nghiệp trên toàn thế giới đa dạng các loại cây ăn quả được trồng ở nhiều địa hình, nhiều vị trí, nhiều nền khí hậu với nhiều loại hình dạng và kích thước khác nhau. Các loại robot thu hoạch trái cây được phát triển để phù hợp với từng loại trái cây cũng như các điều kiện địa hình và khí hậu. Các mẫu robot phổ biến bao gồm: Robot bay thu hoạch trái cây FAR, robot thu hoạch cà chua Certhon, robot thu hoạch dâu tây Rubion, robot thu hoạch nho Wall- Ye,. [4] a) Robot bay thu hoạch trái cây FAR Robot bay thu hoạch trái cây FAR là sản phẩm của công ty Tevel Aerobotics Technologies, với thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để xác định vị trí, khoảng cách và thu hoạch trái cây.
Loại robot này có khả năng thu hoạch các loại quả ở độ cao lên đến 5m và có thể xử lý nhiều loại trái cây khác nhau như táo, lê, đào, mận, bơ, xoài,.4: Robot bay thu hoạch trái cây FAR [11] b) Robot thu hoạch cà chua Certhon Robot thu hoạch cà chua Certhon là sản phẩm của công ty Certhon, có trụ sở tại Hà Lan với hơn 125 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực làm vườn. Trong chiến lược phát triển gần đây, công ty đã tập trung vào việc phát triển robot thu hoạch cà chua, do cà chua là cây trồng phổ biến trên toàn cầu và có mặt tại nhiều nông trại khắp nơi.