Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.35 MB, 80 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÙNG
TRONG NÔNG TRẠI ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ XỬ LÝ ẢNH
Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Người duyệt: TS. NGUYỄN DANH NGỌC
Sinh viên thực hiện: ĐOÀN ĐẠI THẮNG
LÊ CHÍ HIẾU
Số thẻ sinh viên : 101140200
101140140
Lớp: 14CDT2
14CDT1
Đà Nẵng, 6/2019
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
TĨM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công
nghệ xử lý ảnh
SV thực hiện:
Lê Chí Hiếu
MSSV: 101140140
Lớp: 14CDT1
Đồn Đại Thắng
MSSV: 101140200
Lớp: 14CDT2
GV hướng dẫn:
TS Đặng Phước Vinh
GV duyệt:
TS Nguyễn Danh Ngọc
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài:
Hiện nay ở các vườn ươm cây giống ở nước ta tiêu tốn rất nhiều nhân công lao
động nhưng hiệu quả vẫn chưa cao, việc ươm trồng các cây giống với kỹ thuật cịn khá
thơ sơ chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nên cây giống không được đồng bộ gây khó khăn
cho việc gieo trồng, chăm sóc và thu hoạch.
Với mong muốn tạo ra một dây chuyền tự động gieo trồng, chăm sóc cây trên
các lâm trường với quy mô lớn, ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong cuộc
sống và sản xuất, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế và chế tạo robot
dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh" làm đề tài tốt nghiệp.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:
✓ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot có thể tự động gieo trồng, chăm sóc và
theo dõi điều kiện mơi trường xung quanh.
✓ Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vào robot nông nghiệp.
✓ Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng sạch trong các loại robot di
động, thân thiện với môi trường.
✓ Xây dựng hệ thống cảm biến, lập biểu đồ ghi lại các điều kiện khí hậu, thỗ
nhưỡng.
✓ Nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ thu phát sóng Wifi.
✓ Nghiên cứu và sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
i
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
✓ Thiết kế và chế tạo các mạch điều khiển động cơ, cảm biến cho robot.
3. Nội dung đề tài đã được thực hiện:
✓ Số trang thuyết minh: 67 trang
✓ Số bản vẽ: 6 bản vẽ A0
✓ Mơ hình: 1
4. Kết quả đạt được:
• Phần lý thuyết
✓ Nghiên cứu, ứng dụng thư viện OpenCV để xử lý hình ảnh.
✓ Xử lý ảnh thành cơng việc nhận diện các loại cây trồng cũng như hướng
di chuyển của robot.
✓ Thiết kế robot bằng phần mềm Solidwork và vẽ bản vẽ bằng Autocad.
✓ Lý thuyết về các loại cảm biến, NodeMCU, Raspberry Pi 3
✓ Thiết kế mạch bằng phần mền Proteus, Altium.
✓ Lý thuyết về nguồn năng lượng mặt trời.
✓ Nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ IoT.
• Phần tính tốn, thiết kế
✓ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí.
✓ Thiết kế và chế tạo các mạch điền khiển
✓ Đã chế tạo thành cơng mơ hình hoạt động tương đối ổn định.
✓ Tính tốn và thiết kế hệ thống cảm biến.
✓ Thiết kế giao diện trên website và điện thoại di động.
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Sinh viên thực hiện
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
ii
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT
Họ tên sinh viên
Số thẻ SV
Lớp
Ngành
1
Lê Chí Hiếu
101140140
14CDT1
CƠ ĐIỆN TỬ
2
Đồn Đại Thắng
101140200
14CDT2
CƠ ĐIỆN TỬ
1. Tên đề tài:
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
2. Đề tài thuộc diện: Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
- Tính tốn, thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí robot.
1
Lê Chí Hiếu
- Thiết kế hệ thống mạch điện điều khiển robot.
- Xây dựng lưu đồ thuật tốn điều khiển robot.
- Xây dựng quy trình xử lý ảnh.
2
Đồn Đại Thắng
- Nghiên cứu thiết kế quy trình truyền nhận dữ liệu
lên Cayene
b. Phần riêng
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
- Nghiên cứu, lập trình xử lý ảnh.
1
Lê Chí Hiếu
- Nghiên cứu sử dụng Raspberry Pi 3.
- Nghiên cứu, thiết kế việc xử lý dữ liệu cảm biến,
truyền gửi dữ liệu lên website và smartphone
- Nghiên cứu, thiết kế mạch sạc pin sử dụng tấm năng
lượng mặt trời.
2
Đoàn Đại Thắng
- Nghiên cứu, lập trình cánh tay Delta
- Nghiên cứu việc truyền nhận tín hiệu điều khiển
giữa Raspberry và Arduino.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
iii
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1
Lê Chí Hiếu
Bản vẽ tổng thể robot
1 A0
2
Đoàn Đại Thắng
Bản vẽ sơ đồ khối
1 A0
b. Phần riêng:
TT
1
2
Họ tên sinh viên
Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
Nội dung
Bản vẽ sơ đồ khối mạch điều khiển
1 A0
Bản vẽ các khối mạch điện
1 A0
Bản vẽ sơ đồ động
1 A0
Bản vẽ các cụm chi tiết
1 A0
6. Họ và tên người hướng dẫn: T.S Đặng Phước Vinh
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/2/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: 1/6/2019
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Trưởng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
Người hướng dẫn
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
iv
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay với sự ảnh hưởng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ngành Cơ khí
nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng là một trong những ngành phát triển rất mạnh
với nhiều thay đổi về kỹ thuật công nghệ cũng như về chất lượng. Để đạt được điều đó
địi hỏi người cán bộ kỹ thuật ngồi trình độ chun mơn của mình cịn phải có một tư
duy sáng tạo, đi sâu nghiên cứu để tận dụng hết khả năng, nguồn lực của mình.
Qua thời gian học tại khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa, dưới sự tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ của các thầy, cô giáo cũng như sự nỗ lực của bản thân, chúng
em đã tích luỹ một số kiến thức như là hành trang để trở thành những kỹ sư tương lai.
Thước đo những kiến thức ấy chính là đồ án tốt nghiệp. Đó thực sự là thách thức lớn
đối với sinh viên chúng em khi đây là lần đầu tham gia, giải quyết một khối lượng
công việc lớn như thế này.
Công việc thực hiện đồ án tốt nghiệp gặp vất nhiều khó khăn, nhiều vấn đề nan
giải. Tuy nhiên được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Phước Vinh
cũng như các thầy cơ giáo khác đã giúp chúng em hồn thành đồ án này. Nhưng với
kiến thức hạn hẹp cũng như chưa có kinh nghiệm trong tính tốn, thi cơng thực tế nên
khó có thể tránh được những sai sót. Chúng em kính mong tiếp tục được sự chỉ bảo
của các thầy, cơ để em hồn thiện kiến thức hơn nữa.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí –
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Đặng Phước Vinh
cũng như các bạn cùng gia đình đã động viên và giúp đỡ chúng em trong suốt quá
trình thực hiện đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Sinh viên
Lê Chí Hiếu
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
v
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
CAM ĐOAN
Kính gửi khoa Cơ khí - Trường đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học
thuật:
• Khơng bịa đặt, đưa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;
• Khơng ngụy tạo số liệu trong q trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành,
thực tập hoặc hoạt động học thuật khác;
• Khơng sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các
hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;
• Khơng đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là
của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người
khác mà khơng có trích dẫn.
• Khơng tự đạo văn, sử dụng lại thơng tin nghiên cứu của mình mà khơng
có trích dẫn hoặc phân mảnh thơng tin về kết quả nghiên cứu của mình
để cơng bố trên nhiều ấn phẩm
Sinh viên thực hiện
Lê Chí Hiếu
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
Đoàn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
vi
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
MỤC LỤC
TĨM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................v
CAM ĐOAN ............................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................x
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. xi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ....................................................................2
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................2
1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài ...............................................................................3
1.2.1 Khái quát về xử lý ảnh ..............................................................................3
1.2.2 Tổng quan về Internet of Things ...............................................................4
1.2.3 Giới thiệu về nguồn năng lượng tái tạo .....................................................6
1.2.4 Ý tưởng thiết kế robot ...............................................................................7
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ ....................................10
2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp: ........................................................10
2.2 Phương án truyền động cho bánh xe dẫn động: ..................................................11
2.2.1 Phương án 1: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền đai ngoài ...11
2.2.2 Phương án 2: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền xích ngồi .12
2.3 Tính toán các bộ truyền và chọn động cơ ...........................................................13
2.4 Các phương án thiết kế cơ cấu chấp hành cho robot ..........................................15
2.4.1 Phương án 1: Sử dụng cánh tay robot làm cơ cấu chấp hành .................15
2.4.2 Phương án 2: Sử dụng cánh tay Delta .....................................................16
2.5 Tính tốn động học cơ cấu cánh tay Delta ..........................................................16
2.5.1 Động học thuận robot ..............................................................................17
2.5.2 Động học ngược robot .............................................................................19
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN..................22
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
vii
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển ................................................................................22
3.2 Giới thiệu sơ lược các linh kiện trong mạch điều khiển .....................................24
3.2.1 Raspberry Pi 3 model B...........................................................................24
3.2.2 Camera .....................................................................................................25
3.2.3 Tấm pin năng lượng mặt trời ...................................................................26
3.2.4 Arduino Uno R3 ......................................................................................27
3.2.5 Arduino Nano ..........................................................................................29
3.2.6 Node MCU ..............................................................................................30
3.2.7 Driver động cơ VNH2SP30 ....................................................................32
3.2.8 Động cơ Servo ........................................................................................32
3.2.9 Mạch hạ áp LM2596 ...............................................................................33
3.2.10 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ........................................................33
3.2.11 Cảm biến cường độ sáng BH1750.........................................................34
3.2.12 Cảm biến lưu lượng dòng chảy .............................................................34
3.2.13 Cảm biến đo dòng ASC712 ...................................................................35
3.3 Thiết kế khối mạch sạc, khối nguồn cho robot ...................................................36
3.4 Khối điều khiển động cơ .....................................................................................36
3.5 Khối mạch cảm biến............................................................................................38
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .....................................39
4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển .........................................................39
4.2 Xử lý ảnh .............................................................................................................39
4.2.1 Thư viện OpenCV ...................................................................................39
4.2.2 Quy trình xử lý ảnh .................................................................................40
4.2.3 Chương trình xử lý ảnh ...........................................................................43
4.3 Giao diện người dùng ..........................................................................................43
4.3.1 Giới thiệu về Cayenne .............................................................................43
4.3.2 Giao diện trên website .............................................................................44
4.3.3 Giao diện trên smartphone ......................................................................44
4.4 Chương trình .......................................................................................................44
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
viii
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
KẾT LUẬN .................................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................47
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................48
PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................53
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
ix
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của robot ..........................................................13
Bảng 2.2 Bảng hệ số ma sát ứng với các loại vật liệu ........................................13
Bảng 3.1 Thông số tấm pin năng lượng mặt trời................................................27
Bảng 3.2 Thông số của Arduino Uno R3 ...........................................................29
Bảng 3.3 Thông số của Arduino Nano ...............................................................30
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật cảm biến đo dịng ASC712 ...................................35
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
x
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Chăm sóc cây giống ở vườn ươm trong nước ta hiện nay ....................2
Hình 1.2 Ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh trong bãi giữ xe thơng minh ...............3
Hình 1.3 Mơ hình xe tự lái sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh ....................................4
Hình 1.4 Các cuộc cách mạng cơng nghiệp và tầm nhìn tương lai ......................5
Hình 1.5 Ứng dụng Internet Of Things trong giải pháp nhà thơng minh.............5
Hình 1.6 Hệ thống pin năng lượng mặt trời .........................................................6
Hình 1.7 Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời .......................................7
Hình 1.8 Robot gieo hạt .......................................................................................7
Hình 1.9 Farmbot..................................................................................................8
Hình 1.10 Luống ươm cây tại một số vườn ươm nước ta ....................................8
Hình 1.11 Ý tưởng thiết kế robot .........................................................................9
Hình 2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nơng nghiệp .........................................10
Hình 2.2 Sơ đồ động bộ truyền bánh đai răng ....................................................11
Hình 2.3 Sơ đồ động bộ truyền xích...................................................................12
Hình 2.4 Robot hái dâu .......................................................................................15
Hình 2.5 Cơ cấu cánh tay Delta..........................................................................16
Hình 2.6 Các tham số dùng cho việc tính tốn ...................................................17
Hình 2.7 Các tham số dùng cho việc tính tốn...................................................17
Hình 2.8 Hình chiếu lên mặt phẳng OXY ..........................................................18
Hình 2.9 Kí hiệu các tham số cần tính tốn........................................................19
Hình 2.10 Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ ........................................................20
Hình 2.11 Kí hiệu tọa độ tính tốn .....................................................................21
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển ................................................................22
Hình 3.2 Board mạch Raspberry Pi 3 model B ..................................................24
Hình 3.3 Camera IP của hãng KBVISION.........................................................26
Hình 3.4 Mặt trước và sau tấm pin năng lượng mặt trời 50W ...........................27
Hình 3.5 Arduino Uno R3 ..................................................................................28
Hình 3.6 Chức năng các chân Arduino Uno R3 .................................................28
Hình 3.7 Arduino Nano ......................................................................................29
Hình 3.8 Board mạch NodeMCU .......................................................................31
Hình 3.8 Sơ đồ chân NodeMCU ........................................................................31
Hình 3.9 Driver VNH2SP30 ..............................................................................32
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
xi
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
Hình 3.10 Động cơ Servo MG996R ...................................................................32
Hình 3.11 Mạch giảm áp LM2596 .....................................................................33
Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ....................................................34
Hình 3.13 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 ..............................................34
Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng dịng chảy .........................................................35
Hình 3.15 Cảm biến đo dịng ASC712 ...............................................................35
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc, khối nguồn robot ...................................36
Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý driver VNH3SP30 ..................................................37
Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ ........................................................37
Hình 3.19 Sơ đồ mạch cảm biến ........................................................................38
Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển .........................................39
Hình 4.2 Hệ thống nhận diện hình ảnh trên đường phố sử dụng OpenCV ........40
Hình 4.3 Quy trình xử lý ảnh khi tưới ................................................................41
Hình 4.4 Ảnh chụp từ camera của robot ............................................................41
Hình 4.5 Ảnh sau khi đã lọc màu và chuyển sang hệ màu đen trắng.................42
Hình 4.6 Kết quả sau khi đã xử lý ảnh ...............................................................42
Hình 4.7 Giao diện hiển thị trên web .................................................................44
Hình 4.8 Giao diện hiển thị trên smartphone .....................................................44
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đoàn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
xii
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
MỞ ĐẦU
Hiện nay khoa học kĩ thuật đang được phát triển mạnh mẽ, được ứng dụng vào
nhiều ngành nghề, lĩnh vực, đặc biệt là trong nơng nghiệp. Các loại máy móc, thiết bị
tự động hiện đại đang dần được đưa vào để thay thế cho việc lao động thuần chân tay
trong nông nghiệp. Theo bước tiến đó, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Thiết kế và chế
tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” với ý tưởng giúp người
nơng dân gieo hạt, chăm sóc cây, theo dõi điều kiện thỗ nhưỡng trong các vườn ươm
trồng cây giống. Đồng thời tăng năng suất lao động cũng như tạo ra nhiều thời gian
cho người nơng dân có thể xen canh và làm các công việc kinh tế khác.
Mục tiêu của đồ án là thiết kế và chế tạo một mô hình robot tự động gieo trồng
hạt giống, chăm sóc cây và theo dõi điều kiện môi trường trong các vườn ươm. Thuyết
minh được cấu trúc như sau: chương 1 giới thiệu tổng quan về robot; chương 2 trình
bày phần tính tốn và thiết kế cơ khí; chương 3 tính tốn và thiết kế mạch điều khiển;
chương 4 thiết kế chương trình điều khiển; chương 5 trình bày những ưu nhược điểm
cũng như hướng phát triển của đề tài.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đoàn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
1
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Rừng là "lá phổi" của trái đất, rừng có vai trị rất quan trọng trong việc duy trì
cân bằng sinh thái và sự đa dạng sinh học trên hành tinh chúng ta. Tuy nhiên diện tích
rừng ở trên thế giới cũng như ở nước ta đang dần bị thu hẹp một cách nhanh chóng.
Tính đến hết năm 2016, cả nước có 14.377.682 ha rừng. Trong đó rừng tự nhiên
là 10.242.141 ha và rừng trồng là 4.135.541 ha. Nếu tính so với tổng diện tích tự nhiên
tồn quốc là 33.095.250 ha thì hiện nay tỷ lệ độ che phủ là 41,19%. Bộ trưởng Bộ
Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn khẳng định mục tiêu đến năm 2020 phải nâng
độ che phủ rừng lên 42% trở lên. Chính vì vậy, cần phải có một nguồn cung ứng các
giống cây để trồng rừng là một yêu cầu cấp thiết. Tuy nhiên hiện nay, ở các trang trại
cung ứng giống cây để trồng rừng vẫn gieo trồng, ươm cây một cách thủ công, tốn
nhiều nhân công lao động, năng suất khơng cao.
Hình 1.1 Chăm sóc cây giống ở vườn ươm trong nước ta hiện nay
Hiện nay ở các nước trên thế giới, việc tự động hố trong nơng nghiệp khơng
cịn là điều gì mới mẻ, xa lạ nhưng ở nước ta hiện nay, nông nghiệp đang bị bỏ ngỏ,
không được chú trọng một cách đúng mức. Mặc dù nhu cầu lâm sản ở nước ta vô cùng
lớn, nhưng tài ngun rừng thì có hạn, rừng sản xuất lại được trồng một cách thủ cơng,
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
2
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
chưa được chăm sóc một cách đúng mức nên chất lượng cũng như số lượng sản phẩm
lâm nghiệp cịn hạn chế.
Bởi vậy, nhóm đã nảy ra ý tưởng nghiên cứu phát triển loại robot có thể tự động
gieo trồng, ươm giống các loại cây công nghiệp nhằm giải toả bớt nhân công lao động
trong các vườn ươm, tăng năng suất để cung ứng đầy đủ cây giống cho các trang trại.
Đồng thời có thể tạo ra một dây chuyền tự động gieo trồng, chăm sóc cây trên các lâm
trường với quy mơ lớn, ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào trong cuộc
sống và sản xuất.
1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài
1.2.1 Khái quát về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu xử lý là hình
ảnh. Đây là một phân ngành khoa học mới rất phát triển trong những năm gần đây. Xử
lý ảnh bao gồm 4 lĩnh vực chính: xử lý nâng cao chất lượng ảnh, nhân dạng ảnh, nén
ảnh và truy vấn ảnh. Sự phát triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc
sống của con người. Nhờ các hệ thống tích hợp xử lý ảnh ngày nay, con người có thể
giám sát được các robot từ xa, xử lý chính xác các cơng việc cần độ chính xác cao.
Ngày nay xử lý ảnh đã được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời
sống như: photoshop, nén ảnh , nén video, nhận dạng biển số xe, nhận dạng khuôn
mặt, nhận dạng chữ viết,…
Hình 1.2 Ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh trong bãi giữ xe thơng minh
Chính vì vậy trong đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông
trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh", nhóm tác giả sẽ ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
3
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
như là "đôi mắt" của robot để giúp robot di chuyển cũng như nhận diện được các đối
tượng nhằm phân tích, xử lý và hoạt động trong mơi trường thực tế.
Hình 1.3 Mơ hình xe tự lái sử dụng công nghệ xử lý ảnh
Hiện nay, đã có rất nhiều thư viện, phần mền hỗ trợ cho viết xử lý ảnh tích hợp
vào trong nhiều loài robot khác nhau như EmguCV, SimpleCV, OpenCV,… Mỗi thư
viện, phần mền đều có những ưu điểm nhược điểm riêng. Qua q trình tìm hiểu, tham
khảo từ nhiều nguồn, nhóm nghiên cứu đã chọn nghiên cứu, ứng dụng thư viện
OpenCV để xử lý ảnh bởi những lý do sau:
• Thư viện OpenCV là thư viện mã nguồn mở được viết và tối ưu hóa
bằng ngơn ngữ C/C++ nên có thể dễ dàng sử dụng, nhúng vào hệ thống
một cách đơn giản.
• Thư viện OpenCV có một cộng đồng người dùng rộng lớn, liên tục được
nâng cấp hỗ trợ người dùng.
1.2.2 Tổng quan về Internet of Things
Trong những ngày qua, khái niệm "Các mạng Công nghiệp 4.0" được nhắc đến
rất nhiều trên truyền thông cũng như các mạng xã hội. Theo Gartner, cách mạng Công
nghiệp 4.0 xuất phát từ khái niệm "Industrie 4.0" trong một báo cáo của chính phủ
Đức năm 2013. Công nghiệp 4.0 là xu hướng hiện thời trong việc tự động hóa và trao
đổi dữ liệu trong cơng nghệ sản xuất. Nó bao gồm các hệ thống khơng gian mạng
thực-ảo (cyber-physical system), Internet of Things và điện toán đám mây và điện tốn
nhận thức (cognitive computing).
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đoàn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
4
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
Hình 1.4 Các cuộc cách mạng cơng nghiệp và tầm nhìn tương lai
Hiểu một cách đơn giản Internet Of Things là tất cả các thiết bị có thể kết nối
với nhau. Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thơng băng rộng (3G,
4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh,
máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp
giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng 50
tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa. Internet
Of Things sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn
tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một
mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng
lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng.
Hình 1.5 Ứng dụng Internet Of Things trong giải pháp nhà thông minh
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
5
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Bởi vậy, Internet Of Things là một cơ hội cũng như một thách thức để đưa nền
công nghiệp nước ta vươn ra thế giới. Việc nghiên cứu và ứng dụng IoT sẽ giúp các
sản phẩm công nghệ đến gần hơn với người dùng, người sử dụng có thể kiểm sốt
quản lý robot từ mọi nơi trên thế giới qua đó giúp tiết kiệm thời gian, thuận tiện cho
người sử dụng.
1.2.3 Giới thiệu về nguồn năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên
tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa,
thủy triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh
là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong mơi trường và
đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt
là từ mặt trời. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong bốn
lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập
nơng thơn.
Hình 1.6 Hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hiện nay, công nghệ năng lượng mặt trời ở nước ta đang được phát triển một
cách nhanh chóng với mục đích thay thế nguồn năng lượng hố thạch, bảo vệ mơi
trường. Đặc biệt, việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cịn giúp cho các loại robot
có thể hoạt động ngồi trời một cách liên tục không cần sạch pin nhiều lần.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
6
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
Hình 1.7 Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời
Chính vì những lợi ích như vậy, nhóm đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ
năng lượng mặt trời vào trong đồ án tăng tính cơng nghệ, thiết thực cho đề tài đồ án tốt
nghiệp.
1.2.4 Ý tưởng thiết kế robot
Hiện nay, trong nước và trên thế giới đã có rất nhiều loại robot sử trong nơng
nghiệp có thể gieo trồng, chăm sóc cây. Tuy nhiên các loại cơ cấu robot đó cũng cịn
nhiều mặt hạn chế.
Hình 1.8 Robot gieo hạt
Hình 1.8 là robot gieo hạt đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi. Robot này
có thể trồng và chăm sóc cây trên các vườn ươm rộng lớn, gieo trồng được nhiều hạt.
Tuy nhiên, nó vẫn cịn nhiều khuyết điểm như:
• Máy khó có thể thay đổi độ sâu của hạt giống cần gieo.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
7
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
• Máy phải có người điều khiển giám sát trực tiếp.
• Máy khơng có các loại cảm biến để thu thập được các điều kiện mơi
trường.
Hình 1.9 Farmbot
Hình 1.9 là Farmbot đã được bán trên thị trường. Robot có khả năng gieo hạt
trồng nhiều loại cây trồng. Robot sử dụng công nghệ xử lý ảnh giúp quản lý các loại
cây trồng. Tự động gieo trồng, chăm sóc, diệt cỏ cho cây trồng. Đồng thời robot cịn
có giao diện trên website giúp người dùng có thể quản lý được các loại cây trồng trong
vườn. Tuy nhiên robot cũng cịn một vài nhược điểm như:
• Robot chỉ hoạt động được trên diện tích nhỏ, tính cơ động khơng cao.
• Chi phí gia cơng tốn kém.
Hình 1.10 Luống ươm cây tại một số vườn ươm nước ta
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
8
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
Chính vì vậy cần thiết kế loại robot có thể di chuyển trên vườn rộng, tính linh
hoạt cao đồng thời cịn có thể thu thập được giá trị các loại cảm biến để lưu lại thông
tin môi trường xung quanh, sử dụng được pin năng lượng mặt trời để tăng thời lượng
sử dụng robot. Theo tình hình thực tế, nhóm quyết định thiết kế loại robot đi trên luống
để có thể trồng và chăm sóc cây trồng một cách tốt nhất.
Hình 1.11 Ý tưởng thiết kế robot
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
9
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nơng nghiệp:
Hình 2.1 Cấu tạo của robot dùng trong nông nghiệp
1: Bánh xe dẫn động.
5: Cụm cơ cấu chấp hành.
2: Bánh xe điều hướng.
6: Cơ cấu đầu chấp hành.
3: Khung robot.
7: Vị trí gắn camera.
4: Tấm pin năng lượng mặt trời.
Robot có cấu tạo gồm: 4 bánh xe với 2 bánh xe trước dẫn động (1) được nối với
động cơ thơng qua bộ truyền xích với tỉ lệ 1:5 để tăng lực kéo cho xe. Bánh xe được
chế tạo có cơ cấu căng xích. Hai bánh điều hướng (2) di chuyển tự do được kéo đi bởi
hai bánh dẫn động phía trước.
Phần khung robot (3) được nâng cao để có khoảng khơng gian để bố trí các
mạch điều khiển, bình đựng nước tưới, acquy.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
10
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh
Tấm pin năng lượng mặt trời (4) được đặt trên cùng để nhận đầy đủ ánh nắng
để cung cấp năng lượng cho robot hoạt động.
Cơ cấu đầu chấp hành (5) được gắn trên robot có ưu điểm hơn loại cơ cấu trên
các loại máy khác là nó có thể di chuyển một cách linh hoạt, thay đổi số cây trên một
luống, khoảng cách các cây, các hàng với nhau một cách linh hoạt tuỳ giống cây và
người sử dụng.
Cơ cấu đầu chấp hành (6) được dùng để gắn các loại cảm biến để theo dõi điều
kiện thổ nhưỡng, cơ cấu gieo hạt giống, vòi phun tưới nước cho cây trồng. Các cơ cấu
được thiết kế sao cho có thể dễ dàng thay đổi với nhau tùy thuộc vào mục đích của
người sử dụng nhắm tận dụng được tối đa sự linh hoạt của robot với mục tiều là đạt
năng suất một cách tối đa.
Robot được trang bị một camera IP (7) được gắn dưới tấm pin năng lượng mặt
trời. Camera có thể quay phim với độ phân giải 1920×1080@30fps (30 khung hình
trên giây). Nhờ đó robot có thể thu thập dữ liệu hình ảnh thực tế, thơng qua chương
trình xử lý ảnh trên Raspberry Pi 3 sẽ giúp robot nhận diện được các loại cây trồng,
vùng làm việc để có thể thực hiện nhiệm vụ. Camera có góc rộng được gắn dưới tấm
pin năng lượng mặt trời để bao quát toàn bộ vùng hoạt động của robot từ đó có thể đưa
ra các thơng tin điều khiển một cách chính xác và nhanh chóng.
2.2 Phương án truyền động cho bánh xe dẫn động:
2.2.1 Phương án 1: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền đai ngồi
Hình 2.2 Sơ đồ động bộ truyền bánh đai răng
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
11
Thiết kế và chế tạo robot dùng trong nông trại ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh
Ưu điểm:
• Làm việc êm không gây ồn, nhờ sợ dẻo của đai nên có thể truyền động
với vận tốc lớn.
• Nhờ vào tính chất đàn hồi của đai nên tránh được dao động sinh ra do tải
trọng thay đổi tác dụng lên cơ cấu.
• Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đề phịng sự q tải xảy ra trên động
cơ.
• Kết cấu vận hành đơn giản.
Nhược điểm:
• Kích thước bộ truyền đai lớn hơn so với các bộ truyền khác.
• Tỉ số truyền thay đổi do sự trơn trượt giữa đai và bánh răng.
• Tuổi thọ của bộ truyền thấp.
2.2.2 Phương án 2: Sử dụng động cơ có hộp giảm tốc, bộ truyền xích ngồi
Hình 2.3 Sơ đồ động bộ truyền xích
Ưu điểm:
• Có thể làm việc khi q tải đột ngột, hiệu suất cao hơn bộ truyền đai,
khơng có hiện tượng trượt.
• Khơng địi hỏi phải căng xích , lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn.
• Kích thước bộ truyền xích nhỏ hơn bộ truyền đai nếu cùng cơng suất, số
vịng quay.
SVTH: Lê Chí Hiếu
Đồn Đại Thắng
GVHD: TS. Đặng Phước Vinh
12
