Nghiên cứu chế tạo mô hình thí điểm robot thăm khám vườn cây, thực nghiệm trên cây thanh long

Thanh Long là một loại cây ăn quả được trồng khá phổ biến và đem lại hiệu quả kinh tế cao ở nước ta, được trồng nhiều ở các tỉnh như Bình Thuận, Ninh Thuận, Tiền Giang,...Với sản lượng l

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NINH THUẬN

TRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI

-

CUỘC THI Ý TƯỞNG SÁNG TẠO KHOA HỌC KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH

TRUNG HỌC

Tên dự án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ ĐIỂM ROBOT THĂM KHÁM VƯỜN CÂY, THỰC NGHIỆM TRÊN CÂY

THANH LONG

Họ và tên thí sinh 1: Trần Anh Khôi Lớp : 12A3

Họ và tên thí sinh 2: Chu Đức Dũng Lớp : 12T1

Giáo viên hướng dẫn: Cô Phan Đinh Thị Thanh Vy - Giáo viên vật lí trường THPT Nguyễn Trãi

Phan Rang, 27 tháng 11 năm 2022

A Phần 1: Lựa chọn nội dung

1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay trên thế giới và cả Việt Nam ta trước sự phát triển của cuộc cách mạng công nghệp 4.0, khi mà vai trò của công nghệ kỹ thuật số, tự động hoá ngày càng được trú trụng, việc đưa các sản phẩm, ý tưởng khoa học công nghệ vào sản suất nông nghiệp ở nước ta đã và đang rất phổ biến, đạt được nhiều thành tựu cũng như nâng cao hiệu suất trồng trọt một cách đáng kể

Thanh Long là một loại cây ăn quả được trồng khá phổ biến và đem lại hiệu quả kinh tế cao ở nước ta, được trồng nhiều ở các tỉnh như Bình Thuận, Ninh Thuận, Tiền Giang, Với sản lượng lớn hàng năm Thanh Long là một trong những nguồn hàng suất khẩu đóng vai trò quan trọng tương tự như lúa gạo, dưa hấu, …

(Hình 1: Một góc vườn thanh long ở Bình Thuận)

Để phân loại ra các loại thanh long loại 1 với mẫu mã đẹp vỏ căng bóng đều màu cho giá cao dùng để suất khẩu thì trước đó người ta đã phải loại bỏ đi một lượng lớn quả không đạt yêu cầu hay bán với giá rất rẻ đến nỗi lỗ vốn có thể thấy các dòng thanh long giá rẻ thường có lớp vỏ sần sùi và độ ngọt thấp điều này

có thể lí giải là do quá trình phòng bệnh và chăm sóc cây thanh long với số lượng cây lớn khi mà các loại bệnh do nấm gây hại lên vỏ của quả làm cho quả bị mất thẩm mỹ cũng như chất lượng vẫn chưa đạt được hiệu quả một cách triệt để và đồng đều

Chính vì những do đó chúng em đã quyết định phát triển dự án “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ ĐIỂM ROBOT THĂM KHÁM VƯỜN CÂY, THỰC NGHIỆM TRÊN CÂY THANH LONG’’ nhằm mang lại một giải pháp mới có thể tăng độ chính xác trong việc phòng chống bệnh hại ở cây

thanh long giúp hỗ trợ nâng cao hiệu suất trồng trọt cũng như giảm thiểu sức lao động cho người nông dân

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tìm hiểu quá trình hội nhập áp dụng khoa học kỹ thuật trong quá trình trồng cây thanh long hiện nay

- Trở thành giải pháp mới nhằm giảm thiểu khối lượng công việc cho người nông dân, tăng độ chính xác trong chẩn đoán bệnh tật, tình trạng tăng trưởng của cây trồng

- Góp phần gia tăng hiệu suất trồng trọt, tăng sản lượng quả có chất lượng cao

- Giúp nhà vườn đẩy nhanh quá trình phân loại trái cây và đưa nông sản ra thị trường

B Phần 2: Câu hỏi nghiên cứu, vấn đề nghiên cứu, giả thuyết khoa học

1 Câu hỏi nghiên cứu

- Đề suất mô hình sản phẩm robot mới nhằm phục vụ riêng cho quá trình chăm sóc, theo dõi vườn cây thanh long

- Tìm hiểu lựa chọn loại ngôn ngữ lập trình trí tuệ nhân tạo sao cho phù hợp với khả năng hiện tại của dự án

- Thiết kế cấu tạo sản phẩm và gia công cơ khí phù hợp cho hoạt động của sản phẩm trên thực địa cụ thể là địa hình vườn thanh long

- Tìm kiếm các dòng camera với giá thành hợp lí và có chất lượng tốt nhất với dự án

2 Vấn đề nghiên cứu

- Tìm hiểu quá trình canh tác thanh long trong thực tế

- Nghiên cứu giải pháp đưa trí tuệ nhân tạo vào quá trình chăm sóc cây thanh long

- Nghiên cứu các loại bệnh thường gặp ở cây thanh long nhằm xây dựng kho

dữ liệu phục vụ cho quá trình kiểm tra và chẩn đoán bệnh của cây Tuỳ vào nhu cầu sử dụng của người dùng mà dung lượng dữ liệu về các loại bệnh thường gặp ở cây thanh long sẽ được cân nhắc để đưa vào kho dữ liệu của robot Đối với dự án lần này chúng em sẽ cố gắng hoàn thành sao cho toàn diện khả năng nhận biết và kết luận một vài mẫu loại bệnh phổ biến ở cây trồng cho robot từ đó tạo nên khuôn mẫu cho việc xây dựng cách thức đưa

dữ liệu về kỹ thuật trồng trọt vào robot sao cho thuận tiện nhất

- Nghiên cứu tìm kiếm hình ảnh kích thước của cây thanh long trong một số giai đoạn phát triển và ra quả

- Nghiên cứu lập trình chương trình hoạt động cho sản phẩm

3 Giả thuyết khoa học

Các ý tưởng khoa học công nghệ đặc biệt là có sự có mặt của trí tuệ nhân tạo trong trồng trọt hiện nay đang dần được phổ biến rộng rãi ở các nước phát triển có thể kể đến là robot thu hoạch ớt chuông, robot thu hoạch nho trên cây đứng, robot theo dõi thu thập dữ liệu nông sản, … đã góp phần nâng cao hiệu suất trồng trọt một cách đáng kể cũng như giảm thiểu sức lao động cho con người Quá trình theo dõi vườn cây hằng ngày nhằm đánh giá tốc độ sinh trưởng của cây, phát hiện kịp thời bệnh hại ở cây cũng là một quá trình hết sức quan trọng và phải lặp

đi lặp lại thường xuyên Cho đến nay công việc thăm khám vườn thanh long ở nước ta vẫn là do con người tự thực hiện là chính Chính vì vậy chúng em đã lên

ý tưởng dự án nhằm tìm ra một giải pháp mới có thể hỗ trợ người nông dân phát hiện các loại bệnh hại thường gặp trên cây thanh long một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả hơn

C Phần 3: Đề xuất phương án thiết kế / nghiên cứu

1.Khảo sát quá trình canh tác, thăm khám vườn thanh long :

a) Nghiên cứu chức năng theo dõi quá trình nuôi trái ở cây thanh long trên robot

(Hình 2: quá trình ra quả của cây thanh long)

- So sánh trái thanh long ở 2 giai đoạn chưa chín và chín cây hoàn toàn

(Hình 3: thanh long chưa chín) (Hình 4: thanh long chưa chín)

Có thể thấy quá trình theo dõi quả chín cây và chẩn đoán bệnh ở cây thanh long chủ yếu vẫn dựa vào sức người và đòi hỏi kinh nghiệm ở người chăm sóc lâu năm

Ở các giai đoạn phát triển của quả người ta cần phải liên tục theo dõi xem quả có phát triển theo kịp ngày tuổi hay không, các cành có dấu hiệu chậm phát triển, kích thước nhỏ từ đó nếu phát hiện cây có dấu hiệu phát triển chậm thì sẽ tiến hành chăm bón cho cây Đối với robot sau khi hoàn thành sẽ chịu trách nhiệm giám sát quá trình nuôi trái sau đó đưa ra phán đoán tốc độ phát triển của quả và báo hiệu quả đã đến lúc thu hoạch

b) Nghiên cứu chức năng theo dõi, phát hiện bệnh hại ở cây thanh long trên robot

Ở dự án lần này chúng em sẽ tập trung nghiên cứu 3 loại bệnh mà cây thanh long thường mắc phải và biểu hiện rõ bên ngoài

 Bệnh thối đầu cành (bệnh vàng cành)

- Biểu hiện: các cành trên cùng của trụ sẽ chuyển sang màu vàng và vết bệnh xuất hiện Bệnh làm cho ngọn cành thanh long bị bệnh chuyển thành màu vàng, mềm ra, sau đó bị thối nhũn

- Hậu quả: Cây bị bệnh sẽ phát triển chậm, cành giảm cây mất khả năng cho trái Nếu bệnh nặng cây sẽ chết ngọn và hoàn toàn không phát triển được nữa

(Hình 5: nông dân xử lí gốc cây thanh long phòng ngừa cây mắc bệnh)

(Hình 6: bệnh vàng cành ở cây thanh long trong thực tế)

 Bệnh đốm nâu

- Biểu hiện: bệnh gây hại cả trên thân và quả thanh long Bệnh gây hại làm cho cành thanh long bị sần sùi, gây thối khô từng mảng

(Hình 7-8-9: bệnh đốm nâu là một trong những loại bệnh mà người trồng thanh long rất sợ

khi cây mắc phải)

- Đối với bệnh đốm nâu là một trong những loại bệnh rất dễ gặp ở cây thanh long và khó nhận ra nếu không quan sát kỹ từ những giai đoạn mới phát bệnh vì vậy khi dùng robot với khả năng phân tích so sánh

từ những hình ảnh cho trước sẽ giúp nhà vườn phát hiện kịp thời bệnh từ những đốm nhỏ nhất

 Bệnh thán thư

- Bệnh có thể dễ dàng phát hiện tại thân, lá, chồi, hoa, quả của cây Chúng sẽ xuất hiện các đốm hay chấm nhỏ Trông những vùng đó

sẽ giống như lá bị khô hoặc cháy

(Hình 10-11-12: bệnh thường xuất hiện ở mọi vị trí của cây)

Hình 10 Hình 11

Hình 12

Và mục đích của chúng em đó là khi dùng robot người nông dân sẽ biết rõ được tỉ lệ số cây mắc bệnh hay gặp vấn đề trong một vườn Khi đến từng cây robot

sẽ tiến hành rà soát tất cả các cây trong vườn qua hình ảnh thu được từ AI CCTV sau đó đối chiếu hình ảnh với cơ sở dữ liệu và cho ra kết luận vườn cây đang gặp phải những vấn đề gì để từ đó nhà vườn có thể cân nhắc lượng phân bón hay thuốc phòng bệnh một cách hợp lí đây còn là một giải pháp góp phân bảo vệ môi trường giảm bớt việc sử dụng bừa bãi hay quá mức các loại hoá chất nông nghiệp

2.Đề xuất phương án thiết kế

 Định hình kết cấu toàn bộ sản phẩm:

a)Thiết kế thân di chuyển cho robot :

- Mẫu thân xe được thiết kế và lập trình dựa trên loại xe dò đường hiện nay khá phổ biến và được áp dụng để nghiên cứu ra các dòng robot hiện đại phục vụ cho nhiều lĩnh vực

- Bộ bánh xích giúp robot chạy được trên các loại địa hình

(Hình 14: tiến trình dựu án) Hình 13: thiết kế toàn bộ sản phẩm

- Sơ đồ đường đi của robot:

b) Thiết kế thân trên

- Thiết kế bộ thị lực nhận diện màu sắc và kích thước:

- Bằng ngôn ngữ lập trình Python là loại ngôn ngữ lập trình khá hiện đại có thể áp dụng được cho nhiều sản phẩm khoa học công nghệ rất

Trụ thanh long

Đường đi kẻ sẵn

Trục xoay

AI CCTV

(Hình 14)

(Hình 15)

(Hình 16)

hiệu quả Chúng em sẽ tiến hành lập trình kết nối hệ thống AI CCTV với dữ liệu hình ảnh để hoàn thiện chức năng theo dõi và phát hiện bệnh hại cho robot

D Phần 4: Dự kiến ứng dụng sản phẩm

1 Dự kiến ứng dụng sản phẩm

Robot được nghiên cứu nhằm hoạt động như một người nông dân ra vào khu vườn Người sử dụng có thể cho robot di chuyển tuần tra trong vườn thanh long

từ đó đưa ra các đánh giá về quá trình sinh trưởng của cây như độ cao của cây sở với ngày tuổi Phát hiện đánh giá tình trạng sức khoẻ của cây Sau cùng là đưa ra kết luận và giải pháp chăm sóc cây rồng cho người nông dân

(Hình 17: ảnh minh hoạ quá trình hoạt động của robot)

Dự án được chúng em nghiên cứu với hi vọng sẽ góp phần trong việc giảm thiểu sức lao động cho con người:

(quá trình di chuyển trong vườn thanh long)

- Thanh long vốn là loài cây leo có kích thước lớn đặc biệt là có nhiều gai nhọn Nếu đưa robot vào hoạt động thay thế người lao động làm việc trong các bụi thanh long thì đây còn là một giải pháp thiết thực

giúp đảm bảo an toàn cho con người giảm thiểu các xô xác với gai nhọn

- Ở cây thanh long người ta thường thăm vườn vào ban đêm, đối với các lưới điện dùng để rọi đèn cho thanh long, robot còn có thể giúp con người tránh khỏi nguy cơ gặp phải ruổi ro về điện

3.Mô tả bảng báo cáo kết quả thăm khám vườn cây mà robot sẽ xuất ra sau khi làm việc

2 Điểm mới của dự án

- Thiết kế với kết cấu mới

- Có thể theo dõi chăm sóc cây trồng ngoài trời khác với hệ thống phun tưới tự động trong nhà kính

- Tạo ra một phương pháp canh tác mới giải phóng sức lao động cho người dân

- Đưa được trí tuệ nhân tạo vào quá trình chăm sóc cây thanh long

- Đối với dự án được nghiên cứu áp dụng cho các vườn cây có số lượng cây lớn nên kết quả theo dõi sẽ được tính theo tỉ lệ phần trăm

số cây bị mắc bệnh, nhằm đưa ra giải pháp khoanh vùng và khắc phục bệnh hại cho người nông dân

- Rotbot được lập trình tự động hoá và có kích thước phù hợp để xâm nhập vào vườn thanh long với nhiều góc độ hơn so với việc điều kiển flycam

3.Kinh phí dự án

Từ sự hỗ trợ kinh phí từ gia đình, chúng em dự kiến sẽ hoàn thiện sản phẩm với chi phí khoảng 15.000.000VNĐ bao gồm toàn bộ các chi phí mua nguyên liệu

và gia công cơ khí cho sản phẩm

Phát hiện loại bệnh +Bệnh A …% số cây mắc phải

+Bệnh B …% số cây mắc phải

+…

Đánh giá tăng trưởng

Sô ngày tuổi: …

Kích thước cành yêu cầu:

…

…% số cây đạt yêu cầu

…% số cây đạt yêu cầu

E Tài liệu tham khảo và phụ lục

[1] Mô hình máy điều khiển tự động thu gom nông sản trên sân phơi của Nguyễn Hữu Thực và Trần Hoàng Nguyên

https://vnexpress.net/robot-ai-ho-tro-cham-soc-cay-trong-trong-nha-kinh-3939552.html

[4] https://khoahoc.tv/robot-lam-vuon-23411