đồ án tốt nghiệp thiết kế robot thu hoạch cà chua

Đề tàitập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng mô hình robotcho việc thu hoạnh trái cây trong nhà kính, cụ thể là thu hoạch càchua được trồng trong nhà kính, và có thể phát triể

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ ROBOT THU HOẠCH CÀ

CHUATrần Khắc Tư tu.tk170968@sis.hust.edu.vn

Vũ Tuấn Tú tu.vt170965@sis.hust.edu.vn Nguyễn Trọng Nghĩa nghia.nt170846@sis.hust.edu.vn

Đỗ Nhật Minh minh.dn170830@sis.hust.edu.vn

Giảng viên hướng

dẫn: GVC.TS Nguyễn Trọng Doanh

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 8/2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIÊT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sinh viên thực hiện: Trần Khắc Tư MSSV: 20170968 Nguyễn Trọng Nghĩa MSSV:

20170846

Vũ Tuấn Tú MSSV: 20170965

Đỗ Nhật Minh MSSV: 20170830Khóa: K62

I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ

“THIẾT KẾ ROBOT THU HOẠCH CÀ CHUA”

II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:

 Không gian hoạt động: ngoài trời

 Vận tốc di chuyển: 0.6m/s

 Khối lượng xe: 7.5 kg

III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

- Gồm 5 chương:

+ Chương 1: Tổng quan đề tài

+ Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí

+ Chương 3: Thiết kế hệ thống mạch điện

+ Chương 4: Xử lý ảnh và điều khiển vi xử lý

+ Chương 5: Kiểm nghiệm thực tế

IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ THUẬT TOÁN

- Bản vẽ cơ khí

- Bản vẽ thiết kế mạch điện

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC TS Nguyễn Trọng Doanh

VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 15/4/2022

VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN:

Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022

Giảng viên hướngdẫn

3

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

Họ và tên Điểm

Trần Khắc Tư

Vũ Tuấn Tú

Nguyễn Trọng Nghĩa

Đỗ Nhật Minh

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022

Giảng viên phản biện

Họ và tên Điểm

Trần Khắc Tư

6

đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài.

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy GVC TS Nguyễn Trọng Doanh đã luôn đồng hành, giúp đỡ, tạo điều kiện vàđưa ra cho nhóm những chỉ dẫn vô cùng quý báu để nhóm chúng

em hoàn thành được đồ án này

Đặc biệt, chúng em xin cám ơn quý Thầy, Cô trong Hội đồng đã dành thời gian

nhận xét, góp ý để Đồ án tốt nghiệp của chúng em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cám ơn đến những người thân cũng như bạn bè

đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho chúng em những điều kiện thuận lợi trong quá trình hoàn thành Đồ án tốt nghiệp

TÓM TẮT NỘI DUNG

- Nội dung đề tài gồm 5 chương:

+ Chương 1: Tổng quan đề tài

+ Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí

+ Chương 3: Thiết kế hệ thống mạch điện

+ Chương 4: Xử lý ảnh và điều khiển vi xử lý

+ Chương 5: Kiểm nghiệm thực tế

+ Dùng ngôn ngữ lập trình Python để xây dựng chương trình

xử lý ảnh, tính toán cho kết quả đáng tin cậy, dễ lập trình, dễ

sử dụng

8Sinh viên thực hiện(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN -5

TÓM TẮT NỘI DUNG -6

MỤC LỤC -7

DANH MỤC HÌNH ẢNH -9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI -12

1.1 Giới thiệu -12

1.2 Ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới -12

1.2.1 Tổng quan về Robot -12

1.2.2 Robot trong nông nghiệp -14

1.3 Đặt vấn đề -16

1.4 Đề xuất mô hình -16

1.4.1 Nhiệm vụ của robot -16

1.4.2 Đề xuất thiết kế -16

1.5 Nguyên lý hoạt động -17

1.6 Tổng Kết -17

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ -18

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí -18

2.2 Tính chọn trục vít -18

2.3 Tính chọn ổ chặn -19

2.4 Kiểm nghiệm khả năng tải của ổ lăn -20

2.5 Chọn ray dẫn hướng -21

2.5.1 Chọn sơ bộ -22

2.5.2 Tính toán các lực riêng rẽ. -24

2.5.3 Tính toán tải tương đương -28

2.5.4 Tính toán tải trung bình -29

2.5.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa -30

2.6 Tính toán chọn động cơ cho bàn máy -30

2.6.1 Chọn động cơ -30

2.7 Quy trình mô hình hóa và chọn bộ điều khiển cho hệ thống -32

2.7.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động vòng kín và mô hình bàn máy -33

2.7.2 Xác định hàm truyền và xét tính ổn định đối với bàn máy -34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH ĐIỆN -39

3.1 Tổng quan hệ thống điều khiển -39

3.2 Khối nguồn -40

3.3 Khối vi điều khiển ESP32 -42

3.3 Khối step motor driver A4988 -45

3.5 Khối điều khiển động cơ DC mạch cầu L298 -47

3.6 Khối công tắc hành trình -50

3.7 Khối cảm biến tiệm cận -51

3.8 Khối còi báo -53

3.9 Sơ đồ mạch điện -55

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH VÀ ĐIỀU KHIỂN VI XỬ LÝ -56

4.1 Xử lý ảnh -56

4.1.1 Giới thiệu về Raspberry Pi 3 -56

4.1.2 Thiết lập cơ bản trên Raspberry Pi 3 -58

4.1.3 Lập trình xử lý ảnh -59

4.2 Lập trình điều khiển -63

4.2.1 Giới thiệu về ESP32 -63

4.2.2 Tạo file config -64

4.2.3 Lập trình điều khiển -68

CHƯƠNG 5: KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ -72

5.1 Xử lý ảnh -72

5.2 Hái cà chua thực nghiệm -73

TỔNG KẾT -74

TÀI LIỆU THAM KHẢO -75

10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Robot hút bụi 13

Hình 1.2: Robot y tế 13

Hình 1.3: Robot trong công nghiệp 14

Hình 1.4: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản 14

Hình 1.5: Robot thu hoạch nấm 15

Hình 1.6: Robot phun thuốc trong nhà kính 15

Hình 2.1: Catalog 9RFSBW0825-2.5P 19

Hình 2.2: Catalog W638 19

Hình 2.3: Các thông số lắp ghép của ổ bi đỡ 1 dãy 20

Hình 2.4: Chọn sơ bộ ray dẫn hướng 23

Hình 2.5: Mô hình hóa bàn máy 31

Hình 2.6: Mô hình hóa bộ điều khiển 32

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động nói chung 33

Hình 2.8: Mô hình bàn máy X, Y 34

Hình 2.9: Mô hình hóa bàn máy 34

Hình 2.10 : Biểu đồ step 38

Hình 3.1: Các khối cần thiết trong robot 39

Hình 3.2: Mạch giảm áp DC LM2596 40

Hình 3.3: Kết nối mạch giảm áp 40

Hình 3.4: Cấu tạo mạch giảm áp 41

Hình 3.5: Khối vi điều khiển ESP32 42

Hình 3.6: Vi xử lý ESP32 44

Hình 3.7: Khối step motor driver A4988 45

Hình 3.8: Sơ đồ chân step motor driver A4988 46

Hình 3.9: Kết nối chân step motor driver A4988 46

Hình 3.10: Mô hình mạch cầu H 48

Hình 3.11: Mô hình mạch cầu H sử dụng transistor 48

Hình 3.12: Module L298 49

Hình 3.13: Cấu tạo module L298 50

Hình 3.14: Công tắc hành trình 51

Hình 3.15: Module thu phát hồng ngoại 52

Hình 3.16: Cấu tạo module thu phát hồng ngoại 52

Hình 3.17: Còi báo Buzzer 54

Hình 3.18: Sơ đồ mạch điện 55

Hình 4.1: Raspberry Pi 3 56

Hình 4.2: Một số giao tiếp của Pi 57

Hình 4.3: Quá trình xử lý ảnh trên Pi 59

Hình 4.4: Vi điều khiển ESP32 63

Hình 4.5: Sơ đồ chân của ESP 32 64

12

Hình 4.6: Giao diện app điều khiển trên điện thoại 70

Hình 4.7: Sơ đồ xử lý tín hiệu 70

Hình 5.1: Xác định cà chua chín 72

Hình 5.2: Quá trình gắp quả thực tế 73

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu

Nước ta là một nước nông nghiệp, là nước xuất khẩu cácsản phẩm nông nghiệp đứng đầu thế giới, góp phần đảm bảo anninh lương thực trong nước và trên thế giới Đứng đầu như: gạo,

cà phê, điều, ca cao… Song, đa số chúng ta chỉ xuất khẩu thiên

về số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng Trong thế

kỷ 21, nhu cầu lương thực của con người tăng lên, nhưng cũng đòihỏi chất lượng phải tốt hơn, có lợi cho sức khỏe và bảo vệ môitrường nhiều hơn Vì vậy, nước ta phải cải tiến chất lượng nôngsản đề phục vụ cho nhu cầu này của con người

Để tăng chất lượng nông sản từ khâu trồng trọt đến thuhoạch, chế biến và xuất khẩu, chúng ta cần áp dụng khoa học kỹthuật hiện đại vào quy trình sản xuất Cụ thể là để có được sảnphẩm sạch, chất lượng tốt, chúng ta cần trồng trong nhà kính, có

hệ thống tưới nước, bón phân, phun thuốc và thu hoạch tự động

Vì vậy đề tài này muốn góp phần phát triển trình sản xuấtkhép kín, hiện đại, chất lượng cao, sạch và bảo vệ môi trường Với sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Trọng Doanh Đề tàitập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng mô hình robotcho việc thu hoạnh trái cây trong nhà kính, cụ thể là thu hoạch càchua được trồng trong nhà kính, và có thể phát triển để phù hợpvới các loại trái cây khác

1.2 Ứng dụng của Robot trong lĩnh vực nông nghiệp trên thế giới

1.2.1 Tổng quan về Robot

Robot là một loại máy có thể thực hiện các công việc mộtcách tự động bằng sự điều khiển của máy tính, hoặc các vi mạchđiện tử được lập trình Ngày nay, trong cuộc sống đã có nhiều loạirobot được tạo ra với mục đích đáp ứng nhiều nhu cầu của conngười như: dọn dẹp, y tế, cứu hộ,nông nghiệp,…

14

Hình 1.1: Robot hút bụi

Hình 1.2: Robot y tế

Hình 1.3: Robot trong công nghiệp

1.2.2 Robot trong nông nghiệp

Robot thu hoạch cà chua:

Hình 1.4: Robot thu hoạch dâu của Nhật Bản

Robot thu hoạch dâu có khả năng di chuyển trên đường ray cósẵn trong nhà kính Robot dùng camera để phát hiện dâu chín vàvươn tay máy Robot để thu hoạch dâu Tốc độ của Robot tuykhông bằng con người, nhưng có thể hoạt động 24/24 trong điềukiện nhà kính

Robot thu hoạch nấm:

16

Hình 1.5: Robot thu hoạch nấm

Robot thu hoạch nấm giúp đảm bảo chất lượng đồng đều chosản phẩm Như chúng ta đều biết, nấm có tốc độ phát triển rấtnhanh, nếu như không kịp thu hoạch nấm sẽ già và không đảmbảo các thành phần dinh dưỡng Do đó, nhiệm vụ của Robot là sửdụng camera để đo kích thước của nấm, sau đó thu hoạch khinấm đã đạt tới kích thước quy định Robot có thể hoạt động liêntục mà không cần người điều khiển

Robot phun thuốc trong nhà kính:

Hình 1.6: Robot phun thuốc trong nhà kính

Robot này có khả năng thực hiện việc pha chế liều lượng mộtcách chính xác và phun thuốc hoàn toàn tự động theo chươngtrình lập sẵn, giúp con người không phải tiếp xúc trực tiếp với

thuốc Robot có thể phun thuốc ở một số góc cài đặt nhất định,nhằm đảm bảo lượng thuốc được phun đều nhất Robot có thểhoạt động ở chế độ tự động hoặc được điều khiển bằng tay thôngqua bảng điều khiển từ xa.

Trong thu hoạch tự động để đảm bảo được năng suất,chấtlượng cũng như tiết kiệm chi phí vận hành thì nhóm đã nghiên cứu

ra robot có các ưu điểm như sau:

1.4 Đề xuất mô hình

1.4.1 Nhiệm vụ của robot

Robot được thiết kế để thực hiện các công việc :

 Phân biệt quả đã đến kỳ thu hoạch

 Thu hoạch quả chín và đưa về nơi tập kết

1.4.2 Đề xuất thiết kế

 Robot thu hoạch hoa quả nên cần các khâu phải linh hoạt

 Kích thước của robot phải phù hợp với luống cà chua đượccanh tác

18

 Phạm vi hoạt động của robot phù hợp với khoảng cách củacây trồng.

 Xử lý ảnh phải xác định được quả đã chín hay chưa và đưa rahướng xử lý

 Kích thước nhỏ nhẹ dễ di chuyển

 Dễ điều khiển, dễ vận hành

 Cơ cấu tay kẹp gắp được quả mà không làm dập nát

1.5 Nguyên lý hoạt động

Để thu hoạch được cà chua chín Robot phải thông qua bước

xử lý ảnh để xác định được quả chín hay xanh từ đó xác định được

vị trí của quả cần hái so với gốc của robot đã cài đặt, sau đó gửitín hiệu về vi xử lý, từ đó tính toán ra đường đi để các trục củarobot thực hiện chuyển động

Sau khi cảm biến đã xác định được đã hái được quả thì robot

sẽ đưa quả về vị trí cần và thực hiện tiếp việc hái quả tiếp theo

1.6 Tổng Kết

Chương 1 đã trình bày tổng quan về khả năng ứng dụng củarobot quan trắc môi trường trong thực tế Nguyên lý hoạt độngcủa robot đã được trình bày Trong phần tiếp theo thiết kế mô hình

xe sẽ được trình bày chi tiết

nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quaytheo chiều thuận Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quaynghịch.

Mô hình mạch cầu H:

Hình 3.10: Mô hình mạch cầu H

Mô hình mạch cầu H sử dụng transistor:

Hình 3.11: Mô hình mạch cầu H sử dụng transistor

50

Thông số kỹ thuật của L298:

 Điện áp ở đầu vào: dao động từ 5 – 30 V

 Điện áp tín hiệu điều khiển: 5 – 7V

 Điện áp logic: Low: từ -0,3V dao động đến 1,5V; High: 2,3Vđến Vss

 Dòng điện tối đa cho từng động cơ là 2A

 Dòng yêu cầu của tín hiệu điều khiển từ 0 – 36 mA

 Công suất: 1 cầu tương đương 25W

 Kích thước: 43x43x27mm

Hình 3.12: Module L298

Cấu tạo của module L298 bao gồm các chân sau:

 Hai chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ là 12V power và5V power Ngoài ra bạn cũng có thể cấp nguồn 9 -12V ở12V

 Power GND là GDN của nguồn cấp cho động cơ

 2 Jump A enable và B enable

 4 chân Input gồm có: IN1, IN2, IN3,IN4

 Output A sẽ được nối với động cơ A Khi nối bạn phải chú ý

ký hiệu “ +;-” vì khi bạn nối ngược động cơ sẽ chạy theochiều ngược

 Gồm hai phần điều khiển động cơ Có thể điều khiển chođộng cơ 4 dây và động cơ 6 dây

Hình 3.13: Cấu tạo module L298

52

Hình 3.14: Công tắc hành trình

Cấu tạo và nguyên lý công tắc hành trình

Cấu tạo công tắc hành trình được thiết kế gồm 2 tiếp điểm thường đóng (NC) và thường mở (NO) Hoặc có thể chỉ có 1 tiếp điểm NO hoặc NC

Công tắc hành trình được lắp đặt tại nơi công tắc chuyển trạng thái từ NO hoặc NC sang trạng thái hoạt động của thiết bị Tiếp điểm chuyển từ trạng thái hoạt động đến trạng thái bình thường

là vị trí nhả Khi một đối tượng tiếp xúc với thiết bị truyền động chạm vào cánh tay của công tắc hành trình thì nó sẽ báo tín hiệu

on hoặc off

3.7 Khối cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại có công dụng phát hiện vật bằng hồngngoại thích nghi với điều kiện ánh sáng của môi trường xungquanh Cảm biến sử dụng 1 đèn led phát ra tia hồng ngoại, 1 đènled thu lại tia hồng ngoại cùng với IC chính có mã LM358 SMD.Nguồn led báo sáng được sử dụng để cảnh báo khi có vật tới gần

Hình 3.15: Module thu phát hồng ngoại

Biến trở của cảm biến tiệm cận hồng ngoại này có khả năngđiều chỉnh VR vuông lên 10K, hỗ trợ các mạch có chân AO, DO,GND, VCC Cảm biến sử dụng điện áp đầu vào 3-5V cho dòng 1chiều, tín hiệu đầu ra là 1,0

Hình 3.16: Cấu tạo module thu phát hồng ngoại

Thông số kỹ thuật:

 Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định

 Điện áp làm việc: 3.3V - 5V DC

54

 Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng.

 OUT: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1)

Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiệnhướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đènthu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồngthời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp)

Khoảng cách làm việc hiệu quả 2 ~ 5cm, điện áp làm việc là 3.3

V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiết

áp, cảm biến dễ lắp ráp, dễ sử dụng,

Có thể được sử dụng rộng rãi trong robot tránh chướng ngạivật, xe tránh chướng ngại vật và dò đường

3.8 Khối còi báo

Buzzer còn gọi là loa mini hay còi báo Nó dùng để phát ra các

âm thanh Nó gồm 2 chân: Chân GND nối GND arduino và chân tínhiệu nối pin arduino Ta sẽ lập trình để nó phát ra cao độ haycường độ hay âm sắc gì đó thay đổi (Mù âm nhạc) từ đó tạo ranhững bản nhạc thú vị mang phong cách arduino

Hình 3.17: Còi báo BuzzerCòi Buzzer 5VDC có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, được sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báo động.

3.9 Sơ đồ mạch điện

Hình 3.18: Sơ đồ mạch điện

Sơ đồ mạch điện gồm các khối được liên kết và đấu nối vớinhau, sẽ cung cấp cho ta cách để nối mạch khi ứng dụng vào thựctiễn

Nguồn 12V sẽ qua giảm áp sẽ cấp nguồn cho cho ESP 32 và Raspberry Pi 3 HD3 sẽ lấy trực tiếp nguồn từ nguồn 12V để cấp điện cho L298 điều khiển mạch cầu H nhằm điều khiển động cơ

DC Lần lượt các driver được kết nối với ESP32 để điều khiển các động cơ step Các động cơ Servo được điều khiển trực tiếp qua các chân tín hiệu của ESP 32