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 NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ ROBOT THU HOẠCH CÀCHUA

Trần Khắc Tưtu.tk170968@sis.hust.edu.vn

Vũ Tuấn Tú

tu.vt170965@sis.hust.edu.vnNguyễn Trọng Nghĩanghia.nt170846@sis.hust.edu.vn

Đỗ Nhật Minh

minh.dn170830@sis.hust.edu.vnGiảng 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 DoanhVI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 15/4/2022VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN:

Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2022Giảng viên hướngdẫn

3

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên ĐiểmTrần Khắc Tư

Vũ Tuấn Tú

Nguyễn Trọng NghĩaĐỗ Nhật Minh

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên ĐiểmTrần Khắc Tư

6

Vũ Tuấn TúNguyễn Trọng NghĩaĐỗ Nhật Minh

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.

+ 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, dễsử dụng

8Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ -18

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí -18

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

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 3.15: 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 6412

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

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 thiênvề số lượng chứ chưa chú trọng nhiều đến chất lượng Trong thếkỷ 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, cóhệ 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 nôngnghiệp 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 cứura 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

 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 bướcxử lý ảnh để xác định được quả chín hay xanh từ đó xác định đượcvị 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 robotsẽ 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 hìnhxe 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 ýký 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

3.6 Khối công tắc hành trình

Công tắc hành trình được xem là một thiết bị cơ điện hoạt độngbằng lực vật lý do có một vật tác động lên nó Khi có đối tượng vậtlý di chuyển và tiếp xúc tới thiết bị truyền thống, thiết bị sẽ khiếncác tiếp điểm tách ra để ngắt kết nối điện

Giải thích theo ứng dụng thực tế thì công tắc hành trình được sửdụng để phát hiện sự xuất hiện hoặc vắng mặt của một đối tượng.Ngoài ra, thiết bị còn có thể dùng để xác định giới hạn di chuyểncủa một đối tượng.

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. Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt  Kích thước: 3.2cm * 1.4cm

 Các mô-đun đã được so sánh điện áp ngưỡng thông quachiết áp, nếu sử dụng ở chế độ thông thường, xin vui lòng khôngtự ý điều chỉnh chiết áp

Cổng giao tiếp:

 VCC: điện áp chuyển đổi từ 3.3V đến 5V (có thể được kết nốitrực tiếp đến vi điều khiển 5V và 3.3V)

 GND: GND ngoài

 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 3.3V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiếtáp, 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 cácâm 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 Buzzer

Còi 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.

Thông số kỹ thuật:

 Nguồn : 3.5V - 5.5V Dòng điện tiêu thụ: <25mA

 Tần số cộng hưởng: 2300Hz ± 500Hz Biên độ âm thanh: >80 dB

 Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C

 Kích thước : Đường kính 12mm, cao 9,7mm

56

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

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH VÀ ĐIỀU KHIỂN VI XỬLÝ

4.1 Xử lý ảnh

4.1.1 Giới thiệu về Raspberry Pi 3

Raspberry Pi 3 (gọi tắt là pi), Pi là một máy vi tính rất nhỏgọn, kích thước hai cạnh chỉ cỡ một cái thẻ ATM Người ta đã tíchhợp mọi thứ cần thiết trong đó để bạn sử dụng như một cái máy vitính Trên bo mạch của Pi có CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻmicroSD, Wi-Fi, Bluetooth và 4 cổng USB 2.0 Khi mua Pi về, bạnchỉ việc cài hệ điều hành (thực ra là copy/paste cái thư mục vôthẻ nhớ), gắn chuột, bàn phím và màn hình là bắt đầu sử dụngđược rồi (hoặc cao cấp hơn xíu là remote desktop từ một máykhác qua, hoặc SSH).

Hình 4.1: Raspberry Pi 3

Pi là một máy tính nhỏ gọn, kích thước hai cạnh cỡ bằng mộtchiếc thẻ ATM Nó được tích hợp mọi thứ cần thiết để bạn sử dụngnhư một cái máy vi tính Trên bo mạch của Raspberry Pi 3 có các58

thành phần: CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wifi, Bluetoothvà 4 cổng USB.

Chi tiết thông số kĩ thuật:

 1,4 GHz 64 bit, Bộ xử lý lõi tứ Broadcom BCM2387 ARM Cortex-A53, nhanh hơn 10 lần so với Raspberry Pi 1. RAM 1GB (LPDDR2 SDRAM) cho phép bạn chạy các ứng

dụng nâng cao

 802.11 b/g/n Wireless LAN On-board Bluetooth 4.1 4 cổng USB 2.0

 Ethernet 300Mbit/s 40 chân GPIO

 HDMI hỗ trợ phiên bản 1.3/1.4 và Composite RCA (PAL and NTSC)

 10/100 BaseT Ethernet socket

 Camera interface (CSI), để kết nối với camera

 Display interface (DSI): được sử dụng để kết nối Raspberry Pi với màn hình cảm ứng

 Khe cắm thẻ microSD: đễ lưu trữ dữ liệu Micro USB power source

 VideoCore IV multimedia/3D graphics core @ 400MHz/300MHz

Với các giao thức giao tiếp đa dạng của mình Pi có thể dễ dàng kết hợp với các thiết bị ngoại vi khác để tạo nên các project nhỏ gọn