ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT VẬN CHUYỂN CÂY GIỐNG
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC CHẾ TẠO ROBOT VẬN CHUYỂN CÂY GIỐNG
PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .........................................3
PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................5
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................15
1.1 Tổng quan .........................................................................................................15
1.2 Đặt vấn đề ........................................................................................................21
1.3 Giới hạn đề tài ..................................................................................................22
1.4 Mục tiêu đề tài:.................................................................................................23
1.5 Nội dung sẽ trình bày trong các chương ..........................................................23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................24
2.1 Tìm hiểu robot trong lĩnh vực nông nghiệp .....................................................24
2.1.1 Định nghĩa về robot trong nông nghiệp ......................................................24
2.1.2 Robot vận chuyển trong nông nghiệp ...........................................................25
2.1.3 Mobile Robot ................................................................................................25
2.2 Tìm hiểu về thị giác máy..................................................................................28
2.2.1 Định nghĩa về thị giác máy ...........................................................................28
2.2.1.1 Hình ảnh kĩ thuật số và phân loại hình ảnh................................................29
2.2.1.2 Hệ màu .......................................................................................................30
2.3 Mạng nơ-ron tích chập (Convolutional neural networks)................................32
2.4 Tensor flow ......................................................................................................33
2.4.1 Giới thiệu.......................................................................................................33
2.4.2 Các thành phần TensorFlow .........................................................................33
2.4.3 Kiến trúc của TensorFlow Gồm 3 phần chính: .............................................34
2.5 Tìm hiểu về Raspberry Pi và phương thức giao tiếp Raspberry Pi hỗ trợ .......34
2.5.1 Giới thiệu Raspberry .....................................................................................34
2.5.1.1 Ưu và nhược điểm của Raspberry Pi .........................................................36
2.5.1.2 Các thông số của Raspberry Pi 4 ...............................................................36
2.5.1.3 GPIO ..........................................................................................................37
2.5.2 Các phương thức giao tiếp mà Raspberry hỗ trợ ..........................................38
2.6 Tìm hiểu ROS ..................................................................................................41
2.6.1 Giới thiệu ROS..............................................................................................41
2.6.1.1 Cách hoạt động của ROS ...........................................................................41
2.6.1.2 Cấu trúc ROS .............................................................................................42
2.6.2 Gazebo...........................................................................................................44
2.6.2.1 Giới thiệu....................................................................................................44
2.6.2.2 Các thành phần chính trong gazebo ...........................................................44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN .........................................................45
3.1 Thiết kế cơ khí ..................................................................................................45
3.1.1 Thông số kĩ thuật và lựa chọn vật liệu để gia công .......................................45
3.2 Thiết kế 2D .......................................................................................................50
3.4 Lựa chọn động cơ điện.....................................................................................51
3.4.1 Động cơ điện .................................................................................................51
3.4.2 Tính toán thông số và lựa chọn ..................................................................52
3.5 Cơ cấu nâng hạ ...............................................................................................55
3.5.1 Tính toán cơ cấu tay gắp ...............................................................................59
3.6 Bộ truyền động .................................................................................................63
3.6.1 Truyền động bánh răng .........
3.6 Bộ truyền động .................................................................................................63
3.6.1 Truyền động bánh răng .................................................................................63
3.6.2 Truyền động đai ............................................................................................64
3.6.3 Truyền đồng xích ..........................................................................................67
3.7 Thiết kế hệ thống điện......................................................................................70
CHƯƠNG 4: THI CÔNG, XÂY DƯNG MODEL XỬ LÍ ẢNH ĐỂ NHẬN DẠNG VÀ CHẬU CÂY VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................79
4.1 Mô tả bài toán...................................................................................................79
4.2 Xây dựng model xử lí ảnh................................................................................79
4.2.1 Thu thập data .................................................................................................79
4.3 Điều khiển robot...............................................................................................84
4.3.1 Các thuật toán để điều khiển .......................................................................84
4.3.2 Các thuật toán điều khiển ..............................................................................85
4.3.2.1 Thuật toán pure pursuit ..............................................................................85
4.3.2.2 Thuật toán stanley controller......................................................................86
4.3.2.3 Thuật toán Model Predictive Controller – MPC ........................................86
4.3.2.4 Hệ thống xử lí ảnh......................................................................................86
4.4 Mô phỏng trên ROS .........................................................................................87
4.4.1 Tạo hình robot trên URDF ............................................................................87
4.4.2 Tạo các vật thể trong gazebo.........................................................................88
4.4.3.Tạo môi trường cho robot hoạt động ............................................................91
4.4.4 Dẫn đường cho mobile robot ........................................................................92
4.4.4.1 Phương pháp dead-reckoning ....................................................................92
4.4.4.2 Phương pháp dẫn đường hệ thống cột mốc chủ động................................93
4.4.5 Xác định vị trí của robot trong bản đồ ..........................................................96
4.4.6 Navigtion Stack .............................................................................................97
4.4.7 Mô phỏng tay gắp .........................................................................................98
4.4.8 Lưu đồ và giải thuật ...................................................................................99
Bước 2: Di chuyển chậu cây đến điểm đặt ..........................................................104
4.4.9 Kết quả thực tế ..........................................................................................105
CHƯƠNG 5 :KẾT LUẬN ....................................................................................110
1. Kết quả đạt được ..............................................................................................110
2. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................110
3. Ý nghĩa thực tiễn ..............................................................................................110
4. Hạn chế.............................................................................................................111
5. Hướng phát triển ..............................................................................................111
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................112
PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Robot diệt cỏ của hãng ecoRobotix........................................................... 13
Hình 1.2 Robot nông trại Trung Quốc ................................................................... 14
Hình 1.3 Robot thu hoạch quả Rubion..................................................................... 15
Hình 1.4 Robot đặt hạt bên cạnh người sáng chế Phạm Văn Hát ........................... 16
Hình 1.5 Robot phun thuốc sâu tự động của Phạm Văn Hát ................................... 17
Hình 2.1 Robot Tree Rover ...................................................................................... 20
Hình 2.2 Robot HV-100............................................................................................ 21
Hình 2.3 Mobile robot ........................................................................................
Hình 3.5 Hilare-type Mobile Robot ......................................................................... 45
Hình 3.6 Bản vẽ 2D của robot vận chuyển cây giống............................................ .46
Hình 3.7 Bản vẽ phân rã 3D của robot vận chuyển cây giống ................................ 46
Hình 3.8 JGB37-550 DC Geared Motor.................................................................. 51
Hình 3.9 1: cơ cấu nâng hạ, 2: cơkẹp ...................................................................... 52
Hình 3.10 Cơ cấu hình bình hành ............................................................................ 53
Hình 3.11 Góc nghiêng bé nhất của tay quay .......................................................... 54
Hình 3.12 Đặt lực ..................................................................................................... 54
Hình 3.13 Mô phỏng ứng suất.................................................................................. 55
Hình 3.14 Mô phỏng chuyển vị ................................................................................ 55
Hình 3.15 Bánh răng ................................................................................................ 56
Hình 3.16 Kích thước bánh răng ............................................................................. 56
Hình 3.17 Khoảng cách cần thiết............................................................................. 58
Hình 3.18 Góc ôm tối thiểu ...................................................................................... 58
Hình 3.19 Mô phỏng cơ cấu kẹp .............................................................................. 59
Hình 3.20 Truyền động bánh răng ........................................................................... 60
Hình 3.21 Bộ truyền đai răng .................................................................................. 62
Hình 3.22 Truyền động xích ..................................................................................... 63
Hình 3.23 Truyền động bánh răng ........................................................................... 65
Hình 3.24 Sơ đồ hệ thống điện ................................................................................. 65
Hình 3.25 Arduino Uno R3 ...................................................................................... 67
Hình 3.26 Raspberry pi 4 ......................................................................................... 69
Hình 3.27 Động cơ DC ............................................................................................ 70
Hình 3.28 Mạch cầu H ........................................................................................... 70
Hình 3.29 L298N ...................................................................................................... 71
Hình 3.30 Kết nối động cơ với mạch điều khiển ...................................................... 72
Hình 3.31 Camera Logitech C270 ........................................................................... 73
Hình 3.32 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK ......................................................... 74
Hình 4.1 Thu thập data chậu cây ............................................................................. 75
Hình 4.2 Tập data chậu cây ..................................................................................... 76
Hình 4.3 Phần mềm LabelImg ................................................................................. 76
Hình 4.4 Tập train và test ........................................................................................ 77
Hình 4.5 Quá trình đào tạo mô hình ........................................................................ 78
Hình 4.6 Tập model được đào tạo............................................................................ 78
Hình 4.7 Quá trình chuyển sang định dạng tflite..................................................... 79
Hình 4.8 Kết quả nhận dạng chậu cây ..................................................................... 79
Hình 4.9 : Thuật toán pure pursuit .......................................................................... 81
Hình 4.10: Kết quả mô hình robot tạo ra ................................................................ 84
Hình 4.11: Giao diện Inkscape ................................................................................ 85
Hình 4.12: Thêm model vào gazebo......................................................................... 85
Hình 4.13: Vật thể .................................................................................................... 86
Hình 4.14: Cột mốc .................................................................................................. 86
Hình 4.15: Bao viền map ......................................................................................... 87
Hình 4.16: Kết quả tạo môi trường ảo ( map ngoài trời ) ..................................... 88
Hình 4.17:
Hình 4.24: Robot gắp vật thể ................................................................................... 94
Hình 4.25: Sơ đồ khối .............................................................................................. 95
Hình 4.26: Khi camera chưa thấy được cột màu xanh ............................................ 97
Hình 4.27: Khi camera đã thấy được cột màu xanh ................................................ 98
Hình 4.28: Nhận dạng màu của cột màu xanh ........................................................ 98
Hình 4.29: Nhận dạng chậu cây bằng hsv ............................................................... 99
Hình 4.30 Robot gắp vật thể .................................................................................... 99
Hình 4.31: Nhận dạng cột đầu tiên từ phải sang trái ............................................ 100
Hình 4.32: Nhận dạng cột màu đỏ tiếp theo khi đã có chậu cây ........................... 101
Hình 4.33: mô hình robot gắp chậu cây ................................................................ 102
Hình 4.34: Dừng khi cảm biến trả tín hiệu ............................................................ 102
Hình 4.35:tay gắp vươn ra gắp chậu cây............................................................... 103
Hình 4.36: ôm chậu cây cào trong lòng xe ............................................................ 103
Hình 4.37: Detect và tracking chậu cây ................................................................ 104
1.1 Tổng quan
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Hơn nửa thế kỷ trước, nếu bạn nói với mọi người rằng bạn sẽ có máy tính riêng ở nhà, họ sẽ nghĩ điều đó thật lố bịch. Hai mươi năm trước, nếu bạn nói với mọi người rằng bạn sẽ có một chiếc điện thoại di động không dây, họ sẽ nghĩ bạn đang mơ. Vì vậy, nếu hôm nay ai đó nói với bạn rằng mười năm nữa, bạn sẽ có rất nhiều người máy, robot làm mọi việc cho bạn, từ dọn dẹp nhà cửa đến nấu ăn cho bạn, bạn nghĩ sao? Bạn có tin không hay nghĩ đó chỉ là chuyện hoang đường?
Thời đại của robot đang bắt đầu. Robot tự động hóa đang chi phối phần lớn trong cuộc đời của chúng ta và không thể dừng chân tại những công việc đơn giản
mà sẽ thực hiện các công việc chuyên sâu. Ví dụ như ở Nhật Bản, robot thường được sử dụng để chăm sóc những người bệnh trầm cảm bởi họ có thể nói chuyện với những người bệnh rất thân thiện và dễ gần.
Hầu hết các phương tiện 1 cách chính xác có thể xử lý các công việc bạn giao hoặc đồng thời đưa ra các loại văn bản theo nhu cầu một cách rành mạch, tất cả những điều trên đây đã thành sự thật và chúng đang còn ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn nữa. Ngày càng có những robot mới vận hành thông minh và chính xác hơn nữa, đó là sự xuất hiện của các robot giống hệt người đã và đang biến đổi đời sống cũng như xã hội của chúng ta. Những cỗ xe tự động này đã di chuyển qua hàng nghìn km và thiết bị không người lái đã thực hiện thành công các sứ mệnh. Chúng hoàn toàn tự động hoá và không có người điều khiển. Về lâu dài, việc ra đời của kỹ thuật điện toán, trí tuệ nhân tạo, Wi-Fi, Bluetooth cùng nhiều mạng kết nối khác bao gồm cảm biến (sensor), camera mini, thiết bị định vị toàn cầu và laser đã đưa đến cả nghìn tiến bộ và thay đổi trong lĩnh vực robot và tự động hoá.
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra rất mạnh mẽ và làm thay đổi thế giới từng giây. Cùng với đó là sự ra đời của Mạng lưới thiết bị kết nối internet đã tạo điều kiện thuận lợi cho công nghệ tự động hóa phát triển ngày một nhanh chóng và hiện đại. Chính vì thế, sự chậm trễ trong việc ngiên cứu và phát triển robot sẽ làm chúng ta tụt hậu so với thế giới, chúng ta cần phải học tập nghiên cứu hơn về lĩnh vự này để có thể bắt kịp với những cướng quốc trên thế giới.
Robot phục vụ lĩnh vực nông nghiệp trong nước và ngoài nước
Một số robot phục vụ lĩnh vực nông nghiệp hiện nay ở nước ngoài
Robot diệt cỏ
Hình 1.1 Robot diệt cỏ của hãng ecoRobotix
Robot làm cỏ Ecorobotix nặng 130 kg và có kích thước 2,20 x 1,70 x 1,30 m. Nó được trang bị cánh tay robot delta nhanh với tốc độ 4000 mouv/h và hai thùng nhiên liệu 15 lít mỗi bình, mang lại cho nó quyền tự chủ hoạt động trong hơn một ngày. Nó cũng hoạt động với sự trợ giúp của pin và năng lượng mặt trời với bảng điều khiển năng lượng mặt trời tích hợp. Và vì nó là một công cụ kết hợp giữa công nghệ và robot, nó có thể được điều khiển từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng chạy Android và iOS và cũng có thể kết nối với mạng Wi-Fi.
Robot thu thập dữ liệu xung quanh môi trường cây trồng
Hình 1.2 Robot nông trại Trung Quốc
Sử dụng các cảm biến ở đỉnh đầu và miệng, robot này có thể phát hiện tốc độ gió, nồng độ CO2, độ ẩm, nhiệt độ và các dữ liệu khác về môi trường tự nhiên của nhà kính. Các thuật toán máy tính cũng như phần cứng cho việc định vị, xây dựng bản đồ, thiết kế tuyến đường và tránh chướng ngại vật đều được tối ưu hóa để phù hợp với môi trường nông nghiệp trên cơ sở các xem xét phân bón, tưới cây, các tuyến đường gập ghềnh và những yếu tố tự nhiên khác.
Robot thu hoạch quả
Hình 1.3 Robot thu hoạch quả Rubion
Robot hái quả tự động Rubion có thể tự động tìm đường hái những quả dâu hay cà chua chín mà không gây dập nát. Nhờ tính năng giám sát chất lượng tích hợp, hệ thống robot này cho phép phân loại, giám sát cây trồng tiên tiến và canh tác chính xác. Cánh tay robot nhặt quả một cách rất chính xác và linh hoạt.
Một số robot phục vụ lĩnh vực nông nghiệp hiện nay ở trong nước:
Robot đặt hạt
Hình 1.4 Robot đặt hạt bên cạnh người sáng chế Phạm Văn Hát
Robot này có thể di chuyển trên đồng ruộng, đặt hạt trực tiếp xuống luống thay vì chỉ đứng yên một chỗ đặt hạt xuống khay cho công nhân đem đi ươm giống như các robot trên thế giới trước đó. Theo như nhà sáng chế thì chiếc máy này không chip, không rơ-le, không máy nén khí mà chỉ có 1 mô-tơ, 1 quạt gió, công suất tiêu thụ chỉ
200W nhưng tốc độ gieo hạt rất nhanh không thua kém gì các robot gieo hạt ở nước ngoài.
Robot phun thuốc sâu tự động
Hình 1.5 Robot phun thuốc sâu tự động của Phạm Văn Hát
Cấu tạo robot gồm các khung thép nối liền nhau, hai bánh xe cỡ lớn, hộp số, côn, phanh, bình chứa 500 lít…. Hệ thống điều khiển cảnh tay phun được thiết kế bằng thủy lực nên vận hành máy rất thuận tiện.
Robot có thể hoạt động 10 phút trên một mẫu ruộng, thay thế sức lao động khoảng 30 đến 50 người.
1.2 Đặt vấn đề
Mục đích của việc tạo ra robot là thay thế và giúp con người làm được nhiều công việc như nặng nhọc, lặp đi lặp lại, đòi hỏi độ chính xác cao, nhàm chán. Trong dự án này, nhóm đã lựa chọn các lĩnh vực liên quan đến nông nghiệp.
Tại thời điểm này, có vẻ như hơi muộn để đưa robot vào giải quyết vấn đề nông nghiệp. Nhưng ngay cả như vậy, việc tiếp cận các giải pháp tự động hóa sớm hơn cũng là một vấn đề. So với các ngành khác, nông nghiệp vẫn là “mảnh đất” mà robot không thể dễ dàng bước chân vào. Con người có thể dễ dàng học cách phát hiện trái cây chín, nhưng đối với robot, đây là sự kết hợp phức tạp giữa phân tích không gian và toán học.
Thí như việc tự động hóa một dây chuyền lắp ráp iPhone hoặc ô tô là rất điều rất dễ dàng vì kích thước, chiều dài, vị trí và các bộ phận của một mô hình nhất định luôn giống nhau. Các robot điều khiển bằng trục vít tại nhà máy được lập trình để sử dụng chính xác các công cụ giống nhau ở cùng một vị trí trên mọi phương tiện cùng loại.
Nhưng đây không phải là cách tự nhiên vận hành. Mọi thứ hoàn toàn ngẫu nhiên. Ngay cả khi nông sản được trồng trong nhà kính có được sự kiểm soát nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm cùng với nhiều điều kiện thuận lợi khác thì cũng không thể biết chính xác khi nào cây ra quả, càng không thể "lập trình" vị trí và thời gian quả chín cho robot tới thu hoạch.
Do đó, máy móc phải đủ thông minh để nhận ra ớt hoặc dưa chuột dựa trên bề ngoài của chúng, tùy thuộc vào sự đa dạng về kích cỡ, hình dạng và màu sắc. Robot cũng cần học cách "đối xử" nhẹ nhàng với cây trồng để tránh vô tình làm bật gốc toàn bộ cây.
Để tiếp cận lĩnh vực này, nhóm chưa thể tiếp cận sâu đến những lĩnh vực như nuôi trồng hay thu hoạch, vì thế, nhóm đã quyết định chọn lựa lĩnh vực nằm trong khả năng của mình, đó chính là vận chuyển những chậu cây giống đến một vị trí theo mong muốn của người nông dân.
Đề tài của nhóm chính là thiết kế, chế tạo robot vận chuyển cây giống.
