Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa" trình bày khảo sát và nghiên cứu để lựa chọn cấu hình cơ khí tối ưu, xây dựng hệ truyền động và điều khiển giám sát; Đề xuất thuật toán tỷ lệ-vi phân kết hợp ước lượng nhiễu để điều khiển cơ cấu cắt đến vị trí quả dứa được chỉ định thu hoạch với độ chính xác cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP –––––––––––***––––––––––– BÙI LÊ CƯỜNG QUỐC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY TỰ ĐỘNG THU HOẠCH DỨA Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH 2. TS. HOÀNG SƠN Hà Nội, 2022
i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập –Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh và TS. Hoàng Sơn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2022 Tác giả luận án Bùi Lê Cường Quốc
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ phòng Đào tạo sau Đại học; các quý thầy cô thuộc Khoa Cơ điện và Công trình của Trường Đại học Lâm nghiệp; cảm ơn Công ty cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam - Hà Nội và Ban giám hiệu, lãnh đạo các phòng ban, Khoa Kỹ thuật Trường Cao đẳng nghề Bình Thuận đã tạo điều kiện cho phép tôi tham gia học tập và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án tiến sĩ. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh và TS. Hoàng Sơn đã định hướng nghiên cứu, tận tình chỉ bảo với sự tận tâm, trách nhiệm cao nhất và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận án này. Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học thuộc câu lạc bộ Cơ khí động lực, các nhà khoa học chuyên ngành cơ khí động lực, cơ khí của Trường Đại học Lâm nghiệp; Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Học viện Kỹ thuật quân sự; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội,… đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt là các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, ủng hộ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án Bùi Lê Cường Quốc
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................II MỤC LỤC ....................................................................................................... III DANH MỤC CÁC TỪ KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................ VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH…………………………………………………..xiii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................. 5 1.1. Tổng quan về sản xuất dứa ở Việt Nam .................................................4 1.1.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên khu vực trồng dứa tại vùng Tây Nam Bộ .....................................................................................................4 1.1.2. Đặc điểm của mẫu vườn dứa đến thời điểm thu hoạch...................4 1.1.3. Công nghệ và thiết bị thu hoạch dứa ở Vùng Tây Nam Bộ ............... 6 1.1.4. Những tồn tại trong thu hoạch quả dứa ở vùng Tây Nam Bộ và ở Việt Nam ...................................................................................................... 10 1.2. Công nghệ và thiết bị thu hoạch quả dứa ở một số nước trên thế giới.... 11 1.3. Tổng quan về các công trình nghiên cứu về thiết bị tự động hóa trong thu hoạch nông sản trên thế giới. ........................................................................... 13 1.3.1. Các công trình nghiên cứu robot trong lĩnh vực nông nghiệp ........ 13 1.3.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị thu hoạch quả dứa ...15 1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu về thiết bị thu hoạch quả dứa ở Việt Nam .......................................................................................................... 18 1.5. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 19 1.6. Nội dung nghiên cứu của luận án ............................................................. 20 1.6.1. Nghiên cứu lý thuyết ......................................................................... 20 1.6.2. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................... 20 1.7. Đối tượng nghiên cứu của luận án ........................................................... 20
iv 1.7.1. Thiết bị nghiên cứu ........................................................................... 20 1.7.2. Đối tượng của tay máy thu hoạch quả dứa ...................................... 21 1.8. Phương pháp nghiên cứu của luận án ...................................................... 23 1.8.1. Phương pháp nguyên cứu lý thuyết .................................................. 23 1.8.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................ 23 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 23 Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY THU HOẠCH DỨA ............................................................................... 25 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tay máy thu hoạch dứa .................. 25 2.1.1. Cấu tạo tay máy thu hoạch dứa ........................................................ 26 2.1.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 30 2.2. Xây dựng mô hình động học tay máy thu hoạch dứa .............................. 31 2.2.1. Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ ....................................................... 31 2.2.2. Phương trình động học tay máy ....................................................... 33 2.3. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động tay máy hái dứa ............. 35 2.3.1. Các giả thiết qui đổi của mô hình động lực học .............................. 35 2.3.2. Phương trình động lực học lý tưởng ................................................ 36 2.3.3. Phương trình động lực học quy về đầu trục động cơ khớp trong trường hợp lý tưởng .................................................................................... 39 2.4. Xây dựng mô hình động lực học tay máy hái dứa khi xét tới tác động nhiễu từ môi trường làm việc........................................................................... 42 2.4.1. Phương trình động lực học tay máy hái dứa khi xét tới tác động của nhiễu từ môi trường làm việc ...................................................................... 44 2.4.2. Phương trình động lực học quy đổi về đầu trục động cơ khớp khi xét tới tác động của nhiễu từ môi trường làm việc .................................... 49 2.5. Phân tích đặc điểm mô hình động lực học tay máy hái dứa .................... 51 2.5.1. Khảo sát mối liên hệ giữa mô hình động lực học lý tưởng và mô hình động lực học tay máy khi xét tới tác động của môi trường làm việc 51
v 2.5.2. Phân tích thành phần sai lệch giữa mô hình lý thuyết và mô hình thực tế tay máy thu hoạch dứa .................................................................... 52 2.6. Các thuật toán điều khiển đề xuất trong môi trường làm việc lý tưởng.. 53 2.6.1. Thuật toán phi tuyến tựa mô hình..................................................... 54 2.6.2. Phương pháp momen tính toán (PD-bù trọng trường).................... 58 2.6.3. Phương pháp PID ............................................................................. 59 Kết luận chương 2 ..........................................................................................61 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY THU HOẠCH DỨA TỰ ĐỘNG ................................................................................................ 63 3.1. Nhận diện quả dứa cần thu hoạch ............................................................ 64 3.1.1. Thuật toán YOLO .............................................................................. 64 3.1.2. Nghiên cứu nhận diện quả dứa......................................................... 66 3.2.2. Huấn luyện nhận diện phân biệt quả dứa xanh và chín (huấn luyện lần 2) ............................................................................................................ 70 3.2.3. Huấn luyện nhận diện phân biệt quả dứa xanh và chín dựa vào đặc điểm của thân trái và đài trái (huấn luyện lần 3) ...................................... 71 3.2.4. Kết quả huấn luyện ........................................................................... 71 3.4. Điều khiển chuyển động cánh tay máy hái dứa ....................................... 80 3.4.1. Phương trình động lực học rút gọn tương ứng với hệ thống điều khiển chuyển động ....................................................................................... 80 3.4.2. Điều khiển chuyển động cánh tay máy dựa trên thuật toán PD kinh điển (Proportional Derivative - PD) .......................................................... 84 3.4.3. Điều khiển chuyển động cánh tay với thuật toán tỷ lệ đạo hàm kết hợp với ước tính nhiễu môi trường (PD+DE; Proportional Derivative +Disturbance Estimation) .......................................................................... 87 3.4.4. Mô phỏng và phân tích kết quả điều khiển ...................................... 90 Kết luận chương 3: .............................................................................................. 98 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..............................................100
vi 4.1. Mục tiêu và nhiệm vụ cùa nghiên cứu thực nghiệm ..............................100 4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ..................................................100 4.1.2. Nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm ..........................................101 4.1.3. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ................................................101 4.2. Cơ sở xác định tính chính xác giữa mô hình lý thuyết qua các số liệu thực nghiệm ....................................................................................................102 4.2.1. Cơ sở lý thuyết.................................................................................102 4.2.2. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai.......................................103 4.2.3. Kiểm tra tính tương thích của số liệu thực nghiệm và công thức lý thuyết..........................................................................................................103 4.3. Xây dựng hệ thống thực nghiệm ............................................................104 4.3.1. Cấu trúc phần cứng hệ thống .........................................................104 4.3.2. Phần mềm mã nguồn.......................................................................106 4.3.3. Mô hình thực nghiệm toàn bộ hệ thống..........................................106 4.3.4. Dụng cụ, thiết bị đo hỗ trợ trong quá trình thực nghiệm ..............108 4.4. Tổ chức thực nghiệm...............................................................................111 4.4.1. Tổ chức thực nghiệm kiểm chứng kết quả đọc tọa độ của camera....111 4.4.2. Tổ chức thực nghiệm kiểm chứng chuyển động tay máy hái dứa .112 4.5. Kết quả thực nghiệm ...............................................................................114 4.5.1. Kết quả thực nghiệm xác định tọa độ quả dứa của camera ..........114 4.5.2. Kết quả thực nghiệm chuyển động tay máy thu hoạch dứa...........117 Kết luận chương 4.......................................................................................... 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 129 TUYỂN TẬP CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ VỀ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................................. 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 131 PHỤ LỤC
vii DANH MỤC CÁC TỪ KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa (1) (2) (3) (4) 1 LHM - Liên hợp máy 2 CNH - Công nghiệp hóa 3 HĐH - Hiện đại hóa 4 Oc X cYc Zc - Hệ tọa độ gắn với camera 5 O0t1 X 0t1Y0t Z 0t - Hệ tọa độ gốc gán cho tay máy số 1 1 1 6 O0t2 X 0t2 Y0 t Z 0 t - Hệ tọa độ gốc gán cho tay máy số 2 2 2 7 rx - Lượng dịch chuyển của khớp 1 tay máy 8 ry - Lượng dịch chuyển của khớp 2 tay máy 9 rz - Lượng dịch chuyển của khớp 3 tay máy 10 xc , yc , zc - Tọa độ quả dứa so với camera 11 L N Hàm Lagrange 12 K kgm/s Tổng động năng 13 P J Tổng thế năng 14 M dx Nm Mômen xoắn trên trục động cơ thứ nhất Hệ số quy đổi ra mômen động cơ khớp thứ 15 Kx Nm nhất 16 M dy Nm Mômen xoắn trên trục động cơ thứ hai Hệ số quy đổi ra mômen động cơ khớp thứ 17 ky Nm hai 18 g m/s2 Gia tốc trọng trường
viii TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Sai lệch giữa mô hình lý tưởng và mô hình 19 w d (t ) thực tế 20 m1 kg Khối lượng của khớp 1 21 m2 kg Khối lượng của khớp 2 22 m3 kg Khối lượng của khớp 3 23 F N Lực tác động lên các khớp trong thực tế Lực tác động lên các khớp trong giả thuyết 24 F0 N lý tưởng 25 Fxo N Lực tác động lên trục X 26 FYo N Lực tác động lên trục Y 27 FZo N Lực tác động lên trục Z Ma trận đặc trưng cho quán tính của các 28 H0 - khớp tay máy trong trường hợp lý tưởng Ma trận đặc trưng cho quán tính của các 29 H - khớp tay máy trong trường hợp thực tế 30 G - Ma trận biểu thị thành phần trọng lực Ma trận biểu thị thành phần trọng lực lý 31 G0 - tưởng 32 P1 J Thế năng tác động lên khớp 1 33 P2 J Thế năng tác động lên khớp 2 34 P3 J Thế năng tác động lên khớp 3 35 K1 kgm/s Động năng của khớp 1 36 K2 kgm/s Động năng của khớp 2 37 K3 kgm/s Động năng của khớp 3 38 rx m/s Vận tốc dịch chuyển trên trục X 39 ry m/s Vận tốc dịch chuyển trên trục Y
ix TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 40 rz m/s Vận tốc dịch chuyển trên trục Z 41 rx m/s2 Gia tốc dịch chuyển trên trục X 42 ry m/s2 Gia tốc dịch chuyển trên trục Y 43 rz m/s2 Gia tốc dịch chuyển trên trục Z Hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc 44  gtx % trên trục X 45 k gtx - Tỷ số truyền hộp giảm tốc X Hiệu suất truyền động thanh răng-bánh 46  rx % răng 47 Rx m Bán kính của bánh răng Hiệu suất truyền động của hộp giảm tốc 48  gty % trên trục Y 49 k gty - Tỷ số truyền hộp giảm tốc Y 50 dy % Hiệu suất truyền động puly-đai 51 Ry m Bán kính của puly Ma trận đặc trưng cho rung lắc và ma sát 52 Dd(t) - (nhiễu môi trường) Ma trận biểu thị thành phần trọng lực quy 53 Gd - về đầu trục động cơ 54 V - Hàm năng lượng Lyapunov 55  - Sai số vị trí cánh tay Đại diện cho giới hạn trên của nhiễu môi 56 b - trường Mômen cần phát ra từ hai trục động cơ của 57 Md N/m 2 khớp tay máy
x TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ma trận đặc trưng cho quán tính của khớp 58 Hd0 - 1 và khớp 2 59 qd - Tọa độ quả dứa do camera cung cấp Mômen động cơ cần sinh ra trên trục X 60 Mdx0 N/m trong trường hợp lý tưởng Mômen động cơ cần sinh ra trên trục Y 61 Mdy0 N/m trong trường hợp lý tưởng Sai lệch ước tính của giới hạn trên nhiễu 62 b - môi trường 63 q0 - Vị trí ban đầu của tay máy Vị trí tọa độ quả dứa mà tay máy cần di 64 qd - chuyển Mômen động cơ cần sinh ra trên trục X 65 Mdx N/m trong môi trường làm việc Mômen động cơ cần sinh ra trên trục Y 66 Mdy N/m trong môi trường làm việc 67 fW - Thành phần bù nhiễu môi trường 68 PD - Proportional Derivative Proportional Derivative Disturbance 69 PDDE - Estimation 70  Độ Tọa độ gốc so với trục X0 71  Độ Tọa độ gốc so với trục Y0 72  Độ Tọa độ gốc so với trục Z0 73  Độ Phạm vi nhìn dọc của máy ảnh (nhìn dài) Phạm vi nhìn ngang của máy ảnh (nhìn 74  Độ rộng)
xi TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Góc tạo bởi quang trục của máy ảnh so với 75  Độ phương thẳng đứng
xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tham số cơ khí của khớp 1............................................................. 28 Bảng 2.2: Tham số cơ khí khớp 2 ................................................................... 29 Bảng 2.3: Tham số cơ khí của khớp 3............................................................. 30 Bảng 2.4: Tham số hệ thống truyền động khớp 1 ........................................... 40 Bảng 2.5: Tham số hệ thống truyền động khớp 2 ........................................... 41 Bảng 3.1: Kết quả huấn luyện ......................................................................... 72 Bảng 4.1: Kết quả xác định tọa độ quả dứa của máy ảnh ............................. 115 Bảng 4.2: Kết quả thực nghiệm điều khiển chuyển động tay máy ............... 118 Bảng 4.3: Số liệu chuyển động tay máy theo trục X .................................... 121 Bảng 4.4: Các số liệu chuyển động tay máy theo Y ..................................... 125
xiii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cánh đồng Dứa ở huyện tân Phước - Tiền Giang ............................. 6 Hình 1.2. Cắt và quăng quả dứa xuống kênh nước ........................................... 8 Hình 1.3. Vớt quả dứa lên thuyền 3 lá .............................................................. 8 Hình 1.4. Vận chuyển quả dứa về bến tập kết .................................................. 9 Hình 1.5. Bốc xếp dứa lên phương tiện vận chuyển ......................................... 9 Hình 1. 6. Thu hoạch dứa ở Nam Mỹ ............................................................. 11 Hình 1.7. Thu hoạch dứa ở Philippin .............................................................. 11 Hình 1.8. Băng tải vận chuyển quả dứa sau thu hái ở Thái Lan ..................... 12 Hình 1.9. Băng tải vận chuyển quả dứa sau thu hái ở Malaysia ..................... 12 Hình 1.10. Cơ cấu tự động cắt quả dứa........................................................... 16 Hình 1.11. Cơ cấu tay máy cắt quả dứa .......................................................... 16 Hình 1.12. Cơ cấu thu hái quả dứa đồng loạt.................................................. 17 Hình 1.13. Phương án xử lý ảnh để nhận diện quả dứa .................................. 17 Hình 1.14. Mô hình robot thu hái quả tự động ............................................... 18 Hình 1.15. Liên hợp máy thu hoạch dứa ......................................................... 20 Hình 1.16. Khảo sát cánh đồng dứa ở huyện Tân Phước - Tiền Giang ......... 22 Hình 1.17. Hình ảnh cây dứa trưởng thành ..................................................... 22 Hình 2.1. Khung công tác gồm 2 tay máy ...................................................... 26 Hình 2.2. Mô hình cánh tay máy hái dứa ........................................................ 27 Hình 2.3. Mô hình cơ khí khớp 1 cánh tay hái dứa ........................................ 28 Hình 2.4. Mô hình cơ khí khớp 2 cánh tay hái dứa ........................................ 29 Hình 2.5. Mô hình cơ khí khớp 3 tay máy hái dứa ......................................... 30 Hình 2.6. Mối quan hệ giữa các hệ tọa độ tay máy thu hoạch dứa ................. 33 Hình 2.7. Mô hình quy đổi cho việc tính toán động học, động lực học ......... 35 Hình 2.8. Sơ đồ truyền động khớp 1 ............................................................... 40 Hình 2.9. Mô tả hiện tượng mấp mô của bề mặt ruộng tại vị trí hai bánh khung công tác ................................................................................................ 43
xiv Hình 2.10. Mô hình quy đổi khi xét đến tác động của nhiễu trọng lực trong trường hợp khung công tác nghiêng do mấp mô mặt ruộng ........................... 44 Hình 2.11. Mô hình điều khiển phi tuyến tựa mô hình ................................... 54 Hình 2.12. Nghiệm s1, s2 trong mặt phẳng phức khi >0 ............................... 55 Hình 2.13. Đồ thị sai số vị trí >0 .................................................................. 56 Hình 2.14. Nghiệm s1, s2 trong mặt phẳng phức khi =0 ............................... 56 Hình 2.15. Đồ thị sai số vị trí khi =0 ............................................................ 56 Hình 2.16. Nghiệm s1, s2 trong mặt phẳng phức khi 
xv Hình 3.14. Mômen sinh ra trên trục động cơ trục X ....................................... 97 Hình 3.15. Mômen sinh ra trên trục động cơ trục Y ....................................... 97 Hình 4.1. Tay máy hái dứa được lắp trên khung liên hợp máy, thực nghiệm tại Tân Phước- Tiền Giang ................................................................................. 102 Hình 4.2. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm ..................................................... 105 Hình 4.3. Mô hình thực nghiệm toàn bộ hệ thống ........................................ 107 Hình 4.4. Tủ điện điều khiển......................................................................... 107 Hình 4.5. Cánh tay máy hái dứa lắp trên khung công tác ............................. 108 Hình 4.6. Thiết bị quả rọi được sử dụng trong thực nghiệm ........................ 109 Hình 4.7. Thước góc vuông và thước mét được sử dụng trong thực nghiệm..... 109 Hình 4.8. Đèn Laser được gắn trùng với tâm trục Z của tay máy được sử dụng trong thực nghiệm ......................................................................................... 109 Hình 4.9. Máy đo độ nghiêng hiển thị số LIFE 0-360 được sử dụng trong thực nghiệm ........................................................................................................... 110 Hình 4.10. Thước thăng bằng và thước góc được sử dụng trong thực nghiệm 110 Hình 4.11. Máy đo độ rung Fluke 805 .......................................................... 111 Hình 4.12. Tổ chức thực nghiệm đọc tọa độ quả dứa tại Xuân Mai - Chương Mỹ - Hà Nội .................................................................................................. 112 Hình 4.13. Kết quả nhận diện ảnh và đọc tọa độ quả dứa trên màn hình máy tính . 112 Hình 4.14. Xác định các yếu tố nhiễu ảnh hưởng tới chuyển động tay máy tại ruộng dứa Tiền Giang ................................................................................... 113 Hình 4.15. Xác định sai số chuyển động tay máy hái dứa tại ruộng dứa Tiền Giang ............................................................................................................. 113 Hình 4.16. Biểu diễn vị trí quả dứa thực tế và tọa độ quả dứa được xác định.. 116 Hình 4.17. Kết quả xác định tọa độ X của quả dứa giữa thực nghiệm- lý thuyết .123 Hình 4.18. Kết quả xác định tọa độ Y của quả dứa giữa thực nghiệm-lý thuyết ...127
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Theo số liệu của Bộ Công thương, kim ngạch xuất khẩu rau quả của Việt Nam năm 2021 ước đạt 3,8 tỷ USD tăng 12,1% so với năm 2020, trong đó kim ngạch xuất khẩu rau quả của vùng đồng bằng sông Cửu long ước đạt 1,8 tỷ USD trong đó có quả dứa. [1] Hiện nay việc trồng, chăm sóc, thu hái và chế biến một số sản phẩm cây ăn quả ở Việt Nam chủ yếu là theo kinh nghiệm và truyền thống của người nông dân. Một số hộ gia đình, doanh nghiệp đã áp dụng công nghệ cơ giới hóa, tự động hóa vào một số khâu trong sản xuất nông nghiệp, từ đó năng suất và chất lượng sản phẩm nâng lên, sản phẩm đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Song việc áp dụng công nghệ cao vào trong sản xuất cây ăn trái chỉ ở dạng tự phát, nhỏ lẻ, chưa có công trình nghiên cứu khoa học và toàn diện, từ đó chưa lan tỏa và nhân rộng mô hình. Ở một số nước phát triển như Nhật Bản, Israel, Thái Lan, Malaysia đã áp dụng cơ giới hóa, tự động hóa để kiểm soát các công đoạn của quá trình sản xuất rau quả tại các trang trại, các công ty, các hộ sản xuất kinh doanh cây ăn quả, từ đó năng suất cao và chất lượng sản phẩm tốt, giá trị sản phẩm cao. Tuy nhiên việc áp dụng công nghệ và thiết bị của nước ngoài vào Việt Nam cần có nghiên cứu cho phù hợp với loài cây, điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, mặt khác công nghệ và thiết bị của nước ngoài có vốn đầu tư khá lớn không phù hợp với điều kiện kinh tế của các đơn vị sản xuất kinh doanh cây ăn quả của Việt Nam, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo trong nước cho vốn đầu tư thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam là cần thiết và có tính thời sự. Đề án tái cơ cấu ngành nông nghiệp Việt Nam đã được Thủ Tướng chính phủ phê duyệt năm 2014 đã đặt ra nhiệm vụ áp dụng công nghệ cao và thiết bị tiên tiến vào trong sản xuất rau quả để nâng cao chất lượng sản phẩm gia tăng giá trị xuất khẩu, phấn đấu đến năm 2025 kim ngạnh xuất khẩu sản phẩm rau quả đạt 5 tỷ USD.
2 Để nâng cao năng suất và chất lượng các loại quả thì phải có công trình nghiên cứu khoa học toàn diện, sâu sắc, áp dụng công nghệ và thiết bị tự động hóa để tạo ra năng suất và chất lượng sản phẩm cao, thay thế lao động thủ công. Với lý do đã trình bày ở trên, năm 2018 Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Công ty cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam – Hà Nội thực hiện đề tài cấp quốc gia: "Nghiên cứu thiết kế chế tạo một số thiết bị cơ giới hóa, tự động hóa một số khâu trong thu hoạch một số loại cây ăn quả tại vùng Tây Nam Bộ", mã số KHCN-TNB/14-19/30. Kết quả của đề tài đã thiết kế, chế tạo được liên hợp máy tự động thu hoạch quả dứa, sản phẩm của đề tài đã được khảo nghiệm, bước đầu cho năng suất cao hơn thủ công, chất lượng sản phẩm tốt, giảm chi phí nhân công, giảm nhẹ sức lao động. Tuy nhiên đề tài chỉ tập trung vào nội dung thiết kế chế tạo, khảo nghiệm, chưa nghiên cứu sâu về động lực học, điều khiển; mặt khác liên hợp máy thu hoạch quả dứa còn một số tồn tại như quá trình di chuyển của tay máy còn rung lắc, khả năng điều khiển tay máy đến tọa độ của quả dứa còn có sai số, năng suất thu hoạch còn thấp, ảnh hưởng của độ mấp mô bề mặt ruộng và nhiễu môi trường đến khả năng điều khiển tay máy chưa được nghiên cứu. Để có cơ sở cho việc hoàn thiện hệ thống thu hoạch quả dứa nói trên và khắc phục được một số tồn tại đã nêu, cần thiết phải nghiên cứu sâu về liên hợp máy, đặc biệt là nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy, từ đó là cơ sở khoa học cho việc điều khiển chuyển động tay máy phù hợp với mấp mô mặt ruộng, xác định chính xác tọa độ quả dứa. Với những lý do đã trình bày ở trên tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa”. 2. Mục đích nghiên cứu Trong hệ thống liên hợp máy cắt dứa tự động, tay máy Robot đóng vai trò quyết định đến độ chính xác và năng suất thu hoạch. Luận án đã khảo sát và nghiên cứu để lựa chọn cấu hình cơ khí tối ưu, xây dựng hệ truyền động và điều
3 khiển giám sát. Trên cơ sở phương pháp Euler-Lagrange, động lực học của tay máy Robot 3 DOF thu hoạch dứa có tính đến ảnh hưởng của môi trường làm việc và tác động của nhiễu ngoại đã được thiết lập. Tiếp đó, Luận án đã đề xuất thuật toán tỷ lệ-vi phân kết hợp ước lượng nhiễu (PDDE) để điều khiển cơ cấu cắt đến vị trí quả dứa được chỉ định thu hoạch với độ chính xác cao. Việc tích hợp thuật toán điều khiển bền vững với hệ thống thị giác máy đã tạo nên hệ thống máy tự động có khả năng thu hoạch lựa chọn thông minh. 3. Những đóng góp mới của luận án 1. Khảo sát về đặc tính sinh trưởng, môi trường canh tác trên cánh đồng dứa và lựa chọn tay máy thu hoạch dứa có cấu hình Robot dạng Đề-các 3 bậc tự do với tay cắt chuyên dụng gồm lồng kẹp và dao cắt, truyền động servo và khí nén, điều khiển trên cơ sở PLC và tích hợp khối thị giác máy tính. 2. Thiết lập được phương trình động lực học của tay máy Robot thu hoạch trong điều kiện làm việc lý tưởng và môi trường thực nghiệm chịu tác động của nhiễu ngoại và độ không bằng phẳng của bề mặt ruộng dứa, từ đó phân tích được các sai lệch giữa mô hình lý thuyết và mô hình thực tế để làm cơ sở phát triển các thuật toán thông minh có khả năng kháng nhiễu. 3. Ứng dụng công nghệ học sâu (deep-learning) trong bài toán nhận dạng và phân loại trái dứa. Thuật toán YOLOv3 được áp dụng để nhận dạng trong thời gian thực với tốc độ cao. Thuật toán xác định tọa độ quả dứa cần thu hoạch được đề xuất để tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển chuyển động đưa tay cắt đến vị trí quả dứa đã được nhận dạng. 4. Thuật toán điều khiển bền vững PDDE được đề xuất để thực hiện thao tác thu hoạch đưa tay cắt quả dứa trong điều kiện làm việc có nhiễu ngoại tác động. Các kết quả mô phỏng trên MatLab/Simulink cho thấy cánh tay cắt có thể dịch chuyển tới vị trí quả dứa với sai số chấp nhận được. 5. Đã xây dựng được phương pháp nghiên cứu thực nghiệm tay máy tự động thu hoạch quả dứa, đã xác định được một số thông số động lực học tay
4 máy và tọa độ vị trí của quả dứa cần thu hoạch, kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể sử dụng để nghiên cứu hệ thống tự động thu hoạch một số loại trái cây khác trong nông nghiệp. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Mặt khoa học: Luận án đã tích hợp giữa động lực học chuyển động của tay máy và trí tuệ nhân tạo để lập trình điều khiển tự động tay máy tự động thu hoạch quả dứa trên đồng ruộng với các ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Kết quả nghiên cứu này làm cơ sở khoa học cho việc hoàn thiện liên hợp máy thu hoạch quả dứa, cũng như phục vụ cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các tay máy thu hoạch các loại nông sản khác. - Mặt thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đã được ứng dụng vào việc hoàn thiện tay máy thu hoạch quả dứa của liên hợp máy tự động thu hoạch quả dứa mà đề tài cấp quốc gia thuộc chương trình Tây Nam Bộ đã thiết kế chế tạo và áp dụng trong thực tế tại Tỉnh Tiền Giang.