Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật sử dụng máy bay không người lái

Nội dung text: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật sử dụng máy bay không người lái

1. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Nghiên cứu và thiết kế hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật sử dụng máy bay không người lái Nguyễn Ngọc Xuyên *, Vũ Chu Mạnh*, Đàm Xuân Định*, Nguyễn Đăng Khoa , Lê Anh Ngọc* *Trường Đại Học Điện Lực Email: anhngoc@epu.edu.vn Trường Đại học Phenikaa Email: khoa.nguyendang@phenikaa-uni.edu.vn Tóm tắt — Bài báo đề xuất một mô hình phun thuốc bảo Cuối cùng phần kết luận sẽ được trình bày trong phần vệ thực vật (BVTV) dựa trên nền tảng của máy bay IV. không người lái (UAV). Bài báo trình bày quá trình thiết kế một UAV, sau đó tích hợp hệ thống điều khiển phun II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG hóa chất vào UAV nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình sử dụng. Quá trình thử nghiệm mô hình trong Trong các thiết kế của máy bay không người lái, thì các điều kiện khác nhau, cho thấy UAV và hệ thống máy bay dạng Multi-copter đang có nhiều ưu thế trong phun đáp ứng được mục đích nghiên cứu đặt ra và có thể ứng dụng phun thuốc BVTV, bởi dạng máy bay này có ứng dụng trong thực tế. khả năng cân bằng rất tốt, khả năng chịu tải tốt và dễ Từ khóa - Máy bay không người lái, phun thuốc bảo dàng bay được theo mọi hướng (hình 1). Cùng với đó vệ thực vật. là các đặc điểm cấu tạo của máy bay multi-copter cũng dễ dàng lắp đặt, chế tạo hơn so với các loại máy bay khác như fixed-wing và helicopter. I. GIỚI THIỆU Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) đã và đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt, trong lĩnh vực nông nghiệp, UAV đang được sử dụng cho một số mục đích như bón phân, gieo hạt, và phun thuốc BVTV. Theo tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính mỗi năm có hơn một triệu trường hợp bị nhiễm bệnh khi phun thuốc BVTV bằng phương pháp thủ công, nguyên nhân chủ yếu là do con người phải tiếp xúc trực tiếp với các hóa chất phun. Bởi vậy, quá trình phun thuốc truyền thống cần được thay thế bằng các phương pháp hiện đại hơn như sử dụng robot hay các UAV. Hơn thế nữa, UAV có ưu điểm là có thể phun thuốc ở những vị trí mà con người khó tiếp cận Hình 1: Máy bay phun thuốc BVTV dạng multi-copter hoặc phun thuốc trong một diện rộng [1]. Từ những yêu cầu thực tế, chúng tôi đề xuất mô hình phun thuốc Ngày nay, việc tự chế tạo một chiếc máy bay không BVTV sử dụng UAV áp dụng cho điều kiện nông người lái đã trở nên khá dễ dàng với rất nhiều phụ tùng nghiệp hiện tại của Việt Nam. có sẵn từ các hãng tên tuổi trong lĩnh vực sản xuất UAV như DJI, Tarot, Hobbywing, Tattu, Futaba, Hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật bao gồm hai Người thiết kế sẽ cần ước lượng tải trọng của máy bay, thành phần chính: Phần thiết bị bay UAV tích hợp với sau đó tính toán các thông số của máy bay, sau đó lựa hệ thống phun thuốc (bao gồm bình thuốc, hệ thống chọn khung, động cơ, bộ điều tốc (ESC), cánh quạt, bộ động cơ phun) và phần điểu khiển máy bay tích hợp thu phát sóng, pin phù hợp với các yêu cầu về kĩ thuật với điều khiển hệ thống phun thuốc. Hệ thống được cho trước để lắp thành một máy bay hoàn chỉnh [3]. thiết kế nhằm vận hành trong các điều kiện thời tiết khác nhau và đáp ứng được công suất phun cao nhất. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về việc thiết kế một hệ thống phun thuốc BVTV dựa trên Bài báo được trình bày trong ba phần chính: Phần II, hệ một UAV cỡ nhỏ. Hình 2 mô tả sơ đồ khối của hệ thống phun thuốc sẽ được mô tả chi tiết. Phần III là thống phun thuốc bảo vệ thực vật sử dụng máy bay một số kiểm thử, thí nghiệm trong điều kiện thực tế. không người lái. ISBN: 978-604-80-5076-4 81
2. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) phun từ ngoại vi và đưa tín hiệu này đến khối điều khiển. Khối kiểm soát trạng thái bình chứa: Khối này có nhiệm vụ giám sát lượng dung dịch trong bình chứa, cảnh báo khi bình hết dung dịch thuốc. Khối điều khiển bật, tắt máy bơm: Khối này có nhiệm vụ cấp nguồn cho máy bơm dung dịch thuốc bảo vệ thực vật. Tay điều khiển: Toàn bộ hoạt động của hệ thống sẽ được điều khiển thông qua tay điều khiển, qua sóng RF, tần số 2.4GHz. Bộ thu tín hiệu RF: Tín hiệu điều khiển sẽ được truyền từ tay điều khiển được thu bởi, bộ thu RF sau đó truyền đến mạch điều khiển bay và mạch điều khiển phun thuốc BVTV. Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống Để đáp ứng được các chức năng của hệ thống, các linh Trong hệ thống phun thuốc BVTV sử dụng UAV bao kiện, mô-đun được sử dụng để chế tạo bao gồm các gồm: thành phần sau: Mạch điều khiển Multi-copter (trong bài Khung 4 cánh quạt DJI F450 báo này chúng tôi sử dụng Quadcopter): Đây là trung tâm xử lí, điều khiển toàn bộ quá trình bay của mô hình máy bay. Khối GPS: Định vị vị trí của máy bay trên bản đồ, giúp xác định vị trí ban đầu của máy bay, giúp máy bay không bị trôi ra khỏi vị trí khi đang đứng yên. Khối la bàn: Xác định phương hướng của máy bay, phục vụ cho việc tìm đường trong chế độ bay tự động. Hình 3: Bộ khung DJI Quad-F450 Khối cảm biến 6 trục: Mạch điều khiển sẽ Mạch cân bằng DJI Naza căn cứ vào tín hiệu từ cảm biến 6 trục để biết Mạch cân bằng Naza M lite là loại mạch cân được máy bay có đang thăng bằng hay không, bằng phổ thông tốt bậc nhất hiện nay với từ đó ra quyết định điều khiển các động cơ. nhiều tính năng nổi trội như giữ vị trí, giữ độ Kiểm soát độ cao: Giúp cho máy bay giữ cao, bảo vệ nguồn yếu, tự quay về, Mạch được một độ cao cố định khi người lái không cân bằng Naza có thể dùng được cho nhiều tác động vào cần ga. cấu hình máy bay như X4, +4, hexa, delta. Điều khiển động cơ: Các ESC điều khiển động cơ sẽ thay đổi tốc độ quay của động cơ theo tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển trung tâm. Đèn báo trạng thái: Thông qua đèn báo này, người lái có thể biết được tình trạng của máy bay. Khối điều khiển hệ thống phun: Đây là trung tâm xử lí, điều khiển mọi hoạt động Hình 4: Mạch cân bằng Naza phun thuốc bảo vệ thực vật. Khối kiểm soát tốc độ phun: Ở chế độ điều Động cơ không chổi than DJI 2212 920KV khiển bằng tay, khối này sẽ ghi nhận tốc độ ISBN: 978-604-80-5076-4 82
3. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Bộ điều khiển và bộ thu RadioLink AT9S và RD9S có 9 kênh thu phát sóng RF, hoạt động ở dải tần 2400 – 2483MHz. Bộ thu phát RF này được trang bị công nghệ trải phổ DSSS và FHSS giúp truyền tín hiệu điều khiển được xa hơn. Ngoài chuẩn PWM thông thường, bộ thu RD9S còn hỗ trợ xuất tín hiệu đầu ra chuẩn S.BUS, tương thích với nhiều dòng mạch điều khiển bay cao cấp. Bên cạnh việc chế tạo máy bay, phần thiết kế hệ thống phun thuốc cũng giữ một vai trò rất quan trọng. Trong Hình 5: Động cơ không chổi than 2212 920KV đó, mạch điều khiển phun thuốc là thành phần không Cánh quạt thuận nghịch DJI 9450 thể thiếu của mô hình máy bay không người lái phun thuốc bảo vệ thực vật. Mạch có chức năng chính là điều khiển tốc độ bơm dung dịch của máy bơm áp lực, bật/tắt máy bơm khi máy bay đã vào vị trí sa hình, hoặc bật, tắt máy bơm trong trường hợp khẩn cấp. Thiết kế của mạch điều khiển phun thuốc BVTV được mô tả như hình 9. Hình 6: Cánh quạt DJI 9450 Bộ điều tốc (ESC) Hobbywing 20A Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phun thuốc BVTV Hình 7: ESC 20A Bộ điều khiển RadioLink AT9S và bộ thu RadioLink RD9S Hình 10: Mạch in mạch điều khiển phun thuốc BVTV Mạch in được thiết kế với hình dạng bám theo thiết kế của bộ khung DJI F450, các vị trí đặt linh kiện, đặt lỗ khoan được thiết kế tối ưu cho bộ khung này. Bình chứa dung dịch của hệ thống phun thuốc BVTV được chúng tôi thiết kế 3D bằng phần mềm Inventor và Hình 8: Bộ điều khiển RadioLink chế tạo bằng công nghệ in 3D hiện đại đảm bảo độ cứng chắc, và trọng lượng nhẹ (hình 11). ISBN: 978-604-80-5076-4 83
4. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) toàn độc lập với nhau để giảm thiểu rủi ro gặp lỗi khi vận hành. Thuật toán điều khiển của phần mềm được mô tả như hình 14. Hình 11: Bình chứa dung dịch Để chế tạo hệ thống phun thuốc, chúng tôi sử dụng các linh kiện sau đây: Vi điều khiển Atmel ATMega328P ATMEGA328P là vi điều khiển thuộc dòng AVR do hãng Atmel sản xuất. Đây là một vi điều khiển CMOS 8 bit, tiêu thụ ít điện năng được phát triển trên nhân AVR với kiến trúc RISC tăng cường. ATMEGA328P thực hiện một lệnh trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất, vì thế mà thông lượng của chip có thể đạt gần 1MIPS/MHz. Điều này cho phép các nhà thiết kế hệ thống tối ưu hóa thiết bị để tiêu thụ điện năng ít so với tốc độ xử lý. Hình 14: Thuật toán điều khiển phun thuốc BVTV Khi thiết kế máy bay phun thuốc BVTV, người dùng cũng có thể thêm vào các trang bị hỗ trợ quá trình vận hành như camera hành trình, hệ thống truyền thông không dây telemetry, để có thể điều khiển máy bay của mình phun thuốc ở tầm xa hơn, giám sát được cây trong thông qua camera hoặc có thể sử dụng máy bay linh động hơn cho mục đích khác. Hình 12: Vi điều khiển ATMega328P III. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Máy bơm tăng áp MB385 Qua quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, chúng tôi đã thiết kế thành công mô hình phun thuốc BVTV sử dụng UAV như hình 15. Hình 13: Máy bơm tăng áp MB385 Để điều khiển hệ thống phun, chúng tôi đã xây dựng một phần mềm nhúng cho vi điều khiển ATMega328P. Hình 15: Mô hình sản phẩm Phần mềm này sử dụng chung hệ thống thu phát RF với phần mềm điều khiển bay, nhưng hoạt động hoàn ISBN: 978-604-80-5076-4 84
5. Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) UAV được thử nghiệm bay và phun thuốc BVTV với khiển, hệ thống phun BVTV sử dụng UAV đã được quỹ đạo bay như hình 16. hoàn thiện. Các kết quả bay và phun thử nghiệm cho thấy hệ thống đã đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra như dung dịch thuốc BVTV được phun ra dưới dạng sương, hạt nhỏ, tơi và phủ đều diện tích cần phun; mô hình có thể phun được cho cây cao rất hiệu quả; đồng thời có thể hoạt động tốt khi bay lên cao, trong không gian hẹp. Máy bay có thể cất cánh dễ dàng khi đã đủ tải, việc điều khiển đơn giản, thuận tiện khi sử dụng. Hình 16: Quỹ đạo bay thử nghiệm Để thử nghiệm được mô hình này, cần có một không gian đủ rộng để có thể thử nghiệm an toàn và đánh giá được khoảng cách điều khiển và truyền dữ liệu. Người lái phải đảm bảo có kĩ năng lái may bay mô hình tốt để có thể xử lí các tình huống không mong muốn (hình 17). Hình 18: Kết quả phun thể hiện trên tấm bạt Kết quả thử nghiệm: Máy bay đã thực hiện thành công việc phun thuốc BVTV cho sa hình trên với 4 lượt bay. IV. KẾT LUẬN Thuốc BVTV được phun dưới dạng sương và phủ đều Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày thiết kế, chế khắp sa hình thử nghiệm (hình 18). tạo và thử nghiệm hệ thống phun thuốc BVTV sử dụng UAV để hỗ trợ cho sản xuất nông nghiệp. Hệ thống đã được nghiên cứu, phát triển và tối ưu phù hợp với điều kiện sản xuất của Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] UM Rao Mogili, B B V L Deepak, “Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture”, Procedia Computer Science 133 (2018) 502–509; [2] Mazhar Ahmed Hangal., Nitin Jituri., Prakash Francis Rego., Sachin M Raikar, “An automaticallycontrolled dronebasedaerialpesticide sprayer”, K.L.E. Institute of technology, Hubballi; [3] Karan Kumar Shaw, Vimalkumar R, “Design and Development of a Drone for Spraying Pesticides, Fertilizers and Hình 17: Máy bay đang thực hiện phun thuốc BVTV Disinfectants”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol. 9 Issue 05, Sau khi chế tạo UAV, tích hợp hệ thống phun, cũng May-2020. như hiệu chỉnh phần cứng và đồng bộ phần mềm điều ISBN: 978-604-80-5076-4 85