Xe phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa có tích hợp khả năng di chuyển theo đường thẳng

y ZigBee với khoảng cách lên đến 300m, giúp ngƣời sử dụng tránh bị ảnh hƣởng bởi độc tố của thuốc phun. Hệ thống điều khiển xe cũng đƣợc tích hợp giải thuật chống nhiễu từ trƣờng phát ra từ bộ máy xăng trên xe cho phép xe chạy ổn định. Ngoài ra, thiết bị định vị cũng đƣợc tích hợp trên xe, giúp xe có khả năng tự di chuyển trên đƣờng th ng, làm giảm bớt các thao tác điều khiển của ngƣời dùng. Thiết kế cơ khí của xe đơn giản, đầy đủ tính năng, do đó có nhiều triển vọng trong việc tạo ra sản ph m hàng loạt phục vụ nông dân vùng lúa nƣớc ở Việt Nam. Từ khóa: Bộ điều khiển, di chuyển th ng, ruộng lúa nƣớc, xe phun thuốc, ZigBee. 1. GIỚI THIỆU Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vựa lúa lớn nhất của nƣớc ta, chiếm hơn 50% sản lƣợng và hơn 90% lƣợng gạo xuất kh u của cả nƣớc, là địa phƣơng đóng góp chính đƣa nƣớc ta vào hàng ngũ các nƣớc xuất kh u gạo hàng đầu thế giới. Nghề trồng lúa ở nƣớc ta gặp những khó khăn lớn về sâu bệnh phá hoại và cỏ dại. Phun thuốc thủ công có năng suất thấp, thuốc phun không đều, không điều khiển đƣợc chính xác lƣợng thuốc phun, có thể dẫn tới phun thuốc chƣa đủ hoặc quá liều, làm ô nhiễm môi trƣờng. Một vấn đề quan trọng nữa là khi dùng bình xịt thuốc, độc tố trong thuốc trừ sâu có thể gây hại trực tiếp cho ngƣời đi phun thuốc [1]. Ở các nƣớc tiên tiến, việc phun thuốc trừ sâu, diệt cỏ đều dùng phƣơng tiện cơ giới nhƣ máy bay, xe đặc chủng. Ở đó, với đồng ruộng khô, quy hoạch thửa lớn, có lối đi phù hợp, nên việc phun thuốc tự động ít gặp trở ngại. Phƣơng pháp phổ biến là dùng xe phun thuốc có hoặc không có ngƣời lái [2-5]. Xe phun thuốc có càng ở hai bên, trên càng có lắp các vòi phun. Hệ thống động cơ chạy bằng xăng - dầu hoặc ắc quy sẽ dẫn động xe và có bộ phận bơm áp lực để phun thuốc. Đa số các ruộng lúa là sình lầy, có nƣớc, nên xe phun đƣợc chế tạo nhẹ nhất có thể, bánh xe dạng ống uốn tròn hoặc bánh xích cần đảm bảo cho xe di chuyển đƣợc, nhƣng diện tích bánh xe cần đủ nhỏ để không làm nát lúa. Kích cỡ xe tuỳ thuộc vào kích cỡ đồng ruộng cần phun. Ngƣời điều khiển xe ngồi trong ca bin đƣợc che kín để không bị ảnh hƣởng bởi thuốc phun [6-7]. Nhìn chung giải pháp này có ƣu điểm là không gây độc hại cho ngƣời thực hiện phun thuốc. Tuy nhiên chúng ít đƣợc ứng dụng thực tế Việt Nam vì giá thành đắt, dễ hƣ hại lúa. Một số nhà sáng chế vùng ĐBSCL cũng đã tạo ra một số sản ph m xe phun thuốc có ý nghĩa [8-13]. Các xe phun thuốc trừ sâu nêu trên có kích cỡ khác nhau do nhu cầu phun theo diện tích thửa của mỗi chủ ruộng. Việc diện tích thửa nhỏ, cũng hạn chế đáng kể hoạt động cơ giới hóa việc phun thuốc. Phân tích các sản ph m sáng tạo về phun thuốc trừ sâu của các tác giả miền Tây Nam Bộ có thể thấy những ƣu điểm 1441 nổi bật là thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp, đem lại kết quả khá tốt cho nghề trồng lúa tại địa phƣơng. Tuy nhiên việc có nhiều loại sản ph m đơn chiếc cho thấy tính tản mạn của thiết kế. Thiết bị đƣợc chế tạo theo nguyên tắc sai - sửa – sai - cho đến khi vận hành đƣợc. Vật tƣ, thiết bị đƣợc tập hợp theo sáng kiến tận dụng những loại có sẵn nhƣ máy xe honda, máy ghe tàu, Nhiều thiết bị vận hành từ 2005, nhƣng đến nay vẫn không nhân bản đƣợc. Đó là do các sản ph m chƣa tối ƣu về vật liệu, năng lƣợng. Vì vậy nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát thực địa môi trƣờng lúa nƣớc vùng ĐBSCL và và nghiên cứu các sản ph m xe phun đã có, trên cơ sở đó đề xuất việc thiết kế và chế tạo xe phun thuốc điều khiển từ xa, có nhiều ƣu điểm về tính năng, dễ dàng cho việc sản xuất hàng loạt với giá thành hợp lý. 2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1. Thiết kế khung xe Xe phun thuốc có kết cấu cơ bản là một khung thép hình tam giác cân có kết cấu ba bánh sắt ở 3 góc. Hai bánh lớn ở phía trƣớc là bánh chủ động và dẫn hƣớng. Bánh sau nằm ở trục tâm xe là bánh bị động. Trên khung xe gắn động cơ xăng 5.5 Hp để dẫn động 2 bánh, đồng thời cung cấp lực kéo cho đầu áp lực phun thuốc và dinamo phát điện 12 V, cung cấp điện cho hệ thống điều khiển. Thiết kế cơ khí chính cho xe phun đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 1. (a) (b) Hình 1. Bản vẽ thiết kế cơ khí xe phun thuốc: a. nhìn ngang và b. nhìn trên xuống: 1) Bánh xe trƣớc; 2) Bộ truyền xích; 3) Tay quay; 4) Vít me; 5) Động cơ xăng; 6) Hộp số; 7) Bình chứa; 8) Trục gá dàn phun; 9) Trụ bánh sau; 10) Bánh sau 11) Khớp nối với bánh sau; 12) Dàn phun; 13) Bơm áp lực (phun); 14) Bộ truyền đai; 15) Dinamô phát điện; 16) Bộ ly hợp; 17) Ắc quy 2.2 Thiết kế các bộ truyền động Bộ phận truyền động đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2 và hình 3. Động cơ xăng truyền động cho 2 hộp số, bộ tạo áp lực phun thuốc và máy phát điện thông qua bộ ly hợp ly tâm. Vòng tua máy tăng, các đĩa bố bung ra bắt truyền động với đĩa sắt đang quay trơn thành quay theo trục động cơ truyền động cho 2 pully ra 2 hộp số qua bộ truyền đai. Khi xe dừng chuyển động, đĩa bố ngắt ra khỏi đĩa sắt đang quay theo trục thành quay trơn lúc này xe đứng yên. Tính hệ số truyền cho bộ dẫn động xe phun thuốc Động cơ dẫn động cho xe chạy trên đồng ruộng đƣợc chọn là động cơ xăng có công suất 5,5 hoặc 6,5 hp, với tốc độ quay: 3.600 v/p. 1442 Tốc độ xe đăng ký: Tốc độ 1: 2 km/h = 33,3 m/p Tốc độ 2: 3 km/h = 50,0 m/p Đƣờng kính bánh xe: 1,2 m Đƣờng đi khi bánh xe quay vòng: 1,2 x 3,14 = 3,768 m Số vòng/ phút bánh xe để đạt tốc độ 1: 33,3 / 3,768 = 8,85 v/p Số vòng/ phút bánh xe để đạt tốc độ 2: 50,0 / 3,768 = 13,27 v/p Hệ số truyền n1 để đạt tốc độ 1 3600 / 8,85 = 407 Hệ số truyền n2 để đạt tốc độ 2 3600 / 13,27 = 272 Với hệ số bộ truyền xích giữa bánh xe và hộp số tiến/lùi/dừng cho mỗi bánh xe là 1:4,5, hộp số giảm tốc ở đầu ra trục động cơ xăng chọn là 1: 90, để hệ số truyền tổng cộng là ~1: 405. Ngoài ra, tốc độ xe có thể chỉnh thêm bằng điều chỉnh ga động cơ. ĐỘNG CƠ XĂNGTAY QUAY BỘ TRUYỀN XÍCH HỘP SỐ DIAMO PHÁT ĐIỆN BỘ TRUYỀN ĐAI LẮP BÁNH XE BƠM CAO ÁP Hình 2. Bản vẽ thiết kế cấu hình truyền động tổng quát (nhìn trên xuống) HỘP SỐ Hình 3. Bản vẽ thiết kế cấu hình truyền động tổng quát (nhìn từ sau) 1443 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN XE PHUN THUỐC 3.1 Thiết kế bộ điều khiển trên xe tự hành Hình 4. Sơ đồ khối thiết kế bộ điều khiển trung tâm đặt trên xe Theo yêu cầu đặt ra cho đề tài, xe tự hành phun thuốc trừ sâu đƣợc điều khiển từ xa với cự ly hơn 200m và điều khiển chạy theo đƣờng th ng, không cần định vị. Do đó, sơ đồ khối của bộ điều khiển đặt trên xe đƣợc thiết kế nhƣ trên Hình 4. Bộ điều khiển đặt trên xe cho phép điều khiển hoạt động của xe phun thuốc trừ sâu từ xa bằng chu n truyền không dây ZigBee cho phép điều khiển xa nhất là ~2 km và tin cậy trong mọi điều kiện là 300 m. Cảm biến định hƣớng sử dụng là con quay hồi chuyển, cho phép theo dõi chuyển động của xe theo 3 hƣớng X, Y, Z và phản hồi về MCU để tự động điều chỉnh xe đi theo đƣờng th ng. Hệ thống sử dụng nguồn ắc quy 12 V/ 20 Ah. Nguồn của ắc quy luôn đƣợc kiểm soát và thông báo về bộ điều khiển từ xa. Bộ điều khiển trung tâm trên xe phun thuốc nhận lệnh từ bộ điều khiển từ xa và thực hiện điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành. Các lệnh cơ bản bao gồm: chạy th ng tự động, rẽ trái, rẽ phải, chuyển động tiến, chuyển động lùi, tăng ga máy xăng (công suất 5,5 HP), giảm ga máy xăng, dừng xe phun, dừng phun thuốc. Bộ điều khiển chấp hành gồm các tầng công suất để điều khiển hộp số tiến/lùi và hộp số giảm tốc và chuyển hƣớng. 3.2 Thiết kế bộ điều khiển từ xa Sơ đồ khối của bộ điều khiển từ xa xe phun thuốc trừ sâu trình bày trên Hình 5. Hình 5. Sơ đồ khối thiết kế bộ điều khiển từ xa cho xe phun thuốc 1444 Bộ điều khiển từ xa sử dụng nguồn pin battery Li-on 4000 mAh cho phép hoạt động trong nhiều ngày trƣớc khi nhận đƣợc cảnh báo sạc lại năng lƣợng nhờ một mạch kiểm soát trạng thái battery. Ngoài ra, một màn hình Text LCD công suất thấp, ít tiêu hao năng lƣợng hiển thị các trạng thái điều khiển và các thông tin cần thiết cho ngƣời dùng nhƣ thời gian thực và nhiệt độ môi trƣờng. Để điều khiển xe phun dễ dàng, một bàn phím gồm bảy phím chức năng đƣợc thiết kế, bao gồm: điều khiển rẽ trái, rẽ phải, đi th ng, tiến, lùi, tăng/giảm ga. Chi tiết nhƣ Bảng 1. Bảng 1. Chức năng gán cho các phím bàn điều khiển TT Tên phím Chức năng TT Tên phím Chức năng 1 Tiến Xe về phía trƣớc 5 Đi th ng Vận hành xe đi th ng 2 Lùi Xe về phía sau (lùi) 6 Tăng ga Tăng ga cho động cơ xăng 3 Phải Vận hành xe rẽ phải 7 Giảm ga Giảm ga cho động cơ xăng 4 Trái Vận hành xe rẽ trái 8 Dừng Dừng xe 3.3 Giải pháp điều khiển chạy thẳng Khi vận hành, tín hiệu từ cảm biến chuyển động xác định độ lệch của xe khỏi đƣờng th ng sẽ gửi về MCU trên bộ điều khiển trung tâm. Dấu và độ lớn tín hiệu sẽ cho phép xác định hƣớng lệch và độ lớn của sai lệch. Bộ xử lý trung tâm sẽ tính toán và điều khiển tƣơng hỗ hai bánh xe dẫn động. Ví dụ, khi lệch trái, MCU sẽ điều khiển bánh xe phải quay chậm lại (hoặc dừng) và bánh xe trái vẫn quay ở tốc độ danh định (hoặc quay nhanh hơn nếu độ lệch lớn). Tƣơng tự, ngƣợc lại cho trƣờng hợp xe lệch phải. Giải thuật đƣợc thiết kế cho phần cứng sử dụng cảm biến gia tốc với sai số hƣớng chuyển động là ±3o. Hình 6. Kết quả thực nghiệm giải thuật điều khiển xe đi th ng Giải thuật định hƣớng đƣợc đặt ra dựa vào góc quay của xe để xác định hƣớng di chuyển. Trong hệ tọa độ không gian, có 3 góc quay là Yaw, Pitch và Roll. Trong đó Yaw là giá trị góc quay theo phƣơng ngang, hƣớng di chuyển của xe; pitch: thể hiện độ gồ ghề của mặt đƣờng; roll: thể hiện độ nghiêng của mặt đƣờng. Do xe chạy trên mặt đất nên chỉ cần dùng góc Yaw để định hƣớng, tuy nhiên hai giá trị Pitch và Roll sẽ cho dữ liệu về địa hình hoạt động. Cần xác định góc quay Yaw để định hƣớng cho xe từ các giá trị vận tốc góc và gia tốc góc quay. Tuy nhiên, nếu chỉ dùng vận tốc góc quay thì giá trị góc quay có thể bị trôi theo thời gian, nếu dùng gia tốc góc để tính toán thì góc quay chịu ảnh hƣởng rất nhiều bởi dao động, do đó cần sử dụng phƣơng pháp Sensor fusion nhờ vào bộ DMP tích hợp trong cảm biến, kết hợp hai giá trị để tính toán góc quay. 1445 Do ảnh hƣởng của địa hình nên sẽ liên tục lệch hƣớng dẫn đến relay đóng cắt liên tục để điều chỉnh đƣờng kính vòi phun tỏa ra khoảng 60cm. Ngoài ra, việc phun thuốc không cần độ chính xác cao, giá trị góc quay theo thực tế sẽ đƣợc phép có góc lệch, nên nhóm tác giả đã chọn góc lệch cho phép ± 3 độ. Để thử nghiệm giải thuật điều khiển đi th ng, một mô hình thu nhỏ t lệ 10:1 đƣợc thiết kế và lắp đặt các thiết bị điều khiển tƣơng đƣơng cho việc thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm trên quãng đƣờng địa hình mấp mô, dài 50m, thực hiện trong 4 lần liên tiếp cho kết quả với sai số đi th ng của xe mô hình là từ 20cm – 35cm nhƣ thể hiện ở Hình 6. 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM & KẾT LUẬN Hình 7. Hệ thống xe phun thuốc thực tế Hệ thống xe phun thuốc đã đƣợc chế tạo hoàn chỉnh và đáp ứng đƣợc yêu cầu thiết kế nhƣ thể hiện trong Hình 7. Hiện nay hệ thống đang đƣợc thử nghiệm trên đồng ruộng huyện Châu Phú tỉnh An Giang với độ lầy ruộng lúa nƣớc là cao nhất là 20cm. Khả năng điều khiển tầm xa của xe đạt khoảng cách 200m, sai số đi th ng 50cm trên quãng dƣờng 100m và tốc độ di chuyển đạt 50m/phút. Cần thêm thời gian thử nghiệm và hiệu chỉnh để đƣa hệ thống vào sản xuất hàng loạt nhằm phục vụ nhu cầu cấp thiết cho nông dân khu vực ĐBSCL trong thời gian tới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nitish Das, Namit Maske, Vinayak Khawas, Dr. S. K. Chaudhary, Er. R. D. Dhete, Agricultural Fertilizers and Pesticides Sprayers - A Review, India, IJIRST –International Journal for Innovative Research in Science & Technology, Volume 1, Issue 11, April 2015 ISSN (online): 2349-6010. [2] https://vidyow.com/video/Xem-cch-ngi-nht-bn-phun-thuc-t/VxsZPfV6P1x/2017. [3] Precision Agriculture Unmanned Aerial Vehicle UAV Crop Duster Fertilizer Sprayer Platforms. [4] DJI MG-1 Portable 8-Axis Agriculture Plant Protection RC Machine. Best Agricultural Drones of 2017 – Reviews and Specs, https://www.dronethusiast.com/agricultural-drones/ [5] Spray Whit Landini In Rice Crop, 2017. https://www.youtube.com/watch?v=Vvl9c5ZBb-E. [6] Cải tiến máy phun thuốc BVTV an toàn, hiệu quả; bvtv-an-toan-hieu-qua-post110251.html. 2017 [7] Máy phun thuốc trừ sâu tự động của nông dân; https://huynhphuclinh.wordpress.com/2008/06/25. 2017 1446 [8] ―Hai lúa‖ ở Kiên Giang: Sáng chế máy phun thuốc kết hợp sạ lúa. www.Laodong.com.vn/lao-dong- hang-ngay/hai-lua-o-kien-giang-sang-che-may-phun-thuoc-ket-hop-sa-lua-229774.bld. 2017 [9] Nông dân với sáng tạo kỹ thuật; 2017 [10] Một nông dân chế tạo máy phun thuốc tự hành. may-phun-thuoc-tu-hanh/24389.vnp. 2017 [11] Chiếc máy ―độc‖ của kỹ sƣ chân đất dan-gioi/Nong-dan-san-xuat-gioi/Chiec-may-oc-cua-ky-su-chan-at.html, 2017 [12] Anh nông dân chế robot, ...-402016.html, 2018 [13] Máy phun thuốc trừ sâu điều khiển từ xa của KS. Trần Quốc Tuấn, https://www.youtube.com/watch?v=0wCJW0csZCI&t=14s