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:
** Trường Đại học Phenikaa
Email:

Tóm tắt — Bài báo đề xuất một mơ hình phun thuốc bảo
vệ thực vật (BVTV) dựa trên nền tảng của máy bay
khơng người lái (UAV). Bài báo trình bày q trình thiết
kế một UAV, sau đó tích hợp hệ thống điều khiển phun
hóa chất vào UAV nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong
quá trình sử dụng. Quá trình thử nghiệm mơ hình trong
các điều kiện khác nhau, cho thấy UAV và hệ thống
phun đáp ứng được mục đích nghiên cứu đặt ra và có thể
ứng dụng trong thực tế.

Cuối cùng phần kết luận sẽ được trình bày trong phần
IV.
II.

Trong các thiết kế của máy bay khơng người lái, thì
máy bay dạng Multi-copter đang có nhiều ưu thế trong
ứng dụng phun thuốc BVTV, bởi dạng máy bay này có
khả năng cân bằng rất tốt, khả năng chịu tải tốt và dễ
dàng bay được theo mọi hướng (hình 1). Cùng với đó
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.

Từ khóa - Máy bay không người lái, phun thuốc bảo
vệ thực vật.

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,
q 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
hoặc phun thuốc trong một diện rộng [1]. Từ những
yêu cầu thực tế, chúng tơi đề xuất mơ hình phun thuốc
BVTV sử dụng UAV áp dụng cho điều kiện nông
nghiệp hiện tại của Việt Nam.

Hình 1: Máy bay phun thuốc BVTV dạng multi-copter

Ngày nay, việc tự chế tạo một chiếc máy bay không

người lái đã trở nên khá dễ dàng với rất nhiều phụ tùng
có sẵn từ các hãng tên tuổi trong lĩnh vực sản xuất
UAV như DJI, Tarot, Hobbywing, Tattu, Futaba,…
Người thiết kế sẽ cần ước lượng tải trọng của máy bay,
sau đó tính tốn các thơng số của máy bay, sau đó lựa
chọn khung, động cơ, bộ điều tốc (ESC), cánh quạt, bộ
thu phát sóng, pin phù hợp với các yêu cầu về kĩ thuật
cho trước để lắp thành một máy bay hoàn chỉnh [3].

Hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật bao gồm hai
thành phần chính: Phần thiết bị bay UAV tích hợp với
hệ thống phun thuốc (bao gồm bình thuốc, hệ thống
động cơ phun) và phần điểu khiển máy bay tích hợp
với điều khiển hệ thống phun thuốc. Hệ thống được
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
một UAV cỡ nhỏ. Hình 2 mô tả sơ đồ khối của hệ
thống phun thuốc bảo vệ thực vật sử dụng máy bay
không người lái.

Bài báo được trình bày trong ba phần chính: Phần II, hệ
thống phun thuốc sẽ được mô tả chi tiết. Phần III là
một số kiểm thử, thí nghiệm trong điều kiện thực tế.

ISBN: 978-604-80-5076-4

MƠ HÌNH HỆ THỐNG


81


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 sốt 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
kiện, mô-đun được sử dụng để chế tạo bao gồm các
thành phần sau:
Khung 4 cánh quạt DJI F450

Trong hệ thống phun thuốc BVTV sử dụng UAV bao

gồm:
Mạch điều khiển Multi-copter (trong bài
báo này chúng tôi sử dụng Quadcopter): Đây
là trung tâm xử lí, điều khiển tồn bộ q
trình bay của mơ 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 khơng bị trơi 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.
Khối cảm biến 6 trục: Mạch điều khiển sẽ
căn cứ vào tín hiệu từ cảm biến 6 trục để biết
được máy bay có đang thăng bằng hay khơng,
từ đó ra quyết định điều khiển các động cơ.
Kiểm soát độ cao: Giúp cho máy bay giữ
được một độ cao cố định khi người lái không
tác động vào cần ga.
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
phun thuốc bảo vệ thực vật.
Khối kiểm soát tốc độ phun: Ở chế độ điều

khiển bằng tay, khối này sẽ ghi nhận tốc độ

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 3: Bộ khung DJI Quad-F450

Mạch cân bằng DJI Naza
Mạch cân bằng Naza M lite là loại mạch cân
bằng phổ thông tốt bậc nhất hiện nay với
nhiều tính năng nổi trội như giữ vị trí, giữ độ
cao, bảo vệ nguồn yếu, tự quay về,... Mạch
cân bằng Naza có thể dùng được cho nhiều
cấu hình máy bay như X4, +4, hexa, delta.

Hình 4: Mạch cân bằng Naza

Động cơ không chổi than DJI 2212 920KV

82


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. Ngồi chuẩn PWM thơng thường,
bộ thu RD9S cịn 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 trị rất quan trọng. Trong
đó, mạch điều khiển phun thuốc là thành phần không
thể thiếu của mơ hình máy bay khơng 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 5: Động cơ khơng chổi than 2212 920KV

Cánh quạt thuận nghịch DJI 9450

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
chế tạo bằng công nghệ in 3D hiện đại đảm bảo độ
cứng chắc, và trọng lượng nhẹ (hình 11).

Hình 8: Bộ điều khiển RadioLink

ISBN: 978-604-80-5076-4

83


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

tồn độc lập với nhau để giảm thiểu rủi ro gặp lỗi khi
vận hành. Thuật tốn điều khiển của phần mềm được
mơ 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 thơng 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 tốn 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 thơng
khơng dây telemetry, .. để có thể điều khiển máy bay
của mình phun thuốc ở tầm xa hơn, giám sát được cây
trong thơng qua camera hoặc có thể sử dụng máy bay
linh động hơn cho mục đích khác.
III.

Hình 12: Vi điều khiển ATMega328P

Máy bơm tăng áp MB385

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Qua quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, chúng tơi đã
thiết kế thành cơng mơ 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.
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

Hình 15: Mơ hình sản phẩm

84


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
quỹ đạo bay như hình 16.

khiển, hệ thống phun BVTV sử dụng UAV đã được
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; mơ
hình có thể phun được cho cây cao rất hiệu quả; đồng
thời có thể hoạt động tốt khi bay lên cao, trong khơng
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 mơ hình này, cần có một khơng
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 mơ hình tốt để
có thể xử lí các tình huống khơng 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.
Thuốc BVTV được phun dưới dạng sương và phủ đều
khắp sa hình thử nghiệm (hình 18).

IV.

KẾT LUẬN

Trong bài báo này, chúng tơi đã trình bày thiết kế, chế
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
Disinfectants”, International Journal of Engineering Research
& Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol. 9 Issue 05,
May-2020.

Hình 17: Máy bay đang thực hiện phun thuốc BVTV

Sau khi chế tạo UAV, tích hợp hệ thống phun, cũng
như hiệu chỉnh phần cứng và đồng bộ phần mềm điều

ISBN: 978-604-80-5076-4

85