Luận án nghiên cứu điều hướng robot di động trong nông nghiệp thông minh

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ DUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU HƯỚNG CHO ROBOT DI ĐỘNG PHỤC VỤ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY TRỒNG TRONG NÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2026 ii BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ DUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU HƯỚNG CHO ROBOT DI ĐỘNG PHỤC VỤ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY TRỒNG TRONG NÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 Xác nhận của Học viện Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ TS. Ngô Mạnh Tiến GS. Phan Xuân Minh Hà Nội - 2026 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án: "Nghiên cứu giải pháp điều hướng cho robot di động phục vụ giám sát môi trường và sự phát triển của cây trồng trong nông nghiệp" là công trình nghiên cứu của chính mình dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn. Luận án sử dụng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc.

Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tác giả. Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hà Nội, ngày tháng năm 2026 Tác giả luận án (Ký và ghi rõ họ tên) NCS.

Nguyễn Thị Duyên ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ được hoàn thiện bởi sự cố gắng của chính bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của Thầy và Cô hướng dẫn khoa học, một số chuyên gia, đồng nghiệp, bạn bè và người thân trong gia đình. Trước tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Tập thể hướng dẫn khoa học: Cô GS. Phan Xuân Minh và Thầy TS. Ngô Mạnh Tiến.

Nghiên cứu sinh đã nhận được những định hướng khoa học, những bài học quý báu, sự hướng dẫn tận tình và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học quý giá trong nghiên cứu từ Thầy và Cô. Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo và cán bộ của Viện Công nghệ thông tin, Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Em xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám đốc Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban chủ nhiệm và các đồng nghiệp Khoa Cơ Điện, đã quan tâm, giúp đỡ em hoàn thành nhiệm vụ. Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, sự khuyến khích động viên của gia đình là động lực để em hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2026 Tác giả luận án NCS. Nguyễn Thị Duyên iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu nghiên cứu của luận án.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án. TỔNG QUAN VỀ ROBOT DI ĐỘNG TRONG NHÀ KÍNH NÔNG NGHIỆP .1 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot di động .2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu trong nước.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .3 Robot di động giám sát môi trường và sự phát triển của cây trồng trong nhà kính nông nghiệp thông minh .1 Robot di động thu thập thông số môi trường canh tác nhà kính nông nghiệp .2 Robot di động thu thập, xử lý dữ liệu và nhận diện hình ảnh cây trồng .3 Quá trình điều hướng cho robot di động hoạt động trong môi trường nông nghiệp .4 Kết luận chương 1.

GIẢI PHÁP ĐIỀU HƯỚNG CHO ROBOT DI ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU GIÁM SÁT TRONG NÔNG NGHIỆP .1 Mạng cảm biến không dây trong nhà kính sản xuất nông nghiệp .1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây .2 Mô hình mạng cảm biến không dây trong nhà kính nông nghiệp .3 Giả thiết mô hình mạng cảm biến không dây và yêu cầu thu thập dữ liệu. Xác định số lượng nút cảm biến đầu cụm .3 Điều hướng robot di động thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến .4 Đề xuất thuật toán điều hướng cho robot di động thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến không dây .1 Mục tiêu và các ràng buộc của bài toán .2 Thuật toán điều hướng cho robot di động thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến không dây. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thuật toán MRNA .1 Đánh giá kết quả mô phỏng thuật toán MRNA .2 So sánh hiệu suất của thuật toán MRNA với một số thuật toán tương tự khác ảnh hưởng đến tuổi thọ của mạng cảm biến không dây.6 Kết luận chương 2. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN SÂU BỆNH CÂY TRỒNG TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO .2 Khử nhiễu ảnh cây trồng do robot di động thu thập từ cảm biến hình ảnh tại một số nút cảm biến .1 Nhiễu trong ảnh cây trồng trong nhà kính nông nghiệp .2 Phương pháp khử nhiễu ảnh dựa trên biến đổi Wavelet .3 Mô phỏng và đánh giá kết quả .3 Nâng cao chất lượng phát hiện sâu bệnh cây trồng trong nhà kính nông nghiệp trên cơ sở trí tuệ nhân tạo .1 Các phương pháp phát hiện sâu bệnh cây trồng trong nhà kính nông nghiệp .2 Mô hình AI sử dụng trong phát hiện sâu bệnh trên cây trồng .3 Mô hình YOLO trong phát hiện sâu bệnh cây trồng.4 Cải tiến mô hình YOLO nhằm nâng cao chất lượng phát hiện sâu bệnh cây trồng .5 Mô phỏng mô hình đề xuất .6 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất của mô hình .4 Kết luận chương 3 .94 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .97 TÀI LIỆU THAM KHẢO .98 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 1.

Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 𝐸𝑋𝑇 Năng lượng tiêu hao để truyền dữ liệu của nút J cảm biến 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 Năng lượng điện tử tiêu hao J 𝐸𝑎𝑚𝑝(𝛾, 𝑑) Năng lượng mạch khuếch đại vô tuyến J d Khoảng cách truyền m 𝛾 Số bit dữ liệu truyền đến nút thu bit 𝐸𝑘 (𝑡) Năng lượng tiêu hao tổng của nút k trong vòng J lặp t 𝐸0 Năng lượng ban đầu của nút cảm biến J 𝑁 Số nút cảm biến trong mạng cảm biến nút RW Bán kính bánh xe mm 𝜔𝑖 Vận tốc góc của của bánh xe i rad/s 𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 Vận tốc tịnh tiến của tâm Robot m/s 𝜔𝑧 Vận tốc góc quanh tâm của robot rad/s Vr = [𝑣𝑥 , 𝑣𝑦 , 𝜔𝑧 ] Véc tơ vận tốc của Robot 𝑃𝑉𝑘 Giá trị ưu tiên của nút thứ k 𝑀 Số nút cảm biến đầu cụm trong mạng cảm biến cụm đang xét 𝑅 Tốc độ truyền dữ liệu Kb/s 𝑙𝑚𝑎𝑥 Khoảng cách lớn nhất giữa trung tâm điều m khiển và một nút cảm biến trong mạng cảm biến ξ0 Thời gian báo cáo quy định trước s ttr0 Tổng thời gian robot di động sử dụng cho việc s di chuyển 𝑡𝑐𝑜𝑙0 Thời gian thu thập dữ liệu từ nút cảm biến đầu s cụm xa nhất 𝑙𝑓 Bán kính trung bình của hình quạt tròn m 𝐻𝑓 Diện tích của hình quạt tròn m2 𝜑𝑓 Góc hình quạt radian 𝜌 Mật độ nút cảm biến trong mạng cảm biến nút/m² ξ𝑖𝑗 Chi phí để truyền dữ liệu và MR di chuyển từ s nút i đến nút j 𝑁𝑓 Số nút cảm biến trong vùng cảm biến đang xét nút ℜf(t) Tổng chiều dài quỹ đạo di chuyển của robot m MRf trong khu vực nhiệm vụ của nó tại vòng lặp thứ t 𝑔̂ Biểu thị ảnh quan sát được vi Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị gi , j Biểu thị ma trận của ảnh gốc w Nhiễu trắng Gaussian cộng i , j Biểu thị hàm nhiễu 𝑤𝑖𝑗 Hệ số wavelet gốc 𝑤 ̂𝑖,𝑗 Hệ số sau khi áp dụng hàm ngưỡng  Giá trị ngưỡng ˆ w Tham số ước lượng  Tham số tỉ lệ α𝑘 (z𝑘 ) Hàm sigmoid α Hệ số tỷ lệ mAP Giá trị trung bình của độ chính xác trung bình 2. Danh mục các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt NCS Nghiên cứu sinh ROS Robot-Operating-System Hệ điều hành điều khiển robot MR Mobile Robot Robot di động SLAM Simultaneous Localization Định vị và xây dựng bản đồ and Mapping đồng thời TEB Timed Elastic Band Dải đàn hồi có ràng buộc thời gian CO2 Carbon dioxide Khí các-bô-níc WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây CH Cluster Head Nút cảm biến đầu cụm NCC Network Control Center Trung tâm điều khiển mạng MRNA Monitoring Robot Thuật toán điều hướng robot Navigation Algorithm di động giám sát OMS Optimal Movement Chiến lược chuyển động tối Strategy ưu MES Mean Square Error Sai số bình phương trung bình DWT Discrete Wavelet Biến đổi Wavelet Rời rạc Transform DuTS Dual-threshold shrinkage Phép co rút ngưỡng kép AWGN Additive White Gaussian Nhiễu Gaussian trắng cộng Noise AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo IoT Internet of Things Internet vạn vật vii Chữ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt CNNs Convolutional Neural Mạng nơ-ron tích chập Networks Fast Region-based Mạng nơ-ron tích chập dựa R-CNN Convolutional Network trên vùng nhanh YOLO You Only Look Once SiLU Sigmoid Linear Unit Khối tuyến tính kết hợp sigmoid Bộ phát hiện đối tượng một SSD Single Shot Detector lần quét RGB Red Green Blue Đỏ, Xanh Lam, Xanh Lục viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Mô tả nhiệm vụ của robot di động trong nhà kính nông nghiệp [42]. So sánh các phương thức truyền tin trong mạng cảm biến không dây [63]. Thiết lập các tham số mô phỏng.

Chiều dài quỹ đạo và thời gian thực hiện của robot di động. Tuổi thọ mạng theo kích thước và mật độ mạng. Các mô hình nhiễu và hàm mật độ xác suất (PDF) của chúng .2 So sánh hiệu suất PSNR (dB) giữa các kỹ thuật ngưỡng wavelet khác nhau đối với các ảnh bị suy giảm bởi nhiễu Gaussian .3: Tóm tắt các đặc điểm chính khi so sánh các hàm kích hoạt cơ bản.4: Phân tích hiệu suất của YOLOv11n với các giá trị α khác nhau trên bộ dữ liệu bệnh cà chua .