基于立體化草莓種植模式的智能采摘設備

景旭 晏麗琴 劉趙濤

摘 要：針對目前市場上的立體化種植模式下的草莓采摘工作存在采摘效率低、人工勞動強度大及成本高的問題，設計一種能適合于立體化草莓種植模式的智能采摘設備十分有必要。整個設備由智能小車、專用導軌、超聲波傳感器、顏色傳感器、剪切機構、收集裝置組成。

關鍵詞：草莓;立體化種植;超聲波傳感器;顏色傳感器;輔助人工采摘

1 設計思路

基于立體化草莓種植模式的智能采摘設備適用于立體化種植模式下的草莓采摘工作，提高了工作效率，減輕了工人的勞動強度。

（1）工作原理。智能小車在專用導軌上沿既定路線行走，車頭前端安裝了迷你型超聲波傳感器和顏色傳感器。小車在前進過程中，超聲波傳感器不斷向外發射超聲波，根據聲波返程時間判斷草莓至小車的距離，通過數據傳輸裝置自動記錄信息，并將數據傳輸給采摘小車，隨后小車前進，當小車運動到顏色傳感器的探測范圍時，顏色傳感器會根據草莓的顏色判斷草莓是否成熟。若草莓成熟，則小車暫時停止運動，并且通過小車上的自動剪切裝置將草莓采摘下來，并使草莓順勢落入收集裝置，若檢測到草莓還未成熟時，則小車繼續前進，直至檢測到成熟草莓時實現自動采摘。不斷重復上述步驟，從而實現草莓的自動采摘。為了保證草莓能被從根部切斷，設計了偏心輪四桿機構控制采摘臂位置，使其能始終做上下往返運動，從而保證有良好的采摘效果。

（2）設計背景。草莓雖然果實色澤鮮艷，液汁豐富，味美可口，極富營養價值和保健價值。但是，草莓按次序先后開花，在草莓收獲期，每天至少收獲兩次。并且立體化的草莓種植模式基本已經普及，人工每摘一處草莓所需要的勞動強度和作業量都非常大。同時，隨著農村勞動力向第三產業轉移以及農村勞動力的婦女化和老齡化問題日趨嚴重，草莓采摘工作出現“用工荒”。由此設計一種能適合于立體化種植模式下的智能草莓采摘設備，對于提高效率，降低成本，減輕工人的勞動強度有十分重要的作用。

2 設計方案

（1）總體設計思路：超聲波測距——辨別草莓成熟程度——篩選、分離——草莓采摘及收集。

1）超聲波測距。該設備采用HC-SR04超聲波傳感器不斷向外發射超聲波，根據聲波返程時間判斷草莓至小車的距離，并將數據傳輸給采摘小車。

2）顏色傳感器辨別草莓成熟程度。該設備采用TCS230顏色傳感器，當小車運動到顏色傳感器的識別范圍之內時，通過顏色傳感器判斷草莓是否成熟。

3）成熟草莓和未成熟草莓的篩選及分離：

如圖1所示，篩選及分離系統由超聲波傳感器和顏色傳感器及舵機組成。當超聲波探測到前方草莓與其最短距離時，舵機1順時針旋轉180°，顏色傳感器識別顏色。若識別到紅色，則舵機2不旋轉，小車暫時停止運行，采摘臂完成采摘工作;若識別到綠色，則舵機1旋轉180°，舵機2同時旋轉90°，采摘臂恢復到最大原始距離，小車繼續前進。

4）草莓采摘及收集：

如圖2所示，當草莓由采摘臂采摘下來時順勢落入收集裝置中，為了減少草莓的損傷率，特意將草莓輸送管道設計成平滑過渡的形狀。

（2）電機的選擇。由于直流電機具有良好的啟動特性和調速特性，并且轉矩較大，相對于交流電機比較節能環保。因此，該設備采用12V直流電機，通過Arduino編程程序并配合L298N電機板驅動模塊來使所選的電機能達到設計要求。

3 創新點及應用前景

（1）創新點。1）設備采用Arduino程序自動控制運行，實現了智能化;2）采用超聲波傳感器測距，可以快速準確確定草莓位置，利用顏色傳感器識別草莓的成熟程度，可以避免未成熟草莓誤摘;3）裝置中還設置了避障機構，可以隔開草莓葉片、未成熟草莓等，起到保護作用;4）針對立體化種植模式的特點，將設備架設在設計好的固定軌道上，采摘工作安全可靠;5）采摘機構與收集裝置通過柔性連接，以保證采摘過程對產品不會造成損傷，提高生產質量。

（2）應用前景。傳統的草莓采摘工作仍然以人工為主，勞動強度大，采摘效率低。目前市場上傳統草莓種植行業，基本已經實現升級，即立體化、無土栽培技術基本普及，為此，我們所設計的這款智能草莓采摘設備能根據設計好的程序自動實現草莓采摘工作，從而提高效率，降低成本，特別適合基于立體化較大規模種植模式下的草莓采摘工作，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1]童正仙.基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現[M].浙江農業科學，2016.

[2]牟海榮.基于機器視覺的工業機器人分揀技術研究[J].科技創新與應用，2014.