智能草莓田間管理機(jī)器人的設(shè)計(jì)

陳思羽 邱學(xué)華 陳晨

摘要 為適應(yīng)基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的“智造”需求，解決目前草莓大棚化種植人工管理投入大、供過于求等難題，設(shè)計(jì)出一款智能草莓園管理機(jī)器人。該裝備可實(shí)現(xiàn)對草莓的成長環(huán)境監(jiān)測調(diào)控、遠(yuǎn)程查詢生長狀況、草莓成熟期自動(dòng)采摘裝袋等功能。該款智能草莓園管理機(jī)器人通過四輪移動(dòng)平臺(tái)，可以在草莓大棚寬道上來回移動(dòng);通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測單株草莓的生長環(huán)境，從而可以實(shí)時(shí)對植株的生長狀況進(jìn)行調(diào)控;同時(shí)，設(shè)計(jì)有噴灑農(nóng)藥的自動(dòng)噴灑泵，可以單株對點(diǎn)噴灑農(nóng)藥;通過具有顏色識(shí)別功能的草莓采摘頭，識(shí)別成熟的草莓并進(jìn)行采摘裝袋。該款草莓園管理機(jī)器人的研發(fā)，對提高草莓行業(yè)的種植效率和采摘效率，實(shí)現(xiàn)草莓大棚管理的無人化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化將發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞 草莓;田間管理;采摘;機(jī)器人

中圖分類號(hào) S224文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）10-0179-03

Abstract An intelligent strawberry garden management robot was designed in order to meet the needs of modern agriculture development and solve the problems such as large investment in artificial management and oversupply of strawberry plantation. The equipment can monitor and control the growth environment of strawberry， inquire the growth status of strawberry remotely， pick and pack bag automatically in the ripening period of strawberry and so on. The intelligent strawberry garden management robot can move back and forth in the strawberry shed wide lane through a fourwheel mobile platform. The temperature and humidity sensor can be used to monitor the growth environment of a single strawberry plant in real time， so that the plant growth can be regulated in real time. At the same time， an automatic spraying pump can be designed to spray pesticide per plant. Ripe strawberries can be identified and picked by a strawberry picking head with color recognition function. The design of the robot will play an important role in improving planting and picking efficiency of strawberry industry， realizing unmanned， intelligent and standardized management of strawberry shed.

Key words Strawberry;Field management;Pick;Robot

近年來，隨著草莓育種與栽培技術(shù)、病蟲害防治技術(shù)以及深加工技術(shù)的進(jìn)步，草莓種植在全世界得到了極大的推廣。目前在一些地區(qū)草莓種植已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，成為農(nóng)民致富的主要來源。我國現(xiàn)在草莓的種植方式以現(xiàn)代化大棚種植為主，這種方式不僅提高了草莓的產(chǎn)量和質(zhì)量，也給草莓種植農(nóng)戶帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

草莓果實(shí)的成熟期短，不容易采摘，柔軟的果肉容易在采摘過程中受到傷害，影響儲(chǔ)存和運(yùn)輸。由于草莓特殊的生長特性和果實(shí)形態(tài)等特點(diǎn)，草莓果實(shí)比較脆弱，加上其體積較小，所以存在較高的破碎率和漏采率[4-6]。發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)即使已實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，但采摘環(huán)節(jié)仍依賴大量人工來完成。因此，實(shí)現(xiàn)采摘作業(yè)的自動(dòng)化已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。目前國內(nèi)外針對溫室采摘機(jī)器人技術(shù)開展了大量研究[7-11]，但草莓田間管理的自動(dòng)化程度仍然較低。筆者針對目前國內(nèi)外草莓生產(chǎn)、研究的現(xiàn)狀，對適用于我國栽培草莓的管理機(jī)器人進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出對草莓園進(jìn)行全面智能管理的機(jī)器人，旨在實(shí)現(xiàn)草莓管理的標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。

1 智能草莓田間管理機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思路

草莓的管理和采摘需要嚴(yán)格的管理方式，該機(jī)器人為了解決上述問題，方案最終確定為無人控制的管理系統(tǒng)，移動(dòng)平臺(tái)會(huì)根據(jù)草莓種植的規(guī)模和具體的路徑設(shè)定移動(dòng)的軌跡和速度。運(yùn)用溫濕度傳感器檢測草莓種植大棚的溫濕度，并實(shí)時(shí)反饋給管理者，從而達(dá)到更加合理地管理草莓的生長環(huán)境，確保草莓質(zhì)量的目的。通過溫濕度監(jiān)控裝置返回的指令，噴灑模式可依據(jù)溫濕度反饋情況隨時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)噴水，也可根據(jù)管理員預(yù)先設(shè)定的日期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)并執(zhí)行噴藥、噴營養(yǎng)液等功能。采摘方面，采摘頭的槽內(nèi)裝有顏色傳感器，機(jī)器根據(jù)顏色色度準(zhǔn)確地識(shí)別色彩不一的物體或物體的不同部位，當(dāng)檢測到成熟草莓時(shí)，機(jī)器就會(huì)完成自動(dòng)采摘并裝袋，然后運(yùn)輸?shù)酱笈飪啥说募茏由侠^續(xù)采摘。智能草莓園管理機(jī)器人外形如圖1所示。

2 智能草莓管理機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

移動(dòng)平臺(tái)采用的是四輪四電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，采用鋁合金框架式車身，上部可載有控制盒、儲(chǔ)物箱和采摘臂（圖3）。其框架大小是根據(jù)實(shí)體大棚2個(gè)草莓種植槽之間的距離設(shè)定的，可以確保順暢通過直接通道，同時(shí)還方便轉(zhuǎn)向、起動(dòng)和停止。在控制上，采用的4個(gè)供力電機(jī)均由單片機(jī)控制，提高了準(zhǔn)確性和靈活性。

采摘頭有一個(gè)傾斜的通桿，上方裝有2個(gè)固定的口，用于讓草莓果實(shí)從上方通過，方便口中的顏色傳感器識(shí)別草莓的成熟度，在口的后側(cè)是一個(gè)用舵機(jī)帶動(dòng)可以旋轉(zhuǎn)的切割頭，用于割斷成熟草莓的莖。采摘頭利用視覺定位，主要是利用人眼水平視差三角原理進(jìn)行空間坐標(biāo)計(jì)算。在草莓采摘機(jī)器人中，使用雙目視覺進(jìn)行草莓空間坐標(biāo)的定位。首先，要對雙目視覺傳感器進(jìn)行單目標(biāo)定，從而獲得視覺傳感器的內(nèi)部參數(shù);其次要進(jìn)行視覺傳感器的雙目標(biāo)定，從而獲得2個(gè)視覺傳感器的空間旋轉(zhuǎn)（R）和平移矩陣（T）。在獲得視覺傳感器的內(nèi)參和外參后，需要對視覺傳感器采集到的草莓圖像進(jìn)行雙目矯正，從而使得圖像的垂直視差為0。在得到雙目矯正后的圖像后，需要對草莓圖像顏色進(jìn)行閾值分割。通過顏色閾值分割，將草莓和環(huán)境背景相分離。隨后進(jìn)行圖像形態(tài)學(xué)處理，通過膨脹腐蝕、空洞填充，從而獲得草莓的理想二值化模型。草莓采摘頭外形如圖4所示。

3 智能草莓管理機(jī)器人的工作模式

該系統(tǒng)包括生長期溫濕度檢測與控制、噴灑模式、成熟期草莓采摘3種工作模式。這3種工作模式分別由3個(gè)獨(dú)立按鍵來控制完成，用戶只需要在起始位置選擇自己的工作方式就可以讓它自行工作。

3.1 溫濕度檢測模式

該模式下機(jī)器人通過溫濕度傳感器檢測草莓生長溫濕度，如果出現(xiàn)異常就作出提示，檢測的數(shù)據(jù)通過SIM900A傳輸?shù)焦芾碚叩氖謾C(jī)，管理者可以根據(jù)該信息進(jìn)行調(diào)控，執(zhí)行噴灑、控光或者通風(fēng)控制，具體流程如圖5所示。

3.2 噴灑模式

該模式下用戶先將配制好的農(nóng)藥裝進(jìn)機(jī)器人的儲(chǔ)物倉內(nèi)，連接上噴灑管，然后將機(jī)器人安放到起始位置，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的路線進(jìn)行噴灑作業(yè)，光電傳感器檢測到植株后將信息返回給單片機(jī)，單片機(jī)控制農(nóng)藥噴灑泵噴灑水、農(nóng)藥或者營養(yǎng)液。智能草莓管理機(jī)器人噴灑控制程序如圖6所示。噴灑模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了噴灑的細(xì)化、小型快速化，并且這樣的噴灑模式有利于農(nóng)作物的均勻調(diào)控，保證了植株的受藥量統(tǒng)一，不僅具有原來機(jī)器噴灑的快速高效，而且防止了人體受到農(nóng)藥的侵染、引發(fā)過敏等一系列傷害。

3.3 成熟期草莓采摘模式

該研究的草莓自動(dòng)識(shí)別與定位技術(shù)采用比較成熟的RGB顏色模型，RGB顏色模型以三基色為基準(zhǔn)，通過改變?nèi)臄?shù)量，可以混合出不同的顏色。通過攝像頭獲取草莓視頻圖像，然后利用圖像分割技術(shù)，完成對成熟草莓的識(shí)別和空間坐標(biāo)定位，以及實(shí)現(xiàn)草莓收獲的自動(dòng)化。

草莓采摘功能是該機(jī)器人的主要功能，這樣的采摘方式與原來的人工相比不僅速度快而且高效，避免了手與草莓的接觸，減少了對草莓的傷害和污染，延長了草莓的貯運(yùn)時(shí)間。

4 結(jié)論

該款草莓智能管理機(jī)器人通過自動(dòng)控制和簡單的檢測傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了集檢測、田間管理、采摘于一體的智能化管理。其中無線模塊的運(yùn)用，使管理者可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測并進(jìn)行田間管理。該款機(jī)器人操作簡單，不僅解決了草莓種植管理上的難題，還為農(nóng)業(yè)無人化、智能化技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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