一種草莓采摘機(jī)的控制系統(tǒng)

榮紹光

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 雅安 625014）

在當(dāng)今世界，草莓因其酸甜可口的味道以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，正受到世界各地越來越多人們的喜愛。中國(guó)草莓經(jīng)濟(jì)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。然而我國(guó)草莓生產(chǎn)機(jī)械化采摘水平仍然較低，加之近年來農(nóng)村勞動(dòng)力急速流失，采摘時(shí)間得不到保障，使草莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。目前，在我國(guó)的一些草莓種植園中采摘效率與采摘成本沒有得到平衡，有的為了提高采摘效率不得不提高人力成本，有的為了解決人力成本，不得不降低采摘效率，從而造成一定程度浪費(fèi)。如果能對(duì)傳統(tǒng)的人力采茶方式做一次機(jī)械化的變革，既可以保證高強(qiáng)度的采摘效率，又能降低由此帶來的運(yùn)行成本，高效率利用資源。將智能化控制技術(shù)與采摘設(shè)備相結(jié)合，可以大大減少人力成本的投入。因此提高草莓采摘過程的機(jī)械化水平是促進(jìn)市場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

為了解決智能化采摘的問題，據(jù)此，我們針對(duì)當(dāng)下草莓采摘機(jī)設(shè)計(jì)了一種基于ARMCortex-M3內(nèi)核的增強(qiáng)型微處理器STM32F103作為系統(tǒng)單元的控制系統(tǒng)，包括移動(dòng)底盤控制模塊、機(jī)械臂控制模塊、采摘抓手控制模塊、圖像識(shí)別模塊、用于控制協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作的微處理器模塊。

移動(dòng)底盤控制模塊用于控制采摘機(jī)的移動(dòng)，該模塊使其沿著田壟的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。移動(dòng)底盤為履帶式，有利于采摘機(jī)在山地和丘陵地區(qū)行走，并且便于轉(zhuǎn)彎。移動(dòng)平臺(tái)控制模塊包括四個(gè)第一直流無刷伺服驅(qū)動(dòng)器、四個(gè)第一直流伺服電機(jī)和四個(gè)第一編碼器。四個(gè)第一直流無刷伺服驅(qū)動(dòng)器接收來自維持其模塊的控制信號(hào)，并通過四個(gè)第一直流無刷伺服電機(jī)控制移動(dòng)平臺(tái)的兩幅履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)械臂控制模塊用于控制機(jī)械采摘末端到達(dá)指定位置，該模塊主要由可伸縮桿和直流電機(jī)，以及轉(zhuǎn)向輪和舵機(jī)組成。其中直流電機(jī)控制可伸縮桿變換采摘距離，舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪變換采摘方向。在采摘過程中，由圖像采集模塊識(shí)別草莓位置信息后，機(jī)械臂的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)伸縮桿帶動(dòng)末端裝置伸長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度，采摘抓手完成夾取動(dòng)作，之后機(jī)械臂開始回收。當(dāng)回收一定距離時(shí)草莓受足夠拉力與葉梗分離，完成采摘。而由于在實(shí)際采摘中，為實(shí)現(xiàn)采摘的最優(yōu)化需要采摘末端裝置以不同的角度完成夾取動(dòng)作，因此舵機(jī)需要根據(jù)最優(yōu)算法，控制轉(zhuǎn)向輪使機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)一定角度然后再由末端裝置完成夾取動(dòng)作。

采摘抓手控制模塊用于控制夾取裝置的動(dòng)作，該模塊主要由收納裝置、舵機(jī)、四桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸和相關(guān)配件組成。舵機(jī)為整個(gè)末端提供咬合力，舵機(jī)輸出的力通過齒輪的傳導(dǎo)作用傳遞到傳動(dòng)軸上，再由傳動(dòng)軸傳遞至另一側(cè)的齒輪，由此可以實(shí)現(xiàn)兩對(duì)齒輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪的來回轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)中的連桿做弧形動(dòng)作，而抓手固定在連桿上，即抓手同樣呈現(xiàn)圓弧軌跡的弧形動(dòng)作，由此可以模擬出草莓采摘過程中的夾取動(dòng)作。同時(shí)，末端抓手的夾取部位加上了彈性柔順層，一方面為了避免抓手下方的夾持力過大損傷果實(shí)，另一方面則是保證有在向上移動(dòng)時(shí)有足夠大的靜摩擦力使抓手能可靠地夾住草莓并脫離葉莖。

圖像識(shí)別模塊用于草莓圖像信息的采集，該模塊主要由用于圖形采集的攝像頭和依托處理器的圖像處理系統(tǒng)組成。攝像頭面向草莓種植架安裝在采摘絲桿的攝像頭安置底座上，對(duì)外側(cè)的草莓進(jìn)行有效識(shí)別，圖像處理系統(tǒng)運(yùn)用預(yù)存在其中的算法，在識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行線性定位，確定距離草莓的距離。草莓采摘機(jī)圖像獲取后的關(guān)鍵就是信息視覺處理，由圖像識(shí)別模塊計(jì)算目標(biāo)的空間位置，然后控制機(jī)械臂移動(dòng)到預(yù)定位置，采摘抓手控制模塊靈活移動(dòng)直到完成采摘。

微處理器模塊用于協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊，該模塊主要為單片機(jī)STM32F103，其適用于電力電子系統(tǒng)方面的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝置控制。芯片外接最大64K字節(jié)的SRAM，用于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。該芯片具有32位的Cortex-M3內(nèi)核，能夠很好地滿足草莓采摘機(jī)對(duì)如機(jī)械臂控制模塊和采摘末端控制模塊的控制需要。

智能化草莓采摘機(jī)的研究對(duì)于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采摘的發(fā)展具有重要意義。尤其對(duì)于產(chǎn)業(yè)量大，人力成本高的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)如草莓等水果作物的自動(dòng)化采摘，既大大提高了效率，又降低了成產(chǎn)成本。本文研究設(shè)計(jì)出的草莓采摘機(jī)，充分利用草莓采摘時(shí)的力學(xué)特性，不傷害果實(shí)，此外結(jié)合機(jī)器視覺并有效提高采摘效率。除了對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，在對(duì)于控制算法以及圖像處理算法的改進(jìn)和完善方面，未來還有很大的研究空間。