柏滋藝++張燕

摘要：為了解決對(duì)不同成熟度木瓜的采摘問題，設(shè)計(jì)了一種基于RGB色彩傳感器對(duì)木瓜成熟度判斷的 并進(jìn)行自動(dòng)化采摘的控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)利用RGB色彩傳感器對(duì)木瓜顏色進(jìn)行鑒定，通過檢測(cè)輸出控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制采摘機(jī)對(duì)木瓜的采摘。這種采摘系統(tǒng)不僅可以快速、有效地采摘木瓜，而且還可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)成熟度達(dá)標(biāo)的木瓜進(jìn)行采摘。

關(guān)鍵詞：木瓜；采摘機(jī)；成熟度；RGB色彩傳感器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP242.6；S661.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）16-4049-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.056

Research on Picking Machine of Papaya

BAI Zi-yi， ZHANG Yan

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University，Haikou 570228，China）

Abstract： In order to solve the problem of picking on different maturity papaya， a kind of based on RGB color sensor of papaya maturity of judgment and automation control system was designed. The results showed that the design used the RGB color sensor to identify papaya colors， by detecting the output to control the movement of the motor and control picking agencies gathering of papaya. The picking system not only could pick the papaya quickly and effectively， but also can realize only for picking standard maturity papaya.

Key words： papaya； picking machine； maturity；RGB color sensor； motor drive

木瓜是中國(guó)熱帶水果主產(chǎn)品之一，木瓜的主要出產(chǎn)地在臺(tái)灣和海南，其中以海南生產(chǎn)的木瓜質(zhì)量最為優(yōu)質(zhì)。迄今為止，木瓜的種植面積已超過1 133 hm2，年總產(chǎn)值達(dá)1.8億元以上。木瓜因其果肉厚實(shí)鮮美、香甜美味、營(yíng)養(yǎng)豐富，有“百益之果”、“萬壽果”之美稱，是嶺南四大水果之一。木瓜富含17種以上氨基酸及鈣、鐵等微量元素，還含有番木瓜堿和木瓜蛋白酶等，不僅對(duì)人體有健脾消食的作用，還可以達(dá)到美容養(yǎng)顏的效果。因此，木瓜受到越來越多人的青睞。

目前中國(guó)木瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是有相當(dāng)一部分產(chǎn)區(qū)還處于人工作業(yè)階段。這種勞力作業(yè)工作環(huán)境較為簡(jiǎn)陋，安全性不高，會(huì)造成大量勞動(dòng)力的浪費(fèi)。因此，研究水果的成熟度鑒別以及自動(dòng)采摘技術(shù)有著非常重要的意義。本研究設(shè)計(jì)了一種具有木瓜成熟度檢測(cè)功能的采摘機(jī)對(duì)木瓜進(jìn)行采摘，通過改變參數(shù)也可以用于對(duì)芒果等其他作物進(jìn)行采摘。

1 總體設(shè)計(jì)與受力分析

1.1 采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

木瓜采摘機(jī)主要包括切割刀片、電動(dòng)機(jī)、夾持器和執(zhí)行器外殼等。夾持器分為兩段，分別位于執(zhí)行器外殼的外部和內(nèi)部，在執(zhí)行器外殼內(nèi)部設(shè)有夾持器驅(qū)動(dòng)器，用來指揮夾持器動(dòng)作，夾緊或張開，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。夾持器是用來夾緊或釋放果實(shí)和果梗，夾持器內(nèi)側(cè)與果實(shí)相接觸，所以在其內(nèi)側(cè)要有彈性膠層。這樣不僅可以增大夾持器與木瓜的摩擦力，而且彈性膠層可以防止木瓜受到創(chuàng)傷，從而提高了夾持的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

1.2 木瓜采摘受力分析

如圖2所示，假定夾緊木瓜時(shí)，夾持器所受反作用力為F2，摩擦力為f，摩擦因數(shù)為μ，木瓜重量為G。F2=2 f2cosα（f2為果實(shí)對(duì)夾持器的反作用力），當(dāng)F2大于2G/4μ cosα?xí)r，可以夾緊木瓜。一般α選擇范圍為28°～45°，摩擦因數(shù)為0.4～0.6。不同重力、不同摩擦因數(shù)、不同角度木瓜所需要的作用力如表1所示。

2 傳感器測(cè)試與原理

在較為經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的測(cè)量色彩的傳感器中，選擇了RGB色彩傳感器，如圖3所示。其測(cè)量方法分為兩大類：測(cè)光方法和色度分析法。測(cè)光方法是使用各種傳感器，在大量窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量色彩，然后對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理計(jì)算三重刺激值X、Y、Y。色度分析法是使用3個(gè)濾波器的傳感器測(cè)量來自物體的光，傳感器廓線經(jīng)過優(yōu)化，輸出三重刺激值。在這里通過檢測(cè)木瓜果皮的顏色對(duì)其成熟度進(jìn)行判定，選用色度分析法[2-4]。色彩傳感器首先對(duì)木瓜顏色進(jìn)行采樣，傳感器實(shí)現(xiàn)光到光電流的轉(zhuǎn)換；其次因?yàn)樵脊怆娏鞯姆岛苄。员仨氝M(jìn)行放大環(huán)節(jié)；最后將放大后的模擬電壓進(jìn)行輸出，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)用單片機(jī)控制電機(jī)動(dòng)作。

3 采摘流程設(shè)計(jì)圖

對(duì)成熟的木瓜進(jìn)行自動(dòng)化采摘是需要各個(gè)模塊共同協(xié)作完成的，首先啟動(dòng)電源通過傳感器的檢測(cè)判斷木瓜是否成熟，滿足要求后錄入程序的單片機(jī)進(jìn)行控制電動(dòng)機(jī)從而驅(qū)動(dòng)夾持器驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行采摘?jiǎng)幼鱗5]，具體流程如圖4所示。

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化控制領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)日益增大，因其體積小，集成度高等特點(diǎn)受到青睞。而單片機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)所能輸出電壓過小，可能不足以使電機(jī)工作，該系統(tǒng)采用BTN電橋驅(qū)動(dòng)對(duì)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制[6]。該系統(tǒng)可以通過接受傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)行分析，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采摘機(jī)開始工作。當(dāng)輸出電壓達(dá)到一定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn)，采摘活動(dòng)進(jìn)行；當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，電機(jī)不工作。BTN驅(qū)動(dòng)內(nèi)含電流檢測(cè)電路、控制驅(qū)動(dòng)電路，不僅可以簡(jiǎn)化了電路，而且使得控制更為簡(jiǎn)單。在過溫、過壓、過流等電路情況下，芯片會(huì)自動(dòng)停止工作，而且內(nèi)部具有散熱和穩(wěn)壓等作用。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

5 數(shù)據(jù)分析

為了研究該系統(tǒng)的合理性，選取了90個(gè)不同成熟度的木瓜進(jìn)行試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示。對(duì)成熟的木瓜進(jìn)行采摘時(shí)，其準(zhǔn)確操作率可以達(dá)到93%以上。而對(duì)于半成熟木瓜采摘時(shí)考慮到輸送、儲(chǔ)存等問題，其準(zhǔn)確操作率和誤操作率沒有造成很大的影響，而對(duì)于未成熟木瓜采摘時(shí)，其誤操作率趨近于0，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

6 小結(jié)

通過設(shè)計(jì)機(jī)械采摘機(jī)與鑒別成熟度的傳感器配合使用，由驅(qū)動(dòng)電路控制機(jī)械部件進(jìn)行操作，高效穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了對(duì)木瓜的采摘，克服了由果樹高大以及樹梗過硬帶來的不便操作。這種做法不僅提高了果農(nóng)的勞動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)效益，而且減少了木瓜的損傷率以及收獲時(shí)間。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，新型自動(dòng)化機(jī)的優(yōu)越性逐漸體現(xiàn)，該設(shè)計(jì)還可以通過設(shè)定傳感器的不同輸入用于其他水果的采摘，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的廣泛使用。

參考文獻(xiàn)：

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