張西順，李彩霞，馬 丹，高 聰，徐田欣

(德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州 253023)

0 引言

目前設(shè)計(jì)的智能化水果采摘系統(tǒng)中美國、英國、日本都已取得了一定的成就，但由于我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展緩慢，起步較晚等現(xiàn)狀制約了我國水果采摘機(jī)的發(fā)展。雖然很多國家在采摘機(jī)上取得了一些成就，但由于開發(fā)系統(tǒng)的局限性或生產(chǎn)成本較大致使不能投入到真正的生產(chǎn)中。由于20世紀(jì)開發(fā)環(huán)境的限制，造成了采摘機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)度較慢或投入成本較大等問題的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在設(shè)計(jì)智能化水果采摘機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)直接采用目前市場上較為流行的開發(fā)平臺不斷促進(jìn)采摘機(jī)在設(shè)計(jì)過程中減少開發(fā)費(fèi)用，并且利用更加理想的操作平臺來提高采摘機(jī)的實(shí)用價(jià)值［1］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)采摘機(jī)的良好運(yùn)行以及能夠提高采摘水果的采摘率，整個(gè)控制系統(tǒng)分為信號采集部分、信息處理部分、信號輸出部分，它們相互輔助共同來滿足采摘等過程的工作?？刂葡到y(tǒng)是在VC++6．0和PLC平臺下進(jìn)行的控制集成，針對不同部位的操作需求，根據(jù)其特點(diǎn)選擇系統(tǒng)平臺進(jìn)行編程控制，可有效地滿足在整個(gè)操作過程中對水果的識別、采摘、分類等一系列工作。在整個(gè)作業(yè)過程中都需要信息的不斷輸入和輸出，這就需要在不同部位實(shí)施一定的傳感裝置來滿足工作要求，再結(jié)合控制中心對信號的處理直接控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，智能的完成采摘工作。信號傳輸圖示如圖1所示。

圖1 整體控制圖

1．1 視覺識別系統(tǒng)

在水果采摘前期需要運(yùn)用先進(jìn)的識別系統(tǒng)對周圍環(huán)境進(jìn)行信息采集，將信號輸入到控制中心，可以有效地規(guī)劃整個(gè)機(jī)器在運(yùn)動(dòng)中的路徑和方位。在水果采摘過程中需要識別系統(tǒng)對水果和周圍的樹干、枝葉進(jìn)行信息收集然后通過分辨可以篩選出真正的水果，直接控制機(jī)械手對水果進(jìn)行采摘，提高了采摘過程中的效率。識別過程中選擇了CCD攝像機(jī)，能夠滿足圖像的采集功能，并且由于它具有體積小、重量輕、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好的滿足在運(yùn)動(dòng)過程中的圖像采集作業(yè)。由于在對水果識別過程中很多水果呈現(xiàn)圓形或橢圓形，CCD攝像機(jī)可以利用水果的特點(diǎn)直接拾取其外部邊緣能夠較方便的區(qū)分出水果與周圍雜物。方便快捷的識別水果的定位，有助于提高水果的采摘率［2］。

1．2 傳感系統(tǒng)

采摘機(jī)在工作過程中的采摘、分類都需要傳感器進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同傳感器對物體的形狀識別來進(jìn)行分辨水果和其他物體，或者根據(jù)水果的尺寸來對水果進(jìn)行分類。為了在設(shè)計(jì)過程中達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化的目的，對于形狀和尺寸的檢測均使用復(fù)合觸覺傳感器，它可以根據(jù)對象直接對其形狀和尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠袃?nèi)來根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行作業(yè)。在測定水果和采摘機(jī)械手位置時(shí)使用電位式位移傳感器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、精度高等特點(diǎn)較好的適用于戶外環(huán)境中。如圖2為直線型電位器式位移傳感器。表1為實(shí)際距離與測量距離的差值統(tǒng)計(jì)表。

圖2 直線型電位器式位移傳感器

表1 實(shí)際距離與測量距離的差值統(tǒng)計(jì)

由于水果與采摘機(jī)械手的位置直接影響到水果采摘的效率，也影響水果在采摘過程中的合格率，為了更加有效的提高位移測量值，在對采摘機(jī)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行試驗(yàn)得出取樣值與實(shí)際位移值的偏差，可以有效地控制位移量以此來提高采摘效率和合格程度。

根據(jù)1．0～2．0 m的實(shí)際距離，實(shí)際距離與測量距離的偏值最大為0．03 m，由于果實(shí)在成熟時(shí)直徑在0．1 m左右，所以能滿足實(shí)際采摘的操作要求［3］。

1．3 控制中心

作為整個(gè)采摘控制系統(tǒng)的“大腦”，控制中心對于整個(gè)采摘過程起到至關(guān)重要的作用，在傳感器以及CCD攝像機(jī)采集信息后傳輸帶控制中心后需要對采集信息進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，以便能夠讓控制中心識別信息內(nèi)容。在對水果識別時(shí)對水果的輪廓建立數(shù)學(xué)模型，在控制中心對水果形成記憶性，信號輸送到控制中心后直接和建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對比，出現(xiàn)和數(shù)學(xué)模型相似的形狀就進(jìn)行采摘，否則自動(dòng)放棄，在進(jìn)行下一個(gè)位置的識別。而對水果的分類基于VC++6．0的操作平臺下，編制一定的程序根據(jù)水果直徑將不同分類的水果放置到不同的果箱中，達(dá)到智能、方便、快捷的目的。

1．4 控制中心與采集裝置之間的通信

采集信息后為了更加有效地實(shí)現(xiàn)對信息的識別、控制等操作，需要采集終端和控制中心建立一定的通信，滿足其信號傳遞功能。在采集終端對信號采集后就會將信號以電位的形式傳輸?shù)娇刂浦行模⑿盘栟D(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)容易識別的二進(jìn)制模式，方便計(jì)算機(jī)的識別和處理。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的信號進(jìn)行自主化處理，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的采摘水果的路線和對水果是否進(jìn)行采摘命令等一系列信號源，再將信號傳輸?shù)綑C(jī)械部分實(shí)現(xiàn)水果的采摘、分類等工作。為了更有效地實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，控制中心與采集裝置之間的通信采用并行通信方式，雙方都無阻礙的發(fā)出信號，這樣從采集信號到輸出信號之間的時(shí)間僅需要幾微秒就可以完成，比一般的串行通信方式速度高2～3個(gè)數(shù)量級。因而可有效地提高控制系統(tǒng)地有效性［4］。故障的發(fā)生，是企業(yè)生存和發(fā)展的有力推手。本文依據(jù)“以可靠性為中心的維修分析”和“修理級別分析”對企業(yè)中使用的機(jī)械設(shè)備維修保障工作進(jìn)行了一些探討，取得了一些成果，可為將來此類設(shè)備的維修保障工作提供了一定的借鑒。

圖3 信號輸送圖

［1］ 吳先文，馮邦軍．機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)［M］．北京:人民郵電出版社，2008．

［2］ 徐宗昌．保障性工程［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2002．

［3］ 張 青，王曉偉，何 芹，等．工程機(jī)械故障診斷與維修［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

［4］ 韓 軍，張德恩 ，楊 宏，等．軍用工程機(jī)械原理與技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．

［5］ 王治宇．論港口機(jī)械設(shè)備的維修管理［J］．科技向?qū)В?014(3):130－131．

［6］ 雷 勇．工程機(jī)械的故障檢測診斷與維修［J］．科技風(fēng)，2013(22):125－126．