樓建忠，李建平，吳 康，陳駿煬

(1.浙江大學 生物系統工程系，杭州 310029；2.浙江機電職業(yè)技術學院 機械工程學院，杭州 310053；3.農業(yè)部設施農業(yè)裝備與信息化重點實驗室，杭州 310029)

0 引言

近年來，溫室無人化管理是溫室種植的一大趨勢，而溫室栽培中采摘和搬運是水果生產最耗時、最費力的環(huán)節(jié)。現有溫室培育過程中搬運和倒料主要依靠人力完成，需要消耗大量的人力、物力，占整個生產過程的40%左右，若鋪設導軌將進一步提高生產成本[1-2]。草莓是廣受大眾喜愛的水果，由于在溫室中培育很容易實現規(guī)范化，若能實現自動采摘及采摘后自動搬運和倒料，將極大地提高采摘效率，實現無人化采摘和管理[3-5]。

目前，國外對水果采摘自動化研究已取得了一定成果。其中，美國、日本等國家研究出了不同類型的水果采摘機器人[6-7]，但采摘完成后水果的搬運和倒料還需要人工進一步完成。我國在該領域的研究起步較晚，對水果特別是草莓等草本植物的水果進行了規(guī)范化種植，使水果的采摘及采摘后搬運和倒料等自動化變得可能。王紹坤等[8-19]對水果采摘末端執(zhí)行器和智能循跡進行了研究，為實現水果無人化種植和管理奠定了一定的基礎。

本文針對溫室種植的具體要求，結合草莓的溫室栽培模式改進，設計開發(fā)了一種應用于溫室的草莓無人化管理的循跡搬運車，可通過無線方式與主機連接，配合自動采摘裝置，實現了溫室大棚種植的無人化管理。

1 草莓的栽培模式改進

為了實現草莓溫室無人化管理，需要改變傳統草莓的栽培模式。傳統草莓栽培采用整片種植的模式中，只有采用人工采摘和搬運才能滿足要求。為了適應機械采摘和自動搬運需要，必須對傳統草莓種植模式進行改進，如圖1(a)所示。立體式規(guī)范化種植既能較好地滿足無人化管理需要，又提高了土地的空間利用率，通過實現采摘和搬運自動化能使采摘效率得到很大程度的提高，如圖1(b)所示。

圖1(c)為改進后草莓無人化種植模型，種植缽體呈梯形布局。采摘機械手通過視覺智能識別成熟的草莓，實現自動采摘；在兩缽架之間放置無人化循跡搬運車實現草莓的自動搬運，最后搬運車將草莓運送至指定地點進行分揀和包裝。

1.種植缽體 2.循跡搬運車 3.草莓分揀包裝機構 4.缽體架

2 無人化搬運車總體結構與工作原理

2.1 總體結構

圖2為草莓采摘無人化搬運車結構圖，系統主要由循跡搬運車和自動卸料裝置兩部分組成。循跡搬運車包括驅動系統、機架和電機座等部分。其中，驅動系統由單片機、紅外光電傳感器、電機和前后驅動輪等組成；自動卸料裝置由底座、連桿機構、料斗、料斗門、推塊、曲柄驅動電機和轉盤驅動電機組成。草莓循跡搬運車各部分相互協作，完成無人化搬運任務。

1.自動卸料裝置 2.循跡搬運車 3.紅外光電傳感器 4.底座 5.曲柄連桿機構 6.料斗門 7.轉盤驅動電機 8.曲柄驅動電機 9.推塊

2.2 工作原理

草莓采摘無人化搬運車工作原理如圖3所示。光電傳感器安裝于搬運車頭部位置，實時對路面情況進行檢測，識別地面的跡線位置，并將其轉換成單片機能辨識和處理的電信號，經比較器處理后送給控制模塊，然后通過驅動芯片驅動電機轉動，驅動搬運車運動，實時控制搬運車沿指定軌跡運行。

圖3 無人化搬運車工作原理圖

草莓無人化搬運流程如圖4所示。搬運車通過紅外光電傳感器智能識別地面的跡線，并不時掃描I/O端口；一旦檢測到I/O口有信號變化，即進入判斷程序，同時將信號發(fā)送至電機以糾正搬運車的運動。當左側傳感器檢測到跡線時，說明搬運車右偏，這時左輪電機停止運動，搬運車往左側修正；當右邊傳感器檢測到跡線時，說明搬運車左偏，這時右輪電機停止運動，搬運車往右側修正。當水果搬運至目的地時，曲柄驅動電機驅動曲柄的同時頂起推塊，從而將料斗頂起；由于曲柄滑塊機構的連架桿與料斗的門相連，固當料斗被頂起的同時，料斗門同時被打開，將采摘的水果自動倒入分揀包裝機構中，實現草莓分揀與包裝。

圖4 草莓無人化搬運流程圖

3 無人化搬運系統方案設計

3.1 控制系統方案設計

無人化搬運系統由3個部分組成，包括主控芯片、驅動電路及傳感器檢測電路。圖5為傳感器信號處理板原理框圖。

圖5 傳感器信號處理板原理框圖

草莓無人化搬運車采用后輪驅動，前輪控制運動方向以實現控制搬運車的目的。在搬運車車體前端裝有左、中、右3個紅外傳感器。搬運車行進過程中，傳感器實時可靠地探測到地面黑線條及黑線條的十字交叉點，單片機不停地掃描傳感器接口，根據接收到的傳感器信息進行判斷和處理。圖6為草莓無人化搬運車系統各部分電路圖。

圖6 草莓無人化搬運車系統電路圖

紅外光電傳感器是利用黑線對不同光線的反射能力，通過光敏三極管接收反射回的不同光強信號，把不同光強信號轉換為電流信號，最后通過電阻轉換為單片機可識別的高低電平。在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化，并檢測跡線判別無人化搬運車的前進或轉向。當搬運車探測到跡線后，根據檢測到跡線的傳感器的編號不同，搬運車做出進退或轉向動作，從而實現自動循跡。左側傳感器探測到跡線的時候，表明循跡搬運車的車頭部分已經向右測偏斜，此時主控程序控制前輪的電機反向轉動，車身將向左測進行修正；當循跡搬運車的右測傳感器探測到跡線時，主控程序控制前輪的電機正向轉動，車身將向右測進行修正；當跡線在車體的中間、位于中間的傳感器一直探測到跡線時，搬運車就會沿著跡線自動循跡。

3.2 電機驅動原理

L298N電機專用驅動芯片是一個內部有兩個H橋的驅動芯片，用來驅動電機。使用標準邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。

H橋電機驅動電路包含4個三極管和一個電機，如圖7(a)所示。不同三極管對的導通情況可以控制電機的轉向，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右流過電機，然后再經Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機順時針轉動；當兩個三極管同時導通的情況下，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿逆時針方向轉動。圖7(b)為L298N驅動芯片和直流電機接線圖。

圖7 電機驅動電路圖

電機控制邏輯如下：以電機A為例，當使能端ENA為高電平時，若輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉；若輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機A正轉。兩車輪的運動關系示意圖如圖8所示。

圖8 搬運車前后右輪運動關系示意圖

圖8中：L為兩輪之間的距離(mm)；R為前輪轉向半徑(mm)；v為前輪速度(m/s)；r為后輪轉向半徑(mm)；θ為前輪轉向后角度(°)。

由圖8可得以下關系

(1)

其中，t為采樣時間，θ為當前偏轉角，R為右后輪運行弧度半徑，r為右前輪運行弧度半徑。

由圖7知

(2)

其中，L代表車前后右輪之間的距離。

式(1)和式(2)聯合可得

(3)

則

(4)

4 試驗與結果分析

4.1 試驗設計

試驗場地選擇室內干凈平整油布上進行，如圖9(a)所示。循跡軌道為寬2cm的黑色膠帶，根據傳感器的性能要求傳感器離地面距離d≤3cm。在采摘處軌道設為直線段，搬運車將采摘后的草莓搬運至指定位置的收集框內，需要經過圓弧段。試驗主要目的是驗證搬運車在經過直線段和圓弧段時產生漂移和偏離軌道的情況，以及偏離軌道后重新復位的情況，確定搬運車的循跡失誤率及最小轉向半徑，同時驗證搬運車傾倒機構對傾倒草莓的成功率，從而證實搬運車無人化搬運的可能性。

將搬運車試驗裝置各零件按要求進行裝配和調試，如圖9(b)所示。調節(jié)搬運車位置，讓黑線處于搬運車兩輪之間，啟動搬運車，可以看到搬運車在驅動力作用下開始作直線運動，如圖9(c)所示。當搬運車脫離軌道時，外側任何傳感器檢測到黑線，做出相應的轉向調整，直到中間的傳感器重新檢測到黑線，再恢復正向行駛；當搬運車進入轉彎狀態(tài)時，搬運車實時地檢測黑線，隨時調整車體位置和方向，直到轉彎完成，如圖9(d)所示。當搬運車檢測到倒料位置時，曲柄連桿機構運動，頂起倒料機構的料斗，同時打開料斗門，將草莓倒至存儲區(qū)，如圖9(e)所示。

圖9 循跡搬運車搬運試驗

4.2 試驗結果

將設計與制作的草莓無人化搬運車在預定的模式下進行性能測試，通過調速器調節(jié)搬運車的速度，并調節(jié)傳感器離地面的距離，考察搬運車循跡速度和轉向半徑對循跡成功率的影響情況，確定在一定運行速度υ下搬運車直線段的循跡失誤率m和圓弧段的循跡失誤率n，以及不發(fā)生脫離跡線的最小轉向半徑r’min和倒料最小傾斜角αmin。

(5)

(6)

其中，E為定速度下直道循跡失誤次數(次)；F為一定速度下彎道循跡失誤次數(次)；H為試驗總次數(次)。

搬運車循跡倒料各因素對搬運車性能的影響結果如圖10所示。

圖10 各因素對循跡車成功率的影響

結果表明：設定傳感器離地面距離d=2cm，在直線段當所設計的循跡搬運車運行速度υ≤1.2m/s時，能快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進；在轉彎時，當所設計的循跡搬運車運行速度υ≤1m/s時，能快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進，沒有偏離黑線。同時可看出：搬運車運行速度υ對搬運車循跡的影響較小，較好地實現了搬運車智能循跡的目的，且控制響應時間短，穩(wěn)態(tài)誤差?。划斵D向半徑r'接近0即兩條跡線垂直時，搬運車在轉彎處跟蹤準確且運行平穩(wěn)，搬運車整體性能穩(wěn)定。

搬運車倒料性能進行測試表明：當搬運車倒料角度α≥75°時，草莓倒料能保證全部被倒出，即倒料最小傾斜角αmin為75°。

5 結論

1)設計了一種用于草莓溫室無人化管理的循跡搬運車，能夠自動檢測預先設好的跡線，快速穩(wěn)定地跟蹤跡線前進，實現循跡運動。

2)設計并制作了草莓搬運車傾倒機構。由于曲柄滑塊機構的連架桿與料斗的門相連，當料斗被頂起的同時，料斗門同時被打開，將采摘的水果自動倒入存儲箱中或配合分揀或包裝機構，實現水果采摘的自動化。

3)試驗表明：在給定的參數下，搬運車能在直線段和轉彎處快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進，沒有偏離黑線；搬運車能在垂直轉彎處跟蹤準確且運行平穩(wěn)；草莓倒料最小傾斜角αmin為75°。

4)所設計的循跡搬運車尚需做進一步的試驗和改進，但循跡小車的設計思路為解決水果的無人化智能采摘管理提供了設計思路。