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養(yǎng)價值，正受到世界各地越來越多人們的喜愛。中國草莓經(jīng)濟已經(jīng)進入了快速發(fā)展的階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴大。然而我國草莓生產(chǎn)機械化采摘水平仍然較低，加之近年來農(nóng)村勞動力急速流失，采摘時間得不到保障，使草莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了嚴重的制約。目前，在我國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。如果能對傳統(tǒng)的人力采茶方式做一次機械化的變革，既可以保證高強度的采摘效率，又能降低由此帶來的運行成本，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械化水平是促進市場持續(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，我們針對當(dāng)下草莓采摘機設(shè)計了一種基于ARMCortex-M3內(nèi)核的增強型微處理器STM32F103作為系統(tǒng)單元的控制系統(tǒng)，包括移動底盤控制模塊、機械臂控制模塊、采摘抓手控制模塊、圖像識別模塊、用于控制協(xié)調(diào)各個模塊工作的微處理器模塊。

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

機械臂控制模塊用于控制機械采摘末端到達指定位置，該模塊主要由可伸縮桿和直流電機，以及轉(zhuǎn)向輪和舵機組成。其中直流電機控制可伸縮桿變換采摘距離，舵機控制轉(zhuǎn)向輪變換采摘方向。在采摘過程中，由圖像采集模塊識別草莓位置信息后，機械臂的直流電機驅(qū)動伸縮桿帶動末端裝置伸長到一定長度，采摘抓手完成夾取動作，之后機械臂開始回收。當(dāng)回收一定距離時草莓受足夠拉力與葉梗分離，完成采摘。而由于在實際采摘中，為實現(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作，因此舵機需要根據(jù)最優(yōu)算法，控制轉(zhuǎn)向輪使機械臂旋轉(zhuǎn)一定角度然后再由末端裝置完成夾取動作。

采摘抓手控制模塊用于控制夾取裝置的動作，該模塊主要由收納裝置、舵機、四桿機構(gòu)、傳動軸和相關(guān)配件組成。舵機為整個末端提供咬合力，舵機輸出的力通過齒輪的傳導(dǎo)作用傳遞到傳動軸上，再由傳動軸傳遞至另一側(cè)的齒輪，由此可以實現(xiàn)兩對齒輪的同步轉(zhuǎn)動。齒輪的來回轉(zhuǎn)動直接帶動四桿機構(gòu)中的連桿做弧形動作，而抓手固定在連桿上，即抓手同樣呈現(xiàn)圓弧軌跡的弧形動作，由此可以模擬出草莓采摘過程中的夾取動作。同時，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，另一方面則是保證有在向上移動時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，對外側(cè)的草莓進行有效識別，圖像處理系統(tǒng)運用預(yù)存在其中的算法，在識別的基礎(chǔ)上進行線性定位，確定距離草莓的距離。草莓采摘機圖像獲取后的關(guān)鍵就是信息視覺處理，由圖像識別模塊計算目標(biāo)的空間位置，然后控制機械臂移動到預(yù)定位置，采摘抓手控制模塊靈活移動直到完成采摘。

微處理器模塊用于協(xié)調(diào)控制各個模塊，該模塊主要為單片機STM32F103，其適用于電力電子系統(tǒng)方面的農(nóng)業(yè)機械裝置控制。芯片外接最大64K字節(jié)的SRAM，用于數(shù)據(jù)儲存。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對如機械臂控制模塊和采摘末端控制模塊的控制需要。

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