劉 丹

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W校，吉林 長春 130013）

隨著科學技術的飛速發(fā)展，通信技術正在發(fā)生翻天覆地的變化，特別是計算機技術的日臻成熟，越來越多的全新技術形態(tài)不斷涌現(xiàn)，PLC 技術就是其中的一種[1]。PLC 是一個微型計算處理器，不僅包含了先進的通信技術，同時也包括了互聯(lián)網技術、人工智能等眾多技術形態(tài)。而隨著PLC 技術的不斷發(fā)展，它在多個領域被普遍應用。實踐證明，PLC 技術對于全面提高生產質量和農業(yè)采摘效率都會帶來巨大的幫助。不少專家認為，PLC 技術是未來電氣工程自動化技術中的重要形態(tài)。

1 PLC技術的優(yōu)勢

PLC 技術作為一項全新的技術形態(tài)，能夠被眾多行業(yè)所應用，一定有著屬于自己的獨特優(yōu)勢。1）從PLC 的結構上來看，構成并不復雜。由于采用了先進的通信技術，可靠程度相對較高，不容易受到其他環(huán)境因素影響，能夠保證維護工作自主展開，這對于自動化技術的應用將會帶來極大幫助。2）對于控制程序的編寫來說，PLC 技術可以滿足現(xiàn)代化編程需求，適合技術人員根據自身需求合理編寫程序，有利于企業(yè)的快速發(fā)展。3）從PLC 技術的編程語言選擇上來看，相對較為簡單，適合在生產一線技術人員中進行全面推廣，使生產一線技術人員掌握一定的編程能力，這對于全面提高工廠自動化技術水平、實現(xiàn)技術能力提高將會帶來極大幫助。總的來說，PLC 技術有著較多優(yōu)勢，特別是隨著互聯(lián)網時代的不斷發(fā)展，該技術的實際應用能夠實現(xiàn)在線數據交換，降低人工成本，進而引領行業(yè)發(fā)展趨勢，對于農業(yè)采摘來說也是如此[2-3]。從這一點上來說，如果將PLC 技術和農業(yè)采摘相結合，必將助推我國農業(yè)生產效率和產品質量的提升。

2 傳統(tǒng)采摘技術存在的弊端

近年來，雖然我國在大數據、物聯(lián)網、人工智能等新興技術方面成績斐然，但仍有不少行業(yè)的生產模式滯后，農業(yè)行業(yè)尤其如此。其實現(xiàn)在市場上有很多的采摘機器人，但由于種種原因不少農戶依然會選擇人工采摘，但人工采摘的弊端顯而易見：1）人工采摘效率并不是特別高，再加上人的精力十分有限。雖然采摘前期可能會相對較快，但進入后期，采摘速度將會持續(xù)下降，這會給身體帶來較大負荷，也容易產生意外風險。2）人工采摘很容易導致果實受到傷害，人在采摘過程當中稍有不注意就可能會對果實外觀產生破壞，使得果實外售價格受到較大影響，引起不必要的經濟損失。3）人工采摘成本相對較高。在果實豐收的季節(jié)里，需要采摘的果實總量往往相對較大，這就會造成雇傭勞動者數量相對較多，使得農業(yè)水果種植成本不斷增加[4]。

3 基于PLC的采摘機械手電氣自動化技術

3.1 技術優(yōu)勢

農業(yè)現(xiàn)代化技術持續(xù)進步，很多具備自主作業(yè)能力的采摘機器人已經開始被逐漸應用在農業(yè)生產過程當中。但受制于自動化控制系統(tǒng)，目前的采摘作業(yè)效率并不是特別理想，而基于PLC 技術所產生的控制系統(tǒng)是依靠現(xiàn)代化編程所實現(xiàn)的自動化控制程序[5]。該項技術融合了多種技術形態(tài)，具備適用范圍廣、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點。而借助PLC 的強大處理能力，能夠實現(xiàn)自主動作的精確控制，這使得采摘機器人工作效率能夠進一步提高，從而全面提升采摘質量[6]?？偟膩碚f，PLC 技術能夠全面提高采摘機器人的工作效率，實現(xiàn)采摘精確性的全面提升，但目前PLC 技術在我國應用范圍還不是特別廣，技術并不是特別成熟，需要進一步改進。這也就是目前我國很多農業(yè)采摘仍然采取人工采摘，并沒有運用采摘機器人進行采摘的根本原因。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

采摘機械手電氣自動化控制系統(tǒng)軟件部分的設計非常重要，采摘機器人電氣自動化控制系統(tǒng)主要由5 部分組成，包括傳感器組件、PLC 測控平臺、比例控制放大器、電液比例方向閥和機械手執(zhí)行機構。機械手作業(yè)時，傳感器將采集信息傳送給PLC 測控平臺，平臺通過信息處理向比例控制放大器發(fā)出控制信號，控制電液比例方向閥，使采摘末端的執(zhí)行機構執(zhí)行相關的動作?？刂七^程的主要流程為：輸入機器人及機械手的初始位置信息，再利用傳感器采集待作業(yè)區(qū)域及待采摘目標距離信息，通過對比確定調整機械手位置，最后利用PID 控制程序子程序控制比例閥動作。在電氣自動化系統(tǒng)進行控制時，電機的控制方式采用的是PID算法的PI 控制方式，其連續(xù)性控制方程為：

其中，Kp為比例增益；Ki為積分增益。其對應的數字離散方程為：

其中，Un為n 次采樣的輸出值；en為相對于前一次采用的偏差，Ti為積分時間。其前一次方程為：

兩方程相減可得：

采用增量式的PI 控制可以避免誤差的累加，這是由于增量式的控制與3 次的數據有關，且通過加權處理可以較好地消除誤差的影響。

4 機械采摘手發(fā)展概況

4.1 具體分類

從目前機械采摘的工作類型來看，主要有以下3種方式：撞擊式、切割式、陣搖式。撞擊式是利用機器本身的沖擊力，將果樹的果干撞折或者是直接沖擊果枝，使得水果從枝頭掉落，掉落的果實會被預先設置的裝置所接收[7]。這種方法的缺陷是會對果枝的外觀形態(tài)造成損傷，使得果樹結果受到較大影響。切割式會將枝條或者是水果的果柄切斷，從而完成水果采摘，這種切割作業(yè)方式會使果樹自身受到二次傷害[8]。陣搖式則會借助機器的作用，使得果樹中的果實受到加速度的影響從而脫落?？偟膩碚f，這3種采摘方式各有利弊，但仍會對果樹本身造成一定傷害，并不利于水果結果量的持續(xù)上升，也充分說明現(xiàn)在的采摘機器人存在較大弊端。

4.2 機器人采摘的技術原理

從目前的水果采摘機器人構成來看，主要由機械手臂、末端執(zhí)行器、視覺識別裝置、行走裝置、中心控制系統(tǒng)5 個部分組成。就具體工作原理來說，水果采摘機器人往往會通過自身所設置的攝像頭對果實形態(tài)進行拍照，并與自身儲存的成熟果實圖片相比對，來判斷果實是否成熟[9]。當判定為果實成熟以后，便會通過設定的程序移動到目標位置。而行走裝置往往是由4 個輪子組成，可以做到快速移動并通過加設收集裝置對果實進行收集，而最后一步就是利用機械手臂中的旋轉方式將果實擰下來。其中，視覺識別系統(tǒng)是利用目前較為成熟的視距雙目識別技術。這種技術的特點在于模仿人的眼部動作來對物體進行觀察，兩臺攝像機就是人的兩個眼睛，彼此之間分開一定距離。通過獲取圖像的方式來對果實位置進行判斷[10]。獲取圖像，再對兩個圖像的差異進行比較，利用三角測距的方法來得到果實位置。這種技術最大優(yōu)勢就是成本相對較低，而且能夠在短時間內快速對果實進行識別。而末端裝置則是利用仿生學原理模仿人的手指，能夠實現(xiàn)快速抓取。果實行走裝置一般采用輪式裝置，穩(wěn)定性相對較高，不會發(fā)生側翻等一系列事故，但這種方式如果遇到較為松軟的土地，則很難行進，而坡度較陡的地方也不適合其應用。

4.3 機器人采摘的發(fā)展難點

水果采摘機器人發(fā)展到目前仍然存在一定困難，其中一部分困難就來自果實的判斷和識別定位。果實的成熟判斷水平將會直接決定水果采摘機器人自身的工作效率，如果在圖像識別和路徑判斷上浪費較多的時間，則會造成工作效率的進一步下降。在此情況下，機器人的工作效率可能還不如人工采集效率高，那么對于采摘機器人應用也就沒有任何意義。除此之外，定位識別成熟果實也往往容易受到外在系統(tǒng)的影響，光線和光照都是重要影響因素之一。例如，如果果樹的枝葉較為繁茂，則會將果實擋在其中，使得水果采摘機器人不能第一時間對是否有果實做出準確判斷，會使水果采摘機器人自身的工作難度進一步提高。如何不影響水果果實和植物生長狀態(tài)，也是水果采摘機器人發(fā)展的難點。水果采摘機器人在行走和采摘收割過程當中，要想不損壞果實是幾乎無法實現(xiàn)的，而且將水果采摘之后如何對斷口進行合理處理，避免因為斷口導致果蔬來年結果能力越來越差就變得尤為關鍵了。這就需要對水果的切割方法進行調整，使其進一步滿足實際需求。因此，必須對水果切割方式做出有效調整，避免對果樹造成二次傷害，而高溫切割則是非常好的一種方式，但仍然需要進行大量實驗才能夠解決相關問題，以便最大限度地發(fā)揮機器人在農業(yè)采摘中的作用?？偟膩碚f，目前采摘機器人自身所遇到的困難相對較多，需要廣大科技人員投入更大的精力，進一步提高水果采摘質量。

4.4 采摘裝置的發(fā)展趨勢

從目前情況來看，仍然會產生較多問題，在短時間內沒有辦法做到大規(guī)模使用。而從采摘裝置研發(fā)方向來看，多功能性將會成為未來發(fā)展方向。不但能夠采摘果實，還能夠實現(xiàn)多元化技術動作，其中就包括了枝條修剪、施用肥料等。與此同時，應減少購買設備所需要的成本費用，進一步降低農業(yè)生產種植過程當中所產生的成本開支。此外，有專家指出機械采摘另外的發(fā)展渠道就是實現(xiàn)采摘和運輸雙功能。目前我國大多數果園均處在山區(qū)丘陵中，往外運輸水果工作十分困難。使用人工進行運輸的話，不僅會造成較大的工作強度，也會提升生產成本。因此，研究一款相對較為省力的運輸機器，將會變得十分重要。在程序設置和機器人結構構成上也要更加靈活，一方面要適應農民朋友自身素養(yǎng)，另一方面則采取仿生學設計方式，實現(xiàn)靈活操作，避免對水果外觀造成破壞。總的來說，采摘機器人將會成為未來的重要發(fā)展領域。如何提高機器人的采摘質量，避免對果樹造成二次破壞，將會成為研究重點。另外，也需要在成熟水果識別和定位上投入更多精力，使自主采摘機器人具備較強的識別能力，進一步提升采摘效率。

5 結語

綜上所述，隨著我國現(xiàn)代化農業(yè)技術的不斷發(fā)展，運用機器人進行采摘將會成為現(xiàn)實。一方面，機械采摘能夠提高采摘效率，降低人工成本；另一方面，機械采摘技術將會變得越來越成熟，目前所產生的一些問題都將會隨著科技的進步而逐步得到解決?？偟膩碚f，我們需要在機器人設計方面投入更多的精力，結合實際情況進行多樣化機器人技術設計，特別是要加強PLC 技術應用比例，以提升我國采摘機器人自動化程度，真正做到智能化、高效化，為我國農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供幫助。