中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0091-07

Abstract：Inordertoimprovetheeficiencyfruitpickingandrealizetheintellgentoperationorchardharvest， a controlsystem orchard machine auxiliary pickingdevice basedon STM32 is designed.Thesystem consists a corecontrolleranda wirelesscontroller.Thecorecontrollerreceives the istructions from the wirelesscontrollrtocontrol thehorizontal expansionandcontraction thepickingplatformandtheself-regulating operation the fruit conveyorsystem.Aself-regulating modulefruitconveyorbeltbasedonincrementalPIDcontrolalgorithmisdesigned， which canautomaticallyadjustthe linearvelocity conveyorbeltaccording tothenumber fruits.Thena temperatureself-regulating modulecorecontrolerisdesignedWhenthetemperaturethecorecontroleris too high， thetemperatureself-regulating moduleisabletoadjust the temperaturethecorecontroler toareliable working temperature.Awirelesscommunicationmoduleis designed，which cansendcontrol instructions operators to the corecontroler torealizethecontrol the picking stationandthefruit conveyor system.Thetest results indicate that thecontrolsystemorchard machineauxiliarypicking devicecanrealize theadaptive speedregulationthefruitonveyor belt，the self-adjustmentthe controler temperature，and the expansionand contraction the picking platform.And the data loss rate is less than 10% when the communication distance wireless controller is within 16O meters.

Keywords：orchard operation machine；auxiliary picking device；wireless control；conveyor belt speed regulation

0 引言

果園采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)過程中最耗時、最費力的環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段果園采摘仍以人工為主，機械化程度低，勞動強度大、效率低，嚴重制約果業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。機械輔助采摘能夠解放生產(chǎn)力，提高采摘效率，降低人工成本。為提高采摘作業(yè)效率，劉大為等設計了載人站臺可調(diào)平的履帶式果園升降作業(yè)平臺；何建華等[2]設計了載人站臺可垂向升降與橫向伸縮的輪式果園作業(yè)平臺；Lee等3]設計了載人站臺自調(diào)平且寬度可調(diào)的履帶式果園作業(yè)平臺；Ferreira等4]設計的混合動力果園采摘平臺在柑橘園進行采摘收獲試驗，采摘人員在可移動式作業(yè)平臺上進行采摘，與傳統(tǒng)人工采摘相比，有效提高了工作效率。為進一步提升采摘工作效率，研究人員在可移動作業(yè)平臺的基礎上，對采摘后果實輸送裝箱裝置進行研究，楊貞等[5]設計了輔助人工采摘的“雙側(cè)、三高度、六工位\"牽引式果園采摘作業(yè)平臺，采用三級傳送裝置將果實從采摘工位輸送到果箱；李強設計了寬度與高度可調(diào)式果園作業(yè)平臺，滿足不同行距與高度果樹的修剪、果實采摘與輸送的作業(yè)需求；王金星等設計了配合人工采摘的蘋果采收平臺輸送裝置，并對裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)與輸送速度進行優(yōu)化，實現(xiàn)蘋果低損傷輸送作業(yè)；在此基礎上，陳子旭對蘋果采收裝箱裝置工作參數(shù)進行優(yōu)化，降低果實裝箱損傷；吳佳瑤等[9設計了柑橘收集裝箱機，采用旋轉(zhuǎn)分離裝置實現(xiàn)柑橘均勻裝箱。

為使果園作業(yè)機械更加高效、可靠地輔助人工作業(yè)，圍繞果園作業(yè)機械開展智能化控制研究具有重要意義。趙林亭等[10基于STM32單片機設計了果園自走式電動底盤控制系統(tǒng)，采用無線通信模塊實現(xiàn)對底盤的控制；張昊[]設計了基于Android系統(tǒng)的剪叉式果園作業(yè)平臺控制系統(tǒng)，可通過手機APP實現(xiàn)作業(yè)平臺控制；范國強等[12]設計的果園小型作業(yè)車，可實現(xiàn)對作業(yè)車的遠程視頻遙控；李澤傲[13]設計的四輪驅(qū)動式果園作業(yè)平臺，使用搖桿式遙控器實現(xiàn)對作業(yè)平臺運動的遠程控制；馮海明[14設計的果園多功能遙控作業(yè)車，通過模糊PID控制算法對油門控制器進行優(yōu)化；韓振浩等[15]設計的山地果園運輸車，可通過主動移動載物平臺水平相對位置實現(xiàn)對整車重心的自動調(diào)控；王常任[16基于超聲波測距原理與三邊定位算法，進行履帶式底盤自動跟隨控制系統(tǒng)設計。上述研究多集中在果園作業(yè)機械結(jié)構(gòu)設計及底盤智能化控制方面，對采摘收獲裝置智能化控制研究相對較少。

針對機械輔助采摘智能化程度相對較低的問題，本文設計一套基于STM32單片機的果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)，包含采摘站臺控制模塊、傳送帶自調(diào)速模塊、控制器溫度自調(diào)節(jié)模塊與無線通信模塊，以期提高果實采摘效率，減輕勞動強度。

1果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)總體方案

1.1果園作業(yè)機輔助采摘裝置整體結(jié)構(gòu)

果園作業(yè)機由行走底盤、輔助采摘裝置和無線控制系統(tǒng)組成，輔助采摘裝置包括采摘站臺和果實傳送系統(tǒng)兩部分。果園作業(yè)機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1果園作業(yè)機整體結(jié)構(gòu)

Fig.1Overall structure orchard machine1.無線控制器2.右側(cè)采摘站臺3.果實傳送系統(tǒng)4.左側(cè)采摘站臺5.果箱6.行走底盤7.核心控制器

采摘站臺（圖2）位于果園作業(yè)機兩側(cè)，通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)作業(yè)寬度調(diào)節(jié)，作業(yè)人員可根據(jù)果樹行距調(diào)整采摘站臺水平方向伸縮量，以適應不同類型與不同種植模式的果園。

圖2采摘站臺結(jié)構(gòu)

Fig.2 Structure picking platform 1.控制器2.站臺3.支承桿4.支承座5.液壓缸

果實傳送系統(tǒng)由一級傳送帶、二級傳送帶、垂直傳送帶、傳送帶電機、光電傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器組成，如圖3所示。傳送帶均采用渦輪減速電機驅(qū)動，傳送帶電機裝有轉(zhuǎn)速傳感器，用于反饋傳送帶線速度數(shù)據(jù)至主控制器。一級傳送帶上裝有光電傳感器，可實時檢測放人傳送帶的果實數(shù)量。采摘作業(yè)人員將采摘的果實放人一級傳送帶中，一級傳送帶將果實運送至二級傳送帶，隨著二級傳送帶的轉(zhuǎn)動將果實運送至垂直傳送帶，由垂直傳送帶將果實集中收集至果箱中。

圖3果實傳送系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

Fig.3Overall structure fruit transport system1.垂直傳送帶電機2.垂直傳送帶3.二級傳送帶4.一級傳送帶5.光電傳感器6.一級傳送帶電機7.二級傳送帶電機

1.2果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制方案

果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)由核心控制器和無線控制器兩部分組成，控制系統(tǒng)設計方案如圖4所示。核心控制器由采摘站臺控制模塊、傳送帶自調(diào)速模塊、溫度自調(diào)節(jié)模塊、電流檢測模塊、無線通信模塊等組成。采摘站臺控制模塊根據(jù)無線控制器的指令控制采摘站臺液壓缸伸縮，實現(xiàn)作業(yè)寬度調(diào)節(jié)；傳送帶自調(diào)速模塊將光電傳感器采集的果實數(shù)量以及轉(zhuǎn)速傳感器采集的傳送帶線速度數(shù)據(jù)實時反饋至主控制器中，控制器根據(jù)放入傳送帶的果實數(shù)量基于增量式PID算法自主調(diào)整一級傳送帶線速度，避免發(fā)生果實堆積現(xiàn)象；溫度自調(diào)節(jié)模塊采用熱敏電阻實時檢測核心控制器中的溫度，當溫度過高時可自動開啟散熱風扇進行降溫至可靠工作溫度，防止電路板元器件損壞；電流檢測模塊采集流人核心控制器的電流數(shù)據(jù)，若檢測到電流異常，自動停正單片機中正在運行的進程。

無線控制器通過無線通信模塊與核心控制器進行數(shù)據(jù)交互，控制采摘站臺水平方向伸縮以及果實傳送系統(tǒng)自調(diào)速運行。設計撥桿信號采集模塊，采集撥桿位置信息；設計電位器信號采集模塊，實現(xiàn)對電位器信號的采集。

2控制系統(tǒng)硬件設計

2.1核心控制器硬件設計

核心控制器硬件部分基于STM32F103設計，電路板由單片機最小系統(tǒng)電路、電源電路、采摘站臺控制電路、傳送帶自調(diào)速電路、溫度自調(diào)節(jié)電路、無線通信電路等組成。

2.1.1 采摘站臺控制電路設計

采摘站臺控制模塊通過驅(qū)動電磁閥吸合，控制采摘站臺液壓缸伸縮，實現(xiàn)采摘作業(yè)寬度調(diào)節(jié)。采摘站臺控制電路以MOS管為核心進行設計，在主控制器與MOS管之間加入光電耦合器芯片EL817，使光耦芯片兩端完全實現(xiàn)電氣隔離，防止MOS管發(fā)生故障導致單片機發(fā)生損壞，并提升電路的抗干擾能力。采摘站臺控制電路如圖5所示。

圖5采摘站臺控制電路Fig.5Picking station control circuit

2.1. 2 傳送帶自調(diào)速電路設計

傳送帶自調(diào)速電路主要通過采集傳送帶線速度與放入傳送帶果實數(shù)量等信息，根據(jù)果實數(shù)量對一級傳送帶電機進行變速控制，實現(xiàn)傳送帶線速度的自主調(diào)節(jié)。電路使用電機驅(qū)動芯片BTN7971控制傳送帶電機，電機驅(qū)動芯片可將單片機引腳（PAO、PA1）輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，以控制傳送帶電機運行；單片機引腳（PB5、PB6、PB7）采集光電傳感器以及轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)。傳送帶自調(diào)節(jié)電路如圖6所示。

圖6傳送帶自調(diào)速電路 Fig.6Belt self-regulating circuit

2.1. 3 溫度自調(diào)節(jié)電路設計

溫度自調(diào)節(jié)模塊通過熱敏電阻獲取核心控制器內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，使用運算放大器LM358將熱敏電阻中微弱的信號放大成能夠被單片機讀取的信號。溫度自調(diào)節(jié)電路如圖7所示。

由運算放大器\"虛短\"\"虛斷\"特性[17]可知

式中： U₁₊ ——芯片 U₁ 同向輸入端電壓， ΔV U_?1- 1 芯片 U₁ 反向輸入端電壓， ΔV ：（204號 U₂₊ ——芯片 U₂ 同向輸入端電壓， ΔV U_2- 一 —芯片 U₂ 反向輸入端電壓， ΔV 。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律

式中： U₁₀ ——芯片 U₁ 輸出端電壓， ΔV ：U_2o —芯片 U₂ 輸出端電壓， ΔV R ——電阻值， Ω 。

由基爾霍夫電流定律，A點處電流總和為0，故

式中： R_pt100 熱敏電阻阻值， Ω 。

大電流會導致熱敏電阻自身發(fā)熱造成測量精度不準確[18]，故等效電流源輸出的電流不應超過 1mA 。令 U₁₊=4.096V，R₁=4.12kΩ ，等效電流約為0.9942mA 。取 R₃=R₅=34kΩ，R₄=R₆=866kΩ 聯(lián)立式 （1）～ 式（6）得

當熱敏電阻采集的溫度在 -50°-200° 時，單片機引腳PCO端的電壓變化范圍為 2.03～4.45V ，滿足單片機采集要求。

2.2無線控制器硬件設計

無線控制器基于STM32單片機開發(fā)，控制器硬件部分可分為單片機最小系統(tǒng)電路、電源電路、撥桿信號采集電路、電位器信號采集電路、無線通信電路等。

2.2.1撥桿信號采集電路設計

撥桿信號采集模塊獲取撥桿狀態(tài)信息，并將信號發(fā)送到核心控制器中，以控制采摘站臺水平方向伸縮。電路使用光電耦合器芯片EL817作為隔離芯片，使兩端完全實現(xiàn)電氣隔離，實現(xiàn)單片機采集高電壓信號的目的，如圖8所示。當撥桿撥動，光耦芯片內(nèi)部被導通，單片機引腳PE1電平狀態(tài)改變，單片機檢測引腳電平狀態(tài)變化，從而獲取撥桿的狀態(tài)信息。

圖8撥桿信號采集電路

2.2.2電位器信號采集電路設計

電位器信號采集模塊通過單片機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電位器的阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線通信模塊向核心控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傳送帶速度控制模式切換。如圖9所示，當電位器阻值為0時，傳送帶轉(zhuǎn)速控制模式為自動控制，傳送帶根據(jù)果實數(shù)量自主調(diào)節(jié)線速度；當電位器阻值不為0時，傳送帶速度控制模式變?yōu)槭謩涌刂疲译娢黄髯柚翟酱?，傳送帶速度越快。旋轉(zhuǎn)電位器時，其阻值會發(fā)生變化，單片機引腳（PC1）上的電壓也會相應變化，從而實現(xiàn)電位器信號的采集。

圖9電位器信號采集電路 Fig.9Potentiometer signal acquisition circuit

3控制系統(tǒng)軟件設計

3.1核心控制器軟件設計

核心控制器一方面通過接收與解析無線控制器發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，并采集傳送帶果實數(shù)量與傳送帶線速度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對采摘站臺水平伸縮量與果實傳送系統(tǒng)線速度等輔助采摘裝置功能控制；另一方面，采集流入核心控制器的電流與控制器內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)并進行監(jiān)測，若監(jiān)測到電流異常將自動停止單片機中正在運行的進程，若監(jiān)測到溫度過高將使控制器溫度自調(diào)節(jié)降至可靠工作溫度。

3.1.1 核心控制器軟件結(jié)構(gòu)設計

核心控制器接收無線控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)化為控制信號，控制果園作業(yè)機輔助采摘裝置運行，核心控制器軟件控制流程如圖10所示。

圖10核心控制器軟件控制流程Fig.10 Control flow core controller stware

輔助采摘裝置控制系統(tǒng)運行時，由于果實傳送系統(tǒng)電機功率較大，控制器內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量。為防止溫度過高導致控制器芯片損壞，設計溫度自調(diào)節(jié)模塊，模塊內(nèi)部的熱敏電阻實時采集控制器中溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送給主控制器，主控制器接收到數(shù)據(jù)之后判斷是否達到設定的溫度閾值，并自動啟停散熱風扇，確?？刂破髡９ぷ?。電流檢測模塊實時采集流入電路板中的電流，若主控制器檢測到電流異常，自動停止輔助采摘裝置控制系統(tǒng)中正在運行的進程。

3.1.2傳送帶自調(diào)速模塊軟件設計

PID控制算法被運用于傳送帶調(diào)速中[19]。傳送帶自調(diào)速模塊基于增量式PID控制算法，實現(xiàn)一級傳送帶線速度的動態(tài)自適應調(diào)節(jié)，避免果實堆積現(xiàn)象發(fā)生。

已知一級傳送帶的長度為，能容納的果實數(shù)量為 ?_n0 （圖11）。設傳送帶線速度為 σ_v ，作業(yè)人員單位時間 Ψ_t 內(nèi)放入傳送帶果實的數(shù)量為 n ，可得 v 與 n 的關系如式（8）所示。

傳送帶理論線速度與傳送帶實際線速度構(gòu)成的控制偏差

e=v-v₀

式中： v₀ 一 傳送帶實際線速度， m/s 。

傳送帶速度調(diào)節(jié)使用增量式PID控制算法，其計算如式（10）所示。

式中： Δu（k） 1 -傳送帶線速度變化量， m/s （204號 e^（k） # 控制偏差；K_p 一 比例系數(shù)；K_i 1 積分系數(shù)；K_d 1 —微分系數(shù)。

基于式 （8）～ 式（10），一級傳送帶可根據(jù) 1min 內(nèi)作業(yè)人員放入的果實數(shù)量自主調(diào)節(jié)傳送帶速度。傳送帶自調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)如圖12所示。其中， r（k） 為傳送帶線速度的設定值， u （k）為傳送帶線速度輸出，v_?0（k） 為傳送帶實際線速度。

3.1.3溫度自調(diào)節(jié)模塊軟件設計

傳送帶電機驅(qū)動芯片長時間工作會產(chǎn)生大量熱量，為防止控制器過熱導致?lián)p壞，設計加入溫度自調(diào)節(jié)模塊，可實時監(jiān)測主控制器內(nèi)部溫度。當監(jiān)測到溫度達到設定的溫度閾值時，開啟散熱風扇進行降溫至安全溫度，確保控制器正常工作。溫度自調(diào)節(jié)模塊軟件控制流程如圖13所示。

3.2無線控制器軟件設計

無線控制器主要通過采集撥桿、電位器等狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至核心控制器，實現(xiàn)對輔助采摘裝置的控制。

無線控制器軟件部分由撥桿信號采集子程序、電位器信號采集子程序、無線信號處理子程序組成。無線控制器軟件控制流程如圖14所示。無線控制器初始化完成之后與作業(yè)平臺核心控制器建立連接，并采集撥桿、電位器的狀態(tài)信息，當其狀態(tài)發(fā)生改變時，無線控制器向核心控制器發(fā)送控制指令。

4試驗結(jié)果與分析

完成果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)硬件設計、制作與檢測，使用Keil5完成控制系統(tǒng)軟件設計。為驗證控制系統(tǒng)整體性能是否良好，將所研制的控制系統(tǒng)安裝在果園作業(yè)機上，選取空曠區(qū)域通過無線控制器對作業(yè)機控制效果進行試驗。試驗包括無線通信測試、傳送帶速度調(diào)節(jié)測試、采摘站臺伸縮測試以及溫度調(diào)節(jié)測試。試驗過程中，使用筆記本電腦采集不同無線通信距離下的數(shù)據(jù)包丟失情況，用米尺測量果園作業(yè)機無線通信距離與采摘站臺伸縮狀態(tài)下工作寬度，用轉(zhuǎn)速傳感器采集傳送帶速度數(shù)據(jù)，用電路板內(nèi)部傳感器采集核心控制器內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。

無線通信測試結(jié)果（圖15）表明，無線通信距離在160m 內(nèi)時，數(shù)據(jù)丟失率小于 10% ，數(shù)據(jù)傳輸效果較好，無線控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對輔助采摘裝置的控制；當通信距離超過 160m 時，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，故在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的情況下無線控制器最大控制距離為 160m 。

傳送帶速度調(diào)節(jié)測試結(jié)果如表1所示，傳送帶線速度隨果實數(shù)量的增加而變化，能夠?qū)崿F(xiàn)傳送帶線速度的自主調(diào)節(jié)。

表1傳送帶速度調(diào)節(jié)測試結(jié)果Tab.1 Conveyor speed adjustment test results

經(jīng)測量，兩側(cè)采摘站臺收回時，果園作業(yè)機工作寬度為 1.65m ，兩側(cè)站臺完全伸出時，果園作業(yè)機工作寬度可達 3.13m ，可根據(jù)果樹行距調(diào)整采摘站臺伸出量，以適應不同類型與種植模式的果園。

溫度調(diào)節(jié)測試結(jié)果如圖16所示，核心控制器內(nèi)部溫度高于 時，散熱風扇自動開啟，當溫度低于 時，散熱風扇自動關閉，控制器內(nèi)部溫度維持在40°C 上下。

圖16溫度調(diào)節(jié)測試結(jié)果 Fig. 16Temperature adjustment test results

5 結(jié)論

1）設計一套基于STM32單片機的果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由核心控制器和無線控制器組成，核心控制器接收無線控制器的指令，控制采摘站臺水平方向伸縮以及果實傳送系統(tǒng)自調(diào)速運行。通過設計采摘站臺控制模塊，控制采摘站臺水平方向伸縮；設計基于增量式PID控制算法的傳送帶自調(diào)速模塊，使傳送帶能夠根據(jù)果實數(shù)量自主調(diào)節(jié)線速度；設計控制器溫度自調(diào)節(jié)模塊，當溫度過高時自調(diào)節(jié)降至安全工作溫度；設計無線通信模塊，將作業(yè)人員的控制指令發(fā)送到核心控制器中，實現(xiàn)對采摘站臺和果實傳送系統(tǒng)的控制。

2）將所設計的輔助采摘裝置控制系統(tǒng)進行研制并安裝至果園作業(yè)機中，分別進行無線通信測試、傳送帶速度調(diào)節(jié)測試、采摘站臺伸縮測試、溫度調(diào)節(jié)測試。試驗結(jié)果表明：無線控制器通信距離在 160m 內(nèi)時，數(shù)據(jù)丟失率小于 10% ；傳送帶能夠根據(jù)放人果實的數(shù)量自主調(diào)節(jié)傳送帶線速度，避免果實堆積現(xiàn)象發(fā)生；果園作業(yè)機最大工作寬度為 3.13m ，最小工作寬度為1.65m ，能夠根據(jù)果樹行距調(diào)整采摘站臺伸出量，以適應不同類型與種植模式的果園；當核心控制器內(nèi)部溫度過高時，散熱風扇能夠自動開啟，保證控制器正常運行。所設計的果園作業(yè)機輔助采摘裝置控制系統(tǒng)可以有效、可靠地輔助采摘人員完成果實采摘作業(yè)。

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