一种草莓采摘机的控制系统

荣绍光

（四川农业大学，四川 雅安 625014）

在当今世界，草莓因其酸甜可口的味道以及营养价值，正受到世界各地越来越多人们的喜爱。中国草莓经济已经进入了快速发展的阶段，产业规模正在不断扩大。然而我国草莓生产机械化采摘水平仍然较低，加之近年来农村劳动力急速流失，采摘时间得不到保障，使草莓产业的发展受到了严重的制约。目前，在我国的一些草莓种植园中采摘效率与采摘成本没有得到平衡，有的为了提高采摘效率不得不提高人力成本，有的为了解决人力成本，不得不降低采摘效率，从而造成一定程度浪费。如果能对传统的人力采茶方式做一次机械化的变革，既可以保证高强度的采摘效率，又能降低由此带来的运行成本，高效率利用资源。将智能化控制技术与采摘设备相结合，可以大大减少人力成本的投入。因此提高草莓采摘过程的机械化水平是促进市场持续稳定发展的当务之急。

为了解决智能化采摘的问题，据此，我们针对当下草莓采摘机设计了一种基于ARMCortex-M3内核的增强型微处理器STM32F103作为系统单元的控制系统，包括移动底盘控制模块、机械臂控制模块、采摘抓手控制模块、图像识别模块、用于控制协调各个模块工作的微处理器模块。

移动底盘控制模块用于控制采摘机的移动，该模块使其沿着田垄的长度方向移动。移动底盘为履带式，有利于采摘机在山地和丘陵地区行走，并且便于转弯。移动平台控制模块包括四个第一直流无刷伺服驱动器、四个第一直流伺服电机和四个第一编码器。四个第一直流无刷伺服驱动器接收来自维持其模块的控制信号，并通过四个第一直流无刷伺服电机控制移动平台的两幅履带转动。

机械臂控制模块用于控制机械采摘末端到达指定位置，该模块主要由可伸缩杆和直流电机，以及转向轮和舵机组成。其中直流电机控制可伸缩杆变换采摘距离，舵机控制转向轮变换采摘方向。在采摘过程中，由图像采集模块识别草莓位置信息后，机械臂的直流电机驱动伸缩杆带动末端装置伸长到一定长度，采摘抓手完成夹取动作，之后机械臂开始回收。当回收一定距离时草莓受足够拉力与叶梗分离，完成采摘。而由于在实际采摘中，为实现采摘的最优化需要采摘末端装置以不同的角度完成夹取动作，因此舵机需要根据最优算法，控制转向轮使机械臂旋转一定角度然后再由末端装置完成夹取动作。

采摘抓手控制模块用于控制夹取装置的动作，该模块主要由收纳装置、舵机、四杆机构、传动轴和相关配件组成。舵机为整个末端提供咬合力，舵机输出的力通过齿轮的传导作用传递到传动轴上，再由传动轴传递至另一侧的齿轮，由此可以实现两对齿轮的同步转动。齿轮的来回转动直接带动四杆机构中的连杆做弧形动作，而抓手固定在连杆上，即抓手同样呈现圆弧轨迹的弧形动作，由此可以模拟出草莓采摘过程中的夹取动作。同时，末端抓手的夹取部位加上了弹性柔顺层，一方面为了避免抓手下方的夹持力过大损伤果实，另一方面则是保证有在向上移动时有足够大的静摩擦力使抓手能可靠地夹住草莓并脱离叶茎。

图像识别模块用于草莓图像信息的采集，该模块主要由用于图形采集的摄像头和依托处理器的图像处理系统组成。摄像头面向草莓种植架安装在采摘丝杆的摄像头安置底座上，对外侧的草莓进行有效识别，图像处理系统运用预存在其中的算法，在识别的基础上进行线性定位，确定距离草莓的距离。草莓采摘机图像获取后的关键就是信息视觉处理，由图像识别模块计算目标的空间位置，然后控制机械臂移动到预定位置，采摘抓手控制模块灵活移动直到完成采摘。

微处理器模块用于协调控制各个模块，该模块主要为单片机STM32F103，其适用于电力电子系统方面的农业机械装置控制。芯片外接最大64K字节的SRAM，用于数据储存。该芯片具有32位的Cortex-M3内核，能够很好地满足草莓采摘机对如机械臂控制模块和采摘末端控制模块的控制需要。

智能化草莓采摘机的研究对于我国的农业生产采摘的发展具有重要意义。尤其对于产业量大，人力成本高的地区，实现对如草莓等水果作物的自动化采摘，既大大提高了效率，又降低了成产成本。本文研究设计出的草莓采摘机，充分利用草莓采摘时的力学特性，不伤害果实，此外结合机器视觉并有效提高采摘效率。除了对于控制系统设计外，在对于控制算法以及图像处理算法的改进和完善方面，未来还有很大的研究空间。