一种智能摘果机器人的设计

赵国华

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

一、引言

农业作为第一产业，关系国计民生，在国民经济中具有重要地位[1]。农业种植生产流程一般包括耕地、播种、施肥、浇水、管护、灭虫、收获、仓储、销售和物流，其中摘果作业是大多数农作物收获的主要外在表现。摘果作业的效率和质量是农业生产性能的重要指标，也是农业生产模式革新和升级的重要关注点。随着信息化智能控制技术的不断发展，智能摘果技术理论不断提出。苏明等[2]提出了“实用型椰子摘果机开发研究”理论，针对椰子的采摘提供一种适用于海南椰子摘果的新设备,该设备可解决机械化摘椰子果和椰子果从高树上放置到车厢的问题。任志敏等[3]提出了“一种改进的颜色跟踪系统在果实采摘中的研究”理论，在分析了颜色跟踪条件表达式比较法的基础上,提出了数组查表法的颜色跟踪算法,节省了时间,加快了颜色跟踪的速率。在上述背景下，如何综合现有技术实现自动化、高精准、多类别、全过程摘果作业成为一项研究课题。鉴于此，本文提出一种智能摘果机器人的设计方案。对整体系统设计理念进行了阐述，并对关键性技术进行了详细介绍，具有一定理论参考价值。

二、总体设计

本文将所述智能摘果机器人分为六个部分，一是果实信息采集部分；二是机械臂控制部分；三是果实初步处理部分；四是本体移动部分；五是信息通信部分；六是数据云处理部分。在果实信息采集部分，主要部署摄像头、气味传感器、压力传感器等果实信息采集硬件，对果实图像、气味、软硬度信息进行获取；在云处理部分集成果实成熟度算法，对成熟且可采摘果实进行析出。在机械臂控制部分部署可飞行机械臂组件，能够实现多维度、多种类的果实采摘效果。在本体移动部分，部署陆地、空中多模行进组件可实现多模式机器人移动效果。在信息通信部分部署卫星、无线宽带集群、WIFI 等通信硬件，可实现用户对机器人的多模通信效果。在果实初步处理环节，可将果实进行修理、除泥、分拣、包装等。通过以上六个部分的协调配合实现基于机器人的成熟果实采摘效果。

三、关键技术

（一）成熟果实判断

定义1（果实成熟度）：果实成熟度可用一个六元组来表示CSD=(Class,Size,Weight,Colour,Smell,Formula)，其中，Class 表示农作物种类，Size 表示果实大小，Weight 表示果实重量，Colour 表示果实颜色，Smell表示果实气味；Formula 表示果实成熟度计算公式：a1*Size/S1+a2*Weight/W1+a3*Colour/C1+a4*Smell/S2,其中a1,a2,a3,a4,a5为权重参数，且a1+a2+a3+a4+a5=1；S1,W1,C1,S2分别为在种类Class下成熟果实的大小阀值、重量阀值、颜色阀值和气味阀值。

算法1：成熟果实判断算法。第一环节，计算果实大小值；其步骤为，第一步，用户通过通信系统与机器人进行联络，下达果实采摘命令，并对植物类别、果实种类、成熟果实的大小阀值、重量阀值、颜色阀值和气味阀值进行明确，对成熟度计算公式中的权重参数进行赋值；第二步，所述机器人接收到果实采摘命令，并初始化所需参数后，驱动本体移动部分向果实采摘区域行进。第三步，机器人利用配置的摄像头扫描农作物，并将图片发送到云处理部分。第四步，云处理端对果实特征进行提取，利用训练和匹配技术对果实三维轮廓和位置进行计算，得出果实大小数值。第二环节，获取果实重量；其步骤为，第一步，所述机器人将机械臂伸展到果实下部，利用机械手抬起果实一定幅度，使果实重量完全压到机械手中，利用压电称重原理，计算果实重量，假设为q1。第二步，结合果实实际位置和边缘轮廓对云处理端的果实三维信息进行校正。根据果实三维轮廓及空间几何特征，计算出果实体积，进而利用体积与密度的乘积得出果实的重量，假设为q2。第三步，将(q1+q2)/2 作为果实重量值。第三环节，获取果实颜色；第一步，将果实三维轮廓中的色调信息进行提取，将像素中的色调聚类到白、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、黑九个集合中，按照集合中各元素数量的加权平均得出果实颜色值。第四环节，获取果实气味；运用气味传感器，对果实环境中散发的气味信息进行获取，如甜度、芳香等，并进行归一化处理。第五环节，判断果实是否成熟；利用定义中果实成熟度计算公式计算果实成熟度，如果超过既定成熟度阀值，则判断果实成熟，否则，判断果实未成熟。

（二）机械臂控制策略

本文将机械臂设计为三个部分，一是旋翼部分，可带动机械臂进行空中悬停；系统配备北斗定位模块，可实现机械臂的三维定位悬停；二是软管链条、伸缩杆和机械手部分，在机械臂进行空中悬停时，可利用伸缩杆进行近距离位置调整，再利用机械手进行精确摘果，并通过软管链条将果实收纳到初步处理部分。三是智能控制和通信部分，通信采用RS232 串口协议，控制芯片采用凌阳sunplus 系列单片机，伸缩杆和机械手采用高功率步进电机，实现多方位伸缩、松握等效果。

算法2：机械臂控制算法。第一环节，生成采摘命令。第一步，所述机器人通过算法1 确定成熟果实。第二步，根据果实在图像中的三维信息，计算果实位置信息，并向凌阳单片机发送采摘控制命令。第二环节，基于机械臂的采摘作业。第一步，凌阳单片机结合北斗定位模块，驱动旋翼部分带动机械臂飞行到所需采摘的果实外围。第二步，凌阳单片机驱动伸缩杆向果实位置近距离伸展，并结合摄像头采集的图像信息，对摘果作业空间进行微调。第三步，凌阳单片机通过RS232 串口向机械手发送握紧命令，机械手采用压电感应原理判断是否握紧果实，进而通过机械手的切割功能，实现果实采摘。第三环节，若果实采摘任务完成，则收回机械臂，软管链条、伸缩杆、机械手复位，静默并等待用户指令。

（三）综合通信

机器人具有智能化自主工作特点，需要实时与后方用户进行通信。本文将多种通信模式进行整合，主要包括三层通信架构：一是前端信息采集端；二是用户实时监控端；三是云服务智能支持端。通信模式有三类：一是基于卫星的应急通信模式。可以接入VSAT 卫星、高通1 号、海事、北斗等，实现在常规通信模式缺失时的信息通信。二是无线宽带集群通信，可利用部署于农场中的专用基站实现信息通信。三是WIFI 通信，可实现基于WIFI 协议的短距离的信息通信。在应用中，常规通信模式优先于应急通信模式，WIFI通信模式优先于专用基站通信模式。若三种通信模式均缺失，则机器人触发间歇性通联程序，其步骤为：第一步停止采摘活动，收回机械臂，将信息采集、移动部分相关元器件设置为休眠模式。第二步设置通信周期，即间隔一定时间进行应急和常规通信模式的依次尝试。当主电源电池耗尽时，仍未与后方用户建立通信链路，则启动备用电池供电，并按照既定经纬度坐标，驱动机器人本体移动部分向目标位置移动。

四、结语

为了实现综合高效多种类的农业果实采摘效果，本文提出了一种智能摘果机器人的设计策略。对整体系统设计理念进行了阐述，并对成熟果实判断、机械臂控制策略、综合通信进行了详细介绍，具有一定理论参考价值。下一步将对摘果机器人的路径规划问题进行研究。