高強(qiáng)

摘要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要投入大量人力，但是過高的人工成本又會影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而且，水果是季節(jié)性產(chǎn)品，需要在短時間內(nèi)要求大量人參與到采摘工作，在其他時間則不需要這么多人力。為此，需要積極摸索機(jī)械生產(chǎn)，降低水果采摘所需的人力支出。本文從水果采摘這一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求出發(fā)，對于機(jī)器人運動控制系統(tǒng)展開設(shè)計，旨在為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：水果采摘;機(jī)器人運動控制;系統(tǒng)設(shè)計

前言：傳統(tǒng)人工采摘水果，需要在幾天內(nèi)支付勞動者大量資金，影響水果種植盈利空間。為有效降低成本支出，采摘機(jī)器人已經(jīng)變成農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)注要點。對于水果采摘，要求在樹枝中識別成熟水果，將其采摘，并在不同果樹之間進(jìn)行移動，是一項系統(tǒng)性工作。本文針對機(jī)器人運動這一模塊進(jìn)行設(shè)計，希望可以為更多機(jī)器人研發(fā)企業(yè)提供研發(fā)思路。

1運動控制機(jī)械機(jī)構(gòu)

對于水果采摘，主要涉及到在水果采摘與果園移動兩個部分。對于采摘部分，使用可以實現(xiàn)提升、中軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂，在控制器引導(dǎo)下，可以讓機(jī)械臂在樹枝之間順利采摘水果，而不對果樹造成過多影響。而且，在機(jī)械臂的末端需要設(shè)計剪斷莖干的剪刀，并使用氣缸對剪刀開合進(jìn)行控制。先由夾子固定水果，再完成果實采摘。而移動部分則要考慮不同水果的果樹高度會存在差異，而且果實高度也會存在差異。所以，需要利用傳感器檢測距離機(jī)器人最近的果實位置，并驅(qū)動機(jī)器人移動至果實下方。將機(jī)器人負(fù)責(zé)移動的四個輪子構(gòu)成矩形，以對角線的交叉位置設(shè)置成原點，以此構(gòu)建直角坐標(biāo)系。同時，需要在輪子上增加傳感器，保證機(jī)器人在移動時可以依照坐標(biāo)系完成多角度移動。例如輪子的初始位置是0°，即機(jī)器人停止當(dāng)前運動;在輪子角度為正90°，則會發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到機(jī)器人移動目的。

2水果采摘機(jī)器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 GPS定位

為在水果采摘過程中，實時掌握機(jī)器人當(dāng)前位置，需要通過GPS定位系統(tǒng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸則要以GPS信息格式為準(zhǔn)，從而對機(jī)器人位置信息采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議中涉及到幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)信息、位置檢測四個部分，需要于系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先經(jīng)過智能化處理，才能讓數(shù)據(jù)傳輸保持較高效率，降低干擾信息影響。所以，采集數(shù)據(jù)需要先串口數(shù)據(jù)傳輸情況進(jìn)行判定，如果是失敗，需要從程序中退出，如果是成功，需要在幀頭位對GPS標(biāo)識符檢測;然后，對已接收字符進(jìn)行循環(huán)，判別標(biāo)識符內(nèi)位置信息是否有效，有效會繼續(xù)等待其他幀傳輸，無效會終止當(dāng)前行為;在對接收數(shù)據(jù)后，認(rèn)定該內(nèi)容是幀尾位，則會返回數(shù)據(jù)。如果不是幀尾位，會在已接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至緩沖區(qū)的同時，繼續(xù)接收剩余數(shù)據(jù)內(nèi)。GPS系統(tǒng)在檢測數(shù)據(jù)完整性時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和字節(jié)標(biāo)準(zhǔn)不符，需要舍棄數(shù)據(jù)。

2.2超聲波測量

超聲波測量系統(tǒng)是由機(jī)械臂前端傳感器和水果測量兩者之間距離，并把超聲波通過反射測量獲得距離信息運輸給數(shù)據(jù)單元。測量數(shù)據(jù)除水果和傳感器位置外，也涉及到機(jī)器人的移動速度、機(jī)械臂角速度等數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)幀方式于系統(tǒng)內(nèi)傳輸。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，需要判斷數(shù)據(jù)發(fā)送情況，無數(shù)據(jù)傳送時，需要等待數(shù)據(jù);而已經(jīng)開始進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，需要對幀頭真實性判斷，只有符合系統(tǒng)預(yù)測信息的數(shù)據(jù)，才能將其轉(zhuǎn)移至緩沖區(qū)內(nèi)，并根據(jù)緩沖數(shù)據(jù)對傳感器與水果完成距離運算。如果不符合要求，則會將接收到數(shù)據(jù)丟棄，等待其他數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)。

2.3視圖系統(tǒng)

對于視圖系統(tǒng)，這是機(jī)器人采摘設(shè)計最重要內(nèi)容。其目的是處理傳感器收集到的圖像信息，并對采摘目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確處理。視圖系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)信息真實，并在視圖系統(tǒng)中判斷采摘對象，完成超聲波測距后，進(jìn)行機(jī)械臂的采摘動作?；驹硎怯蓹C(jī)械臂前端的攝像頭對果實收集圖像信息，從而確定果實實際方位，由超聲波測距確定具體采摘位置，在系統(tǒng)中控制機(jī)械臂的高度，設(shè)定采摘角度，并合理調(diào)節(jié)運動速度，通過設(shè)置剪刀、夾子的執(zhí)行器負(fù)責(zé)采摘工作。對于視圖系統(tǒng)的設(shè)計過程，需要保證對操作目標(biāo)檢測其是否存在，以分析其具體空間位置，確定坐標(biāo)，利用機(jī)器人與執(zhí)行器距離，借助視圖導(dǎo)航，完成機(jī)器人行為引導(dǎo)。

3基本功能測試

負(fù)責(zé)輔助機(jī)器人在果園內(nèi)移動的GPS定位系統(tǒng)，與確定果實在樹上具體位置的超聲波測距系統(tǒng)，兩者在實際應(yīng)用時都可以將誤差值控制在較低范圍內(nèi)。少數(shù)測試時可以達(dá)到精確采摘水果效果。為提升采摘準(zhǔn)確度，需要通過視圖系統(tǒng)識別果實模型。在測試時主要以果實規(guī)格、邊緣特性等和周邊樹枝、樹葉進(jìn)行區(qū)分。例如圓形蘋果與扁平狀樹葉，機(jī)器人則是處理前者，避開后者。如果是水果規(guī)格過小，機(jī)器人分辨準(zhǔn)確度會有所下降。對于常見的幾種水果測試后，例如蘋果、桃子等，其識別效率均在98%以上，如表1所示。

結(jié)論：本文對于采摘機(jī)器人僅涉及到運動模塊，若要正式投入應(yīng)用，還需要對圖像識別、障礙物判定等多種系統(tǒng)模塊進(jìn)行研究。所以，在參考本文內(nèi)容時，請依據(jù)實際水果采摘條件為主，優(yōu)化設(shè)計工作。避免出現(xiàn)直接照搬本文內(nèi)容，影響機(jī)器人實際工作效果。

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作者簡介：1997年10月生，男，漢族，寧夏固原人，研究方向：智能控制技術(shù)

課題：寧夏大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“自動化水果采摘機(jī)器人”（2018-D26）