周傳鑫 徐昊成 杜鵬飛 梁楷奇 韓 放

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003）

在果樹種植業(yè)中，對水果的采摘質(zhì)量要求較高。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，各品類水果采摘期間，采摘的勞動力成本約占整個水果種植成本中的50%左右，水果的采摘質(zhì)量容易受到果農(nóng)的操作影響，最終影響成品的經(jīng)濟效益和市場價格。

水果采摘裝置的專利在國家專利備案中很多種，包括電動式、機械式、氣動式等。根據(jù)采摘方向又分為定向采摘和全方向采摘。但是，完成商業(yè)轉(zhuǎn)化的專利數(shù)量偏少且價格昂貴。

完全依靠人力采摘的工作效率低、勞動強度大，高枝作業(yè)還具有一定危險性。因此，實現(xiàn)水果采摘機械化、智能化、經(jīng)濟化具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 視覺相機的選擇和使用

視覺相機的主控選用STM32F411 MCU，視覺識別模塊選用了OpenCV，并集成OV7725攝像頭芯片。視覺識別相機選用面陣CCD工業(yè)3D相機，作為工業(yè)級圖像采集裝置，配置300萬的ccd攝像頭。

人工檢測雖然可以實現(xiàn)普通的水果表面檢查，但對于有快速采摘要求的果品時，大面積的采摘作業(yè)將會導致人工采摘面臨疲勞作業(yè)，降低勞動效率，增加作業(yè)時間。

基于視覺識別的水果采摘裝置，優(yōu)勢在于集成裝置的電子控制不會因工作時間過長而疲勞，并且可以根據(jù)不良品的多維度邊界特征，在系統(tǒng)中引入新的算法，提高檢測速度和檢測質(zhì)量。文章提出的自動采摘裝置所具有的信息打印功能，在檢測到表面瑕疵后，自動識別當前瑕疵的圖像、大小等信息，并反饋至移動端，在手動控制設備進行采摘操作的同時，還可控制采摘質(zhì)量，提高優(yōu)產(chǎn)率[1-2]。

視覺相機如圖1所示。

圖1 視覺相機

1.2 視覺相機五大硬件檢測要求

（1）照明方式：前向照明。此方式可使光源和攝像機位于被測物的同側(cè)，照明裝置安裝方便且便于拆卸，還可有效減小設備總體積。

（2）工業(yè)鏡頭的選型依據(jù)：

視場角=所需分辨率×亞像素×相機尺寸/零件測量公差比

鏡頭選擇需要注意目標高度、影像高度、焦距、影像至目標的距離、放大倍數(shù)、中心點/節(jié)點以及畸變。

（3）面陣CCD。

（4）攝像頭接口：圖像為黑白雙色傳輸；接口選擇通用的PCI或AGP兼容捕獲卡，可以將圖像迅速傳送到計算機存儲器，進行圖像識別處理。

（5）視覺處理器：系統(tǒng)處理器與視覺處理器整合于一體。

1.3 剪枝結(jié)構(gòu)的設計和方案敲定

剪枝結(jié)構(gòu)的設計方案有兩種。第一種為電子控制。優(yōu)點在于通過電控的方式操作控制桿在直線上完成抓取動作?？刂剖直梢酝ㄟ^藍牙信號傳輸控制前端機械手爪的運動。因控制桿具有一定硬度，不易受枝杈影響，所以不需要考慮結(jié)構(gòu)長度是否會影響到手爪的運動效果。但電子控制缺點也較為明顯，即低電量狀態(tài)下無法使用，需要攜帶足夠的備用電池，并且在有電磁干擾的環(huán)境中可能會影響信號的傳輸。第二種為機械手爪設計。優(yōu)點在于通過尼龍繩連接手爪和控制手柄，結(jié)構(gòu)簡單且較為穩(wěn)定。缺點在于結(jié)構(gòu)設計會導致機械手爪的長度受限。綜合以上兩種方案，剪枝結(jié)構(gòu)最終選擇第一種。

采用42步進電機控制兩個刀片對水果枝條進行剪切，對兩片刀身同一端進行固定，呈“剪刀狀”。剪枝結(jié)構(gòu)的電控設計如圖2所示。深色刀片固定在步進電機，而淺色刀片則固定在電機軸上，與電機軸共同運動，從而實現(xiàn)剪切水果枝條的效果。

圖2 剪枝結(jié)構(gòu)的電控設計

1.4 水果下落的緩沖管道設計

管道外部包圍材料使用柔性紗網(wǎng)型材料，在足夠長的紗網(wǎng)型管道設置3～4節(jié)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)帶有柔性橡膠，選擇彈性系數(shù)較為合適的合成橡膠使水果能夠安全平穩(wěn)地落到分類果筐中[3]。

1.5 分類果筐設計

水果的品類和大小通過視覺相機識別，分類果筐將根據(jù)數(shù)據(jù)庫中設定的參數(shù)值對比相機識別后提供的數(shù)據(jù)。單片機將會控制分類果筐，打開相應的果筐欄，水果沿著斜坡滾下，掉落至閥門開啟的果筐欄，提高了水果分類效率，并且視覺相機可根據(jù)圖像判斷水果是否有腐爛、表面瑕疵等情況，將判定結(jié)果為“差”的水果篩選出去。

2 智能控制系統(tǒng)設計

2.1 單片機主控選型

主控選用Arduino 的Mega 2560 單片機。Arduino Mega 2560 的微控制器是ATmega 2560，IO口54（15個IO口可以作為PWM輸出），模擬輸入端口16個，uart串口4個，運行頻率達到16 MHz。燒錄程序時可以使用USB接口，使用ICSP頭進行數(shù)據(jù)傳輸。與其他開發(fā)板相比，Arduino所處的開發(fā)環(huán)境簡單，資料齊全，開源性強，采用Arduino能夠有效地提高設計人員的編程速度。

分類果筐結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)運行流程分別如圖3、圖4所示。

圖3 分類果筐結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)運行流程

2.2 視覺識別邏輯

（1）算法（預處理算法、檢測算法）：圖像采集完成后，系統(tǒng)優(yōu)先對圖像進行預處理操作，保證圖像的對比度清晰，方便后續(xù)圖像處理。算法處理方面，選用圖像變換和圖像增強兩種算法，以檢測水果的表面質(zhì)量和尺寸大小。

（2）使用常用的視覺檢測軟件庫：OpenCV。其功能算法相對較多，代碼開源，可商用，但開發(fā)周期較長，部分特殊算法還需技術(shù)人員單獨設計實現(xiàn)。OpenCV是基于（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，能夠流暢運行在各操作系統(tǒng)中。OpenCV的核心量級輕且高效，由C語言及C++語言編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像處理和計算機視覺方面的多種通用算法。OpenCV的主要接口也是C++語言。數(shù)據(jù)庫含有大量的Python、Java 和E語言接口。

2.3 藍牙模塊設計

藍牙模塊選用SKB501（BLE5.0），該模塊基于nRF52840方案實現(xiàn)，具有性能良好、功耗低、接收靈敏度高、傳輸距離遠等特點，且產(chǎn)品可滿足快速編輯需求，能夠更好地服務用戶需要。

nRF52840 SoC以nRF52系列SoC的架構(gòu)為基本框架，支持單芯片方案無法實現(xiàn)的復雜低功耗藍牙和其他低功耗無線應用。與4.2版本的低功耗藍牙方案相比，nRF52840能夠提供4倍覆蓋范圍以及2倍傳輸速率的低功耗藍牙無線連接性能，nRF52840全面支持5.0 傳輸，并且還集成了Thread、802.15.4、ANT和專有2.4GHz無線通信技術(shù)，全速USB 3.0控制器，涵蓋4 種SPI 接口的大量新外設（類似EasyDMA等）。該模塊可廣泛應用于高級信號傳輸設備以及IoT物聯(lián)網(wǎng)設備。使用該模塊能夠更好地滿足通信方面的要求，提高通信速度。

3 結(jié)語

基于視覺識別的水果采摘裝置的應用，有利于提高果品采摘質(zhì)量，降低果農(nóng)工作強度。通過藍牙模塊控制的剪枝裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無線控制，使機械手臂能夠自由伸縮的同時，兼具穩(wěn)定性和可控性，適合采摘多種高枝水果。