智能草莓田間管理機器人的設計

陳思羽 邱學華 陳晨

摘要 為適應基于現代農業發展的“智造”需求，解決目前草莓大棚化種植人工管理投入大、供過于求等難題，設計出一款智能草莓園管理機器人。該裝備可實現對草莓的成長環境監測調控、遠程查詢生長狀況、草莓成熟期自動采摘裝袋等功能。該款智能草莓園管理機器人通過四輪移動平臺，可以在草莓大棚寬道上來回移動;通過溫濕度傳感器實時監測單株草莓的生長環境，從而可以實時對植株的生長狀況進行調控;同時，設計有噴灑農藥的自動噴灑泵，可以單株對點噴灑農藥;通過具有顏色識別功能的草莓采摘頭，識別成熟的草莓并進行采摘裝袋。該款草莓園管理機器人的研發，對提高草莓行業的種植效率和采摘效率，實現草莓大棚管理的無人化、智能化、標準化將發揮重要作用。

關鍵詞 草莓;田間管理;采摘;機器人

中圖分類號 S224文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）10-0179-03

Abstract An intelligent strawberry garden management robot was designed in order to meet the needs of modern agriculture development and solve the problems such as large investment in artificial management and oversupply of strawberry plantation. The equipment can monitor and control the growth environment of strawberry， inquire the growth status of strawberry remotely， pick and pack bag automatically in the ripening period of strawberry and so on. The intelligent strawberry garden management robot can move back and forth in the strawberry shed wide lane through a fourwheel mobile platform. The temperature and humidity sensor can be used to monitor the growth environment of a single strawberry plant in real time， so that the plant growth can be regulated in real time. At the same time， an automatic spraying pump can be designed to spray pesticide per plant. Ripe strawberries can be identified and picked by a strawberry picking head with color recognition function. The design of the robot will play an important role in improving planting and picking efficiency of strawberry industry， realizing unmanned， intelligent and standardized management of strawberry shed.

Key words Strawberry;Field management;Pick;Robot

近年來，隨著草莓育種與栽培技術、病蟲害防治技術以及深加工技術的進步，草莓種植在全世界得到了極大的推廣。目前在一些地區草莓種植已成為當地農業的支柱產業，成為農民致富的主要來源。我國現在草莓的種植方式以現代化大棚種植為主，這種方式不僅提高了草莓的產量和質量，也給草莓種植農戶帶來了巨大的經濟效益[1-3]。

草莓果實的成熟期短，不容易采摘，柔軟的果肉容易在采摘過程中受到傷害，影響儲存和運輸。由于草莓特殊的生長特性和果實形態等特點，草莓果實比較脆弱，加上其體積較小，所以存在較高的破碎率和漏采率[4-6]。發達國家的農業即使已實現了高度自動化，但采摘環節仍依賴大量人工來完成。因此，實現采摘作業的自動化已成為農業生產發展的現實需求。目前國內外針對溫室采摘機器人技術開展了大量研究[7-11]，但草莓田間管理的自動化程度仍然較低。筆者針對目前國內外草莓生產、研究的現狀，對適用于我國栽培草莓的管理機器人進行研究，設計出對草莓園進行全面智能管理的機器人，旨在實現草莓管理的標準化和智能化。

1 智能草莓田間管理機器人的總體設計思路

草莓的管理和采摘需要嚴格的管理方式，該機器人為了解決上述問題，方案最終確定為無人控制的管理系統，移動平臺會根據草莓種植的規模和具體的路徑設定移動的軌跡和速度。運用溫濕度傳感器檢測草莓種植大棚的溫濕度，并實時反饋給管理者，從而達到更加合理地管理草莓的生長環境，確保草莓質量的目的。通過溫濕度監控裝置返回的指令，噴灑模式可依據溫濕度反饋情況隨時自動啟動噴水，也可根據管理員預先設定的日期實現自動啟動并執行噴藥、噴營養液等功能。采摘方面，采摘頭的槽內裝有顏色傳感器，機器根據顏色色度準確地識別色彩不一的物體或物體的不同部位，當檢測到成熟草莓時，機器就會完成自動采摘并裝袋，然后運輸到大棚兩端的架子上繼續采摘。智能草莓園管理機器人外形如圖1所示。

2 智能草莓管理機器人控制設計

移動平臺采用的是四輪四電機驅動移動平臺，采用鋁合金框架式車身，上部可載有控制盒、儲物箱和采摘臂（圖3）。其框架大小是根據實體大棚2個草莓種植槽之間的距離設定的，可以確保順暢通過直接通道，同時還方便轉向、起動和停止。在控制上，采用的4個供力電機均由單片機控制，提高了準確性和靈活性。

采摘頭有一個傾斜的通桿，上方裝有2個固定的口，用于讓草莓果實從上方通過，方便口中的顏色傳感器識別草莓的成熟度，在口的后側是一個用舵機帶動可以旋轉的切割頭，用于割斷成熟草莓的莖。采摘頭利用視覺定位，主要是利用人眼水平視差三角原理進行空間坐標計算。在草莓采摘機器人中，使用雙目視覺進行草莓空間坐標的定位。首先，要對雙目視覺傳感器進行單目標定，從而獲得視覺傳感器的內部參數;其次要進行視覺傳感器的雙目標定，從而獲得2個視覺傳感器的空間旋轉（R）和平移矩陣（T）。在獲得視覺傳感器的內參和外參后，需要對視覺傳感器采集到的草莓圖像進行雙目矯正，從而使得圖像的垂直視差為0。在得到雙目矯正后的圖像后，需要對草莓圖像顏色進行閾值分割。通過顏色閾值分割，將草莓和環境背景相分離。隨后進行圖像形態學處理，通過膨脹腐蝕、空洞填充，從而獲得草莓的理想二值化模型。草莓采摘頭外形如圖4所示。

3 智能草莓管理機器人的工作模式

該系統包括生長期溫濕度檢測與控制、噴灑模式、成熟期草莓采摘3種工作模式。這3種工作模式分別由3個獨立按鍵來控制完成，用戶只需要在起始位置選擇自己的工作方式就可以讓它自行工作。

3.1 溫濕度檢測模式

該模式下機器人通過溫濕度傳感器檢測草莓生長溫濕度，如果出現異常就作出提示，檢測的數據通過SIM900A傳輸到管理者的手機，管理者可以根據該信息進行調控，執行噴灑、控光或者通風控制，具體流程如圖5所示。

3.2 噴灑模式

該模式下用戶先將配制好的農藥裝進機器人的儲物倉內，連接上噴灑管，然后將機器人安放到起始位置，機器人會自動按照預先設定的路線進行噴灑作業，光電傳感器檢測到植株后將信息返回給單片機，單片機控制農藥噴灑泵噴灑水、農藥或者營養液。智能草莓管理機器人噴灑控制程序如圖6所示。噴灑模塊的開發，實現了噴灑的細化、小型快速化，并且這樣的噴灑模式有利于農作物的均勻調控，保證了植株的受藥量統一，不僅具有原來機器噴灑的快速高效，而且防止了人體受到農藥的侵染、引發過敏等一系列傷害。

3.3 成熟期草莓采摘模式

該研究的草莓自動識別與定位技術采用比較成熟的RGB顏色模型，RGB顏色模型以三基色為基準，通過改變三原色的數量，可以混合出不同的顏色。通過攝像頭獲取草莓視頻圖像，然后利用圖像分割技術，完成對成熟草莓的識別和空間坐標定位，以及實現草莓收獲的自動化。

草莓采摘功能是該機器人的主要功能，這樣的采摘方式與原來的人工相比不僅速度快而且高效，避免了手與草莓的接觸，減少了對草莓的傷害和污染，延長了草莓的貯運時間。

4 結論

該款草莓智能管理機器人通過自動控制和簡單的檢測傳感器結合，實現了集檢測、田間管理、采摘于一體的智能化管理。其中無線模塊的運用，使管理者可實時遠程監測并進行田間管理。該款機器人操作簡單，不僅解決了草莓種植管理上的難題，還為農業無人化、智能化技術的推廣和應用奠定了良好的基礎。

參考文獻

[1] 李長勇，房愛青，譚紅，等.高架草莓采摘機器人系統研究[J].機械設計與制造，2017（6）：245-247，251.

[2] 房愛青，李長勇，黃艷華，等.草莓采摘機器人的草莓定位算法研究[J].現代制造技術與裝備，2016（10）：90-92.

[3] 馬瑛，楊旭.草莓采摘機器人成熟果實識別及避障控制系統研究：基于ARM與FPGA[J].農機化研究，2017（2）：181-185.

[4] 劉志剛，王風燕，魏純.精密草莓采摘機器人的優化設計：基于光程調節結構[J].農機化研究，2016（6）：16-20.

[5] 劉繼展.溫室采摘機器人技術研究進展分析[J].農業機械學報，2017，48（11）：1-18.

[6] 侯貴洋，趙桂杰，王璐瑤.草莓采摘機器人圖像識別系統研究[J].軟件，2018，39（6）：184-188.

[7] 楊松，賈英崎，蔡文博，等.手提式草莓采分一體化裝置設計[J].科學技術創新，2018（23）：179-180.

[8] 翟毅豪，鄧志恒，張俊雄.溫室采摘機器人末端執行器研究進展[J].農業工程技術，2018，38（22）：22-28.

[9] 殷建文，趙桁晨，趙帥，等.草莓采摘機設計[J].科技風，2018（20）：1-2.

[10] 李沖沖，馬曉錄，郭永剛，等.一種跨壟式草莓采摘車的設計[J].機械研究與應用，2018，31（3）：146-148.

[11] 王興，鄒姚姚，孫猛猛，等.吸取切斷式草莓采收裝置的系統設計[J].南方農機，2018，49（11）：78-79.