蘋果自動采摘機探討

王勇 王簫揚 楊延寧 王旭 劉葉 周旭 朱鵬

摘 要 在蘋果采收過程中，使用蘋果自動采摘機可有效降低蘋果采摘過程中的勞動力投入。基于此，從系統設計（包括自動采摘原理、識別定位模塊）、控制模塊（包括電機驅動模塊、舵機驅動模塊）等方面分析一種具有自動完成蘋果采摘等任務的智能機械系統。

關鍵詞 蘋果自動采摘機;系統設計;控制模塊

中圖分類號：S225 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.15.081

隨著科技的不斷發展，蘋果自動采摘機的研究成為當前的熱點[1-2]。蘋果自動采摘機在一定程度上可以節省勞動力、縮短勞動時間、提高生產效率，促進蘋果產業的發展[3-4]。

因此，研究蘋果自動采摘機對水果產業具有深遠意義。

蘋果自動采摘機主要包括三大部分：機械采摘手、整體電路驅動、蘋果裝箱裝置。裝置中伸縮桿可達到采摘的任意高度，機械爪可以模擬人手進行采摘。電路控制方面，以STM32F7單片機為主控，采用紅外測距技術和圖像識別技術準確快速識別蘋果，利用電動機的正反轉和單片機控制原理控制伸縮桿的高度以及機械爪的張合，實現準確摘取蘋果。

1 系統設計

1.1 自動采摘原理

蘋果自動采摘機主要利用紅外測距和單片機處理數據發布命令。工作時，打開摘果控制開關，并使機械爪處于張開狀態，對經過圖像識別后的果實進行紅外測距，使機械爪對準目標采摘水果，經過紅外測距、單片機處理數據，判斷是否可以包裹水果，距離在設定范圍內，通過單片機給予繼電器打開命令，內部電機得到電源輸入，驅動機械爪閉合并抓緊蘋果，當機械爪抓住水果遇到阻力時，內部電機停止轉動，使機械爪保持抓緊水果狀態;此時電流加大，驅動另一繼電器，使位于機械爪底部的另一電機帶動機械爪轉動約180°，便可將水果采摘下來;然后收縮機械爪到一定范圍，給于內部電機反向電源，驅使機械爪張開，使果實放入固定橡膠框之中，完成果實摘取，機械爪結構如圖1所示。

1.2 識別定位模塊

1.2.1 蘋果果實的識別

蘋果自動采摘機的視覺系統相當于蘋果采摘機器人的眼睛，機器人必須通過它來識別環境中的蘋果并準確定位位置信息，同時快速將信息返回給主控制器。該機械利用STM32F7驅動OV7725攝像頭進行圖像實時采集，在TFT屏幕上實時顯示并識別圖像中的特定顏色，在顏色的周圍畫上圓框，從而實現識別的功能。運用腐蝕算法確定好腐蝕中心，同時指定范圍的顏色，這個范圍根據蘋果的大小來設定，若在此區域出現了預先設定的紅色，系統會給其進行上框，以獲知前方有蘋果存在，驅動電機來實現自身位置調整，使機械臂直面目標區域。仿真效果圖如圖2所示。

1.2.2 果實的定位

蘋果自動采摘機通過激光來測量攝像頭前方的距離，當機器人移動到蘋果前面時，紅外測距模塊會發出光波并通過蘋果反射回來，從而測量出機器人與蘋果之間的距離。系統會對比傳輸回來的距離與機械臂能夠伸張的最大距離，距離合適時，系統便會驅動機械臂進行抓取，否則機器人會繼續調整位置，直到滿足預設條件。

2 控制模塊

蘋果采摘機器人控制系統分為識別定位和主控兩大模塊，主控系統包括電機驅動模塊、舵機驅動模塊、電源模塊三個模塊，控制系統總體結構如圖3所示。

2.1 電機驅動模塊

蘋果自動采摘機的機械臂驅動電路如圖4所示，主要采用STM32F103對驅動進行控制，再采用L298N電機進行驅動，以此來控制機械臂的運行，達到本設計的需求。本電路中設有電源模塊、指示燈顯示模塊，使用STM32F103與核心主控板相互通信，以更好地控制機械。這種控制很大程度上減輕了主控核心芯片的負載，使其可以更好的工作，不同于單芯片控制系統，所有數據全由一個核心來接收、分析和處理，會使芯片的壽命縮短，效率降低。同時，L298N電機是一種實用并且廉價的電機，可以有效降低成本。

2.2 舵機驅動模塊

舵機驅動采用PCA9685作為驅動芯片，利用I2C通信，內置一個PWM驅動器和一個時鐘。用3.3V單片機控制，并安全驅動到6V輸出，內部自帶25MHz振蕩器的舵機模塊，無需外接，可使電路更加簡化。

此舵機驅動接口簡單，只需連接四條線（VCC、GND、SDA、SCL）到單片機，便于后期調試維護。舵機驅動模塊外圍電路如圖5所示。

2.3 電源模塊

供能裝置選用（3S 2200mAh 20C）的鋰電池。此款鋰電池正常工作電壓可達12.6 V，電池的最大放電電流為12 A，足以滿足蘋果采摘機器人各機構的正常工作要求。

電源的芯片采用LM2596SX-5.0/NOPB，輸入最大電壓可達到40 V，輸出最大電流可達3 A，具備低功耗待機模式，在過熱情況下有自動關斷和限流保護的功能，以滿足機器人的需求。

抓取模塊含有4個數字舵機，工作時瞬時電流較大，因此把舵機供電和各芯片供電分開為兩個獨立的部分，設計如圖6所示。開關引腳（ON/OFF）接地，默認芯片為使能;輸出引腳（OUT）外接33 μH電感、肖特基整流二極管（IN5824），以保證電源關閉瞬間輸出的電流連續，接入的220 μF電解電容可防止輸出電壓突變;穩壓反饋引腳（FB）接輸出端，可調節輸出端的電壓。采用2塊LM2596SX-5.0/NOPB芯片，其輸入引腳（IN）連接鋰電池正極，并且外接680 μF電解電容，可防止輸入端電壓突變。

3 結語

本次研究的基于單片機的蘋果自動采摘機，不僅能提高果農的采摘效率，而且還能降低果品的受傷率，節省了人工成本。因此，該蘋果自動采摘機的研究對蘋果產業具有深遠意義。

參考文獻：

[1] 王丹丹，宋懷波，何東健.蘋果采摘機器人視覺系統研究進展[J].農業工程學報，2017（10）：59-69.

[2] 米紀千，林偉青.新型輔助人工蘋果采摘機探析[J].南方農機，2018，49（7）：36.

[3] 孫賢剛，伍錫如，黨選舉，等.基于視覺檢測的蘋果采摘機器人系統設計與實現[J].農機化研究，2016（9）：151-155.

[4] 王琪，丁柏文，陳萍.蘋果采摘機器人控制系統設計[J].電氣與自動化，2016（9）：150-152.

（責任編輯：劉昀）