無人駕駛蔬菜收割機的研究與設計

魏霞 龐蒙 李文濤 王菲 柳春麗

摘 ?要：為了提高大棚小蔥種植的經濟效益，降低生產成本，滿足蔬菜生產對高質、高效的機械化收獲的要求，擬設計一種無人駕駛蔬菜收割機。通過研究國內外蔬菜收割設備的應用現(xiàn)狀，針對目前國內小蔥收割機的缺陷，通過研究大棚小蔥的物理特性，研制出基于深度學習的圖像識別系統(tǒng)，并設計適用于大棚的小型電動車輛、收獲及存儲設備。該設備能有效減少小蔥收割過程中的損傷，且整體結構小巧緊湊，機動靈活。

關鍵詞：蔬菜;無人駕駛;小蔥收割機;機械化

0 引言

農業(yè)在國民經濟中具有基礎性的重要作用，保障蔬菜的正常供給是重大的民生問題。近年來在國家一系列政策利好下，我國蔬菜播種面積持續(xù)增加。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國蔬菜播種面積為2130.56萬公頃，同比增長2.12%;預計2021年播種面積可達2174.43萬公頃。農業(yè)機械化水平不高的問題嚴重阻礙著農業(yè)的發(fā)展，蔬菜的品種多樣，生長環(huán)境復雜和植物特性各異對其有較大影響。蔬菜的生產機械化作業(yè)水平遠低于糧食的生產機械化作業(yè)水平，特別是在蔬菜的收割環(huán)節(jié)。由于蔬菜種類不同，其長勢及收獲后可供食用的部位也各不相同，并且不同蔬菜的栽培方式也不盡相同，進而影響收割機的使用性能，因此蔬菜收獲環(huán)節(jié)機械化水平遠低于耕整、播種、移栽、灌溉以及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的機械化水平。[1]

大棚蔬菜種植的優(yōu)勢在于反季節(jié)性，是一種比較常見的技術，具有較好的保溫性能，深受人們喜愛，因為在任何時間都可吃到反季節(jié)的蔬菜。現(xiàn)在各地使用蔬菜大棚種菜的技術已經非常普及，大棚種植能更有效的管理各種蔬菜種植，提高對病蟲預防和天氣的影響，提高蔬菜的單位產量。[2]而且市場需求也逐漸增大，具有較好的市場前景。大棚蔬菜總體特點是室內舉架低矮、空間狹小，建設規(guī)模小，往往不能使用大型收割機械，只能采用人工收割，勞動強度極大，勞動環(huán)境惡劣。因此，研制無人駕駛的智能蔬菜收獲機械具有重要意義。為提高蔬菜種植的經濟效益，降低生產成本，滿足對蔬菜生產開展高質、高效的機械化收獲要求，本文作者進行了蔬菜機械化收割技術研究，優(yōu)化收割機性能。推廣應用經濟、適用的蔬菜收割機既是產業(yè)發(fā)展需求，又是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的時代要求。

1 蔬菜收割機發(fā)展現(xiàn)狀

蔬菜收割機械化程度較高的國家主要有俄羅斯、美國、意大利、韓國和日本等國家，這些國家開始蔬菜機械化生產的研究起步早、發(fā)展快，技術也相對成熟。[3-4]例如甘藍類的圓白菜收獲機，根菜類的馬鈴薯收獲機，果菜類的番茄收獲機，均有用于商業(yè)推廣的收獲機型。如美國的Urschel設計的菠菜收獲機，應用圓盤形狀的刀具將菠菜從其根部切斷，最后經傳送帶收集。[5]意大利的HORTECH公司的SLIDE FW蔬菜收獲機型采用的是水平放置的鋸齒形刀具，并且其切割蔬菜的高度可進行自動調節(jié)。日本、韓國等地區(qū)多采用小型自走式聯(lián)合收獲機，動力小，多用于單行收獲。[6]

國內對于蔬菜收獲機械的研究起步晚，多數(shù)地區(qū)仍然存在機播機種人收的現(xiàn)象，收獲環(huán)節(jié)勞動強度大，工作效率低。[7-8] 蔬菜收獲機具有很大的應用前景和發(fā)展?jié)摿Γ虼藱C械化收割技術是蔬菜產業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的一個難題。[9-10]除了少數(shù)根類蔬菜如馬鈴薯、山藥等有成熟收獲機型以外，多數(shù)其它類蔬菜的收獲機械的研究仍然處于理論實驗階段，如番茄、胡蘿卜等蔬菜收獲機，還沒有研究出成熟的機型用來進行商業(yè)推廣。以小蔥為例，小蔥是我國廣泛栽培的蔬菜。我國是世界上蔥的產量、面積和出口貿易量最大的國家，在我國蔬菜產業(yè)發(fā)展中占有非常重要的位置。目前，我國小蔥收獲裝備仍然以國產的簡易收獲機具為主，隨著小蔥生產機械化需求日益迫切，市場上出現(xiàn)了一些小蔥收獲機械。如曲阜市雙聯(lián)機械有限公司研制的農用履帶式蔥姜收獲機;禹城市天意設備有限公司生產的四輪拖拉機配套小蔥收割機，但這些設備由于體積大而不適用大棚小蔥收割。目前還沒有研究推廣性能成熟的、可一次實現(xiàn)小蔥低損傷挖掘及全方位收獲的技術裝備。

2 小蔥生產機械化收割

小蔥屬百合科，是多年生草本植物蔥，蔥葉為青色，一般需采用分株種植。生長在溫暖、半陰、通風、濕潤的環(huán)境中，要求疏松、肥沃、富含腐殖質的偏酸性的土壤。較喜肥，一般采用摻水澆灌，室內只要有一定的光照和通風條件，一般不必加溫。適宜生長的環(huán)境溫度是12℃至25℃，夏天要遮陽防曬，冬天要防凍保暖。北方冬季極為寒冷、干燥，用中溫 （15 ℃左右 ） 溫室栽培為宜。室外場地，夏秋使用，以泥地為好。場地要求寬敞，通風和蔭涼，要搭建蔭棚，遮以蘆簾或借用天然林蔭的蔽護，透光率 30% 左右為宜，切忌日曬。大棚小蔥的種植和平常的小蔥種植是一致的，區(qū)別在于大棚小蔥成熟的時間快。一般是3-4月播種，6-7月收獲;也可以在9-10月播種，第二年4-5月收獲。這期間以沒有長成的幼秧供應市場，食嫩葉為主。

小蔥不宜多年連作，也不宜與其它蔥蒜類蔬菜接茬種植，一般在種植1-2年以后，需換新地重新栽培。栽培前要將留種田中的母株叢掘起，將根須剪齊，并用手將株叢分開。分蔥的栽植行株距較大，細香蔥則較小。一般分蔥行距為23厘米，穴距為20厘米，每一穴栽的分蘗苗為2-3株，苗栽深度為4-5厘米;細香蔥的行距為10厘米，穴距為8厘米，每一穴栽的分蘗苗為2-3株，苗栽深度為3-4厘米。

近幾年，新機具、新技術被廣泛應用于蔬菜生產各環(huán)節(jié)。但目前小蔥收割設備普遍體型大，并且需要大型拖拉機進行牽引作業(yè)，而我國農業(yè)生產多為小農戶種植，分布廣而分散，小型、實用性強的機型更適宜于我國農業(yè)的種植模式;小蔥收割設備的收割效果不理想，自動化水平低，對人的依賴性高，且對小蔥的損害性大，蔬菜收獲作業(yè)條件惡劣，蔬菜葉梗、泥土等容易堆積在機械的死角，堵塞作業(yè)機械，影響收獲效率;機器結構復雜，智能化程度低，對使用、操控和維修都帶來一定難度，同時，也造成了設備成本過高，農民不愿意接受。

3 無人駕駛小蔥收割機的設計

針對目前小蔥收割機的現(xiàn)狀，本文作者擬設計一款基于深度學習的雙平臺大棚收獲設備，通過研究大棚作物的物理特性，設計出基于深度學習的圖像識別系統(tǒng)，并設計適用于大棚的小型電動車輛、收獲及存儲裝置。設備以蓄電池作為動力源，傳動機構采用齒輪變速機構，設計成兩個檔位，行走部分采用萬向輪或塑膠履帶行走機構;收獲方式使用前置松土鏟，配合加持皮帶與抖土器，在加持皮帶與抖土器的不斷運作下將小蔥傳送至機器后方的收集裝置;收集儲存裝置鋪設海綿橡膠等緩震材料，位于機器后方，用以防止造成小蔥損傷。

3.1動力裝置的設計

動力裝置包括智能車輛電池和工作部件驅動電機兩部分，其中動力電池擬采用鋰電池，驅動電機主要用于控制車輛行走速度和機器的抖土頻率。機器的行走速度和抖土頻率共同影響著小蔥的收獲效率，是研究的關鍵點之一。行走速度過快可能導致收獲裝置無法有效松土，進而導致拔起傳動裝置拽斷蔥白，造成不必要的損失。抖土裝置抖動頻率過快可能會使帶起的泥土沙礫進入工作機構，影響使用壽命，并降低大棚內的空氣質量。

3.2行走裝置的設計

基于無人駕駛的車輛系統(tǒng)，采用民用車輛配備的四輪轉向系統(tǒng)優(yōu)化車輛的轉向，解決設備在狹小環(huán)境中作業(yè)受限的問題。根據(jù)大棚作物栽植環(huán)境土壤的情況，行走裝置工作中既要 有合適的抓地力又不能壓實土壤，履帶、鏈輪或橡膠輪可以通過試驗比較后確定。小型電動車輛包括設計四輪轉向機構，減小車輛本體的最小轉彎半徑;設計兩輪驅動力分配策略，提 高車輛穩(wěn)定性。收獲和收集裝置包括收獲機械部件、作物輸送部件和收集儲存裝置。收獲裝置要適用于收獲目標作物的間距，精準收獲;輸送部件和收集儲存部件簡單實用，降低生產成本及維修難度。

根據(jù)目前設施園藝的特點，適應比較復雜多樣的種植條件，機器在工作中首要前提是滿足收割要求，如對于小蔥收割，不能損害其根部，不能破壞它的蔥葉，否則損失率較高。因此機器在滿足收割要求的前提下，應盡可能小巧緊湊，機動靈活。特別是對高度僅為1.5米的春棚，在人不能直立的情況下，采用機器完成收割。另外，機器所采用的材料不能對蔬菜產生污染，行走裝置不能碾壓未收割部分。

3.3工作部件的研制

本研究擬采用具有可升降功能的松土器，增加了靈活性。小蔥傳送裝置具有篩除沙礫泥土的作用，防止雜質與小蔥被一同收集。收集裝置具有感應功能，當小蔥裝滿時自動停止收 獲，返回卸貨。

3.4識別部分

識別部分主要分為植物圖像獲取、圖像預處理、圖像特征提取、路徑識別四部分。利用深度學習設計一種圖像識別系統(tǒng)，主要過程為：首先通過預處理對所識別的目標類型進行擴充，并對圖像進行縮放和灰度化處理，之后通過編輯相關算法構建一個多層卷積神經網絡，通過多次訓練得到網絡最優(yōu)參數(shù)，最后利用神經網絡對所收獲目標的某些特征進行訓練。

通過實地采集和網絡收集等多種方式收集不同大棚土壤環(huán)境條件，不同大棚光線條件，進行不同外界條件下的實際小蔥數(shù)據(jù)的收集;對圖像進行對稱變換、對比度和亮度調整等實現(xiàn)對數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)增強的預處理;在開源代碼的基礎上，結合Python編寫車道線數(shù)據(jù)標注程序，將圖像文件分成訓練集、驗證集和測試集三部分并制作成數(shù)據(jù)庫文件，在對作物、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)進行完全標注;采用開源深度學習框架Caffe搭建深度學習網絡模型，合理設計網絡結構和參數(shù)數(shù)量;將制作好的數(shù)據(jù)集輸入深度學習模型進行訓練，設置合適的學習率和迭代次數(shù)，選取合理的損失優(yōu)化器，最終得到訓練好的車道線檢測模型;對模型的輸出結果進行聚類并根據(jù)聚類結果確定聚類類別，實現(xiàn)作物的圖像識別。

3.5虛擬樣機設計及動態(tài)仿真

通過3D軟件進行虛擬樣機設計，分析其結構參數(shù)、工作參數(shù)是否合理，從技術先進性、制造可行性、工作可靠性等方面進行綜合分析，同時還要考慮經濟、環(huán)保節(jié)能和適應性。通過虛擬樣機設計和動態(tài)仿真找出機器存在的問題并進行改進，為樣機制造奠定基礎，同時可以減少研究經費的投入。

4 結論

小蔥不僅是人們日常生活中的重要的調味料，而且是我國廣泛栽培的蔬菜。目前我國小蔥收割主要采用人工作業(yè)，機械化生產水平較低，勞動強度大，用工多，生產成本高，已經成為阻礙著農業(yè)發(fā)展的主要問題。因此，現(xiàn)階段研制開發(fā)自動化程度高、通用性好、適合我國小蔥種植農藝，銷售價格合乎農戶實際情況的小蔥收割機勢在必行。

本設計基于無人駕駛的車輛系統(tǒng)，自動識別作業(yè)路徑。集小蔥切割收集技術、機械設計、電工電子技術、計算機控制技術及虛擬仿真技術等于一體，擺脫了目前收獲小蔥需要外接輔助牽引設備、人為控制修正的條件。降低了人力成本，提高了經濟效益，對農業(yè)智能化發(fā)展起到重要作用。本設計的識別裝置在深度學習框架下進行大量訓練，能夠精準定位目標位置，通過智能收獲裝置精準收獲，不會誤傷周圍作物，之后傳送裝置上的振動器可篩除沙礫、泥土等雜質，使收獲后的小蔥更加清潔。本設計不僅擺脫了目前大型收獲設備工作簡單粗放、誤傷目標的問題，提升了大棚農業(yè)的經濟效益。而且通過研究不同情況下可能導致收獲收集機構產生損壞的因素，設計的機器結構更加堅固耐用，易于后期維修。成本相比大型機械設備收獲和傳統(tǒng)的人力收獲大大降低。

參考文獻

[1]施印炎，章永年，汪小旵等.基于Pro /E的莖葉類蔬菜有序收獲機設計[J].農機化研究，2017，39（ 3） ： 139-143.

[2]孟濤. 懸掛式溫室大棚蔬菜收割機[J]. 學術研究，2021，04（48）： 94-95.

[3]陳喜東，石培基，王川等.不同情景下河谷型城市建設用地擴張的景觀生態(tài)格局響應： 以蘭州市為例[J]. 生態(tài)學雜志，2018，37（ 11） ： 3381-3389.

[4]王俊，杜冬冬，胡金冰等. 蔬菜機械化收獲技術及其發(fā)展[J].農業(yè)機械學報，2014，45（2）：81-85.

[5]Urschel W E. Spinach harvesting machine： US，2240273[P].1941-04-29.

[6]劉敬偉，李玉華，吳彥強等. 雙行自走式大蔥收獲機的設計研究[J]. 農機化研究，2019，41（03）：130-134.

[7]糜南宏，趙映，秦廣明等. 蔬菜全程機械化研究現(xiàn)狀與對策[J]. 中國農機化學報，2014，35（03）： 66-69.

[8]崔軍，鐘志堂，王成文等. 六行履帶式大蒜聯(lián)合收獲機設計[J]. 科技縱橫，2021，1：138-139.

[9]趙晉冀. 直流電動韭菜收割機研制[J]. 學術研究，2021，06（47）：88-89，96.

[10]高龍，弋景剛，孔德剛等. 小型智能葉菜類蔬菜收割機設計[J]. 農機化研究，2016，9：147-150.

作者簡介：魏霞，出生年月：1987-2-20，女，蒙古族，籍貫：內蒙古赤峰市，所在院校：

河北機電職業(yè)技術學院，職稱：講師 ?學歷：研究生，學位：碩士，研究方向：機械

項目來源：2021年邢臺市重點研發(fā)計劃自籌項目《基于深度學習的無人駕駛蔬菜收割機研制》（2021ZC009）