一種智能摘果機器人的設計

趙國華

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

一、引言

農業作為第一產業，關系國計民生，在國民經濟中具有重要地位[1]。農業種植生產流程一般包括耕地、播種、施肥、澆水、管護、滅蟲、收獲、倉儲、銷售和物流，其中摘果作業是大多數農作物收獲的主要外在表現。摘果作業的效率和質量是農業生產性能的重要指標，也是農業生產模式革新和升級的重要關注點。隨著信息化智能控制技術的不斷發展，智能摘果技術理論不斷提出。蘇明等[2]提出了“實用型椰子摘果機開發研究”理論，針對椰子的采摘提供一種適用于海南椰子摘果的新設備,該設備可解決機械化摘椰子果和椰子果從高樹上放置到車廂的問題。任志敏等[3]提出了“一種改進的顏色跟蹤系統在果實采摘中的研究”理論，在分析了顏色跟蹤條件表達式比較法的基礎上,提出了數組查表法的顏色跟蹤算法,節省了時間,加快了顏色跟蹤的速率。在上述背景下，如何綜合現有技術實現自動化、高精準、多類別、全過程摘果作業成為一項研究課題。鑒于此，本文提出一種智能摘果機器人的設計方案。對整體系統設計理念進行了闡述，并對關鍵性技術進行了詳細介紹，具有一定理論參考價值。

二、總體設計

本文將所述智能摘果機器人分為六個部分，一是果實信息采集部分；二是機械臂控制部分；三是果實初步處理部分；四是本體移動部分；五是信息通信部分；六是數據云處理部分。在果實信息采集部分，主要部署攝像頭、氣味傳感器、壓力傳感器等果實信息采集硬件，對果實圖像、氣味、軟硬度信息進行獲取；在云處理部分集成果實成熟度算法，對成熟且可采摘果實進行析出。在機械臂控制部分部署可飛行機械臂組件，能夠實現多維度、多種類的果實采摘效果。在本體移動部分，部署陸地、空中多模行進組件可實現多模式機器人移動效果。在信息通信部分部署衛星、無線寬帶集群、WIFI 等通信硬件，可實現用戶對機器人的多模通信效果。在果實初步處理環節，可將果實進行修理、除泥、分揀、包裝等。通過以上六個部分的協調配合實現基于機器人的成熟果實采摘效果。

三、關鍵技術

（一）成熟果實判斷

定義1（果實成熟度）：果實成熟度可用一個六元組來表示CSD=(Class,Size,Weight,Colour,Smell,Formula)，其中，Class 表示農作物種類，Size 表示果實大小，Weight 表示果實重量，Colour 表示果實顏色，Smell表示果實氣味；Formula 表示果實成熟度計算公式：a1*Size/S1+a2*Weight/W1+a3*Colour/C1+a4*Smell/S2,其中a1,a2,a3,a4,a5為權重參數，且a1+a2+a3+a4+a5=1；S1,W1,C1,S2分別為在種類Class下成熟果實的大小閥值、重量閥值、顏色閥值和氣味閥值。

算法1：成熟果實判斷算法。第一環節，計算果實大小值；其步驟為，第一步，用戶通過通信系統與機器人進行聯絡，下達果實采摘命令，并對植物類別、果實種類、成熟果實的大小閥值、重量閥值、顏色閥值和氣味閥值進行明確，對成熟度計算公式中的權重參數進行賦值；第二步，所述機器人接收到果實采摘命令，并初始化所需參數后，驅動本體移動部分向果實采摘區域行進。第三步，機器人利用配置的攝像頭掃描農作物，并將圖片發送到云處理部分。第四步，云處理端對果實特征進行提取，利用訓練和匹配技術對果實三維輪廓和位置進行計算，得出果實大小數值。第二環節，獲取果實重量；其步驟為，第一步，所述機器人將機械臂伸展到果實下部，利用機械手抬起果實一定幅度，使果實重量完全壓到機械手中，利用壓電稱重原理，計算果實重量，假設為q1。第二步，結合果實實際位置和邊緣輪廓對云處理端的果實三維信息進行校正。根據果實三維輪廓及空間幾何特征，計算出果實體積，進而利用體積與密度的乘積得出果實的重量，假設為q2。第三步，將(q1+q2)/2 作為果實重量值。第三環節，獲取果實顏色；第一步，將果實三維輪廓中的色調信息進行提取，將像素中的色調聚類到白、紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫、黑九個集合中，按照集合中各元素數量的加權平均得出果實顏色值。第四環節，獲取果實氣味；運用氣味傳感器，對果實環境中散發的氣味信息進行獲取，如甜度、芳香等，并進行歸一化處理。第五環節，判斷果實是否成熟；利用定義中果實成熟度計算公式計算果實成熟度，如果超過既定成熟度閥值，則判斷果實成熟，否則，判斷果實未成熟。

（二）機械臂控制策略

本文將機械臂設計為三個部分，一是旋翼部分，可帶動機械臂進行空中懸停；系統配備北斗定位模塊，可實現機械臂的三維定位懸停；二是軟管鏈條、伸縮桿和機械手部分，在機械臂進行空中懸停時，可利用伸縮桿進行近距離位置調整，再利用機械手進行精確摘果，并通過軟管鏈條將果實收納到初步處理部分。三是智能控制和通信部分，通信采用RS232 串口協議，控制芯片采用凌陽sunplus 系列單片機，伸縮桿和機械手采用高功率步進電機，實現多方位伸縮、松握等效果。

算法2：機械臂控制算法。第一環節，生成采摘命令。第一步，所述機器人通過算法1 確定成熟果實。第二步，根據果實在圖像中的三維信息，計算果實位置信息，并向凌陽單片機發送采摘控制命令。第二環節，基于機械臂的采摘作業。第一步，凌陽單片機結合北斗定位模塊，驅動旋翼部分帶動機械臂飛行到所需采摘的果實外圍。第二步，凌陽單片機驅動伸縮桿向果實位置近距離伸展，并結合攝像頭采集的圖像信息，對摘果作業空間進行微調。第三步，凌陽單片機通過RS232 串口向機械手發送握緊命令，機械手采用壓電感應原理判斷是否握緊果實，進而通過機械手的切割功能，實現果實采摘。第三環節，若果實采摘任務完成，則收回機械臂，軟管鏈條、伸縮桿、機械手復位，靜默并等待用戶指令。

（三）綜合通信

機器人具有智能化自主工作特點，需要實時與后方用戶進行通信。本文將多種通信模式進行整合，主要包括三層通信架構：一是前端信息采集端；二是用戶實時監控端；三是云服務智能支持端。通信模式有三類：一是基于衛星的應急通信模式。可以接入VSAT 衛星、高通1 號、海事、北斗等，實現在常規通信模式缺失時的信息通信。二是無線寬帶集群通信，可利用部署于農場中的專用基站實現信息通信。三是WIFI 通信，可實現基于WIFI 協議的短距離的信息通信。在應用中，常規通信模式優先于應急通信模式，WIFI通信模式優先于專用基站通信模式。若三種通信模式均缺失，則機器人觸發間歇性通聯程序，其步驟為：第一步停止采摘活動，收回機械臂，將信息采集、移動部分相關元器件設置為休眠模式。第二步設置通信周期，即間隔一定時間進行應急和常規通信模式的依次嘗試。當主電源電池耗盡時，仍未與后方用戶建立通信鏈路，則啟動備用電池供電，并按照既定經緯度坐標，驅動機器人本體移動部分向目標位置移動。

四、結語

為了實現綜合高效多種類的農業果實采摘效果，本文提出了一種智能摘果機器人的設計策略。對整體系統設計理念進行了闡述，并對成熟果實判斷、機械臂控制策略、綜合通信進行了詳細介紹，具有一定理論參考價值。下一步將對摘果機器人的路徑規劃問題進行研究。