藍莓漿果收獲機械的設計

吳玉娟，吳 丹，董育亮,唐肖瑞

（江蘇農林職業技術學院，212400，江蘇句容）

漿果是多汁肉質單果的統稱，因其營養豐富肉質鮮甜備受推崇。藍莓因花青素含量高享有“漿果之王”美譽，是人民群眾競相購買的優質水果之一，但藍莓種植難、產量低和采摘煩，致使藍莓等漿果價格一直居高不下，成為制約藍莓漿果產業發展的瓶頸和掣肘，亟待各方協力予以破解。通過綜合分析藍莓漿果種植生產環節發現，人工采摘作業是漿果生產中最耗時、最費力的一個環節，需要動用大量人力進行采摘，成本占比高，人工成本成為影響該類水果價格的一項重要因素，因此，迫切需要開發一套適合我國藍莓收獲的自動化作業機械，對于提高藍莓漿果產量和推動藍莓漿果產業持續健康發展具有重要的現實意義。

1 藍莓漿果收獲機械總體設計

1.1 結構組成

為了解決藍莓漿果收獲采摘難的問題，實現藍莓漿果收獲機械裝置的自動行走、遠程控制、感知識別、快速采摘和整理收集等功能，研制開發的藍莓漿果收獲機械主要由自動行走裝置、規劃控制裝置、快速收獲裝置、傳感檢測裝置和整理收集裝置等組成，藍莓漿果收獲機械結構組成如圖1 所示。

圖1 藍莓漿果收獲機械結構組成

1.2 工作原理

自動行走裝置主要用于支撐藍莓漿果收獲機械機動行進，它通常安裝在機械本體底部，可以安裝GPS/北斗裝置進行精確導航定位；規劃控制裝置是機械的大腦，主要用于控制藍莓漿果收獲機械的機動行進和機械裝置的快速采摘；傳感檢測裝置主要運用傳感器識別藍莓的狀態，為快速收獲裝置正常工作輸出控制指令，即當傳感檢測裝置采集到需收獲的指令信息后，行走裝置減速停車，收獲裝置通過電動伸縮桿完成相關收獲動作；快速收獲裝置主要用于采摘藍莓漿果，它采用電動可張合收獲裝置，通過伸縮裝置安裝在機械本體頂部，伸縮裝置包括電動伸縮桿；整理收集裝置主要用于收集整理藍莓漿果。

2 藍莓漿果快速收獲裝置設計

收獲裝置是藍莓漿果收獲機械的主要組成部分，它主要由收獲筐、合頁和電機等部分組成，如圖2 所示。為了使收獲裝置成為有機整體，收獲筐兩端安裝有合頁，合頁上安裝有電機，通過電機控制收獲框張合，將漿果樹收攏在收獲框內。另外，為了振動漿果樹有力均勻，在收獲框上間隔設有多個振動器9，振動器末端安裝有振動桿，收獲框底部安裝有收集裝置7，用于收集漿果。

圖2 漿果收獲裝置結構圖

通過在規劃控制裝置中設置拍打頻率和時間，控制收獲框內的振動桿拍打漿果樹枝，漿果從樹枝上被拍落，落入下端的收集裝置里。當完成相關收獲機械動作后，電機張開收獲框，電動伸縮桿使收獲框離開漿果樹，并折放置于機械本體上，使收獲裝置恢復到初始靜止未收獲狀態。

3 藍莓漿果收獲機械規劃控制模塊設計

3.1 規劃控制模塊總體設計

為了能夠即時便捷控制自動行走裝置和收獲裝置，基于Arduino 編程語言進行規劃控制裝置設計開發。具體來說，通過Arduino IDE 平臺設計開發自動行走控制模塊，實現對漿果收獲機械行走功能的自動控制；設計開發了收獲裝置控制模塊，由手持式按鈕盒上按鈕進行設置，完成藍莓漿果收獲裝置工作指令的輸出。

3.2 行走控制模塊設計

行走控制模塊是規劃控制裝置的基礎，目的是實現藍莓漿果收獲機械行走輪和編碼器傳動聯接。

采取檢測信息判斷的方式進行信號檢測，即當安裝在底部的傳感器檢測裝置未檢測到有效信號時，行走裝置繼續勻速向前行走；當檢測到有效信號時，行走裝置減速停車，并控制電動可張合收獲裝置動作，收獲裝置在設定時間內完成相關收獲機械動作后，收獲裝置恢復到初始靜止未收獲狀態，行走裝置取消停車，并繼續向前運行。

3.3 收獲控制模塊設計

收獲控制模塊是規劃控制裝置的核心，目的是實現藍莓漿果收獲裝置自動收獲。可采取標準工作流程法設計該控制模塊，即傳感檢測裝置檢測到需收獲藍莓漿果的收獲信號時，行走裝置減速停車，收獲裝置通過電動伸縮桿和相關鉸鏈，從機械本體處向上、前折翻，并向漿果樹靠近，電機控制電動收獲框張開并靠近漿果樹，再通過張合電機合攏收獲框，將漿果樹收攏在收獲框內。通過設置合理的拍打頻率和時間間隔，控制收獲框內振動桿拍打漿果樹枝。振動桿拍打漿果樹枝，漿果從樹枝上被拍落，落入下端的收集裝置中。當按照設定時間完成相關收獲機械動作后，張合電機張開收獲框，通過電動伸縮桿使收獲框離開漿果樹，并折放置于機械本體上，使收獲裝置恢復到初始靜止未收獲狀態。

4 藍莓漿果收獲機械操控流程設計

為了實現藍莓漿果收獲機械高效運行，在研制開發藍莓漿果收獲機械過程中，對收獲機械的操控流程進行標準化設計，概括起來主要包括以下4 個步驟，如圖3 所示。

圖3 藍莓漿果收獲裝置操控流程

（1）依托收獲機械規劃控制裝置控制藍莓漿果收獲機械本體勻速向前行走。

（2）安裝在機械本體底部的傳感檢測裝置通過檢測地面定位點，有效檢測信號用以確定機械本體停車位置以及電動可張合收獲裝置動作。

（3）通過設置拍打頻率和時間，控制收獲筐內振動桿拍打漿果樹枝。

（4）振動桿拍打漿果樹枝，漿果從樹枝上被拍落，落入下端的收集整理裝置里，當按照設定時間完成相關收獲機械動作后，張合電機張開收獲框，通過電動伸縮桿使收獲框離開漿果樹，并折放置于機械本體上，使收獲裝置恢復到初始靜止未收獲狀態。

5 結語

基于嵌入式軟硬件開發技術、電子技術和通訊技術，研制開發了集自動行走、感知識別、快速收獲和整理收集等功能于一體的結構輕便的藍莓漿果收獲機械裝置，對于降低采摘工人的勞動強度、提高藍莓漿果的收獲效率具有重要意義，通過實踐應用試驗得出了以下結論：

（1）自動行走裝置行進路線規劃控制功能大部分滿足使用需求，但在衛星導航信號遮蔽的情況下，行進路線控制指令有時還不夠穩定。

（2）收獲裝置振動拍打頻率是確保收獲運行是否高效的關鍵所在，采用反復試驗預置的方式可滿足使用需求。

（3）通過選用48 V 電壓鋰電池能夠滿足持續工作4 h 的功耗要求。