基于機器視覺的茄子采摘機系統(tǒng)設(shè)計研究

摘 要：在茄子的生產(chǎn)過程中，收獲是最艱難的環(huán)節(jié)，其工作量占所有工作過程工作量的50%～70%。為減輕工人勞動強度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，設(shè)計了一種能夠代替人工的茄子采摘機。該茄子采摘機主要由三維（3D）空間移動機構(gòu)、識別、抓取機構(gòu)、自行走機構(gòu)、收納機構(gòu)等組成。首先，借助視覺裝置計算出茄子的幾何中心坐標；其次，利用機械本體將末端抓取機構(gòu)通過優(yōu)化移動算法移動到茄子所在坐標，并實現(xiàn)茄子的采摘和收集；最后，自行走機構(gòu)驅(qū)動整個機器人直線前進，實現(xiàn)連續(xù)采摘。該茄子采摘機的推廣應用可以促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的提升，助力新農(nóng)村建設(shè)。

關(guān)鍵詞：機器視覺；農(nóng)業(yè)機械；茄子采摘

中圖分類號：TP391.4；S225 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909（2024）13-146-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.033

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷推進和人工成本的不斷增加，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了各種智能化機械，果蔬類采摘機就是其中之一。通常，果蔬類采摘機需要通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)自主行走、果實識別與選擇、機械臂控制等功能。果蔬類采摘機可以代替農(nóng)民手動采摘果實，提高采摘效率和質(zhì)量，減輕人工勞動強度。因此，研發(fā)果蔬類采摘機對推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化與智能化具有一定的現(xiàn)實意義［1］。

該項目目標是研發(fā)一種基于機器視覺的茄子采摘機，主要設(shè)計任務有以下幾個方面。其一，對系統(tǒng)進行整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計。其二，以樹莓派微型電腦為數(shù)據(jù)處理單元，對硬件電路進行設(shè)計和改進，使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要包括步進電機驅(qū)動電路、視覺采集電路、抓取與采摘電路、限位電路等部分。其三，系統(tǒng)的軟件編制。按照軟件實現(xiàn)的功能，以Python程序為架構(gòu)，主要分為主程序、初始化子程序、步進電機驅(qū)動子程序、圖像處理子程序、限位子程序。在程序編寫過程中，加入了詳細的文字注釋，以便于后期的改進與維護。其四，機械本體和控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。

1 機械本體設(shè)計

1.1 機械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

茄子采摘機的手爪能夠模仿人手的部分動作，可按照設(shè)定的程序、軌跡和要求，代替人進行單調(diào)持久的作業(yè)。采摘機手爪的設(shè)計需要考慮以下幾個方面。

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采摘機手爪應該具有足夠的靈活性和可調(diào)性，能夠適應不同形狀和大小的茄子抓取和搬運。

1.1.2 控制系統(tǒng)

采摘機手爪的控制系統(tǒng)需要具有高精度和高速度的控制能力，能夠快速響應和調(diào)整夾取力度和姿態(tài)。該設(shè)計擬采用MG996R舵機進行控制。

1.1.3 材料選擇

采摘機手爪的材料應具有高強度、輕量化、耐磨性和耐腐蝕性等特性，以提高采摘機的使用壽命和穩(wěn)定性。該設(shè)計擬采用鋁合金進行制作。

根據(jù)對茄子采摘機的夾緊過程及剪切要求分析，機械手爪的動作過程如圖1所示。機械手爪的三視圖，如圖2所示。

1.2 直線模組設(shè)計

1.2.1 直線模組的選型

對空間移動與定位機構(gòu)的選型，要綜合考慮3個自由度功能直線模組的匹配程度（主要考慮2個模組系列的外形尺寸及整體質(zhì)量、最高速度、使用方式導致的最大承載重量等因素）［2］。該設(shè)計選擇了2040V-Slot規(guī)格系列的直線模組（用于執(zhí)行伸縮自由度），最終選定的同步帶傳動型直線模組的具體規(guī)格型號如表1所示。

1.2.2 步進電機的選型

該茄子采摘機的電氣控制系統(tǒng)需要通過電機驅(qū)動同步帶模組在單個維度內(nèi)做直線運動。為了實現(xiàn)采摘機的高精度運動，需要使電機運行平穩(wěn)，故選用兩相四線制的42步進電機，搭配TB6600驅(qū)動器配套使用，查表可知電機的保持力矩為2.44 N·m。由于采摘機的安裝定位裝置重量不大，采摘機工作時電機負載較小，42步進電機可以滿足采摘機的設(shè)計需求。搭載42步進電機的單維直線模組的參數(shù)如表2所示。

1.3 其他機械機構(gòu)設(shè)計

1.3.1 自行走機構(gòu)

該機構(gòu)采用四輪布置、前輪驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動方式采用同3.2中的步進電機驅(qū)動。

1.3.2 收納結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)采摘機的平穩(wěn)運行，采摘時需要左右交替分別放置茄子。在采摘機的左右兩側(cè)各安裝了一個收納箱，用于茄子的存放。

綜合上述，該茄子采摘機裝配圖和實物圖如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

所有的微控制器當中，僅一個微控制器芯片是不足以完成一個控制系統(tǒng)的，往往需要搭配其他類型的外設(shè)來完成預期目標。該次設(shè)計的控制系統(tǒng)采用基于樹莓派的控制架構(gòu)，除了控制器芯片外，還需要電源電路、步進電機控制電路、舵機控制電路、攝像頭識別電路、顯示器顯示電路等［3］。該設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件布局如圖4所示。

2.1 電源電路

由于該系統(tǒng)需要提供DC24V和DC5V兩種電壓，設(shè)計時考慮了如下幾種方案［4］。方案1：采用24 V蓄電池為系統(tǒng)供電，再經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊得到5 V電壓。雖然蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，但是蓄電池的體積過于龐大，價格也比較昂貴，在設(shè)計的前期試驗階段使用極為不方便。方案2：采用220 V開關(guān)電源給系統(tǒng)供電。經(jīng)過試驗驗證，在系統(tǒng)工作時，樹莓派、傳感器的工作電壓能夠滿足系統(tǒng)要求，而且使用方便。綜上所述，該設(shè)計采用方案2，開關(guān)電源如圖5所示。其參數(shù)如表3所示。

2.2 步進電機控制電路

TB6600步進電機驅(qū)動器是一款專業(yè)的兩相步進電機驅(qū)動，可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制。通過S1S2S33位撥碼開關(guān)選擇8擋細分控制，通過S4S5S63位撥碼開關(guān)選擇8擋電流控制（0.5 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A、3.0 A、3.5 A、4.0 A）。該設(shè)計中步進驅(qū)動器采用共陰極連接，如圖6所示。

為了適應三維空間移動機構(gòu)的任意點移動的需求，需要控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)，TB6600與控制器的引腳連接如表4所示。

3 整機的聯(lián)合調(diào)試

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計及流程圖

系統(tǒng)進入主程序后，首先要初始化Color_rec、Gpio_control、Move_mgr、SG90_lib、Tb6600函數(shù)，然后打開攝像頭，將三維移動機構(gòu)運動到機械原點，做好采摘茄子的準備。程序工作的流程簡單描述如下。

步驟1：通過攝像頭拍取照片，經(jīng)過視覺處理算法，實現(xiàn)對茄子的識別，求出茄子最小包絡(luò)矩形的幾何中心坐標點（X，Y，Z）。

步驟2：通過三維（3D）空間移動機構(gòu)，將末端執(zhí)行機構(gòu)移動到目標點（X，Y，Z）處，利用采摘機構(gòu)完成對單個茄子的采摘。

步驟3：將采摘到的茄子放入收集箱，進行下一步采摘，直到完成當前區(qū)域內(nèi)全部成熟茄子的采摘，該過程稱為一次采摘大循環(huán)。

步驟4：自走式機構(gòu)向前移動41 cm，進行下一次采摘大循環(huán)，直至一行茄子全部采摘完畢。

程序流程如圖7所示。

3.2 整機的調(diào)試結(jié)果

茄子采摘機能否高效準確地完成采摘任務，主要由2個指標決定，一是系統(tǒng)對茄子果實識別的準確率，二是識別成功后機械本體的采摘成功率，故調(diào)試過程中設(shè)計了2個方面的試驗來驗證茄子采摘機的性能。

3.2.1 識別定位試驗

試驗的地點為學校實驗大樓，試驗對象為擬態(tài)茄子。該茄子采摘機在不同光照情況下的識別結(jié)果如表5所示。

由表5可知，識別系統(tǒng)在較暗、正常和較亮3種情況下的識別成功率分別為78.0%、91.3%和72.2%。由該結(jié)果可知，該系統(tǒng)在較亮的環(huán)境下識別性能相對較差，在環(huán)境光線正常和較暗的情況下識別準確率均在70%以上，故該采摘機識別系統(tǒng)可在一定條件下滿足茄子的采摘需求，部分識別結(jié)果如圖8所示。

3.2.2 采摘試驗

該茄子采摘機在空間移動與定位機構(gòu)上安裝采摘末端執(zhí)行機構(gòu)，并在Z軸末端搭載視覺相機，并裝有采摘手爪和剪切裝置。采摘時，機械本體在視覺相機的引導下，將手爪對準并貼近擬態(tài)茄子表面，然后執(zhí)行采摘操作，擬態(tài)茄子在手爪閉合過程中被剪切裝置切斷果柄，使擬態(tài)茄子果梗與果實分離［5］。最終測得茄子采摘機的采摘成功率和單果采摘時間等數(shù)據(jù)，如表6所示。

由表6可知，在準確識別視野內(nèi)的擬態(tài)茄子果實的基礎(chǔ)上，3個時間點下采摘成功率均在75%以上，單果平均采摘時間為2.99 s，在一定條件下可滿足茄子采摘的技術(shù)要求。

4 結(jié)論與討論

茄子采摘機在技術(shù)層面取得了一定的突破，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走、智能識別和果實采摘，大大減輕了采摘工人的勞動強度。然而，該設(shè)備仍然存在以下問題。

4.1 智能識別的準確性有待提高

由于果實的形狀和顏色各異，該茄子采摘機在識別上仍然存在誤判和漏判的情況。這需要增加程序的數(shù)據(jù)處理能力和訓練算法，更換精度更高的視覺相機，提高智能識別的準確性。

4.2 自主行走的穩(wěn)定性有待改善

盡管該茄子采摘機具備自主行走功能，但在實際運行中還是出現(xiàn)了偏離軌跡、撞到障礙物等問題。這需要改進控制算法和增加傳感器，提高茄子采摘機的自行走穩(wěn)定性。

4.3 采摘機末端手爪的靈活性有限

雖然該茄子采摘機能夠完成果實的采摘工作，但是末端手爪的靈活性還需要進一步提升。該茄子采摘機在采摘果實時，有時會損傷果實或誤判采摘的成熟度。改進茄子采摘機的末端手爪設(shè)計，可使其更加靈活和精準。

參考文獻：

［1］吳雙雙，楊根健，劉夢晨，等.面向番茄采摘機器人的視覺方案及實驗教學設(shè)計［J］.實驗技術(shù)與管理，2024，41（7）：169-175.

［2］張延軍，趙建鑫.基于多路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黃花菜關(guān)節(jié)點檢測算法研究［J］.中國農(nóng)機化學報，2024，45（7）：228-234.

［3］林桂潮，吳志銘，嚴茂森，等.基于機器視覺的多機械臂菠蘿采摘機器人設(shè)計與試驗［J］.機電工程技術(shù)，2023，52（10）：141-144，154.

［4］劉力維.采摘機器人機械臂運動控制與目標抓取研究：基于嵌入式和機器視覺技術(shù)［J］.農(nóng)機化研究，2024，46（4）：68-72.

［5］李燕.基于機器視覺的橙果定位采摘方法與試驗［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2023.

作者簡介：黃鑫（1993—），男，碩士，講師，研究方向：機電設(shè)備智能控制。

基金項目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院2023年院級科研計劃項目“基于機器視覺的移動機器人動態(tài)目標定位與跟蹤研究”（2023YKYB-013）。