生姜收獲機輔助駕駛控制系統設計

摘要："生姜收獲機械主要是人工操作，在生姜收獲過程中，人工操作模式需要操作人員具有豐富的農機駕駛經驗。生姜是一種特別怕損傷的農產品，人工駕駛機具，會使生姜收獲的質量降低，收獲效率不高。本文設計的輔助駕駛控制系統，通過多傳感器數據融合，能夠精準地識別生姜姜秧走向，通過設定的收獲深度，自動控制設備在一定空間中完整的完成姜塊采收，有效消除人工駕駛機具收獲時造成的收獲速度慢，容易損傷姜塊地問題。

關鍵詞："生姜收獲機；輔助駕駛；嵌入式

中圖分類號："TB"文獻標識碼："Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.22.087

0引言

農業科技技術隨著科學技術的發展不斷更新，新一代信息技術手段正逐漸融入現代化農業。精準農業作為基于信息和知識管理的現代農業生產系統，"是現代化農業技術的代表，在智慧農業發展過程中，農業機械輔助駕駛技術是不可或缺的重要部分。使用農機輔助駕駛技術，可以快速培養農機操作人員，在我國目前大力普及農業現代化進程中，需要掌握一定農機使用經驗的操作工人越來越多，農業機械的自動程度越高越有利于提高我國農業生產效率，提升農產品品質，減少農業生產人員數量，在我國面臨老齡化社會，農業生產人員短缺的趨勢下，積極研制自動化水平高的農機輔助駕駛控制系統，對提升我國農業產業的競爭力具有重要的意義。

統計數據表明，2022年全國生姜種植面積約391萬畝，萊蕪區生姜種植面積在10萬畝左右，年產50萬噸，年加工能力100萬噸，國際市場70%的姜片由萊蕪生產。常年出口近50萬噸，占國際市場的21%、占全國出口貿易的70%。現有的生姜收獲機主要是分段式收獲作業，僅能完成挖掘工序，拔姜、削苗等工作仍需要人工完成。其中挖掘式收姜機操作困難，機手勞動強度大，姜的損傷率高。生姜作為萊蕪重要的經濟作物，研發適用于生姜收獲機的輔助駕駛系統顯得尤為重要。

隨著現代信息技術的發展，利用嵌入式系統設計完成一款能夠按照人工采收方式完成生姜收獲的輔助駕駛控制系統，可以有效提高生姜收獲機具的生產效率，保證生姜收獲能夠安全高質高效生產。降低生姜收獲人員的工作強度，減少用工需求，可以使得生姜收獲降低成本，增加種植人員的收入。開展針對于生姜收獲機的輔助駕駛系統的應用研究很有必要。

1國內、外生姜收獲機輔助駕駛控制系統研究現狀

國外是較早開展農業機械輔助駕駛系統的研究，從20世紀70年代開始，在機械研究技術水平較高的發達國家，從農業用機械的機械結構和駕駛原理方面進行了深入的研究和產品的使用，主要是利用GPS進行機械定位，輔助駕駛系統輸出信號控制陀螺儀轉向進行導航控制，在部分機械設備上實現了輔助駕駛系統的應用案例。丹麥阿爾伯格大學的.M.Nielse，P.Andersen等人使用攝像頭抓取圖像，通過分析圖像數據，實現了在拖拉機上應用基于機器視覺的傳感系統。

國內對于生姜收獲機輔助駕駛系統的研究逐漸增多，一些研究機構和高校針對生姜收獲機的自動駕駛、路徑規劃和避障功能等進行了深入的研究，一些研究機構開發了基于機器視覺技術的生姜收獲機自動駕駛系統，可以實現自動識別和抓取生姜。國防科技大學與中國第一汽車集團公司合作，研制了車輛自主駕駛系統，并且在高速公路上進行了實驗驗證，試驗結果較好。清華大學智能技術與國家重點實驗室也進行了車輛導航技術相關方面的研究，主要是使用激光雷達通過感知車輛周圍的障礙物距離，通過使用GPS進行定位，實現了車輛的輔助駕駛，交通部交通科學研究院也在汽車自動駕駛方面進行了研究，通過文獻檢索，車輛輔助駕駛系統的研究大多是在公路行駛的汽車，對于路況較復雜的農田使用的農用車輛的輔助駕駛系統的相關的研究較少。

綜上所述，現階段國外在農用機械車輛的輔助駕駛系統開展的研究較多，取得了較好的研究結果，在農業生產中已經實際使用，有的作業精度可以達到2.5cm以內。而國內農業機械輔助駕駛系統還處于技術研究和實驗驗證階段，在實際的農業生產過程中還沒有比較成熟的產品。

2基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛控制系統設計

根據系統需求在嵌入式系統下完成系統的設計與開發，從硬件和軟件兩方面對生姜收獲機輔助駕駛控制系統進行設計，主要包含以下幾個模塊：

實時監測系統：利用攝像頭、激光測距傳感器、超聲波測距傳感器等構建傳感器系統，實時監測生姜收獲機行駛過程及工作過程，獲取農田狀況、障礙物等信息。通過實時監測系統中的傳感器模塊監測生姜作物走向、深度、障礙物等，發送給數據處理系統。

數據處理系統：對實時檢測系統獲取的數據進行處理，基于這些數據，利用合適的決策算法，對生姜收獲機當前的工作狀態和周圍環境作出正確判斷，并將處理后的數據發送給控制系統。

控制系統：控制系統包括電動機控制、轉向控制、速度控制等。利用控制系統輔助駕駛操作，使生姜收獲機輔助駕駛控制系統能夠實現路徑規劃、收獲機深度控制、障礙物避讓等操作。

顯示系統：顯示系統主要由觸摸顯示屏和控制按鈕等組成，駕駛員利用顯示系統與輔助駕駛控制系統進行交互，實現自動化控制。

2.1基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛控制系統總體結構

在嵌入式生姜收獲機輔助駕駛控制系統的實現過程中，為生姜收獲機這類特定應用選擇并構建一個穩定且可靠的硬件平臺，是整個系統的基礎。硬件平臺具備強大的數據處理能力，以應對復雜的駕駛輔助算法，同時有良好的擴展性，以適應未來可能的功能升級。

本系統采用STM32F103ZET芯片為主控芯片，STM32F103ZET是基于ARM"Cortex-M3內核的32位微控制器，具有512"KB片內Flash，64"KB片內RAM；多達80個I/O，4個通用定時器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，1個USB從設備接口，1個CAN接口，SDIO接口；3路共16通道的12位AD輸入，2路共2通道的12位DA輸出；支持JTAG和SWD調試。

通過深入分析生姜收獲機的工作環境和作業特點，確定系統的結構框圖，如圖1所示。

圖1基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛系統結構框圖

2.2基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛控制系統硬件設計

生姜收獲機輔助駕駛控制系統中的實時監測系統如同系統的“感知器官”，負責捕捉外界環境的關鍵信息。實時監測系統中的傳感器模塊采用了激光測距傳感器和超聲波傳感器。激光測距傳感器測量范圍廣，響應速度快，用來實現遠距離測量，如精確測量生姜收獲機與周圍物體的距離，有效避免碰撞和誤操作；超聲波測距傳感器具有高精度、高穩定性、高分辨率等優點，用來實現近距離測量，如生姜收獲深度等。攝像頭選擇高分辨率攝像頭，負責捕捉生姜植株和地面的實時圖像，并將其傳送給數據處理系統。

數據處理系統利用先進的算法對實時監測系統的數據進行快速準確地識別和處理。對生姜植株的形狀、顏色和地面紋理等關鍵特征進行提取，為生姜收獲機輔助駕駛控制系統提供豐富而準確的環境信息，為后續決策和控制提供有力支持。

控制系統中的高精度GPS模塊利用衛星信號實現收獲機的精確定位，確保在廣闊的農田中，生姜收獲機能夠準確無誤地按照預定路線行進。慣性測量單元（IMU）則通過檢測收獲機的加速度和角速度，提供其姿態和運動狀態的關鍵數據，進一步增強定位導航的穩定性和可靠性。

控制系統的核心環節采用高性能嵌入式處理器，通過編程設計，控制系統能夠針對姜田的實際狀況作出實時反應，輸出精確的控制信號，確保生姜收獲機在各種復雜情況下高效率、高質量完成生姜收獲。

考慮到生姜收獲機的實際工作環境，顯示系統與控制系統的通信采用RS485。RS485總線是專用的通信信道，通過使用有較強抗空間干擾性能的專用通信線纜保證通信效果，可以在較高的通信速率下仍然保持較好的通信效果。顯示終端與導航模塊的通信采用RS232。RS232是常用的串行通信標準接口，采用3條信號線即可實現簡單的全雙工通信過程，并且具有多種波特率可供選擇，傳輸距離較遠，能保持良好的通信交互。

2.3基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛控制系統軟件設計

生姜收獲機輔助駕駛控制系統的軟件設計核心是定位與導航算法，基于GPS、激光測距、超聲波測距等技術，利用高精度、高可靠性的定位與導航算法，實現生姜收獲機的精確路徑規劃和自主導航功能，使生姜收獲機在復雜的姜田環境中能夠完成生姜收獲任務，有效提高作業效率和精度。

攝像頭采集到的圖像數據需要數據處理系統進行處理，因此圖像處理算法在輔助駕駛控制系統中至關重要，本系統利用深度學習等算法，對生姜植株和地面特征進行識別和處理，提高對生姜識別的精度和速度，使生姜收獲機在作業過程中能夠更準確地識別生姜植株和地面特征，實現精細化作業。

生姜收獲機輔助駕駛控制系統中控制算法的設計同樣重要，根據生姜收獲機的機械特性和作業需求，采用高效、穩定的控制算法能夠實現生姜收獲機的自動化控制，使生姜收獲機在作業過程中始終保持穩定、高效狀態。通過對控制算法不斷優化和改進，提高其適應性和魯棒性，使生姜收獲機能夠更好地適應各種復雜的姜田環境。

2.4基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛實現

在生姜收獲機輔助駕駛控制系統的設計過程中，生姜收獲機的收獲深度通常需要根據生姜姜根的生長情況以及土壤條件進行調整。一般來說，設定收獲深度需要考慮以下幾個因素：

生姜的生長情況：不同階段的生姜姜根生長深度會有所不同，需要根據生長情況調整收獲深度，確保收獲效果和產量。

土壤條件：不同類型的土壤對生姜的生長有影響，需要根據土壤的質地和濕度等因素，設定收獲深度，避免影響生姜生長和產量。

機器設定：生姜收獲機通常有相應的調整裝置控制收獲深度，可以根據需要調整，確保機器在操作時能夠達到期望收獲效果。

在設計基于嵌入式的生姜收獲機輔助駕駛控制系統時為了具有通用性功能，要遵循以下原則：

①穩定性：系統在進行生姜收獲作業中能夠安全運行，保障作業質量；

②易推廣和適用性：系統可以大范圍使用，具有推廣價值且操作簡單，方便使用；

③經濟性和靈活性：在系統的設計時，盡量減少系統成本，便于推廣，系統控制模式靈活多變。

本系統利用機器學習和計算機視覺技術，使生姜收獲機輔助駕駛控制系統實現生姜的智能識別和分類功能。通過大量數據進行模型訓練，使生姜收獲機輔助駕駛控制系統可以準確地識別生姜大小及其在土壤中的深度，從而精準收獲。訓練框架為Tensorflow，可以自行學習生姜及其植株特征，通過腳本編寫可控制生姜識別及識別數量，滿足生姜圖像識別分類的要求。

3結語

綜上所述，在傳統的生姜收獲過程中，由于人工操作的限制和收獲機械的落后，會造成生姜的損傷和遺漏，降低生姜產量。嵌入式生姜收獲機輔助駕駛控制系統的應用將極大地減少收獲過程中的損失和浪費，通過精確收獲控制和智能化作業管理，實現生姜高效收獲。

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