果園作業機輔助采摘裝置控制系統設計與試驗

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0091-07

Abstract：Inordertoimprovetheeficiencyfruitpickingandrealizetheintellgentoperationorchardharvest， a controlsystem orchard machine auxiliary pickingdevice basedon STM32 is designed.Thesystem consists a corecontrolleranda wirelesscontroller.Thecorecontrollerreceives the istructions from the wirelesscontrollrtocontrol thehorizontal expansionandcontraction thepickingplatformandtheself-regulating operation the fruit conveyorsystem.Aself-regulating modulefruitconveyorbeltbasedonincrementalPIDcontrolalgorithmisdesigned， which canautomaticallyadjustthe linearvelocity conveyorbeltaccording tothenumber fruits.Thena temperatureself-regulating modulecorecontrolerisdesignedWhenthetemperaturethecorecontroleris too high， thetemperatureself-regulating moduleisabletoadjust the temperaturethecorecontroler toareliable working temperature.Awirelesscommunicationmoduleis designed，which cansendcontrol instructions operators to the corecontroler torealizethecontrol the picking stationandthefruit conveyor system.Thetest results indicate that thecontrolsystemorchard machineauxiliarypicking devicecanrealize theadaptive speedregulationthefruitonveyor belt，the self-adjustmentthe controler temperature，and the expansionand contraction the picking platform.And the data loss rate is less than 10% when the communication distance wireless controller is within 16O meters.

Keywords：orchard operation machine；auxiliary picking device；wireless control；conveyor belt speed regulation

0 引言

果園采摘作業是水果生產過程中最耗時、最費力的環節，現階段果園采摘仍以人工為主，機械化程度低，勞動強度大、效率低，嚴重制約果業經濟的發展。機械輔助采摘能夠解放生產力，提高采摘效率，降低人工成本。為提高采摘作業效率，劉大為等設計了載人站臺可調平的履帶式果園升降作業平臺；何建華等[2]設計了載人站臺可垂向升降與橫向伸縮的輪式果園作業平臺；Lee等3]設計了載人站臺自調平且寬度可調的履帶式果園作業平臺；Ferreira等4]設計的混合動力果園采摘平臺在柑橘園進行采摘收獲試驗，采摘人員在可移動式作業平臺上進行采摘，與傳統人工采摘相比，有效提高了工作效率。為進一步提升采摘工作效率，研究人員在可移動作業平臺的基礎上，對采摘后果實輸送裝箱裝置進行研究，楊貞等[5]設計了輔助人工采摘的“雙側、三高度、六工位\"牽引式果園采摘作業平臺，采用三級傳送裝置將果實從采摘工位輸送到果箱；李強設計了寬度與高度可調式果園作業平臺，滿足不同行距與高度果樹的修剪、果實采摘與輸送的作業需求；王金星等設計了配合人工采摘的蘋果采收平臺輸送裝置，并對裝置的結構參數與輸送速度進行優化，實現蘋果低損傷輸送作業；在此基礎上，陳子旭對蘋果采收裝箱裝置工作參數進行優化，降低果實裝箱損傷；吳佳瑤等[9設計了柑橘收集裝箱機，采用旋轉分離裝置實現柑橘均勻裝箱。

為使果園作業機械更加高效、可靠地輔助人工作業，圍繞果園作業機械開展智能化控制研究具有重要意義。趙林亭等[10基于STM32單片機設計了果園自走式電動底盤控制系統，采用無線通信模塊實現對底盤的控制；張昊[]設計了基于Android系統的剪叉式果園作業平臺控制系統，可通過手機APP實現作業平臺控制；范國強等[12]設計的果園小型作業車，可實現對作業車的遠程視頻遙控；李澤傲[13]設計的四輪驅動式果園作業平臺，使用搖桿式遙控器實現對作業平臺運動的遠程控制；馮海明[14設計的果園多功能遙控作業車，通過模糊PID控制算法對油門控制器進行優化；韓振浩等[15]設計的山地果園運輸車，可通過主動移動載物平臺水平相對位置實現對整車重心的自動調控；王常任[16基于超聲波測距原理與三邊定位算法，進行履帶式底盤自動跟隨控制系統設計。上述研究多集中在果園作業機械結構設計及底盤智能化控制方面，對采摘收獲裝置智能化控制研究相對較少。

針對機械輔助采摘智能化程度相對較低的問題，本文設計一套基于STM32單片機的果園作業機輔助采摘裝置控制系統，包含采摘站臺控制模塊、傳送帶自調速模塊、控制器溫度自調節模塊與無線通信模塊，以期提高果實采摘效率，減輕勞動強度。

1果園作業機輔助采摘裝置控制系統總體方案

1.1果園作業機輔助采摘裝置整體結構

果園作業機由行走底盤、輔助采摘裝置和無線控制系統組成，輔助采摘裝置包括采摘站臺和果實傳送系統兩部分。果園作業機整體結構如圖1所示。

圖1果園作業機整體結構

Fig.1Overall structure orchard machine1.無線控制器2.右側采摘站臺3.果實傳送系統4.左側采摘站臺5.果箱6.行走底盤7.核心控制器

采摘站臺（圖2）位于果園作業機兩側，通過液壓缸的伸縮實現作業寬度調節，作業人員可根據果樹行距調整采摘站臺水平方向伸縮量，以適應不同類型與不同種植模式的果園。

圖2采摘站臺結構

Fig.2 Structure picking platform 1.控制器2.站臺3.支承桿4.支承座5.液壓缸

果實傳送系統由一級傳送帶、二級傳送帶、垂直傳送帶、傳送帶電機、光電傳感器、轉速傳感器組成，如圖3所示。傳送帶均采用渦輪減速電機驅動，傳送帶電機裝有轉速傳感器，用于反饋傳送帶線速度數據至主控制器。一級傳送帶上裝有光電傳感器，可實時檢測放人傳送帶的果實數量。采摘作業人員將采摘的果實放人一級傳送帶中，一級傳送帶將果實運送至二級傳送帶，隨著二級傳送帶的轉動將果實運送至垂直傳送帶，由垂直傳送帶將果實集中收集至果箱中。

圖3果實傳送系統整體結構

Fig.3Overall structure fruit transport system1.垂直傳送帶電機2.垂直傳送帶3.二級傳送帶4.一級傳送帶5.光電傳感器6.一級傳送帶電機7.二級傳送帶電機

1.2果園作業機輔助采摘裝置控制方案

果園作業機輔助采摘裝置控制系統由核心控制器和無線控制器兩部分組成，控制系統設計方案如圖4所示。核心控制器由采摘站臺控制模塊、傳送帶自調速模塊、溫度自調節模塊、電流檢測模塊、無線通信模塊等組成。采摘站臺控制模塊根據無線控制器的指令控制采摘站臺液壓缸伸縮，實現作業寬度調節；傳送帶自調速模塊將光電傳感器采集的果實數量以及轉速傳感器采集的傳送帶線速度數據實時反饋至主控制器中，控制器根據放入傳送帶的果實數量基于增量式PID算法自主調整一級傳送帶線速度，避免發生果實堆積現象；溫度自調節模塊采用熱敏電阻實時檢測核心控制器中的溫度，當溫度過高時可自動開啟散熱風扇進行降溫至可靠工作溫度，防止電路板元器件損壞；電流檢測模塊采集流人核心控制器的電流數據，若檢測到電流異常，自動停正單片機中正在運行的進程。

無線控制器通過無線通信模塊與核心控制器進行數據交互，控制采摘站臺水平方向伸縮以及果實傳送系統自調速運行。設計撥桿信號采集模塊，采集撥桿位置信息；設計電位器信號采集模塊，實現對電位器信號的采集。

2控制系統硬件設計

2.1核心控制器硬件設計

核心控制器硬件部分基于STM32F103設計，電路板由單片機最小系統電路、電源電路、采摘站臺控制電路、傳送帶自調速電路、溫度自調節電路、無線通信電路等組成。

2.1.1 采摘站臺控制電路設計

采摘站臺控制模塊通過驅動電磁閥吸合，控制采摘站臺液壓缸伸縮，實現采摘作業寬度調節。采摘站臺控制電路以MOS管為核心進行設計，在主控制器與MOS管之間加入光電耦合器芯片EL817，使光耦芯片兩端完全實現電氣隔離，防止MOS管發生故障導致單片機發生損壞，并提升電路的抗干擾能力。采摘站臺控制電路如圖5所示。

圖5采摘站臺控制電路Fig.5Picking station control circuit

2.1. 2 傳送帶自調速電路設計

傳送帶自調速電路主要通過采集傳送帶線速度與放入傳送帶果實數量等信息，根據果實數量對一級傳送帶電機進行變速控制，實現傳送帶線速度的自主調節。電路使用電機驅動芯片BTN7971控制傳送帶電機，電機驅動芯片可將單片機引腳（PAO、PA1）輸出的PWM信號轉換成電壓信號，以控制傳送帶電機運行；單片機引腳（PB5、PB6、PB7）采集光電傳感器以及轉速傳感器輸出的信號，從而獲取傳感器數據。傳送帶自調節電路如圖6所示。

圖6傳送帶自調速電路 Fig.6Belt self-regulating circuit

2.1. 3 溫度自調節電路設計

溫度自調節模塊通過熱敏電阻獲取核心控制器內部的溫度數據，使用運算放大器LM358將熱敏電阻中微弱的信號放大成能夠被單片機讀取的信號。溫度自調節電路如圖7所示。

由運算放大器\"虛短\"\"虛斷\"特性[17]可知

式中： U₁₊ ——芯片 U₁ 同向輸入端電壓， ΔV U_?1- 1 芯片 U₁ 反向輸入端電壓， ΔV ：（204號 U₂₊ ——芯片 U₂ 同向輸入端電壓， ΔV U_2- 一 —芯片 U₂ 反向輸入端電壓， ΔV 。

根據基爾霍夫電壓定律

式中： U₁₀ ——芯片 U₁ 輸出端電壓， ΔV ：U_2o —芯片 U₂ 輸出端電壓， ΔV R ——電阻值， Ω 。

由基爾霍夫電流定律，A點處電流總和為0，故

式中： R_pt100 熱敏電阻阻值， Ω 。

大電流會導致熱敏電阻自身發熱造成測量精度不準確[18]，故等效電流源輸出的電流不應超過 1mA 。令 U₁₊=4.096V，R₁=4.12kΩ ，等效電流約為0.9942mA 。取 R₃=R₅=34kΩ，R₄=R₆=866kΩ 聯立式 （1）～ 式（6）得

當熱敏電阻采集的溫度在 -50°-200° 時，單片機引腳PCO端的電壓變化范圍為 2.03～4.45V ，滿足單片機采集要求。

2.2無線控制器硬件設計

無線控制器基于STM32單片機開發，控制器硬件部分可分為單片機最小系統電路、電源電路、撥桿信號采集電路、電位器信號采集電路、無線通信電路等。

2.2.1撥桿信號采集電路設計

撥桿信號采集模塊獲取撥桿狀態信息，并將信號發送到核心控制器中，以控制采摘站臺水平方向伸縮。電路使用光電耦合器芯片EL817作為隔離芯片，使兩端完全實現電氣隔離，實現單片機采集高電壓信號的目的，如圖8所示。當撥桿撥動，光耦芯片內部被導通，單片機引腳PE1電平狀態改變，單片機檢測引腳電平狀態變化，從而獲取撥桿的狀態信息。

圖8撥桿信號采集電路

2.2.2電位器信號采集電路設計

電位器信號采集模塊通過單片機中的模數轉換模塊將電位器的阻值轉換為數字信號，通過無線通信模塊向核心控制器發送數據，實現傳送帶速度控制模式切換。如圖9所示，當電位器阻值為0時，傳送帶轉速控制模式為自動控制，傳送帶根據果實數量自主調節線速度；當電位器阻值不為0時，傳送帶速度控制模式變為手動控制，且電位器阻值越大，傳送帶速度越快。旋轉電位器時，其阻值會發生變化，單片機引腳（PC1）上的電壓也會相應變化，從而實現電位器信號的采集。

圖9電位器信號采集電路 Fig.9Potentiometer signal acquisition circuit

3控制系統軟件設計

3.1核心控制器軟件設計

核心控制器一方面通過接收與解析無線控制器發送的指令數據，并采集傳送帶果實數量與傳送帶線速度等數據，實現對采摘站臺水平伸縮量與果實傳送系統線速度等輔助采摘裝置功能控制；另一方面，采集流入核心控制器的電流與控制器內部的溫度數據并進行監測，若監測到電流異常將自動停止單片機中正在運行的進程，若監測到溫度過高將使控制器溫度自調節降至可靠工作溫度。

3.1.1 核心控制器軟件結構設計

核心控制器接收無線控制器發送的數據指令，經過處理將其轉化為控制信號，控制果園作業機輔助采摘裝置運行，核心控制器軟件控制流程如圖10所示。

圖10核心控制器軟件控制流程Fig.10 Control flow core controller stware

輔助采摘裝置控制系統運行時，由于果實傳送系統電機功率較大，控制器內部會產生大量的熱量。為防止溫度過高導致控制器芯片損壞，設計溫度自調節模塊，模塊內部的熱敏電阻實時采集控制器中溫度數據，并發送給主控制器，主控制器接收到數據之后判斷是否達到設定的溫度閾值，并自動啟停散熱風扇，確保控制器正常工作。電流檢測模塊實時采集流入電路板中的電流，若主控制器檢測到電流異常，自動停止輔助采摘裝置控制系統中正在運行的進程。

3.1.2傳送帶自調速模塊軟件設計

PID控制算法被運用于傳送帶調速中[19]。傳送帶自調速模塊基于增量式PID控制算法，實現一級傳送帶線速度的動態自適應調節，避免果實堆積現象發生。

已知一級傳送帶的長度為，能容納的果實數量為 ?_n0 （圖11）。設傳送帶線速度為 σ_v ，作業人員單位時間 Ψ_t 內放入傳送帶果實的數量為 n ，可得 v 與 n 的關系如式（8）所示。

傳送帶理論線速度與傳送帶實際線速度構成的控制偏差

e=v-v₀

式中： v₀ 一 傳送帶實際線速度， m/s 。

傳送帶速度調節使用增量式PID控制算法，其計算如式（10）所示。

式中： Δu（k） 1 -傳送帶線速度變化量， m/s （204號 e^（k） # 控制偏差；K_p 一 比例系數；K_i 1 積分系數；K_d 1 —微分系數。

基于式 （8）～ 式（10），一級傳送帶可根據 1min 內作業人員放入的果實數量自主調節傳送帶速度。傳送帶自調速控制器結構如圖12所示。其中， r（k） 為傳送帶線速度的設定值， u （k）為傳送帶線速度輸出，v_?0（k） 為傳送帶實際線速度。

3.1.3溫度自調節模塊軟件設計

傳送帶電機驅動芯片長時間工作會產生大量熱量，為防止控制器過熱導致損壞，設計加入溫度自調節模塊，可實時監測主控制器內部溫度。當監測到溫度達到設定的溫度閾值時，開啟散熱風扇進行降溫至安全溫度，確保控制器正常工作。溫度自調節模塊軟件控制流程如圖13所示。

3.2無線控制器軟件設計

無線控制器主要通過采集撥桿、電位器等狀態數據，并將采集的數據發送至核心控制器，實現對輔助采摘裝置的控制。

無線控制器軟件部分由撥桿信號采集子程序、電位器信號采集子程序、無線信號處理子程序組成。無線控制器軟件控制流程如圖14所示。無線控制器初始化完成之后與作業平臺核心控制器建立連接，并采集撥桿、電位器的狀態信息，當其狀態發生改變時，無線控制器向核心控制器發送控制指令。

4試驗結果與分析

完成果園作業機輔助采摘裝置控制系統硬件設計、制作與檢測，使用Keil5完成控制系統軟件設計。為驗證控制系統整體性能是否良好，將所研制的控制系統安裝在果園作業機上，選取空曠區域通過無線控制器對作業機控制效果進行試驗。試驗包括無線通信測試、傳送帶速度調節測試、采摘站臺伸縮測試以及溫度調節測試。試驗過程中，使用筆記本電腦采集不同無線通信距離下的數據包丟失情況，用米尺測量果園作業機無線通信距離與采摘站臺伸縮狀態下工作寬度，用轉速傳感器采集傳送帶速度數據，用電路板內部傳感器采集核心控制器內部溫度數據。

無線通信測試結果（圖15）表明，無線通信距離在160m 內時，數據丟失率小于 10% ，數據傳輸效果較好，無線控制器能夠實現對輔助采摘裝置的控制；當通信距離超過 160m 時，數據傳輸不穩定，故在保證數據傳輸穩定的情況下無線控制器最大控制距離為 160m 。

傳送帶速度調節測試結果如表1所示，傳送帶線速度隨果實數量的增加而變化，能夠實現傳送帶線速度的自主調節。

表1傳送帶速度調節測試結果Tab.1 Conveyor speed adjustment test results

經測量，兩側采摘站臺收回時，果園作業機工作寬度為 1.65m ，兩側站臺完全伸出時，果園作業機工作寬度可達 3.13m ，可根據果樹行距調整采摘站臺伸出量，以適應不同類型與種植模式的果園。

溫度調節測試結果如圖16所示，核心控制器內部溫度高于 時，散熱風扇自動開啟，當溫度低于 時，散熱風扇自動關閉，控制器內部溫度維持在40°C 上下。

圖16溫度調節測試結果 Fig. 16Temperature adjustment test results

5 結論

1）設計一套基于STM32單片機的果園作業機輔助采摘裝置控制系統，該系統由核心控制器和無線控制器組成，核心控制器接收無線控制器的指令，控制采摘站臺水平方向伸縮以及果實傳送系統自調速運行。通過設計采摘站臺控制模塊，控制采摘站臺水平方向伸縮；設計基于增量式PID控制算法的傳送帶自調速模塊，使傳送帶能夠根據果實數量自主調節線速度；設計控制器溫度自調節模塊，當溫度過高時自調節降至安全工作溫度；設計無線通信模塊，將作業人員的控制指令發送到核心控制器中，實現對采摘站臺和果實傳送系統的控制。

2）將所設計的輔助采摘裝置控制系統進行研制并安裝至果園作業機中，分別進行無線通信測試、傳送帶速度調節測試、采摘站臺伸縮測試、溫度調節測試。試驗結果表明：無線控制器通信距離在 160m 內時，數據丟失率小于 10% ；傳送帶能夠根據放人果實的數量自主調節傳送帶線速度，避免果實堆積現象發生；果園作業機最大工作寬度為 3.13m ，最小工作寬度為1.65m ，能夠根據果樹行距調整采摘站臺伸出量，以適應不同類型與種植模式的果園；當核心控制器內部溫度過高時，散熱風扇能夠自動開啟，保證控制器正常運行。所設計的果園作業機輔助采摘裝置控制系統可以有效、可靠地輔助采摘人員完成果實采摘作業。

參考文獻

[1]劉大為，謝方平，李旭，等．小型果園升降作業平臺的設計與試驗[J].農業工程學報，2015，31（3）：113—121.Liu Dawei，Xie Fangping，Li Xu，et al. Design andexperiment small liftingplatform in orchard [J].Transactions the Chinese Society AgriculturalEngineering，2015，31（3）：113—121.

[2]何建華，楊欣，王鵬飛，等．3GP一160自走式果園作業平臺設計與試驗[J].江蘇農業科學，2018，46（16）：175—179.

[3]LeeSS，KimJT.Development centralized controllerwithremote control and hydraulic lift[J].The Journal KoreaInstitute Information，Electronics，andCommunication Technology，2017，10（3）：232—241.

[4]Ferreira MD，Sanchez A C，Braunbeck O A，etal.Harvesting fruits using a mobile platform：Acasestudy appliedto citrus[J].EngenhariaAgricola，2018，38（2）：293-299.

[5]楊貞，王亞龍，韓冰，等．牽引式果園采摘作業平臺果實輸送系統的研究設計[J]．中國農機化學報，2017，38（7）：24—28.Yang Zhen，WangYalong，Han Bing，etal.Research and design on conveying system for tractiveorchard picking platform[J].Journal ChineseAgriculturalMechanization，2017，38（7）：24-28.

[6]李強.履帶自走式果園采摘與修剪綜合作業平臺的設計與試驗［D].泰安：山東農業大學，2019.

[7]王金星，陳子旭，范國強，等．蘋果采收平臺輸送裝置設計與優化試驗[J].農業機械學報，2022，53（S1）：176-184.WangJinxing，Chen Zixu，FanGuoqiang，etal. Design andoptimization test of conveying device for apple harvestingplatform [J]. Transactions of the Chinese Society forAgriculturalMachinery，2022，53（S1）：176-184.

[8]陳子旭.蘋果采收機器人收集裝置的設計與試驗[D]．泰安：山東農業大學，2023.

[9]吳佳瑤，陳紅，張越，等.柑橘果實自動收集裝箱機的設計[J].湖北農業科學，2021，60（14）：125—128.

[10]趙林亭，邱緒云，宋裕民，等．果園自走式電動底盤控制系統設計與試驗[J].中國農機化學報，2020，41（2）：120—126.ZhaoLinting，Qiu Xuyun，SongYumin，etal.Designandtestofcontrolsystemfororchardself-propelledelectric chassis [J]. Journal of Chinese AgriculturalMechanization，2020，41（2）：120-126.

[11]張昊.基于手機APP控制的剪叉式果園作業平臺的研制[D].泰安：山東農業大學，2020.

[12]范國強，王學良，張曉輝，等．果園多功能視頻遙控作業車的研制[J].江蘇農業科學，2018，46（9）：215-218.

[13]李澤傲．四輪獨立驅動果園多功能作業平臺設計與試驗[D]．武漢：華中農業大學，2023.

[14]馮海明.果園和溫室大棚多功能遙控作業車的研制與試驗[D]．泰安：山東農業大學，2016.

[15]韓振浩，朱立成，苑嚴偉，等．基于重心自適應調控的山地果園運輸車設計與試驗[J]．農業機械學報，2022，53（2）：430-442.Han Zhenhao，Zhu Licheng，Yuan Yanwei，et al.Design and test of transport vehicle for hillside orchardsbased on center of gravity regulation [J]. Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery，2022，53（2）：430-442.

[16］王常任．丘陵山地果園履帶式動力底盤及其自動跟隨系統設計與試驗[D]．武漢：華中農業大學，2022.

[17］畢淑娥．電工與電子技術基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[18］唐清春，劉斌，魏巍，等．基于PT10O的數控機床主軸溫度采集系統設計[J]．電子測試，2022（1）：105—106，42.

[19]王輝，劉藝豪，周利明，等．施肥播種機肥料流量分段式PID控制系統設計與試驗[J].農業機械學報，2023，54（2）：32-40，94.Wang Hui，Liu Yihao，Zhou Liming，et al. Design andtest of fertilizer flow piecewise PID control system offertilizer planter[J]. Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery，2023，54（2）：32—40，94.