蘋果自動(dòng)采摘機(jī)探討

王勇 王簫揚(yáng) 楊延寧 王旭 劉葉 周旭 朱鵬

摘 要 在蘋果采收過程中，使用蘋果自動(dòng)采摘機(jī)可有效降低蘋果采摘過程中的勞動(dòng)力投入?；诖耍瑥南到y(tǒng)設(shè)計(jì)（包括自動(dòng)采摘原理、識(shí)別定位模塊）、控制模塊（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊）等方面分析一種具有自動(dòng)完成蘋果采摘等任務(wù)的智能機(jī)械系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 蘋果自動(dòng)采摘機(jī);系統(tǒng)設(shè)計(jì);控制模塊

中圖分類號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.15.081

隨著科技的不斷發(fā)展，蘋果自動(dòng)采摘機(jī)的研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[1-2]。蘋果自動(dòng)采摘機(jī)在一定程度上可以節(jié)省勞動(dòng)力、縮短勞動(dòng)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-4]。

因此，研究蘋果自動(dòng)采摘機(jī)對(duì)水果產(chǎn)業(yè)具有深遠(yuǎn)意義。

蘋果自動(dòng)采摘機(jī)主要包括三大部分：機(jī)械采摘手、整體電路驅(qū)動(dòng)、蘋果裝箱裝置。裝置中伸縮桿可達(dá)到采摘的任意高度，機(jī)械爪可以模擬人手進(jìn)行采摘。電路控制方面，以STM32F7單片機(jī)為主控，采用紅外測(cè)距技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確快速識(shí)別蘋果，利用電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和單片機(jī)控制原理控制伸縮桿的高度以及機(jī)械爪的張合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確摘取蘋果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)采摘原理

蘋果自動(dòng)采摘機(jī)主要利用紅外測(cè)距和單片機(jī)處理數(shù)據(jù)發(fā)布命令。工作時(shí)，打開摘果控制開關(guān)，并使機(jī)械爪處于張開狀態(tài)，對(duì)經(jīng)過圖像識(shí)別后的果實(shí)進(jìn)行紅外測(cè)距，使機(jī)械爪對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)采摘水果，經(jīng)過紅外測(cè)距、單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，判斷是否可以包裹水果，距離在設(shè)定范圍內(nèi)，通過單片機(jī)給予繼電器打開命令，內(nèi)部電機(jī)得到電源輸入，驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪閉合并抓緊蘋果，當(dāng)機(jī)械爪抓住水果遇到阻力時(shí)，內(nèi)部電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械爪保持抓緊水果狀態(tài);此時(shí)電流加大，驅(qū)動(dòng)另一繼電器，使位于機(jī)械爪底部的另一電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械爪轉(zhuǎn)動(dòng)約180°，便可將水果采摘下來;然后收縮機(jī)械爪到一定范圍，給于內(nèi)部電機(jī)反向電源，驅(qū)使機(jī)械爪張開，使果實(shí)放入固定橡膠框之中，完成果實(shí)摘取，機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 識(shí)別定位模塊

1.2.1 蘋果果實(shí)的識(shí)別

蘋果自動(dòng)采摘機(jī)的視覺系統(tǒng)相當(dāng)于蘋果采摘機(jī)器人的眼睛，機(jī)器人必須通過它來識(shí)別環(huán)境中的蘋果并準(zhǔn)確定位位置信息，同時(shí)快速將信息返回給主控制器。該機(jī)械利用STM32F7驅(qū)動(dòng)OV7725攝像頭進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集，在TFT屏幕上實(shí)時(shí)顯示并識(shí)別圖像中的特定顏色，在顏色的周圍畫上圓框，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別的功能。運(yùn)用腐蝕算法確定好腐蝕中心，同時(shí)指定范圍的顏色，這個(gè)范圍根據(jù)蘋果的大小來設(shè)定，若在此區(qū)域出現(xiàn)了預(yù)先設(shè)定的紅色，系統(tǒng)會(huì)給其進(jìn)行上框，以獲知前方有蘋果存在，驅(qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)自身位置調(diào)整，使機(jī)械臂直面目標(biāo)區(qū)域。仿真效果圖如圖2所示。

1.2.2 果實(shí)的定位

蘋果自動(dòng)采摘機(jī)通過激光來測(cè)量攝像頭前方的距離，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到蘋果前面時(shí)，紅外測(cè)距模塊會(huì)發(fā)出光波并通過蘋果反射回來，從而測(cè)量出機(jī)器人與蘋果之間的距離。系統(tǒng)會(huì)對(duì)比傳輸回來的距離與機(jī)械臂能夠伸張的最大距離，距離合適時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行抓取，否則機(jī)器人會(huì)繼續(xù)調(diào)整位置，直到滿足預(yù)設(shè)條件。

2 控制模塊

蘋果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)分為識(shí)別定位和主控兩大模塊，主控系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊三個(gè)模塊，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

蘋果自動(dòng)采摘機(jī)的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，主要采用STM32F103對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，再采用L298N電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以此來控制機(jī)械臂的運(yùn)行，達(dá)到本設(shè)計(jì)的需求。本電路中設(shè)有電源模塊、指示燈顯示模塊，使用STM32F103與核心主控板相互通信，以更好地控制機(jī)械。這種控制很大程度上減輕了主控核心芯片的負(fù)載，使其可以更好的工作，不同于單芯片控制系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)全由一個(gè)核心來接收、分析和處理，會(huì)使芯片的壽命縮短，效率降低。同時(shí)，L298N電機(jī)是一種實(shí)用并且廉價(jià)的電機(jī)，可以有效降低成本。

2.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PCA9685作為驅(qū)動(dòng)芯片，利用I2C通信，內(nèi)置一個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)時(shí)鐘。用3.3V單片機(jī)控制，并安全驅(qū)動(dòng)到6V輸出，內(nèi)部自帶25MHz振蕩器的舵機(jī)模塊，無需外接，可使電路更加簡(jiǎn)化。

此舵機(jī)驅(qū)動(dòng)接口簡(jiǎn)單，只需連接四條線（VCC、GND、SDA、SCL）到單片機(jī)，便于后期調(diào)試維護(hù)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路如圖5所示。

2.3 電源模塊

供能裝置選用（3S 2200mAh 20C）的鋰電池。此款鋰電池正常工作電壓可達(dá)12.6 V，電池的最大放電電流為12 A，足以滿足蘋果采摘機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的正常工作要求。

電源的芯片采用LM2596SX-5.0/NOPB，輸入最大電壓可達(dá)到40 V，輸出最大電流可達(dá)3 A，具備低功耗待機(jī)模式，在過熱情況下有自動(dòng)關(guān)斷和限流保護(hù)的功能，以滿足機(jī)器人的需求。

抓取模塊含有4個(gè)數(shù)字舵機(jī)，工作時(shí)瞬時(shí)電流較大，因此把舵機(jī)供電和各芯片供電分開為兩個(gè)獨(dú)立的部分，設(shè)計(jì)如圖6所示。開關(guān)引腳（ON/OFF）接地，默認(rèn)芯片為使能;輸出引腳（OUT）外接33 μH電感、肖特基整流二極管（IN5824），以保證電源關(guān)閉瞬間輸出的電流連續(xù)，接入的220 μF電解電容可防止輸出電壓突變;穩(wěn)壓反饋引腳（FB）接輸出端，可調(diào)節(jié)輸出端的電壓。采用2塊LM2596SX-5.0/NOPB芯片，其輸入引腳（IN）連接鋰電池正極，并且外接680 μF電解電容，可防止輸入端電壓突變。

3 結(jié)語

本次研究的基于單片機(jī)的蘋果自動(dòng)采摘機(jī)，不僅能提高果農(nóng)的采摘效率，而且還能降低果品的受傷率，節(jié)省了人工成本。因此，該蘋果自動(dòng)采摘機(jī)的研究對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)具有深遠(yuǎn)意義。

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（責(zé)任編輯：劉昀）