藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)

吳玉娟，吳 丹，董育亮,唐肖瑞

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，212400，江蘇句容）

漿果是多汁肉質(zhì)單果的統(tǒng)稱，因其營養(yǎng)豐富肉質(zhì)鮮甜備受推崇。藍(lán)莓因花青素含量高享有“漿果之王”美譽(yù)，是人民群眾競相購買的優(yōu)質(zhì)水果之一，但藍(lán)莓種植難、產(chǎn)量低和采摘煩，致使藍(lán)莓等漿果價格一直居高不下，成為制約藍(lán)莓漿果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸和掣肘，亟待各方協(xié)力予以破解。通過綜合分析藍(lán)莓漿果種植生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，人工采摘作業(yè)是漿果生產(chǎn)中最耗時、最費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)，需要動用大量人力進(jìn)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(xiàng)重要因素，因此，迫切需要開發(fā)一套適合我國藍(lán)莓收獲的自動化作業(yè)機(jī)械，對于提高藍(lán)莓漿果產(chǎn)量和推動藍(lán)莓漿果產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

為了解決藍(lán)莓漿果收獲采摘難的問題，實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械裝置的自動行走、遠(yuǎn)程控制、感知識別、快速采摘和整理收集等功能，研制開發(fā)的藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械主要由自動行走裝置、規(guī)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(lán)莓漿果收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

1.2 工作原理

自動行走裝置主要用于支撐藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械機(jī)動行進(jìn)，它通常安裝在機(jī)械本體底部，可以安裝GPS/北斗裝置進(jìn)行精確導(dǎo)航定位；規(guī)劃控制裝置是機(jī)械的大腦，主要用于控制藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械的機(jī)動行進(jìn)和機(jī)械裝置的快速采摘；傳感檢測裝置主要運(yùn)用傳感器識別藍(lán)莓的狀態(tài)，為快速收獲裝置正常工作輸出控制指令，即當(dāng)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(guān)收獲動作；快速收獲裝置主要用于采摘藍(lán)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(jī)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(lán)莓漿果。

2 藍(lán)莓漿果快速收獲裝置設(shè)計(jì)

收獲裝置是藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械的主要組成部分，它主要由收獲筐、合頁和電機(jī)等部分組成，如圖2 所示。為了使收獲裝置成為有機(jī)整體，收獲筐兩端安裝有合頁，合頁上安裝有電機(jī)，通過電機(jī)控制收獲框張合，將漿果樹收攏在收獲框內(nèi)。另外，為了振動漿果樹有力均勻，在收獲框上間隔設(shè)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(jié)構(gòu)圖

通過在規(guī)劃控制裝置中設(shè)置拍打頻率和時間，控制收獲框內(nèi)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(dāng)完成相關(guān)收獲機(jī)械動作后，電機(jī)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(jī)械本體上，使收獲裝置恢復(fù)到初始靜止未收獲狀態(tài)。

3 藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械規(guī)劃控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)劃控制模塊總體設(shè)計(jì)

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(jìn)行規(guī)劃控制裝置設(shè)計(jì)開發(fā)。具體來說，通過Arduino IDE 平臺設(shè)計(jì)開發(fā)自動行走控制模塊，實(shí)現(xiàn)對漿果收獲機(jī)械行走功能的自動控制；設(shè)計(jì)開發(fā)了收獲裝置控制模塊，由手持式按鈕盒上按鈕進(jìn)行設(shè)置，完成藍(lán)莓漿果收獲裝置工作指令的輸出。

3.2 行走控制模塊設(shè)計(jì)

行走控制模塊是規(guī)劃控制裝置的基礎(chǔ)，目的是實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械行走輪和編碼器傳動聯(lián)接。

采取檢測信息判斷的方式進(jìn)行信號檢測，即當(dāng)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(xù)勻速向前行走；當(dāng)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(shè)定時間內(nèi)完成相關(guān)收獲機(jī)械動作后，收獲裝置恢復(fù)到初始靜止未收獲狀態(tài)，行走裝置取消停車，并繼續(xù)向前運(yùn)行。

3.3 收獲控制模塊設(shè)計(jì)

收獲控制模塊是規(guī)劃控制裝置的核心，目的是實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓漿果收獲裝置自動收獲?？刹扇?biāo)準(zhǔn)工作流程法設(shè)計(jì)該控制模塊，即傳感檢測裝置檢測到需收獲藍(lán)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(guān)鉸鏈，從機(jī)械本體處向上、前折翻，并向漿果樹靠近，電機(jī)控制電動收獲框張開并靠近漿果樹，再通過張合電機(jī)合攏收獲框，將漿果樹收攏在收獲框內(nèi)。通過設(shè)置合理的拍打頻率和時間間隔，控制收獲框內(nèi)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(dāng)按照設(shè)定時間完成相關(guān)收獲機(jī)械動作后，張合電機(jī)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(jī)械本體上，使收獲裝置恢復(fù)到初始靜止未收獲狀態(tài)。

4 藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械操控流程設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械高效運(yùn)行，在研制開發(fā)藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械過程中，對收獲機(jī)械的操控流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，概括起來主要包括以下4 個步驟，如圖3 所示。

圖3 藍(lán)莓漿果收獲裝置操控流程

（1）依托收獲機(jī)械規(guī)劃控制裝置控制藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械本體勻速向前行走。

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

（3）通過設(shè)置拍打頻率和時間，控制收獲筐內(nèi)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(dāng)按照設(shè)定時間完成相關(guān)收獲機(jī)械動作后，張合電機(jī)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(jī)械本體上，使收獲裝置恢復(fù)到初始靜止未收獲狀態(tài)。

5 結(jié)語

基于嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)、電子技術(shù)和通訊技術(shù)，研制開發(fā)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(jié)構(gòu)輕便的藍(lán)莓漿果收獲機(jī)械裝置，對于降低采摘工人的勞動強(qiáng)度、提高藍(lán)莓漿果的收獲效率具有重要意義，通過實(shí)踐應(yīng)用試驗(yàn)得出了以下結(jié)論：

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

（2）收獲裝置振動拍打頻率是確保收獲運(yùn)行是否高效的關(guān)鍵所在，采用反復(fù)試驗(yàn)預(yù)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(xù)工作4 h 的功耗要求。