生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要："生姜收獲機(jī)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(nóng)機(jī)駕駛經(jīng)驗。生姜是一種特別怕?lián)p傷的農(nóng)產(chǎn)品，人工駕駛機(jī)具，會使生姜收獲的質(zhì)量降低，收獲效率不高。本文設(shè)計的輔助駕駛控制系統(tǒng)，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，能夠精準(zhǔn)地識別生姜姜秧走向，通過設(shè)定的收獲深度，自動控制設(shè)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(jī)具收獲時造成的收獲速度慢，容易損傷姜塊地問題。

關(guān)鍵詞："生姜收獲機(jī)；輔助駕駛；嵌入式

中圖分類號："TB"文獻(xiàn)標(biāo)識碼："Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.22.087

0引言

農(nóng)業(yè)科技技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷更新，新一代信息技術(shù)手段正逐漸融入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為基于信息和知識管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，"是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的代表，在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械輔助駕駛技術(shù)是不可或缺的重要部分。使用農(nóng)機(jī)輔助駕駛技術(shù)，可以快速培養(yǎng)農(nóng)機(jī)操作人員，在我國目前大力普及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，需要掌握一定農(nóng)機(jī)使用經(jīng)驗的操作工人越來越多，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動程度越高越有利于提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員數(shù)量，在我國面臨老齡化社會，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員短缺的趨勢下，積極研制自動化水平高的農(nóng)機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)，對提升我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的競爭力具有重要的意義。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2022年全國生姜種植面積約391萬畝，萊蕪區(qū)生姜種植面積在10萬畝左右，年產(chǎn)50萬噸，年加工能力100萬噸，國際市場70%的姜片由萊蕪生產(chǎn)。常年出口近50萬噸，占國際市場的21%、占全國出口貿(mào)易的70%?，F(xiàn)有的生姜收獲機(jī)主要是分段式收獲作業(yè)，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(jī)操作困難，機(jī)手勞動強(qiáng)度大，姜的損傷率高。生姜作為萊蕪重要的經(jīng)濟(jì)作物，研發(fā)適用于生姜收獲機(jī)的輔助駕駛系統(tǒng)顯得尤為重要。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，可以有效提高生姜收獲機(jī)具的生產(chǎn)效率，保證生姜收獲能夠安全高質(zhì)高效生產(chǎn)。降低生姜收獲人員的工作強(qiáng)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(jī)的輔助駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用研究很有必要。

1國內(nèi)、外生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國外是較早開展農(nóng)業(yè)機(jī)械輔助駕駛系統(tǒng)的研究，從20世紀(jì)70年代開始，在機(jī)械研究技術(shù)水平較高的發(fā)達(dá)國家，從農(nóng)業(yè)用機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)和駕駛原理方面進(jìn)行了深入的研究和產(chǎn)品的使用，主要是利用GPS進(jìn)行機(jī)械定位，輔助駕駛系統(tǒng)輸出信號控制陀螺儀轉(zhuǎn)向進(jìn)行導(dǎo)航控制，在部分機(jī)械設(shè)備上實現(xiàn)了輔助駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用案例。丹麥阿爾伯格大學(xué)的.M.Nielse，P.Andersen等人使用攝像頭抓取圖像，通過分析圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在拖拉機(jī)上應(yīng)用基于機(jī)器視覺的傳感系統(tǒng)。

國內(nèi)對于生姜收獲機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)的研究逐漸增多，一些研究機(jī)構(gòu)和高校針對生姜收獲機(jī)的自動駕駛、路徑規(guī)劃和避障功能等進(jìn)行了深入的研究，一些研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的生姜收獲機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動識別和抓取生姜。國防科技大學(xué)與中國第一汽車集團(tuán)公司合作，研制了車輛自主駕駛系統(tǒng)，并且在高速公路上進(jìn)行了實驗驗證，試驗結(jié)果較好。清華大學(xué)智能技術(shù)與國家重點實驗室也進(jìn)行了車輛導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)方面的研究，主要是使用激光雷達(dá)通過感知車輛周圍的障礙物距離，通過使用GPS進(jìn)行定位，實現(xiàn)了車輛的輔助駕駛，交通部交通科學(xué)研究院也在汽車自動駕駛方面進(jìn)行了研究，通過文獻(xiàn)檢索，車輛輔助駕駛系統(tǒng)的研究大多是在公路行駛的汽車，對于路況較復(fù)雜的農(nóng)田使用的農(nóng)用車輛的輔助駕駛系統(tǒng)的相關(guān)的研究較少。

綜上所述，現(xiàn)階段國外在農(nóng)用機(jī)械車輛的輔助駕駛系統(tǒng)開展的研究較多，取得了較好的研究結(jié)果，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)實際使用，有的作業(yè)精度可以達(dá)到2.5cm以內(nèi)。而國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械輔助駕駛系統(tǒng)還處于技術(shù)研究和實驗驗證階段，在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中還沒有比較成熟的產(chǎn)品。

2基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求在嵌入式系統(tǒng)下完成系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，從硬件和軟件兩方面對生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要包含以下幾個模塊：

實時監(jiān)測系統(tǒng)：利用攝像頭、激光測距傳感器、超聲波測距傳感器等構(gòu)建傳感器系統(tǒng)，實時監(jiān)測生姜收獲機(jī)行駛過程及工作過程，獲取農(nóng)田狀況、障礙物等信息。通過實時監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器模塊監(jiān)測生姜作物走向、深度、障礙物等，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：對實時檢測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于這些數(shù)據(jù)，利用合適的決策算法，對生姜收獲機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)和周圍環(huán)境作出正確判斷，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)包括電動機(jī)控制、轉(zhuǎn)向控制、速度控制等。利用控制系統(tǒng)輔助駕駛操作，使生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)路徑規(guī)劃、收獲機(jī)深度控制、障礙物避讓等操作。

顯示系統(tǒng)：顯示系統(tǒng)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(tǒng)與輔助駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，實現(xiàn)自動化控制。

2.1基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在嵌入式生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，為生姜收獲機(jī)這類特定應(yīng)用選擇并構(gòu)建一個穩(wěn)定且可靠的硬件平臺，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。硬件平臺具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以應(yīng)對復(fù)雜的駕駛輔助算法，同時有良好的擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來可能的功能升級。

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET芯片為主控芯片，STM32F103ZET是基于ARM"Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有512"KB片內(nèi)Flash，64"KB片內(nèi)RAM；多達(dá)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(shè)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(diào)試。

通過深入分析生姜收獲機(jī)的工作環(huán)境和作業(yè)特點，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)中的實時監(jiān)測系統(tǒng)如同系統(tǒng)的“感知器官”，負(fù)責(zé)捕捉外界環(huán)境的關(guān)鍵信息。實時監(jiān)測系統(tǒng)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(yīng)速度快，用來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，如精確測量生姜收獲機(jī)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(wěn)定性、高分辨率等優(yōu)點，用來實現(xiàn)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(fù)責(zé)捕捉生姜植株和地面的實時圖像，并將其傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用先進(jìn)的算法對實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地識別和處理。對生姜植株的形狀、顏色和地面紋理等關(guān)鍵特征進(jìn)行提取，為生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)提供豐富而準(zhǔn)確的環(huán)境信息，為后續(xù)決策和控制提供有力支持。

控制系統(tǒng)中的高精度GPS模塊利用衛(wèi)星信號實現(xiàn)收獲機(jī)的精確定位，確保在廣闊的農(nóng)田中，生姜收獲機(jī)能夠準(zhǔn)確無誤地按照預(yù)定路線行進(jìn)。慣性測量單元（IMU）則通過檢測收獲機(jī)的加速度和角速度，提供其姿態(tài)和運動狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)一步增強(qiáng)定位導(dǎo)航的穩(wěn)定性和可靠性。

控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)采用高性能嵌入式處理器，通過編程設(shè)計，控制系統(tǒng)能夠針對姜田的實際狀況作出實時反應(yīng)，輸出精確的控制信號，確保生姜收獲機(jī)在各種復(fù)雜情況下高效率、高質(zhì)量完成生姜收獲。

考慮到生姜收獲機(jī)的實際工作環(huán)境，顯示系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的通信采用RS485。RS485總線是專用的通信信道，通過使用有較強(qiáng)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(dǎo)航模塊的通信采用RS232。RS232是常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，采用3條信號線即可實現(xiàn)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(yuǎn)，能保持良好的通信交互。

2.3基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計核心是定位與導(dǎo)航算法，基于GPS、激光測距、超聲波測距等技術(shù)，利用高精度、高可靠性的定位與導(dǎo)航算法，實現(xiàn)生姜收獲機(jī)的精確路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航功能，使生姜收獲機(jī)在復(fù)雜的姜田環(huán)境中能夠完成生姜收獲任務(wù)，有效提高作業(yè)效率和精度。

攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)需要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，因此圖像處理算法在輔助駕駛控制系統(tǒng)中至關(guān)重要，本系統(tǒng)利用深度學(xué)習(xí)等算法，對生姜植株和地面特征進(jìn)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(jī)在作業(yè)過程中能夠更準(zhǔn)確地識別生姜植株和地面特征，實現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)。

生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)中控制算法的設(shè)計同樣重要，根據(jù)生姜收獲機(jī)的機(jī)械特性和作業(yè)需求，采用高效、穩(wěn)定的控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)生姜收獲機(jī)的自動化控制，使生姜收獲機(jī)在作業(yè)過程中始終保持穩(wěn)定、高效狀態(tài)。通過對控制算法不斷優(yōu)化和改進(jìn)，提高其適應(yīng)性和魯棒性，使生姜收獲機(jī)能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的姜田環(huán)境。

2.4基于嵌入式的生姜收獲機(jī)輔助駕駛實現(xiàn)

在生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，生姜收獲機(jī)的收獲深度通常需要根據(jù)生姜姜根的生長情況以及土壤條件進(jìn)行調(diào)整。一般來說，設(shè)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(jù)生長情況調(diào)整收獲深度，確保收獲效果和產(chǎn)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(jù)土壤的質(zhì)地和濕度等因素，設(shè)定收獲深度，避免影響生姜生長和產(chǎn)量。

機(jī)器設(shè)定：生姜收獲機(jī)通常有相應(yīng)的調(diào)整裝置控制收獲深度，可以根據(jù)需要調(diào)整，確保機(jī)器在操作時能夠達(dá)到期望收獲效果。

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

①穩(wěn)定性：系統(tǒng)在進(jìn)行生姜收獲作業(yè)中能夠安全運行，保障作業(yè)質(zhì)量；

②易推廣和適用性：系統(tǒng)可以大范圍使用，具有推廣價值且操作簡單，方便使用；

③經(jīng)濟(jì)性和靈活性：在系統(tǒng)的設(shè)計時，盡量減少系統(tǒng)成本，便于推廣，系統(tǒng)控制模式靈活多變。

本系統(tǒng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)視覺技術(shù)，使生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)實現(xiàn)生姜的智能識別和分類功能。通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，使生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地識別生姜大小及其在土壤中的深度，從而精準(zhǔn)收獲。訓(xùn)練框架為Tensorflow，可以自行學(xué)習(xí)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(shù)量，滿足生姜圖像識別分類的要求。

3結(jié)語

綜上所述，在傳統(tǒng)的生姜收獲過程中，由于人工操作的限制和收獲機(jī)械的落后，會造成生姜的損傷和遺漏，降低生姜產(chǎn)量。嵌入式生姜收獲機(jī)輔助駕駛控制系統(tǒng)的應(yīng)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(yè)管理，實現(xiàn)生姜高效收獲。

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