基于单片机控制的自动苹果采摘机设计与应用研究_刘奕.pdf

学术交流本栏编辑席尚明XueShuJiaoLiu1自动苹果采摘机的应用价值果园林业生产具有典型的时效性，果实成熟后必须在短时间内采收完毕，否则会影响到果实的营养价值，从而影响到果园林业的产能和市场效益。首先，自动苹果采摘机能够替代果农采摘苹果，提高苹果成熟期采摘效率，使果农有更多的精力去处理苹果的仓储问题、运输问题，有利于我国果园林业的发展。其次，自动苹果采摘机能够替代人力劳动，降低苹果采摘时的人力成本，能够将更多的劳动力从苹果采摘中解放处理，便于劳动力的农业生产资料的再分配，对我国农业产业的优化和升级具有重要意义。其三，现代机械在农业领域的普及是农业生产自动化、集约化的必然选择，自动苹果采摘机的应用是果园林业转型和升级的必经之路，是推动我国社会主义新农业格局形成的重要助力。2自动苹果采摘机的工作原理根据自动苹果采摘机的功能需求，可以确认自动苹果采摘机至少存在 2 个核心算法：一是对是否为苹果以及苹果是否成熟的感应探测算法；二是对已采摘到苹果的质量的确认算法，确认采摘苹果重量是否需要返回存储的逻辑算法，若采摘一次就进行存储，其效率极为低下。3自动苹果采摘机的硬件设计由于苹果果实与地面角度并非垂直状态，而是呈现多角度倾斜；苹果树并非高大乔木，苹果果实的分布高度一般；苹果的果实硬度一般，摘手不够圆滑可导致苹果损坏，所以采摘机伸缩杆的长度不用太长，摘手应当符合苹果形状特征且能够夹紧苹果并将其摘下。3.1移动平台的选择果园整体土壤松软，地面凹凸不平且容易处于潮湿、泥泞状态，因此移动小车应当能适应果园多变的地面环境，推荐选用带有减振设置的履带式移动平台，平台荷载在 300 kg 以上，搭载有主控电路、传感器、辅助采集装置、电源等。3.2传动结构传动结构推荐选用手腰部、大臂、小臂一体的多层结构机械手臂，交流伺服电机为动力源，采用高输出扭矩设计，电动推杆直接连接机械手臂小臂进行收缩和控制，各组件末端采用螺丝旋转法兰盘连接，机械手臂末端连接果实夹紧器（采集器）。见图 1、图 2。3.3自动采摘功能的实现全自动苹果采摘功能由机械臂、传感器、控制器、摄像传感器组成，通过摄像头传感器获取苹果图像，定位苹果位置后识别苹果是否成熟，然后自动采摘。采摘功能的实现经过了移动、停止移动、定位苹果、识别苹果、采摘、收栏等几个动作。工作平台移动到果树下端，通过摄像头感应树上是否有苹果，若有苹果则伸长机械臂直至采集器达到苹果高度。采集器前端有微型摄像头，用于测定采集器夹具和苹果的距离，夹具和苹果距离达到既定距离后执行夹取采集动作，将苹果从树上摘下，最后置入车载的果篮中。4软件设计方案4.1果树及苹果的识别理想状态下自动苹果采摘机应当是启动后能够作者简介 刘 奕（1987-），女，安徽萧县人，讲师，研究方向为机电技术及相关课程教学。基于单片机控制的自动苹果采摘机设计与应用研究刘奕（安徽省汽车工业学校，安徽合肥231131）摘要：对以单片机为核心的自动苹果采摘机的设计与应用进行了研究，以期为农业生产的自动化提供启发和参考。关键词：单片机；自动苹果采摘机；设计；应用DOI：10.3969/J.ISSN.1673632X.2023.07.028中图分类号：S220文献标识码：A图 1全自动苹果采摘机结构图 2机械臂结构75本栏编辑席尚明XueShuJiaoLiu学术交流产品时应该对各过程进行实时监控，完善监测工作中可能出现的各项漏洞，确保农业产品销售市场的持续健康发展。3.2推进现代农业生产体系的建设完善程度现代农业生产不能只关注生产量的增加，也要保证农产品的生产质量。在对农业产品进行监测时，应该进行严谨的鉴别，防止质量不符合标准的农产品流入市场，及时对质量不符合标准的农产品进行销毁，防止不法分子对不合格的农产品有想法，让市场中销售的农产品质量都得到保证。当农民了解农业产品质量的要求和规范后，就可以按照现代农业标准进行农业产品的生产活动，提升农业产品的质量水平，减少不能通过质量监测的产品出现，提高农民的经济收益。若想加强农产品的检测通过率，需要农民进行配合，最重要的解决办法就是减少在农产品种植时使用的农药数量。在进行农产品的病虫害预防工作时，应该严格农药的使用规定。大部分农业生产人员在进行农产品的病虫害预防时，往往超量施用农药剂量，从而出现农产品的农药残留超量的现象，使农产品的质量得不到保证。为此，应该参考现代农业中的病虫害防治对策，加强农产品病虫害的研究工作。参考文献1 周茜.浅谈农产品质量安全检测对现代农业发展的重要性J.农村科学实验,2022(08):84-86.2 李武秀.农产品质量安全检测对现代农业发展的重要性J.农民致富之友,2021(30):211.3 朱赛.农产品质量安全检测对现代农业发展的重要性分析J.农民致富之友,2020(09):237.进行自主巡逻，在果园范围内进行巡逻和探查，以找到存在尚未采摘完毕的果树。因此，需要进行对应的程序设定，逻辑为“采摘机启动-进入巡逻模式-果园内检索果树-移动至果树附近-驻车-探测苹果-定位苹果-升起机械臂-采摘苹果”。关于如何检索果树以及苹果是这部分算法的核心。为了提高定位果树的效率，可采用模糊检测的思路进行程序设计。首先，工作平台搭载有红外感应摄像头和普通摄像头，通过红外感应摄像头可以有效鉴别树木和其他生物，这是对果树的第 1 层鉴别；同时该工作平台还搭载了普通摄像头，普通摄像头可以识别图像、文字等具体信息，通过预设的苹果树及苹果图片采用模糊相似的对比规则，可以快速识别果树是否为苹果树。最后，也就是该算法中最难处理的一点，即苹果是否符合采摘条件，关于这点在单片机编程的时候需要进行多重相似检测。通常来说，不同品种苹果的生长习性是不同的。因此，苹果栽培品具有种集中的趋势，比如烟台地区适合“富士”这种苹果的成长，果园就以栽培“富士”居多。并且大多数情况下果农并不会进行多品种苹果的混合栽培，因此一个苹果园中的苹果特征是相同或相似的，在直径、颜色、体积、甚至是红外波长上都是相似的，这可作为识别与定位苹果的可靠思路。同时，在苹果成长周期中，成熟后的果子的特征也是相对稳定的，因此识别果子是否成熟只需要比对其是否具备成熟苹果的特征即可。4.2存储功能的调整在平台作业过程中，随着采摘时间的增加，工作平台的荷载会逐渐增加，果篮的剩余空间会逐渐减少。因此，在采摘到一定程度时，平台就应当返回并将采集的苹果卸载。在这个功能的实现中要对算法进行以下优化：首先，不推荐满载时卸车，同时避免平台重心升高而导致侧翻。在进行算法编辑时要根据平台上工作单元的质量以及采摘过程中重心位置变化的曲线（机械臂达到最大延展状态时），得到测量不会发生侧翻的阈值，限定当果篮中苹果质量达到阈值时就回到仓储地点进行卸车。其次，要增加识别果篮剩余体积的算法，可以在果篮最上缘装配 1 个红外感应装置，当感应到持续存在苹果时则认定为果篮体积不足，此时应当返回并仓储，这样就能够避免果篮溢出的问题。参考文献1 赵君爱.基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计与试验J.河南科技,2021,40(20):27-29.2 刘吉安.苹果采摘装置螺旋式末端的设计J.农业技术与装备,2021(06):11-12.3 左斌,张永康,郭南初.多功能苹果采摘包装机的设计与仿真J.实验室研究与探索,2020,39(09):108-113.4 李彦晶,罗钿,冯宇龙,等.基于切割的便携式苹果采摘装置的设计与试验J.中国农机化学报,2019,40(02):51-54,96.5 余靖华.一种苹果采摘装置设计J.农业技术与装备,2020(01):33-34.6 朱容芳,朱煜华.基于 UG 的苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计J.农机使用与维修,2021(04):21-22.（上接第 74 页）76