智能化水果采摘機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張西順，李彩霞，馬 丹，高 聰，徐田欣

(德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州 253023)

0 引言

目前設(shè)計(jì)的智能化水果采摘系統(tǒng)中美國(guó)、英國(guó)、日本都已取得了一定的成就，但由于我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展緩慢，起步較晚等現(xiàn)狀制約了我國(guó)水果采摘機(jī)的發(fā)展。雖然很多國(guó)家在采摘機(jī)上取得了一些成就，但由于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的局限性或生產(chǎn)成本較大致使不能投入到真正的生產(chǎn)中。由于20世紀(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境的限制，造成了采摘機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)度較慢或投入成本較大等問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在設(shè)計(jì)智能化水果采摘機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)直接采用目前市場(chǎng)上較為流行的開(kāi)發(fā)平臺(tái)不斷促進(jìn)采摘機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，并且利用更加理想的操作平臺(tái)來(lái)提高采摘機(jī)的實(shí)用價(jià)值［1］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)采摘機(jī)的良好運(yùn)行以及能夠提高采摘水果的采摘率，整個(gè)控制系統(tǒng)分為信號(hào)采集部分、信息處理部分、信號(hào)輸出部分，它們相互輔助共同來(lái)滿足采摘等過(guò)程的工作?？刂葡到y(tǒng)是在VC++6．0和PLC平臺(tái)下進(jìn)行的控制集成，針對(duì)不同部位的操作需求，根據(jù)其特點(diǎn)選擇系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行編程控制，可有效地滿足在整個(gè)操作過(guò)程中對(duì)水果的識(shí)別、采摘、分類等一系列工作。在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中都需要信息的不斷輸入和輸出，這就需要在不同部位實(shí)施一定的傳感裝置來(lái)滿足工作要求，再結(jié)合控制中心對(duì)信號(hào)的處理直接控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，智能的完成采摘工作。信號(hào)傳輸圖示如圖1所示。

圖1 整體控制圖

1．1 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

在水果采摘前期需要運(yùn)用先進(jìn)的識(shí)別系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行信息采集，將信號(hào)輸入到控制中心，可以有效地規(guī)劃整個(gè)機(jī)器在運(yùn)動(dòng)中的路徑和方位。在水果采摘過(guò)程中需要識(shí)別系統(tǒng)對(duì)水果和周圍的樹(shù)干、枝葉進(jìn)行信息收集然后通過(guò)分辨可以篩選出真正的水果，直接控制機(jī)械手對(duì)水果進(jìn)行采摘，提高了采摘過(guò)程中的效率。識(shí)別過(guò)程中選擇了CCD攝像機(jī)，能夠滿足圖像的采集功能，并且由于它具有體積小、重量輕、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好的滿足在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的圖像采集作業(yè)。由于在對(duì)水果識(shí)別過(guò)程中很多水果呈現(xiàn)圓形或橢圓形，CCD攝像機(jī)可以利用水果的特點(diǎn)直接拾取其外部邊緣能夠較方便的區(qū)分出水果與周圍雜物。方便快捷的識(shí)別水果的定位，有助于提高水果的采摘率［2］。

1．2 傳感系統(tǒng)

采摘機(jī)在工作過(guò)程中的采摘、分類都需要傳感器進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同傳感器對(duì)物體的形狀識(shí)別來(lái)進(jìn)行分辨水果和其他物體，或者根據(jù)水果的尺寸來(lái)對(duì)水果進(jìn)行分類。為了在設(shè)計(jì)過(guò)程中達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化的目的，對(duì)于形狀和尺寸的檢測(cè)均使用復(fù)合觸覺(jué)傳感器，它可以根據(jù)對(duì)象直接對(duì)其形狀和尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠袃?nèi)來(lái)根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行作業(yè)。在測(cè)定水果和采摘機(jī)械手位置時(shí)使用電位式位移傳感器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、精度高等特點(diǎn)較好的適用于戶外環(huán)境中。如圖2為直線型電位器式位移傳感器。表1為實(shí)際距離與測(cè)量距離的差值統(tǒng)計(jì)表。

圖2 直線型電位器式位移傳感器

表1 實(shí)際距離與測(cè)量距離的差值統(tǒng)計(jì)

由于水果與采摘機(jī)械手的位置直接影響到水果采摘的效率，也影響水果在采摘過(guò)程中的合格率，為了更加有效的提高位移測(cè)量值，在對(duì)采摘機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行試驗(yàn)得出取樣值與實(shí)際位移值的偏差，可以有效地控制位移量以此來(lái)提高采摘效率和合格程度。

根據(jù)1．0～2．0 m的實(shí)際距離，實(shí)際距離與測(cè)量距離的偏值最大為0．03 m，由于果實(shí)在成熟時(shí)直徑在0．1 m左右，所以能滿足實(shí)際采摘的操作要求［3］。

1．3 控制中心

作為整個(gè)采摘控制系統(tǒng)的“大腦”，控制中心對(duì)于整個(gè)采摘過(guò)程起到至關(guān)重要的作用，在傳感器以及CCD攝像機(jī)采集信息后傳輸帶控制中心后需要對(duì)采集信息進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，以便能夠讓控制中心識(shí)別信息內(nèi)容。在對(duì)水果識(shí)別時(shí)對(duì)水果的輪廓建立數(shù)學(xué)模型，在控制中心對(duì)水果形成記憶性，信號(hào)輸送到控制中心后直接和建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比，出現(xiàn)和數(shù)學(xué)模型相似的形狀就進(jìn)行采摘，否則自動(dòng)放棄，在進(jìn)行下一個(gè)位置的識(shí)別。而對(duì)水果的分類基于VC++6．0的操作平臺(tái)下，編制一定的程序根據(jù)水果直徑將不同分類的水果放置到不同的果箱中，達(dá)到智能、方便、快捷的目的。

1．4 控制中心與采集裝置之間的通信

采集信息后為了更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的識(shí)別、控制等操作，需要采集終端和控制中心建立一定的通信，滿足其信號(hào)傳遞功能。在采集終端對(duì)信號(hào)采集后就會(huì)將信號(hào)以電位的形式傳輸?shù)娇刂浦行?，并將信?hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)容易識(shí)別的二進(jìn)制模式，方便計(jì)算機(jī)的識(shí)別和處理。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行自主化處理，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的采摘水果的路線和對(duì)水果是否進(jìn)行采摘命令等一系列信號(hào)源，再將信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)械部分實(shí)現(xiàn)水果的采摘、分類等工作。為了更有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，控制中心與采集裝置之間的通信采用并行通信方式，雙方都無(wú)阻礙的發(fā)出信號(hào)，這樣從采集信號(hào)到輸出信號(hào)之間的時(shí)間僅需要幾微秒就可以完成，比一般的串行通信方式速度高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。因而可有效地提高控制系統(tǒng)地有效性［4］。故障的發(fā)生，是企業(yè)生存和發(fā)展的有力推手。本文依據(jù)“以可靠性為中心的維修分析”和“修理級(jí)別分析”對(duì)企業(yè)中使用的機(jī)械設(shè)備維修保障工作進(jìn)行了一些探討，取得了一些成果，可為將來(lái)此類設(shè)備的維修保障工作提供了一定的借鑒。

圖3 信號(hào)輸送圖

［1］ 吳先文，馮邦軍．機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)［M］．北京:人民郵電出版社，2008．

［2］ 徐宗昌．保障性工程［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002．

［3］ 張 青，王曉偉，何 芹，等．工程機(jī)械故障診斷與維修［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

［4］ 韓 軍，張德恩 ，楊 宏，等．軍用工程機(jī)械原理與技術(shù)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2011．

［5］ 王治宇．論港口機(jī)械設(shè)備的維修管理［J］．科技向?qū)В?014(3):130－131．

［6］ 雷 勇．工程機(jī)械的故障檢測(cè)診斷與維修［J］．科技風(fēng)，2013(22):125－126．