草莓溫室無人化循跡搬運車的設(shè)計與試驗

樓建忠，李建平，吳 康，陳駿煬

(1.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程系，杭州 310029；2.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，杭州 310053；3.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點實驗室，杭州 310029)

0 引言

近年來，溫室無人化管理是溫室種植的一大趨勢，而溫室栽培中采摘和搬運是水果生產(chǎn)最耗時、最費力的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有溫室培育過程中搬運和倒料主要依靠人力完成，需要消耗大量的人力、物力，占整個生產(chǎn)過程的40%左右，若鋪設(shè)導(dǎo)軌將進(jìn)一步提高生產(chǎn)成本[1-2]。草莓是廣受大眾喜愛的水果，由于在溫室中培育很容易實現(xiàn)規(guī)范化，若能實現(xiàn)自動采摘及采摘后自動搬運和倒料，將極大地提高采摘效率，實現(xiàn)無人化采摘和管理[3-5]。

目前，國外對水果采摘自動化研究已取得了一定成果。其中，美國、日本等國家研究出了不同類型的水果采摘機器人[6-7]，但采摘完成后水果的搬運和倒料還需要人工進(jìn)一步完成。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，對水果特別是草莓等草本植物的水果進(jìn)行了規(guī)范化種植，使水果的采摘及采摘后搬運和倒料等自動化變得可能。王紹坤等[8-19]對水果采摘末端執(zhí)行器和智能循跡進(jìn)行了研究，為實現(xiàn)水果無人化種植和管理奠定了一定的基礎(chǔ)。

本文針對溫室種植的具體要求，結(jié)合草莓的溫室栽培模式改進(jìn)，設(shè)計開發(fā)了一種應(yīng)用于溫室的草莓無人化管理的循跡搬運車，可通過無線方式與主機連接，配合自動采摘裝置，實現(xiàn)了溫室大棚種植的無人化管理。

1 草莓的栽培模式改進(jìn)

為了實現(xiàn)草莓溫室無人化管理，需要改變傳統(tǒng)草莓的栽培模式。傳統(tǒng)草莓栽培采用整片種植的模式中，只有采用人工采摘和搬運才能滿足要求。為了適應(yīng)機械采摘和自動搬運需要，必須對傳統(tǒng)草莓種植模式進(jìn)行改進(jìn)，如圖1(a)所示。立體式規(guī)范化種植既能較好地滿足無人化管理需要，又提高了土地的空間利用率，通過實現(xiàn)采摘和搬運自動化能使采摘效率得到很大程度的提高，如圖1(b)所示。

圖1(c)為改進(jìn)后草莓無人化種植模型，種植缽體呈梯形布局。采摘機械手通過視覺智能識別成熟的草莓，實現(xiàn)自動采摘；在兩缽架之間放置無人化循跡搬運車實現(xiàn)草莓的自動搬運，最后搬運車將草莓運送至指定地點進(jìn)行分揀和包裝。

1.種植缽體 2.循跡搬運車 3.草莓分揀包裝機構(gòu) 4.缽體架

2 無人化搬運車總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

圖2為草莓采摘無人化搬運車結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主要由循跡搬運車和自動卸料裝置兩部分組成。循跡搬運車包括驅(qū)動系統(tǒng)、機架和電機座等部分。其中，驅(qū)動系統(tǒng)由單片機、紅外光電傳感器、電機和前后驅(qū)動輪等組成；自動卸料裝置由底座、連桿機構(gòu)、料斗、料斗門、推塊、曲柄驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機組成。草莓循跡搬運車各部分相互協(xié)作，完成無人化搬運任務(wù)。

1.自動卸料裝置 2.循跡搬運車 3.紅外光電傳感器 4.底座 5.曲柄連桿機構(gòu) 6.料斗門 7.轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機 8.曲柄驅(qū)動電機 9.推塊

2.2 工作原理

草莓采摘無人化搬運車工作原理如圖3所示。光電傳感器安裝于搬運車頭部位置，實時對路面情況進(jìn)行檢測，識別地面的跡線位置，并將其轉(zhuǎn)換成單片機能辨識和處理的電信號，經(jīng)比較器處理后送給控制模塊，然后通過驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動搬運車運動，實時控制搬運車沿指定軌跡運行。

圖3 無人化搬運車工作原理圖

草莓無人化搬運流程如圖4所示。搬運車通過紅外光電傳感器智能識別地面的跡線，并不時掃描I/O端口；一旦檢測到I/O口有信號變化，即進(jìn)入判斷程序，同時將信號發(fā)送至電機以糾正搬運車的運動。當(dāng)左側(cè)傳感器檢測到跡線時，說明搬運車右偏，這時左輪電機停止運動，搬運車往左側(cè)修正；當(dāng)右邊傳感器檢測到跡線時，說明搬運車左偏，這時右輪電機停止運動，搬運車往右側(cè)修正。當(dāng)水果搬運至目的地時，曲柄驅(qū)動電機驅(qū)動曲柄的同時頂起推塊，從而將料斗頂起；由于曲柄滑塊機構(gòu)的連架桿與料斗的門相連，固當(dāng)料斗被頂起的同時，料斗門同時被打開，將采摘的水果自動倒入分揀包裝機構(gòu)中，實現(xiàn)草莓分揀與包裝。

圖4 草莓無人化搬運流程圖

3 無人化搬運系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

無人化搬運系統(tǒng)由3個部分組成，包括主控芯片、驅(qū)動電路及傳感器檢測電路。圖5為傳感器信號處理板原理框圖。

圖5 傳感器信號處理板原理框圖

草莓無人化搬運車采用后輪驅(qū)動，前輪控制運動方向以實現(xiàn)控制搬運車的目的。在搬運車車體前端裝有左、中、右3個紅外傳感器。搬運車行進(jìn)過程中，傳感器實時可靠地探測到地面黑線條及黑線條的十字交叉點，單片機不停地掃描傳感器接口，根據(jù)接收到的傳感器信息進(jìn)行判斷和處理。圖6為草莓無人化搬運車系統(tǒng)各部分電路圖。

圖6 草莓無人化搬運車系統(tǒng)電路圖

紅外光電傳感器是利用黑線對不同光線的反射能力，通過光敏三極管接收反射回的不同光強信號，把不同光強信號轉(zhuǎn)換為電流信號，最后通過電阻轉(zhuǎn)換為單片機可識別的高低電平。在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化，并檢測跡線判別無人化搬運車的前進(jìn)或轉(zhuǎn)向。當(dāng)搬運車探測到跡線后，根據(jù)檢測到跡線的傳感器的編號不同，搬運車做出進(jìn)退或轉(zhuǎn)向動作，從而實現(xiàn)自動循跡。左側(cè)傳感器探測到跡線的時候，表明循跡搬運車的車頭部分已經(jīng)向右測偏斜，此時主控程序控制前輪的電機反向轉(zhuǎn)動，車身將向左測進(jìn)行修正；當(dāng)循跡搬運車的右測傳感器探測到跡線時，主控程序控制前輪的電機正向轉(zhuǎn)動，車身將向右測進(jìn)行修正；當(dāng)跡線在車體的中間、位于中間的傳感器一直探測到跡線時，搬運車就會沿著跡線自動循跡。

3.2 電機驅(qū)動原理

L298N電機專用驅(qū)動芯片是一個內(nèi)部有兩個H橋的驅(qū)動芯片，用來驅(qū)動電機。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，直接連接單片機管腳，具有兩個使能控制端，使能端在不受輸入信號影響的情況下不允許器件工作。

H橋電機驅(qū)動電路包含4個三極管和一個電機，如圖7(a)所示。不同三極管對的導(dǎo)通情況可以控制電機的轉(zhuǎn)向，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右流過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)兩個三極管同時導(dǎo)通的情況下，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。圖7(b)為L298N驅(qū)動芯片和直流電機接線圖。

圖7 電機驅(qū)動電路圖

電機控制邏輯如下：以電機A為例，當(dāng)使能端ENA為高電平時，若輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉(zhuǎn)；若輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機A正轉(zhuǎn)。兩車輪的運動關(guān)系示意圖如圖8所示。

圖8 搬運車前后右輪運動關(guān)系示意圖

圖8中：L為兩輪之間的距離(mm)；R為前輪轉(zhuǎn)向半徑(mm)；v為前輪速度(m/s)；r為后輪轉(zhuǎn)向半徑(mm)；θ為前輪轉(zhuǎn)向后角度(°)。

由圖8可得以下關(guān)系

(1)

其中，t為采樣時間，θ為當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角，R為右后輪運行弧度半徑，r為右前輪運行弧度半徑。

由圖7知

(2)

其中，L代表車前后右輪之間的距離。

式(1)和式(2)聯(lián)合可得

(3)

則

(4)

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗設(shè)計

試驗場地選擇室內(nèi)干凈平整油布上進(jìn)行，如圖9(a)所示。循跡軌道為寬2cm的黑色膠帶，根據(jù)傳感器的性能要求傳感器離地面距離d≤3cm。在采摘處軌道設(shè)為直線段，搬運車將采摘后的草莓搬運至指定位置的收集框內(nèi)，需要經(jīng)過圓弧段。試驗主要目的是驗證搬運車在經(jīng)過直線段和圓弧段時產(chǎn)生漂移和偏離軌道的情況，以及偏離軌道后重新復(fù)位的情況，確定搬運車的循跡失誤率及最小轉(zhuǎn)向半徑，同時驗證搬運車傾倒機構(gòu)對傾倒草莓的成功率，從而證實搬運車無人化搬運的可能性。

將搬運車試驗裝置各零件按要求進(jìn)行裝配和調(diào)試，如圖9(b)所示。調(diào)節(jié)搬運車位置，讓黑線處于搬運車兩輪之間，啟動搬運車，可以看到搬運車在驅(qū)動力作用下開始作直線運動，如圖9(c)所示。當(dāng)搬運車脫離軌道時，外側(cè)任何傳感器檢測到黑線，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的傳感器重新檢測到黑線，再恢復(fù)正向行駛；當(dāng)搬運車進(jìn)入轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時，搬運車實時地檢測黑線，隨時調(diào)整車體位置和方向，直到轉(zhuǎn)彎完成，如圖9(d)所示。當(dāng)搬運車檢測到倒料位置時，曲柄連桿機構(gòu)運動，頂起倒料機構(gòu)的料斗，同時打開料斗門，將草莓倒至存儲區(qū)，如圖9(e)所示。

圖9 循跡搬運車搬運試驗

4.2 試驗結(jié)果

將設(shè)計與制作的草莓無人化搬運車在預(yù)定的模式下進(jìn)行性能測試，通過調(diào)速器調(diào)節(jié)搬運車的速度，并調(diào)節(jié)傳感器離地面的距離，考察搬運車循跡速度和轉(zhuǎn)向半徑對循跡成功率的影響情況，確定在一定運行速度υ下搬運車直線段的循跡失誤率m和圓弧段的循跡失誤率n，以及不發(fā)生脫離跡線的最小轉(zhuǎn)向半徑r’min和倒料最小傾斜角αmin。

(5)

(6)

其中，E為定速度下直道循跡失誤次數(shù)(次)；F為一定速度下彎道循跡失誤次數(shù)(次)；H為試驗總次數(shù)(次)。

搬運車循跡倒料各因素對搬運車性能的影響結(jié)果如圖10所示。

圖10 各因素對循跡車成功率的影響

結(jié)果表明：設(shè)定傳感器離地面距離d=2cm，在直線段當(dāng)所設(shè)計的循跡搬運車運行速度υ≤1.2m/s時，能快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進(jìn)；在轉(zhuǎn)彎時，當(dāng)所設(shè)計的循跡搬運車運行速度υ≤1m/s時，能快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進(jìn)，沒有偏離黑線。同時可看出：搬運車運行速度υ對搬運車循跡的影響較小，較好地實現(xiàn)了搬運車智能循跡的目的，且控制響應(yīng)時間短，穩(wěn)態(tài)誤差??；當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑r'接近0即兩條跡線垂直時，搬運車在轉(zhuǎn)彎處跟蹤準(zhǔn)確且運行平穩(wěn)，搬運車整體性能穩(wěn)定。

搬運車倒料性能進(jìn)行測試表明：當(dāng)搬運車倒料角度α≥75°時，草莓倒料能保證全部被倒出，即倒料最小傾斜角αmin為75°。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了一種用于草莓溫室無人化管理的循跡搬運車，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的跡線，快速穩(wěn)定地跟蹤跡線前進(jìn)，實現(xiàn)循跡運動。

2)設(shè)計并制作了草莓搬運車傾倒機構(gòu)。由于曲柄滑塊機構(gòu)的連架桿與料斗的門相連，當(dāng)料斗被頂起的同時，料斗門同時被打開，將采摘的水果自動倒入存儲箱中或配合分揀或包裝機構(gòu)，實現(xiàn)水果采摘的自動化。

3)試驗表明：在給定的參數(shù)下，搬運車能在直線段和轉(zhuǎn)彎處快速穩(wěn)定地跟蹤黑線前進(jìn)，沒有偏離黑線；搬運車能在垂直轉(zhuǎn)彎處跟蹤準(zhǔn)確且運行平穩(wěn)；草莓倒料最小傾斜角αmin為75°。

4)所設(shè)計的循跡搬運車尚需做進(jìn)一步的試驗和改進(jìn)，但循跡小車的設(shè)計思路為解決水果的無人化智能采摘管理提供了設(shè)計思路。