無(wú)人駕駛蔬菜收割機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

魏霞 龐蒙 李文濤 王菲 柳春麗

摘 ?要：為了提高大棚小蔥種植的經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本，滿足蔬菜生產(chǎn)對(duì)高質(zhì)、高效的機(jī)械化收獲的要求，擬設(shè)計(jì)一種無(wú)人駕駛蔬菜收割機(jī)。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外蔬菜收割設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)小蔥收割機(jī)的缺陷，通過(guò)研究大棚小蔥的物理特性，研制出基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)適用于大棚的小型電動(dòng)車輛、收獲及存儲(chǔ)設(shè)備。該設(shè)備能有效減少小蔥收割過(guò)程中的損傷，且整體結(jié)構(gòu)小巧緊湊，機(jī)動(dòng)靈活。

關(guān)鍵詞：蔬菜;無(wú)人駕駛;小蔥收割機(jī);機(jī)械化

0 引言

農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有基礎(chǔ)性的重要作用，保障蔬菜的正常供給是重大的民生問(wèn)題。近年來(lái)在國(guó)家一系列政策利好下，我國(guó)蔬菜播種面積持續(xù)增加。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)蔬菜播種面積為2130.56萬(wàn)公頃，同比增長(zhǎng)2.12%;預(yù)計(jì)2021年播種面積可達(dá)2174.43萬(wàn)公頃。農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不高的問(wèn)題嚴(yán)重阻礙著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，蔬菜的品種多樣，生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜和植物特性各異對(duì)其有較大影響。蔬菜的生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平遠(yuǎn)低于糧食的生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)水平，特別是在蔬菜的收割環(huán)節(jié)。由于蔬菜種類不同，其長(zhǎng)勢(shì)及收獲后可供食用的部位也各不相同，并且不同蔬菜的栽培方式也不盡相同，進(jìn)而影響收割機(jī)的使用性能，因此蔬菜收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于耕整、播種、移栽、灌溉以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的機(jī)械化水平。[1]

大棚蔬菜種植的優(yōu)勢(shì)在于反季節(jié)性，是一種比較常見(jiàn)的技術(shù)，具有較好的保溫性能，深受人們喜愛(ài)，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)間都可吃到反季節(jié)的蔬菜?，F(xiàn)在各地使用蔬菜大棚種菜的技術(shù)已經(jīng)非常普及，大棚種植能更有效的管理各種蔬菜種植，提高對(duì)病蟲(chóng)預(yù)防和天氣的影響，提高蔬菜的單位產(chǎn)量。[2]而且市場(chǎng)需求也逐漸增大，具有較好的市場(chǎng)前景。大棚蔬菜總體特點(diǎn)是室內(nèi)舉架低矮、空間狹小，建設(shè)規(guī)模小，往往不能使用大型收割機(jī)械，只能采用人工收割，勞動(dòng)強(qiáng)度極大，勞動(dòng)環(huán)境惡劣。因此，研制無(wú)人駕駛的智能蔬菜收獲機(jī)械具有重要意義。為提高蔬菜種植的經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本，滿足對(duì)蔬菜生產(chǎn)開(kāi)展高質(zhì)、高效的機(jī)械化收獲要求，本文作者進(jìn)行了蔬菜機(jī)械化收割技術(shù)研究，優(yōu)化收割機(jī)性能。推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)、適用的蔬菜收割機(jī)既是產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，又是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的時(shí)代要求。

1 蔬菜收割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

蔬菜收割機(jī)械化程度較高的國(guó)家主要有俄羅斯、美國(guó)、意大利、韓國(guó)和日本等國(guó)家，這些國(guó)家開(kāi)始蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)的研究起步早、發(fā)展快，技術(shù)也相對(duì)成熟。[3-4]例如甘藍(lán)類的圓白菜收獲機(jī)，根菜類的馬鈴薯收獲機(jī)，果菜類的番茄收獲機(jī)，均有用于商業(yè)推廣的收獲機(jī)型。如美國(guó)的Urschel設(shè)計(jì)的菠菜收獲機(jī)，應(yīng)用圓盤(pán)形狀的刀具將菠菜從其根部切斷，最后經(jīng)傳送帶收集。[5]意大利的HORTECH公司的SLIDE FW蔬菜收獲機(jī)型采用的是水平放置的鋸齒形刀具，并且其切割蔬菜的高度可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。日本、韓國(guó)等地區(qū)多采用小型自走式聯(lián)合收獲機(jī)，動(dòng)力小，多用于單行收獲。[6]

國(guó)內(nèi)對(duì)于蔬菜收獲機(jī)械的研究起步晚，多數(shù)地區(qū)仍然存在機(jī)播機(jī)種人收的現(xiàn)象，收獲環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。[7-8] 蔬菜收獲機(jī)具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ虼藱C(jī)械化收割技術(shù)是蔬菜產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的一個(gè)難題。[9-10]除了少數(shù)根類蔬菜如馬鈴薯、山藥等有成熟收獲機(jī)型以外，多數(shù)其它類蔬菜的收獲機(jī)械的研究仍然處于理論實(shí)驗(yàn)階段，如番茄、胡蘿卜等蔬菜收獲機(jī)，還沒(méi)有研究出成熟的機(jī)型用來(lái)進(jìn)行商業(yè)推廣。以小蔥為例，小蔥是我國(guó)廣泛栽培的蔬菜。我國(guó)是世界上蔥的產(chǎn)量、面積和出口貿(mào)易量最大的國(guó)家，在我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有非常重要的位置。目前，我國(guó)小蔥收獲裝備仍然以國(guó)產(chǎn)的簡(jiǎn)易收獲機(jī)具為主，隨著小蔥生產(chǎn)機(jī)械化需求日益迫切，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些小蔥收獲機(jī)械。如曲阜市雙聯(lián)機(jī)械有限公司研制的農(nóng)用履帶式蔥姜收獲機(jī);禹城市天意設(shè)備有限公司生產(chǎn)的四輪拖拉機(jī)配套小蔥收割機(jī)，但這些設(shè)備由于體積大而不適用大棚小蔥收割。目前還沒(méi)有研究推廣性能成熟的、可一次實(shí)現(xiàn)小蔥低損傷挖掘及全方位收獲的技術(shù)裝備。

2 小蔥生產(chǎn)機(jī)械化收割

小蔥屬百合科，是多年生草本植物蔥，蔥葉為青色，一般需采用分株種植。生長(zhǎng)在溫暖、半陰、通風(fēng)、濕潤(rùn)的環(huán)境中，要求疏松、肥沃、富含腐殖質(zhì)的偏酸性的土壤。較喜肥，一般采用摻水澆灌，室內(nèi)只要有一定的光照和通風(fēng)條件，一般不必加溫。適宜生長(zhǎng)的環(huán)境溫度是12℃至25℃，夏天要遮陽(yáng)防曬，冬天要防凍保暖。北方冬季極為寒冷、干燥，用中溫 （15 ℃左右 ） 溫室栽培為宜。室外場(chǎng)地，夏秋使用，以泥地為好。場(chǎng)地要求寬敞，通風(fēng)和蔭涼，要搭建蔭棚，遮以蘆簾或借用天然林蔭的蔽護(hù)，透光率 30% 左右為宜，切忌日曬。大棚小蔥的種植和平常的小蔥種植是一致的，區(qū)別在于大棚小蔥成熟的時(shí)間快。一般是3-4月播種，6-7月收獲;也可以在9-10月播種，第二年4-5月收獲。這期間以沒(méi)有長(zhǎng)成的幼秧供應(yīng)市場(chǎng)，食嫩葉為主。

小蔥不宜多年連作，也不宜與其它蔥蒜類蔬菜接茬種植，一般在種植1-2年以后，需換新地重新栽培。栽培前要將留種田中的母株叢掘起，將根須剪齊，并用手將株叢分開(kāi)。分蔥的栽植行株距較大，細(xì)香蔥則較小。一般分蔥行距為23厘米，穴距為20厘米，每一穴栽的分蘗苗為2-3株，苗栽深度為4-5厘米;細(xì)香蔥的行距為10厘米，穴距為8厘米，每一穴栽的分蘗苗為2-3株，苗栽深度為3-4厘米。

近幾年，新機(jī)具、新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)。但目前小蔥收割設(shè)備普遍體型大，并且需要大型拖拉機(jī)進(jìn)行牽引作業(yè)，而我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多為小農(nóng)戶種植，分布廣而分散，小型、實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)型更適宜于我國(guó)農(nóng)業(yè)的種植模式;小蔥收割設(shè)備的收割效果不理想，自動(dòng)化水平低，對(duì)人的依賴性高，且對(duì)小蔥的損害性大，蔬菜收獲作業(yè)條件惡劣，蔬菜葉梗、泥土等容易堆積在機(jī)械的死角，堵塞作業(yè)機(jī)械，影響收獲效率;機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能化程度低，對(duì)使用、操控和維修都帶來(lái)一定難度，同時(shí)，也造成了設(shè)備成本過(guò)高，農(nóng)民不愿意接受。

3 無(wú)人駕駛小蔥收割機(jī)的設(shè)計(jì)

針對(duì)目前小蔥收割機(jī)的現(xiàn)狀，本文作者擬設(shè)計(jì)一款基于深度學(xué)習(xí)的雙平臺(tái)大棚收獲設(shè)備，通過(guò)研究大棚作物的物理特性，設(shè)計(jì)出基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)適用于大棚的小型電動(dòng)車輛、收獲及存儲(chǔ)裝置。設(shè)備以蓄電池作為動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪變速機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成兩個(gè)檔位，行走部分采用萬(wàn)向輪或塑膠履帶行走機(jī)構(gòu);收獲方式使用前置松土鏟，配合加持皮帶與抖土器，在加持皮帶與抖土器的不斷運(yùn)作下將小蔥傳送至機(jī)器后方的收集裝置;收集儲(chǔ)存裝置鋪設(shè)海綿橡膠等緩震材料，位于機(jī)器后方，用以防止造成小蔥損傷。

3.1動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置包括智能車輛電池和工作部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩部分，其中動(dòng)力電池?cái)M采用鋰電池，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要用于控制車輛行走速度和機(jī)器的抖土頻率。機(jī)器的行走速度和抖土頻率共同影響著小蔥的收獲效率，是研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。行走速度過(guò)快可能導(dǎo)致收獲裝置無(wú)法有效松土，進(jìn)而導(dǎo)致拔起傳動(dòng)裝置拽斷蔥白，造成不必要的損失。抖土裝置抖動(dòng)頻率過(guò)快可能會(huì)使帶起的泥土沙礫進(jìn)入工作機(jī)構(gòu)，影響使用壽命，并降低大棚內(nèi)的空氣質(zhì)量。

3.2行走裝置的設(shè)計(jì)

基于無(wú)人駕駛的車輛系統(tǒng)，采用民用車輛配備的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化車輛的轉(zhuǎn)向，解決設(shè)備在狹小環(huán)境中作業(yè)受限的問(wèn)題。根據(jù)大棚作物栽植環(huán)境土壤的情況，行走裝置工作中既要 有合適的抓地力又不能壓實(shí)土壤，履帶、鏈輪或橡膠輪可以通過(guò)試驗(yàn)比較后確定。小型電動(dòng)車輛包括設(shè)計(jì)四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，減小車輛本體的最小轉(zhuǎn)彎半徑;設(shè)計(jì)兩輪驅(qū)動(dòng)力分配策略，提 高車輛穩(wěn)定性。收獲和收集裝置包括收獲機(jī)械部件、作物輸送部件和收集儲(chǔ)存裝置。收獲裝置要適用于收獲目標(biāo)作物的間距，精準(zhǔn)收獲;輸送部件和收集儲(chǔ)存部件簡(jiǎn)單實(shí)用，降低生產(chǎn)成本及維修難度。

根據(jù)目前設(shè)施園藝的特點(diǎn)，適應(yīng)比較復(fù)雜多樣的種植條件，機(jī)器在工作中首要前提是滿足收割要求，如對(duì)于小蔥收割，不能損害其根部，不能破壞它的蔥葉，否則損失率較高。因此機(jī)器在滿足收割要求的前提下，應(yīng)盡可能小巧緊湊，機(jī)動(dòng)靈活。特別是對(duì)高度僅為1.5米的春棚，在人不能直立的情況下，采用機(jī)器完成收割。另外，機(jī)器所采用的材料不能對(duì)蔬菜產(chǎn)生污染，行走裝置不能碾壓未收割部分。

3.3工作部件的研制

本研究擬采用具有可升降功能的松土器，增加了靈活性。小蔥傳送裝置具有篩除沙礫泥土的作用，防止雜質(zhì)與小蔥被一同收集。收集裝置具有感應(yīng)功能，當(dāng)小蔥裝滿時(shí)自動(dòng)停止收 獲，返回卸貨。

3.4識(shí)別部分

識(shí)別部分主要分為植物圖像獲取、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、路徑識(shí)別四部分。利用深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)一種圖像識(shí)別系統(tǒng)，主要過(guò)程為：首先通過(guò)預(yù)處理對(duì)所識(shí)別的目標(biāo)類型進(jìn)行擴(kuò)充，并對(duì)圖像進(jìn)行縮放和灰度化處理，之后通過(guò)編輯相關(guān)算法構(gòu)建一個(gè)多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多次訓(xùn)練得到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)參數(shù)，最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所收獲目標(biāo)的某些特征進(jìn)行訓(xùn)練。

通過(guò)實(shí)地采集和網(wǎng)絡(luò)收集等多種方式收集不同大棚土壤環(huán)境條件，不同大棚光線條件，進(jìn)行不同外界條件下的實(shí)際小蔥數(shù)據(jù)的收集;對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)稱變換、對(duì)比度和亮度調(diào)整等實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)增強(qiáng)的預(yù)處理;在開(kāi)源代碼的基礎(chǔ)上，結(jié)合Python編寫(xiě)車道線數(shù)據(jù)標(biāo)注程序，將圖像文件分成訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集三部分并制作成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，在對(duì)作物、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行完全標(biāo)注;采用開(kāi)源深度學(xué)習(xí)框架Caffe搭建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)數(shù)量;將制作好的數(shù)據(jù)集輸入深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置合適的學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，選取合理的損失優(yōu)化器，最終得到訓(xùn)練好的車道線檢測(cè)模型;對(duì)模型的輸出結(jié)果進(jìn)行聚類并根據(jù)聚類結(jié)果確定聚類類別，實(shí)現(xiàn)作物的圖像識(shí)別。

3.5虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真

通過(guò)3D軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)是否合理，從技術(shù)先進(jìn)性、制造可行性、工作可靠性等方面進(jìn)行綜合分析，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保節(jié)能和適應(yīng)性。通過(guò)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真找出機(jī)器存在的問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，為樣機(jī)制造奠定基礎(chǔ)，同時(shí)可以減少研究經(jīng)費(fèi)的投入。

4 結(jié)論

小蔥不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾恼{(diào)味料，而且是我國(guó)廣泛栽培的蔬菜。目前我國(guó)小蔥收割主要采用人工作業(yè)，機(jī)械化生產(chǎn)水平較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工多，生產(chǎn)成本高，已經(jīng)成為阻礙著農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題。因此，現(xiàn)階段研制開(kāi)發(fā)自動(dòng)化程度高、通用性好、適合我國(guó)小蔥種植農(nóng)藝，銷售價(jià)格合乎農(nóng)戶實(shí)際情況的小蔥收割機(jī)勢(shì)在必行。

本設(shè)計(jì)基于無(wú)人駕駛的車輛系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別作業(yè)路徑。集小蔥切割收集技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電工電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)等于一體，擺脫了目前收獲小蔥需要外接輔助牽引設(shè)備、人為控制修正的條件。降低了人力成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展起到重要作用。本設(shè)計(jì)的識(shí)別裝置在深度學(xué)習(xí)框架下進(jìn)行大量訓(xùn)練，能夠精準(zhǔn)定位目標(biāo)位置，通過(guò)智能收獲裝置精準(zhǔn)收獲，不會(huì)誤傷周圍作物，之后傳送裝置上的振動(dòng)器可篩除沙礫、泥土等雜質(zhì)，使收獲后的小蔥更加清潔。本設(shè)計(jì)不僅擺脫了目前大型收獲設(shè)備工作簡(jiǎn)單粗放、誤傷目標(biāo)的問(wèn)題，提升了大棚農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而且通過(guò)研究不同情況下可能導(dǎo)致收獲收集機(jī)構(gòu)產(chǎn)生損壞的因素，設(shè)計(jì)的機(jī)器結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固耐用，易于后期維修。成本相比大型機(jī)械設(shè)備收獲和傳統(tǒng)的人力收獲大大降低。

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作者簡(jiǎn)介：魏霞，出生年月：1987-2-20，女，蒙古族，籍貫：內(nèi)蒙古赤峰市，所在院校：

河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，職稱：講師 ?學(xué)歷：研究生，學(xué)位：碩士，研究方向：機(jī)械

項(xiàng)目來(lái)源：2021年邢臺(tái)市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃自籌項(xiàng)目《基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人駕駛蔬菜收割機(jī)研制》（2021ZC009）