基于立體化草莓種植模式的智能采摘設(shè)備

景旭 晏麗琴 劉趙濤

摘 要：針對(duì)目前市場(chǎng)上的立體化種植模式下的草莓采摘工作存在采摘效率低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大及成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種能適合于立體化草莓種植模式的智能采摘設(shè)備十分有必要。整個(gè)設(shè)備由智能小車(chē)、專(zhuān)用導(dǎo)軌、超聲波傳感器、顏色傳感器、剪切機(jī)構(gòu)、收集裝置組成。

關(guān)鍵詞：草莓;立體化種植;超聲波傳感器;顏色傳感器;輔助人工采摘

1 設(shè)計(jì)思路

基于立體化草莓種植模式的智能采摘設(shè)備適用于立體化種植模式下的草莓采摘工作，提高了工作效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（1）工作原理。智能小車(chē)在專(zhuān)用導(dǎo)軌上沿既定路線(xiàn)行走，車(chē)頭前端安裝了迷你型超聲波傳感器和顏色傳感器。小車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中，超聲波傳感器不斷向外發(fā)射超聲波，根據(jù)聲波返程時(shí)間判斷草莓至小車(chē)的距離，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸裝置自動(dòng)記錄信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給采摘小車(chē)，隨后小車(chē)前進(jìn)，當(dāng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)到顏色傳感器的探測(cè)范圍時(shí)，顏色傳感器會(huì)根據(jù)草莓的顏色判斷草莓是否成熟。若草莓成熟，則小車(chē)暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)小車(chē)上的自動(dòng)剪切裝置將草莓采摘下來(lái)，并使草莓順勢(shì)落入收集裝置，若檢測(cè)到草莓還未成熟時(shí)，則小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)，直至檢測(cè)到成熟草莓時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘。不斷重復(fù)上述步驟，從而實(shí)現(xiàn)草莓的自動(dòng)采摘。為了保證草莓能被從根部切斷，設(shè)計(jì)了偏心輪四桿機(jī)構(gòu)控制采摘臂位置，使其能始終做上下往返運(yùn)動(dòng)，從而保證有良好的采摘效果。

（2）設(shè)計(jì)背景。草莓雖然果實(shí)色澤鮮艷，液汁豐富，味美可口，極富營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健價(jià)值。但是，草莓按次序先后開(kāi)花，在草莓收獲期，每天至少收獲兩次。并且立體化的草莓種植模式基本已經(jīng)普及，人工每摘一處草莓所需要的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)量都非常大。同時(shí)，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移以及農(nóng)村勞動(dòng)力的婦女化和老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，草莓采摘工作出現(xiàn)“用工荒”。由此設(shè)計(jì)一種能適合于立體化種植模式下的智能草莓采摘設(shè)備，對(duì)于提高效率，降低成本，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度有十分重要的作用。

2 設(shè)計(jì)方案

（1）總體設(shè)計(jì)思路：超聲波測(cè)距——辨別草莓成熟程度——篩選、分離——草莓采摘及收集。

1）超聲波測(cè)距。該設(shè)備采用HC-SR04超聲波傳感器不斷向外發(fā)射超聲波，根據(jù)聲波返程時(shí)間判斷草莓至小車(chē)的距離，并將數(shù)據(jù)傳輸給采摘小車(chē)。

2）顏色傳感器辨別草莓成熟程度。該設(shè)備采用TCS230顏色傳感器，當(dāng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)到顏色傳感器的識(shí)別范圍之內(nèi)時(shí)，通過(guò)顏色傳感器判斷草莓是否成熟。

3）成熟草莓和未成熟草莓的篩選及分離：

如圖1所示，篩選及分離系統(tǒng)由超聲波傳感器和顏色傳感器及舵機(jī)組成。當(dāng)超聲波探測(cè)到前方草莓與其最短距離時(shí)，舵機(jī)1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，顏色傳感器識(shí)別顏色。若識(shí)別到紅色，則舵機(jī)2不旋轉(zhuǎn)，小車(chē)暫時(shí)停止運(yùn)行，采摘臂完成采摘工作;若識(shí)別到綠色，則舵機(jī)1旋轉(zhuǎn)180°，舵機(jī)2同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°，采摘臂恢復(fù)到最大原始距離，小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)。

4）草莓采摘及收集：

如圖2所示，當(dāng)草莓由采摘臂采摘下來(lái)時(shí)順勢(shì)落入收集裝置中，為了減少草莓的損傷率，特意將草莓輸送管道設(shè)計(jì)成平滑過(guò)渡的形狀。

（2）電機(jī)的選擇。由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性，并且轉(zhuǎn)矩較大，相對(duì)于交流電機(jī)比較節(jié)能環(huán)保。因此，該設(shè)備采用12V直流電機(jī)，通過(guò)Arduino編程程序并配合L298N電機(jī)板驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)使所選的電機(jī)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

（1）創(chuàng)新點(diǎn)。1）設(shè)備采用Arduino程序自動(dòng)控制運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了智能化;2）采用超聲波傳感器測(cè)距，可以快速準(zhǔn)確確定草莓位置，利用顏色傳感器識(shí)別草莓的成熟程度，可以避免未成熟草莓誤摘;3）裝置中還設(shè)置了避障機(jī)構(gòu)，可以隔開(kāi)草莓葉片、未成熟草莓等，起到保護(hù)作用;4）針對(duì)立體化種植模式的特點(diǎn)，將設(shè)備架設(shè)在設(shè)計(jì)好的固定軌道上，采摘工作安全可靠;5）采摘機(jī)構(gòu)與收集裝置通過(guò)柔性連接，以保證采摘過(guò)程對(duì)產(chǎn)品不會(huì)造成損傷，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的草莓采摘工作仍然以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘效率低。目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)草莓種植行業(yè)，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)升級(jí)，即立體化、無(wú)土栽培技術(shù)基本普及，為此，我們所設(shè)計(jì)的這款智能草莓采摘設(shè)備能根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)草莓采摘工作，從而提高效率，降低成本，特別適合基于立體化較大規(guī)模種植模式下的草莓采摘工作，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

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