科技助农对采摘器的研究

序论：速发表网结合其深厚的文秘经验，特别为您筛选了1篇科技助农对采摘器的研究范文。如果您需要更多原创资料，欢迎随时与我们的客服老师联系，希望您能从中汲取灵感和知识！

采摘松塔是一种高危职业，要在多人合作下完成，当双人合作时，一人需要戴上特制的工具，十分笨重，使劲蹬树，步步攀登，还要随身带竿，挥竿击打松塔；另一位把松塔拾起，背对在一起，通称为拉背。采塔人工作强度大，体力消耗姑且不提，还得战胜高海拔的畏惧，勇于冒险。在大兴安岭南麓，在绿林深处有着一支队伍：守护着森林资源，用青春和热血谱写了一曲绿色之歌；他们就是大兴安岭地区国有林场管理局森工大队职工。林区有“10斤汗1个塔，10斤松1个塔”顺口溜。采摘的劳动强度很大，十分艰苦。为了减轻劳动负担，提高工作效率和质量，一些地方采取了人工作业与机械作业相结合的方法来实现这一目的。但在实际应用中，有些问题值得研究探讨。安全性差。摘果时往往由于上梯、上树很累很不方便，还经常听到有不小心掉下树、梯子的新闻，给农户安全生产造成了不便。因此，设计出一种小型实用机械，不仅能够高效地采摘果实，而且能够减轻果农的劳动负担，具有十分重要的意义。而对于水果采摘机，其工作过程中需要用到的工具种类繁多且数量巨大。如果能够将这些工具进行合理分类并加以利用将会大大提高工作效率及降低劳动强度。而且在使用时也十分方便。目前的装备市场还相对空白。为加大农业机械的自动化，改变农业的生产效率，设计出一套方便好用的果实采摘机显得尤为重要。

一、关键问题解决

松塔中松子不仅是一种重要中药，具有不可替代的药用价值。每年的松塔采摘是个时间紧张而又高风险的活。许多松塔树高达几十米，在保证安全的前提下做到高效采摘。本产品针对松塔采摘的技术难题，做了相应的工作。第一可以最大程度的保障人身安全，做到安全最重要。第二做到实用性，针对高低不同的松塔树，通过对果实的受力分析如图1所示，可以看出果实与果柄存在一定的微小距离和角度。果实的重力分力F1，和果柄对果实的拉力F2是一对平衡力。惯性作用下采摘臂触碰树枝时果实很容易脱落。往复推拉机构如图2所示，让采摘臂能够伸缩自如。通过电机驱动采摘臂的伸长变短，再将采摘器的头部伸到需要的采摘高度，来回不断地触碰树枝将松塔击落。第三效率高，该机器是人工徒手工作的两三倍，能最大化地产生经济效益。

二、工作原理

该采摘器主要包括折叠伸缩臂、爬行轮装置，钩套装置、动力驱动装置，传感信息采集装置，其结构如图3所示。该装置通过中间的转轴连接，每上一步，通过中间的转轴自由度的旋转拉开中间的距离，上部的半环前进时下部的半环抓紧树干，提供一个向上的推力；下部的半环前进时上部的半环抱紧树干，提供一个向上的拉力；以此循环运动从而达到上树的目的。采摘时，按下启动的开关，电机驱动往复推拉机构伸，伸缩臂到达采摘的地方，通过各种CMOS传感器的信息采集，确定好工作环境。

三、软件设计

循迹传感器该机使用型号ST188反射式红外光电传感器。其内部线路图如图4所示，即由1个红外发射管和一个光电二极管构成。即1根红外发射管与1只光电二极管组成。当外界光源为白色时，它是黑色；当外界光源为色温较低的绿色时，它是红色。当环境光线比较强时，则呈蓝色或黄色。当红外发射管发射的红外光与反光性强的物体相遇时，它会折回来，被光电二极管接收，导致其电流增加，用这种方法改变转化的电压信号，可被处理器所接收处理，继而达到鉴别两种颜色的效果。有助于松塔大概位置的确定与手臂伸缩的方向。避障传感器该机器人使用光电传感器模块E18-D80NK漫反射型红外光电开关进行避障，该模块是集射、收一体化的新型光电传感器。当被测物体处于红外光谱范围内时，该传感器就能将探测到的信号转化为电信号输出，从而实现对目标位置信息的实时采集和处理。检测距离可按用户需求调节，测探距离远，受可见光的干扰少，价格低廉，使用方便。主要参数如表1所示。

四、STC89C51单片机

本机设计时51单片机正常工作电压在4.5~5.5V之间，所以使用USB电源线进行供电。该设备可以实现对信号进行放大、滤波及A/D转换等功能；也可用于控制其他外设，如键盘或显示器等，还具有报警等功能。文章介绍了硬件电路设计及软件设计方法。XTAL1与XTAL2分别为输入输出相互独立、方向相反的两个放大器，使用芯片内部振荡电路、XTAL1、XTAL2引脚接有2个30pF陶瓷电容与1个12MHz石英体连接，内部振荡器引起自激振荡。外部振荡器产生正弦波信号，RC滤波器对该信号进行滤波处理得到所需频率的时钟信号。时钟输出端连接到单片机的A/D转换器中。单片机通过RS232串口将数据发送至计算机。复位电路分上电自动复位（RST）和开关复位（SST），上电时由于RST连接电容负极，所以电容两端电压不可能瞬时改变，所有电压都加到电阻R1中，这时RST输入为高电平XTAL2，引脚接有2个30pF陶瓷电容，石英体为12MHz，内部振荡器会自激振荡。复位电路有上电自动复位（RST）和开关复位（R1）两种方式，上电时由于RST接电容负极，所以电容两端电压不可能瞬时改变，所有电压都加到电阻R1中，这时RST输入为高电平，STC89C51单片机芯片的复位。当电池供电时，STC89C52单片机芯片内部电路中的两个继电器闭合并输出控制信号到交流接触器线圈，使得交流接触器吸合；反之断开交流接触器。然后电源放电对电容进行充电，电压在电阻R1处逐渐降低至近似为0，这时STC89C51单片机芯片恢复正常运行。通过一系列可靠的实验数据我们得知，将复位按键并联在电容上是当前的最佳选择，当电路的电源处于接通状态时，电路模块的复位键也相对应接通电源。从而使得STC89C51发生异常时，系统有了重置的可能，手动复位效果的实现，是通过控制RST管脚的高电平与低电平的数位差完成的。如图5所示为STC89C51的电路图。

五、CMOS图像传感器

本机器人采用CMOS图像传感器进行图像识别，从而达到图像信息实时反馈。确定采摘位置。CMOS摄像图电路如图6所示。它具有以下特点：①拥有较高灵敏度，较短曝光时间；②CMOS图像传感器有源像素传感器；③它去除了与其他半导体元件的所有外部链接。

六、硬件设计

供电装置供电装置选用油电混合动力系统作为动力源。其中，电能主要通过蓄电池，电压12（V）左右，最大的输出功率为12*2.7（W）。达到最大的能量输出效率。通过蓄电池供电驱动电机工作从而达到机器的，同时机器内部也配备了小型内燃机发电装置，是为了在电力不足情况下也能保持正常运作。蓄电池主要参数如表2所示。计采摘爪子为镰刀形状的弯钩。主要是为了防止第一遍采摘不到位，有些果实还是没有与树枝脱落，这时候通过单片机控制电机驱动采摘爪地伸出让其与果实尾部接触，拉动弯钩，果实就会在重力和惯性的作用下脱落，达到理想的采摘效果。采摘爪示意图如图7所示。调速电机电机具有工作时可以做到稳定输出的特性，也因为没有转差损耗导致电机的工作效率高于市面上多数竞品；由于其较为便捷的接线工艺，可以实现在控制和定价方面的便易性；但由于单机有级调速的特点，导致其因极差的因素无法做到调速方面的平滑；但在大量的实验数据中我们发现可以通过电磁转差离合器与调压调速这一方式作为平滑调速的替换方案，以便提高效率。本产品安装调速电机，通过单片机控制电机的运行，然后控制传送带的运输，保证伸缩臂的伸长与变短，电机如图8所示。传动装置动力传送为低副传动动力，其优点是承载能力较大，润滑好，制造方便，且两构件之间一般为几何封闭，保证工作的可靠性。通过单片机控制运行，然后将攀爬、采摘、落果进行频率一致化，保证采摘的高效。

七、结语

对于面向东北林业高空作业领域的一系列问题，本研究进行了一定程度上应对性的解答，尤其在松塔采摘等领域实现了一定突破。在现有相关研究成果的基础上相对改善，完成了一套树木攀爬装。该装置的特点是无需附加动力源，这对于业界来说是一项新颖的创新，这对于高空作业的效率有了明显的改善，在安全性方面也做出了突破，组装所需要的材料在经济层面也完全具备量产能力。是一项在多方面都有所均衡的成果。该设计利用装备的锁紧机制来达到减小伤害树皮的目的，也为后续的研究提供了相关数据。

作者:王雨博