基于嵌入式系统的农业采摘机器人的系统研究与设计

中国拥有世界上最大的农业种植面积,需要投入大量的砍伐和采摘农作物的劳动。因此,研究实现农作物自动采摘对提高劳动生产力,减轻农民负担,实现农作物种植生产产业化有很深远的意义。 首先,本文深入研究了基于嵌入式系统的农用采摘机器人控制器硬件系统。

       中国拥有世界上最大的农业种植面积,需要投入大量的砍伐和采摘农作物的劳动。因此,研究实现农作物自动采摘对提高劳动生产力,减轻农民负担,实现农作物种植生产产业化有很深远的意义。
       首先,本文深入研究了基于嵌入式系统的农用采摘机器人控制器硬件系统。其中,其中,控制器硬件系统的主要组成部分有:灰度传感器、巡更模块、通信模块、驱动模块和图像采集模块等。
       同时,本文利用MATLAB仿真平台对基于网格建模仿真环境下的蚁群算法路径规划进行了仿真,实现了农业采摘机器人路径规划的研究与设计

1.1 选题背景和目的
       本世纪中叶以来,世界上很多的国家已经实现了农业机械化,农业机械化的实现极大地提高了农业生产效率,促进了社会经济全面的进步与发展。但农业机械化不能解决农业经营中的一切问题。有一些农业作业,不仅到目前为止还没有适用的机械来代替复杂的人工劳动,而且现代农业的要求是许多农业机械的质量越来越不能适应的。
伴随着科学技术和经济的迅速发展,人们的农业生产观念发生了许多变化,不仅仅是追求产量和生产效率,更是憧憬着基于人类欲望的资源和人口的协调。在这种形式下,对农业机械人们肯定需要提出新的要求。于是发展性能更加完善的农业机械迫在眉睫。
1.2 选题意义
       即使多种的收获机械已经得到了发展,但是针对果蔬的机械化收获问题尚未得到处理。一方面,因为农药对环境的破坏,人们要大量削减农业化学品的使用量,从而起到保护环境的作用,于是现代农业试图采用机械除草的方法,用于替代农药除草剂。而且由于传统常用的机械过度耕翻土地会导致水土流失,除草这么简单的一个农业活动传统机械都无法满足;另一个方面,农作物的生产环境希望可以达到最充足最有利的条件,所以这就要求机械可以根据农作物的实时生长来及时调整农业机械的工作情况。类似这样的农业活动传统机械都无法满足。所以人们急切需要研究农业机器人来解决这些亟需解决的问题。
1.3 国内外研究现状
       国外农业机器人发展迅速。自上世纪80年代世界首台番茄采摘机器人诞生以来,美国采摘收获机器人研究开发已历经20年之久。一些发达国家也相继建立了采摘苹果、黄瓜等智能机器人的研究。
       在中国,采摘机器人的研究也已经逐步展开,如黄瓜采摘机器人由上海交通大学研究成功,再比如采摘机械手的视觉识别系统由中国农业大学成功的进行了研究。这些精湛的成果都为我国的农业机器人研究提供了优秀的借鉴经验。
       近年来,典型的农业采摘机器人有人机协作型柑橘采摘机器人,西红柿、黄瓜、草毒和多功能葡萄采摘机器人等。

图1.1黄瓜-采摘机器人                                                        图1.2西红柿-采摘机器人
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      图1.3草莓-采摘机器人                                               图1.4葡萄-采摘机器人
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1.4 农业采摘机器人路径规划研究的应用
        为了实现农业采摘自动化,我国今年进入对农业采摘机器人加大研究投入,这对解放农村劳动力、提高采摘的效率和质量有着重要的意义。路径规划是采摘机器人操作的重要环节,对运动路线的规划和工作环境的规划是采摘机器人的智能化主要体现。果林中复杂的环境要求采摘机器人在其中前行工作需要对运动路线有最优的设定,这样可以节省一定的采摘时间、减少不必要的时间浪费提高工作效率。同时使用模型预测发生一些碰撞的仿真环境,及时地避开障碍物可以使农业采摘机器人较为完美作业,成功地实现农业采摘机器人的最优路径规划。
1.5 本文主要研究内容与结构
1.5.1 主要研究内容
       本文主要对农用采摘机器人基于嵌入式的控制器硬件系统和基于蚁群算法的路径规划进行研究,其中重点对农业采摘机器人路径规划在果林复杂地形中应用-果实采摘机器人的路径规划进行了详细的研究设计。
       第一章绪论部分,主要介绍了农业采摘机器人的研究背景、国内外研究现状及农业采摘机器人路径规划研究的应用领域;
       第二章农业采摘机器人控制器硬件系统研究部分,研究的主要内容是图像采集模块,中控主板,灰度传感器巡线模块,通信模块等系统组成;
       第三章农业采摘机器人路径规划研究部分,阐述了农业采摘机器人的通用环境建模、全局路径规划算法和局部路径规划算法,并且分析它们优缺点,为本文的路径规划提供理论依据;
       第四章农业采摘机器人路径规划应用部分,主要对农业采摘机器人路径规划研究在果林复杂地势中果树采摘机器人的应用做了详细设计介绍,包括采摘机器人的移动方式、定位、路径规划、果园边界的确定、障碍物的区域划分、复杂环境下的路径规划;
       第五章总结与展望部分,主要对本毕业设计的内容做一总结,以及提出对农业采摘机器人路径规划研究这一课题深入研究的展望。

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