【摘 要】
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高架草莓由于其光照和通风条件好、清洁、省力等优势,种植面积不断扩大。草莓采摘是高架草莓生产中劳动力耗费最大的环节,当前高架草莓采摘作业仍以传统手工采摘为主,劳动强度大。传统驾乘采摘方式既需要人去操控车辆,又要双手采摘草莓,操控和采摘同时发生,采摘效率低、采摘包装不便,研发高架草莓采摘车的智慧驾乘系统已迫在眉睫。为此,本文旨在研发一种可以同时面向生产农业和休闲农业的智慧驾乘系统,减少草莓采摘车操控环
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高架草莓由于其光照和通风条件好、清洁、省力等优势,种植面积不断扩大。草莓采摘是高架草莓生产中劳动力耗费最大的环节,当前高架草莓采摘作业仍以传统手工采摘为主,劳动强度大。传统驾乘采摘方式既需要人去操控车辆,又要双手采摘草莓,操控和采摘同时发生,采摘效率低、采摘包装不便,研发高架草莓采摘车的智慧驾乘系统已迫在眉睫。为此,本文旨在研发一种可以同时面向生产农业和休闲农业的智慧驾乘系统,减少草莓采摘车操控环节和额外包装环节带来的疲劳,增强采摘趣味性并提高作业效率。本文的主要研究内容如下:(1)提出了草莓采摘车智慧驾乘系统的整体方案。将实地调研的高架参数与课题组前期得到的高架参数相结合,观察人工采摘高架草莓的作业特点,提出草莓采摘车在高架环境下的作业要求,同时,提出了草莓采摘车智慧驾乘系统的整体方案,包括:智慧驾乘系统的执行方案、智慧驾乘系统的交互方案。(2)设计了智慧驾乘系统的执行方案和交互方案。在智慧驾乘系统的执行方案中,主要包括:底盘稳定行驶模块、脚部辅助操控模块、称重模块的设计方法,通过脚部辅助操控模块增加脚踩刹车功能和脚踩加速功能,通过底盘稳定行驶模块实现底盘稳定行驶,通过称重模块不断获取采摘草莓的质量大小。在智慧驾乘系统的交互方案中,主要包括采摘动作识别模块、方向调整模块、休闲语音交互模块、语音提示模块的设计方法,通过采摘动作识别模块对莓农的采摘姿态识别,实现行为姿态操控草莓采摘车的运动状态,通过方向调整模块实现高架内方向调整,通过休闲语音交互模块实现语音控制草莓采摘车运动状态和智能语音对话,通过语音提示模块获取称重模块发送的采摘草莓质量信息,进行语音提示,减少人力消耗和草莓损伤。(3)提出了草莓采摘车智慧驾乘系统的控制系统设计方案。在硬件系统中,主要包括上位机系统、下位机系统、电机驱动系统、视觉信息采集系统的关键硬件选型。同时,根据实际作业要求,对草莓采摘车智慧驾乘系统的软件进行设计,包括底盘电机的PWM脉冲控制的设计方法,提出了草莓采摘车智慧驾乘系统中下位机系统与底盘之间的通信方式、上位机系统与下位机系统之间的通信方式和DMA数据搬运方法。(4)结合实际作业情况,提出了基于Real Sense D435的高架草莓下采摘姿态识别方法。通过对实际环境中采摘姿势的分析,本文确定了7种采摘姿势、两种采摘姿态,分别为:有采摘姿态、无采摘姿态。将采集的数据扩增为1400组图片,通过Label Img软件对7种单、双臂采摘姿态的数据集进行分类标注,同时对Real Sense D435的视场进行布置,建立了融合多种注意力机制的Yolov4-tiny深度学习模型,实现了采摘姿态的实时识别与走停自主操作。(5)本研究设计了五组试验,分别是:底盘调试试验、乘坐采摘的称重播报试验、乘坐采摘的语音交互试验、室内乘坐采摘的姿态操控试验、田间乘坐采摘的姿态操控试验。底盘调试试验中,在土壤地面中启动工作时,土壤湿度小于60%,存在小幅度的时间变化,底盘性能稳定。乘坐采摘的称重播报试验中,乘坐草莓采摘车采摘草莓的损伤率低于行走采摘方式。乘坐采摘的语音交互试验中,语音交互总体成功率为80%,可以增加采摘过程中的娱乐性。室内乘坐采摘的姿态操控试验中,草莓采摘车识别控制准确率达到85%,能够达到实际采摘作业要求。田间乘坐采摘的姿态操控试验中,对参数进行优化,触发控制置信度为80%时,草莓采摘车总体识别准确率达到93.45%,满足作业要求。
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