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【导语】传统番茄采摘依赖人工，劳动强度大且成本高，面临劳动力短缺问题。随着科技进步，农业界迎来革新——番茄采摘机器人应运而生。该机器人集先进机械臂与智能底盘于一体，实现高效精准采摘。本文将详细介绍番茄采摘机器人的研究背景、设计难点与创新点、方案论证、原理分析及软硬件设计，展现这一农业智能化转型的重要成果。

以前摘番茄全靠人工，累人还费钱，年轻人都不爱干这活儿。现在农业界直接放大招 —— 番茄采摘机器人横空出世！
这机器人超牛，分采摘和底盘两部分。采摘系统有 “神器三件套”：机械臂像八爪鱼，灵活抓番茄；末端手比老果农还温柔；视觉平台自带 “火眼金睛”，番茄藏哪都能秒定位。
底盘更是 “走位大师”，四个轮子想咋动就咋(zǎ)动(dòng)。窄垄、地滑都不怕，各种模式切换自如，还有算法 “导航”，稳稳不跑偏。
俩系统联手，自动摘果又快又准，零失误！以后番茄碰上它，只能 “束手就擒”！——摘不到番茄说番茄酸团队
第 1 章 系统概述及作品难点与创新点
1.1 研究背景
果蔬是人们生活必需品，中国果蔬种植面积和产量全球领先。番茄营养丰富，是重要经济作物，我国种植面积和产量持续增长，2022 年种植面积超 116 万公顷，产量近 7000 万吨，占世界总产量 1/3 以上。
但番茄簇状生长、相互触碰，采摘基本靠人工，机械化水平低。采摘人工成本占总成本 50%-70%，劳动力短缺让成本不断攀升，且工人多为中老年，体力负担重。我国设施农业发达，设(shè)施(shī)番(fān)茄(jiā)种(zhǒng)植(zhí)便(biàn)于(yú)管(guǎn)理(lǐ)、提(tí)供(gōng)稳(wěn)定(dìng)环(huán)境(jìng)，契(qì)合(hé)机(jī)器(qì)人(rén)作(zuò)业(yè)。国(guó)家(jiā)大(dà)力(lì)推(tuī)进(jìn)农(nóng)业(yè)机(jī)械(xiè)化(huà)，研(yán)发(fā)番(fān)茄(jiā)采摘(zhāi)机(jī)器(qì)人(rén)对(duì)减(jiǎn)轻(qīng)劳(láo)动(dòng)强(qiáng)度(dù)、提(tí)升(shēng)生(shēng)产(chǎn)水(shuǐ)平(píng)意(yì)义(yì)重(zhòng)大(dà)。
1.2 作(zuò)品(pǐn)难(nán)点(diǎn)及(jí)创(chuàng)新(xīn)点(diǎn)
1.2.1 难(nán)点(diǎn)

1. 温(wēn)室(shì)环(huán)境(jìng)复(fù)杂(zá)、空(kōng)间狭小，设计通过性好的机器人底盘难度大。
2. 现有采摘机器人机械(xiè)臂(bì)贵(guì)且(qiě)不(bù)适(shì)用(yòng)于(yú)农(nóng)业(yè)场(chǎng)景(jǐng)，成(chéng)本(běn)和(hé)适(shì)配(pèi)性(xìng)是(shì)问(wèn)题(tí)。
3. 番(fān)茄(jiā)生(shēng)长(zhǎng)密(mì)集易(yì)遮(zhē)挡(dǎng)，规(guī)划(huà)合(hé)理(lǐ)采摘(zhāi)顺(shùn)序(xù)和(hé)路径存(cún)在(zài)挑(tiāo)战(zhàn)。
4. 番(fān)茄(jiā)生(shēng)长(zhǎng)范(fàn)围(wéi)广(guǎng)，设(shè)计能全覆盖(gài)的(de)轻(qīng)型(xíng)机(jī)械(xiè)臂(bì)难(nán)度(dù)高(gāo)。

1.2.2 创(chuàng)新(xīn)点(diǎn)

1. 底(dǐ)盘(pán)采用(yòng)四(sì)轮(lún)独(dú)转(zhuǎn)独(dú)驱(qū)结(jié)构(gòu)，动(dòng)力(lì)强(qiáng)、转(zhuǎn)弯(wān)灵(líng)活(huó)，适(shì)应(yīng)复(fù)杂(zá)地(de)形(xíng)。
2. 伸(shēn)缩(suō)式(shì)机(jī)械(xiè)臂(bì)覆(fù)盖(gài)范(fàn)围(wéi)广(guǎng)，三(sān)级(jí)结(jié)构(gòu)拓(tà)展(zhǎn)作(zuò)业(yè)空(kōng)间(jiān)，自(zì)主研(yán)发(fā)降(jiàng)本(běn)筑(zhù)壁(bì)垒(lěi)。
3. 创(chuàng)新(xīn)卷(juǎn)积(jī)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络(luò)模(mó)型(xíng)与(yǔ)仿(fǎng)生(shēng)采摘(zhāi)策(cè)略(è)，实(shí)现(xiàn)高(gāo)效(xiào)无(wú)损(sǔn)采摘(zhāi)。
4. 模块化轮组便于维护升级，整套技术自主研发，提升产品竞争力。

第 2 章 方案设计与论证
2.1 四转四驱移动底盘和自主导航控制技术方案
2.1.1 移动底盘方案
方案一：前轮转向 + 后轮驱动，阿克曼转向结构，稳定性好但转弯半径大。
方案二：四轮独立驱动 + 转向，双电机控制，结构简单、转弯灵活。
温室垄窄、地形复杂，方案二更适配，故采用此方案。
2.1.2 自主导航方案
方案一：惯性导航，依赖加速度计和陀螺仪，存在误差累积问题。
方案二：视觉导航，通过相机采集环境，用目标检测算法定位，成本低、适应性强。
方案三：激光雷达导航，高精度但价格高、功耗大。
综合考虑成本与环境适配性，选择视觉导航方案二。
2.2 番茄视觉识别与定位方案
方案一：RGB-D 相(xiāng)机(jī) + 卷(juǎn)积(jī)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络(luò) + 点(diǎn)云(yún)处(chù)理(lǐ)，检(jiǎn)测(cè)定(dìng)位(wèi)精(jīng)准(zhǔn)。
方(fāng)案(àn)二(èr)：RGB-D 相(xiāng)机(jī) + 卷(juǎn)积(jī)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络(luò)，仅(jǐn)识(shi)别(bié)无(wú)位(wèi)姿(zī)检(jiǎn)测(cè)。
方(fāng)案(àn)三(sān)：RGB-D 相(xiāng)机(jī) + 传(chuán)统(tǒng)图(tú)像(xiàng)处(chù)理(lǐ)，难(nán)应(yīng)对(duì)复(fù)杂(zá)遮(zhē)挡(dǎng)。
设(shè)施(shī)番(fān)茄(jiā)枝(zhī)叶(yè)遮挡多，方案一兼顾速度与精度，被选用。
2.3 机械臂与末端手方案
2.3.1 机械臂方案
方案一：多自由度协作机械臂，控制复杂、逆解难。
方案二：四自由度两轴伸缩机械臂，工作空间大、成本低、控制简便。
考虑种植环境与成本，选择方案二。
2.3.2 末端手方案
方案一：绳驱式扭转末端手，多舵机控制，抓取灵活。
方案二：剪切一体式末端手，难切断短果梗，影响保鲜。
方案三：气吸式末端手，吸力不足，采摘成功率低。
因番茄果梗短、大小不均，采用方案一。
2.4 系统集成
2.4.1 底盘系统
由轮组、电池组、控制系统构成。轮组模块化设计，电池居中供电，预留安装孔便于升级。
2.4.2 采摘系统
含三级伸缩机械臂、3 自由度末端手、旋转升降平台及控制系统。机械臂采用绳排式伸缩，结构轻巧，底部连接板实现与底盘快速连接。
第 3 章 原理分析与硬件电路图
采摘机器人分为移动底盘和机械臂两大控制系统，通过模块化设计，包含单片机与底盘控制、上位机与机械臂控制、视觉、通信、语音、电源等模块，各模块分工协作。
3.1 单片机与底盘运动控制模块
选用 Arduino mega2560 核心板作为底盘控制器，它具备 54 路数字、16 路模拟 I/O 口，4 路 UART 接口及 I2C 接口，能满足多模块信号处理需求，支持 OLED 屏实时监控状态。核心板参数：3.3V/50mA 供电，256KB Flash、8KB SRAM、4KB EEPROM，16MHz 工作时钟。

3.2 上位机与机械臂运动控制模块
上位机采用基于 Ubuntu 系统的高性能电脑，作为机械臂控制核心，负责算法处理、数据存储与交互。通过 RS485 串口的 Modbus 协议与下位机通信。电脑双系统协同工作：Windows 系统调试电机与夹爪，Ubuntu 系统借助 MoveIt! 在 Rviz 和 Gazebo 环境中仿真并控制机械臂运动。

3.3 Realsense L515 相机
选用英特尔 Realsense L515 深度相机，集成 RGB 与深度传感器，通过 USB 3.1 连接主机，基于 ToF 技术获取彩色与深度图像。其 70x55 视野、低功耗且兼容多系统，体积小、重量轻，固定于机械臂上，为番茄识别定位提供视觉数据。
3.4 通信模块
通信系统整合 485、蓝牙、SBUS、TCP 指令。电机控制上，底盘 8 个电机与机械臂 4 个伺服电机采用 485 通信，手抓舵机通过 485 转 PWM 模块适配。底盘支持双模式控制：遥控器模式下，SBUS 接收机转换信号驱(qū)动(dòng)底(dǐ)盘(pán)；上(shàng)位(wèi)机(jī)模(mó)式(shì)中(zhōng)，蓝(lán)牙(yá)模块或 ESP32 开发板传输导(dǎo)航(háng)指令。此外，定制拓展板实现核心板信号扩展与固定。
3.5 语音识别模块
引入 ASR-PRO 离线语音芯片，降低操作门槛，农民通过唤醒词和指令即可操控底盘，无需专业培训，兼顾易用性与成本。
3.6 电源模块
电源模块采用双电压供电：控制通讯系统 24V、驱动系统 48V，经优化电源转换效率、降噪抗干扰，保障硬件稳定运行。
第 4 章 软件设计与流程
4.1 视觉导航参数信息获取
机器人垄间自主导航的核心是精准获取导航线，采用基于直线模型的视觉导航算法，通过 “图像采集 - 处理 - 导航线提取” 三步实现。
4.1.1 图像采集
为应对农业环境光照变化与底盘抖动，调整 RealSense L515 相机参数：调节焦距保证清晰成像，调大光圈缩短曝光时间，确保图像质量。
4.1.2 图(tú)像(xiàng)处(chù)理(lǐ)
运(yùn)用(yòng) Otsu 算(suàn)法(fǎ)结(jié)合(hé) Canny 边(biān)缘(yuán)检(jiǎn)测(cè)进(jìn)行(xíng)垄(lǒng)间(jiān)轮(lún)廓(kuò)检(jiǎn)测(cè)。Otsu 算(suàn)法(fǎ)自(zì)动(dòng)选(xuǎn)取(qǔ)阈(yù)值(zhí)实(shí)现(xiàn)图(tú)像二值化，Canny 算法检测边缘，二者结合解决传统边缘检测的阈值问题，适应不同光照条件。

4.1.3 获取并跟踪导航线
通过行扫描点检测算法获取垄体边界离散点，经多项式拟合得到道路中心离散点，将相机坐标转换为世界坐标，提取横向与角度偏差参数，由上位机传输至主控板，驱动机器人沿导航线行进。
4.2 四转四驱底盘控制系统
底盘通过 MODBUS 协议控制 8 个电机实现运动，转向电机采用位置控制确保角度精准，驱动电机用速度控制结合模糊 PID 算(suàn)法减小误差。设计斜向转向、四转四驱阿克曼、原地转向三种模式：斜向转向提升横向稳定性；四转四驱适配窄垄；原地转向利用 360 度轮组实现。
支持遥控器与上位机双控制模式：遥控器通过云卓 H12 拨杆切换模式；上位机基于 QT 开发，可跨平台运行，实现电脑或手机操控。针对四转四驱模式，以底盘速度与角度误差为输入，经模糊 PID 动态调整参数，通过转角逆运动学模型控制轮组，保障精准走位。