CN102161041A - 基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统。包括检测输送装置和出苗输送装置组成的穴盘苗输送部件、机器视觉部件、控制部件和劣质苗剔除部件。检测输送装置和出苗输送装置呈直线排布于劣质苗剔除装置两端；劣质苗剔除部件由穴盘推动装置、穴盘夹紧装置、穴盘翻转装置、升降式喷气嘴装置和劣质苗回收箱组成。穴盘苗输送部件将穴盘苗逐盘送入光照箱与劣质苗剔除部件，并将已剔除劣质苗的穴盘输送走。机器视觉部件获取穴盘苗的彩色图像，利用图像处理获取劣质苗及其位置信息。控制系统控制劣质苗剔除部件，实现劣质苗的自动化剔除，不受恶劣环境和作业时间的影响，提高剔苗效率，降低工人的劳动强度，适用于目前国内普遍使用的育苗穴盘。

Description

基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统

技术领域

本发明涉及设施农业内穴盘苗自动化作业系统，尤其是涉及一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统。

背景技术

设施农业使得农作物对环境的依赖性大大降低，已广泛应用与蔬菜与花卉的培养。当今蔬菜与花卉现代化培养体系，以轻基质穴盘培养为主。而在作物生长过程中，作物需要的光热、空间、养分都会逐渐增大，需要将不健康的劣质苗剔除，同时将健康的苗移栽到更大的穴盘或花盆继续培养，即移钵作业。设施内高温、高湿的环境，加之移钵作业的高强度和重复性，迫切需要开发自动化移钵作业机具来替代传统的手工作业。

为了实现温室内移钵作业的自动化，国内外许多学者做了相关的研究。早期的移钵机是以工业机器人为本体来实现特定的移钵作业。Kutz（1987）设计了以Puma 560为本体的苗圃移栽机器人。Ting（1992）等人研发了基于ADEPT-SCARA四自由度工业机器人的移栽机。这种移栽机普遍存在造价高傲，通用性差，效率较低，以及难以与流水作业系统配套等缺点。后来逐渐发展为具有独立的机电系统的移栽机。K.H.Ryu（2001）等人借助笛卡尔坐标系开发出一种育苗移栽机器人，其机械手由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成。W.C.Choi（2001）研制出一种蔬菜移栽机，其移栽机械手由五杆形成的路径发生器、夹取指针和指针驱动器3部分构成。国内的穴盘苗移钵机具的研制起步较晚，二十世纪九十年代后期有部分高校开始了相关研究。1996年吉林农业大学范云翔等设计了一种温室全自动移栽机。2007年浙江大学蒋焕煜等研制了一种基于机器视觉的幼苗移栽系统。2009年南京农业大学王超群等研制的移栽机由机械手、框架和输送系统组成。2009年沈阳农业大学田素博等设计了一种穴盘苗自动移栽机，包括机械手机构、龙门式机械臂机构、穴盘苗和花盆输送机构。

这些研究往往集中于穴盘苗移钵作业过程，而忽略了劣质苗的剔除。在移栽作业之前，必须将穴盘内发育不良的劣质苗剔除，来避免空移、漏栽现象的产生。目前国内设施农业内劣质穴盘苗的判别及剔除，主要通过人工的方式作业。

国外一些大型园艺公司（如：荷兰Visser公司、澳大利亚Transplant Systems公司、美国RAPID公司），开发了成熟的穴盘苗移钵机。其产品往往具有配套的流水作业系统及相关机具，使用专用穴盘，生产效率高。穴盘苗移钵生产线：一般由劣质苗判别、劣质苗剔除、补苗、稀植移栽等部分组成。其中涉及到劣质苗剔除的方法主要有两种，一是用电磁阀控制空气喷嘴吹出劣质苗，二是直接使用机械手抓取劣质苗剔除。但是这类产品价格高傲，必须采用其专用的穴盘，难以被国内的普通用户接受。为了提高我国设施内移栽作业的自动化程度，开发适合我国国情造价较低的穴盘苗剔除系统迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统。相机获取穴盘苗的图像，通过图像处理技术获得植株的生长信息，判别出盘内的劣质苗，并记录其位置信息。通过工控机与PLC之间的通信，控制劣质苗剔除部件，实现劣质苗的剔除。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括检测输送装置和出苗输送装置组成的穴盘苗输送部件、机器视觉部件、控制部件和劣质苗剔除部件；其中：

1）穴盘苗输送部件：结构相同的检测输送装置和出苗输送装置呈直线排布，分别排布于劣质苗剔除装置的两端，检测输送装置位于机器视觉部件中的光照箱的正下方；结构相同的检测输送装置和出苗输送装置同一侧的输送带基座下方安装输送装置电机，输送装置电机输出轴上的带轮经传动带和基座上方一侧的皮带轮连接，基座上方一侧的皮带轮和基座上方另一侧的皮带轮通过输送皮带连接；两块限位板分别置于输送皮带长边两侧上方，位于进苗端侧的两块限位板前部呈弧形；其中检测输送装置的两块限位板上还等距的分布两个为一组的三组位置传感器，三对定位气缸等距安装在输送带基座上，每个气缸的活塞杆均置于限位板与输送皮带之间；

2）机器视觉部件：包括相机、光照箱和带有图像采集卡的工控机；

3）控制部件：为PLC控制器，PLC控制器分别与工控机、两个输送装置电机、推动装置电机、翻转装置电机、喷嘴升降电机、三组位置传感器、夹紧位置传感器、六个定位气缸、两个夹紧气缸和喷气嘴的电磁阀相连；

4）劣质苗剔除部件：包括穴盘推动装置、穴盘夹紧装置、穴盘翻转装置、升降式喷气嘴装置和劣质苗回收箱；穴盘推动装置的推动装置挡板安装在穴盘夹紧装置的框形导轨支架固定导轨侧的长边外侧；穴盘夹紧装置的框形导轨支架两短边的伸出端，分别固定安装在穴盘翻转装置的翻转轴上；升降式喷气嘴装置垂直安装在穴盘翻转装置的剔苗装置基座上；劣质苗回收箱放置于劣质苗剔除部件的正下方。

所述的穴盘推动装置：包括推动装置挡板、推动装置电机、两个链轮、链条和多根推杆；两个链轮对称安装在推动装置挡板的下表面，两个链轮用链条连接；推动装置电机安装在推动装置挡板的上表面，与靠近出苗输送装置的一个链轮相连；多根推杆等距的安装在链条的链节侧面上。

所述的穴盘夹紧装置：包括框形导轨支架、夹紧位置传感器、两个夹紧气缸、固定导轨、活动导轨、穴盘夹板、两个活动导轨限位件、气缸安装板；夹紧位置传感器安装在框形导轨支架靠近出苗端的横杆上；固定导轨和活动导轨分别安装在框形导轨支架两长边的内侧；两个活动导轨限位件分别安装在活动导轨两端，固定在框形导轨支架活动导轨侧的长边内侧；穴盘夹板安装在框形导轨支架活动导轨侧的长边内侧，活动导轨的正上方；气缸安装板安装在框形导轨支架活动导轨侧的长边内侧，活动导轨的正下方；两个夹紧气缸分别对称安装在气缸安装板上，夹紧气缸的活塞杆与活动导轨固定连接。

所述的穴盘翻转装置：包括翻转装置电机、剔苗装置基座和翻转轴；翻转装置电机与翻转轴一端相连后，安装在剔苗装置基座上端的支架上。

所述的升降式喷气嘴装置：包括喷嘴升降电机、直线电缸、喷气嘴固定板、一排喷气嘴、一排螺纹管接头、滑移导轨、电缸滑块；喷嘴升降电机安装在直线电缸的电机安装孔上；喷气嘴固定板的一端固定安装在直线电缸的电缸滑块上，喷气嘴固定板的另一端安装在滑移导轨上；一排喷气嘴等距的安装在喷气嘴固定板上，每一个喷气嘴分别通过螺纹管接头与气管相连。

本发明具有的有益效果是：

1、使用机器视觉技术代替人眼，根据图像信息自动识别育苗穴盘内的劣质苗。

2、自动化的完成劣质苗的剔除作业，不受恶劣环境和作业时间的影响，提高剔苗效率，降低工人的劳动强度。

3、完全适用于目前国内普遍使用的育苗穴盘，填补相关设备的缺口。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明整体机构的结构示意图。

图3是本发明控制部件的模块框图。

图4是穴盘苗输送部件的检测输送装置结构示意图。

图5是穴盘翻转前劣质苗剔除部件的结构示意图。

图6是劣质苗剔除部件的推动装置与夹紧装置结构示意图。

图7是劣质苗剔除部件的穴盘推动装置结构主视图。

图8是劣质苗剔除部件的升降式喷气嘴装置结构示意图。

图9是劣质苗剔除部件的穴盘夹紧装置结构示意图。

图10是图9的A放大视图。

图中：1.穴盘苗输送部件，2.机器视觉部件，3.控制部件，4.劣质苗剔除部件，5.检测输送装置，6.出苗输送装置，7.光照箱，8.相机，9.工控机，10.PLC控制器，11.劣质苗回收箱，12.支脚，13.输送带基座，14.输送装置电机，15.皮带轮，16.传动带，17.输送皮带，18.限位板，19.定位气缸，20.位置传感器，21.推动装置挡板，22.推动装置电机，23.育苗穴盘，24.框形导轨支架，25.夹紧位置传感器，26.翻转装置电机，27.夹紧气缸，28.喷嘴升降电机，29.直线电缸，30.喷气嘴固定板，31.喷气嘴，32.螺纹管接头，33.滑移导轨，34.剔苗装置基座，35.链轮，36.链条，37.推杆，38.翻转轴，39.电缸滑块，40，活动导轨，41.穴盘夹板，42.气缸活塞杆，43.活动导轨限位件，44.固定导轨，45.气缸安装板，46.穴盘推动装置，47.穴盘夹紧装置，48.穴盘翻转装置，49.升降式喷气嘴装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括检测输送装置5和出苗输送装置6组成的穴盘苗输送部件1、机器视觉部件2、控制部件3和劣质苗剔除部件4；其中：

1）穴盘苗输送部件1：结构相同的检测输送装置5和出苗输送装置6呈直线排布，分别排布于劣质苗剔除装置4的两端，安装时应保证检测输送装置5、劣质苗剔除部件4与出苗输送装置6的穴盘输送面高度有适度的落差；检测输送装置5位于机器视觉部件2中的光照箱7的正下方；结构相同的检测输送装置5和出苗输送装置6同一侧的输送带基座13下方安装输送装置电机14，输送装置电机14输出轴上的带轮经传动带16和基座上方一侧的皮带轮15连接，基座上方一侧的皮带轮15和基座上方另一侧的皮带轮15通过输送皮带17连接；两块限位板18分别置于输送皮带17长边两侧上方，位于进苗端侧的两块限位板18前部呈弧形，使育苗穴盘23能平稳进入的预定轨道；其中检测输送装置5的两块限位板18上还等距的分布两个为一组的三组位置传感器20，三对定位气缸19等距安装在输送带基座13上，每个气缸19的活塞杆均置于限位板18与输送皮带17之间；当位置传感器20检测到信号后，所对应气缸19的活塞杆伸出，实现育苗穴盘23的定位。第一组位置传感器20和气缸19，用于控制穴盘23逐盘进入光照箱7；第二组位置传感器20和气缸19，用于精确定位穴盘23于相机8的视场中央；第三组位置传感器20和气缸19，用于控制穴盘23逐盘进入劣质苗剔除部件4。出苗输送装置6用于将已剔除劣质苗的穴盘23输送给后续的移栽系统，出苗输送装置6的整体结构与检测输送装置5类似，位置传感器20与气缸19可以根据具体需求设计，也可以不采用。

2）机器视觉部件2：包括相机8、光照箱7和带有图像采集卡的工控机9；相机8安装在光照箱7内，光照箱7内集成有光源和通风扇。机器视觉部件2用于获取穴盘苗的彩色图像，并通过图像处理技术自动判别出育苗穴盘23中的劣质苗，并获得劣质苗的位置信息。

3）控制部件3：为PLC控制器10，PLC控制器10分别与工控机9、两个输送装置电机14、推动装置电机22、翻转装置电机26、喷嘴升降电机28、三组位置传感器20、夹紧位置传感器25、六个定位气缸19、两个夹紧气缸27和喷气嘴31的电磁阀相连；PLC控制器10通过RS-232串行口与工控机9相连；PLC控制器10接受位置传感器20、夹紧位置传感器25和工控机10的信号，来控制输送装置电机14、推动装置电机22、翻转装置电机26、喷嘴升降电机28和定位气缸19、夹紧气缸27的电磁阀的动作。

4）劣质苗剔除部件4：包括穴盘推动装置46、穴盘夹紧装置47、穴盘翻转装置48、升降式喷气嘴装置49和劣质苗回收箱11；穴盘推动装置46的推动装置挡板21安装在穴盘夹紧装置47的框形导轨支架24固定导轨44侧的长边外侧；穴盘夹紧装置47的框形导轨支架24两短边的伸出端，分别固定安装在穴盘翻转装置48的翻转轴38上；升降式喷气嘴装置49垂直安装在穴盘翻转装置48的剔苗装置基座34上；劣质苗回收箱11放置于劣质苗剔除部件4的正下方。

如图5、图6、图7所示，所述的穴盘推动装置46：包括推动装置挡板21、推动装置电机22、两个链轮35、链条36和多根推杆37；两个链轮35对称安装在推动装置挡板21的下表面，两个链轮35用链条36连接；推动装置电机22安装在推动装置挡板21的上表面，与靠近出苗输送装置6的一个链轮35相连；多根推杆37等距的安装在链条36的链节侧面上。推杆37分别插入育苗穴盘23底部间隙之中，应保证锥形推杆37间距与育苗穴盘23的穴孔间距相同。工作时链条36上的推杆37插入育苗穴盘23底部的穴孔间隙，推动育苗穴盘23在劣质苗剔除部件4上移动。

如图5、图9、图10所示，所述的穴盘夹紧装置47：包括框形导轨支架24、夹紧位置传感器25、两个夹紧气缸27、固定导轨44、活动导轨40、穴盘夹板41、两个活动导轨限位件43、气缸安装板45；夹紧位置传感器25安装在框形导轨支架24靠近出苗端的横杆上；固定导轨44和活动导轨40分别安装在框形导轨支架24两长边的内侧；两个活动导轨限位件43分别安装在活动导轨40两端，固定在框形导轨支架24活动导轨侧的长边内侧；穴盘夹板41安装在框形导轨支架24活动导轨侧的长边内侧，活动导轨40的正上方；气缸安装板45安装在框形导轨支架24活动导轨侧的长边内侧，活动导轨40的正下方；两个夹紧气缸27分别对称安装在气缸安装板45上，夹紧气缸27的气缸活塞杆42与活动导轨40固定连接。工作时气缸活塞杆42伸出将活动导轨40顶起，使活动导轨40与穴盘夹板41夹紧育苗穴盘23的一边；工作结束后气缸活塞杆42带动活动导轨40回位。

如图5、图6所示，所述的穴盘翻转装置48：包括翻转装置电机26、剔苗装置基座34和翻转轴38；翻转装置电机26与翻转轴38一端相连后，安装在剔苗装置基座34上端的支架上。工作时翻转装置电机26带动翻转轴38正转90°，使育苗穴盘23直立，便于将劣质苗的剔除；工作结束后翻转装置电机26带动翻转轴38反转90°，使育苗穴盘23处于水平位置。

如图5、图8所示，所述的升降式喷气嘴装置49：包括喷嘴升降电机28、直线电缸29、喷气嘴固定板30、一排喷气嘴31、一排螺纹管接头32、滑移导轨33、电缸滑块39；喷嘴升降电机28安装在直线电缸29的电机安装孔上；喷气嘴固定板30的一端固定安装在直线电缸29的电缸滑块39上，喷气嘴固定板30的另一端安装在滑移导轨33上；一排喷气嘴31等距的安装在喷气嘴固定板30上，每一个喷气嘴31分别通过螺纹管接头32与气管相连。直线电缸29可以根据具体的需要选用齿形带式电缸、滚珠丝杆式电缸等商业化的产品。工作时PLC控制器10通过控制电缸滑块39滑动，带动喷气嘴固定板30逐行上移，同时电磁阀控制喷气嘴31逐行吹出被识别的劣质苗；工作结束后电缸滑块39带动带动喷气嘴固定板30回位。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统，其特征在于：包括由检测输送装置（5）和出苗输送装置（6）组成的穴盘苗输送部件（1）、机器视觉部件（2）、控制部件（3）和劣质苗剔除部件（4）；其中：

1）穴盘苗输送部件（1）：结构相同的检测输送装置（5）和出苗输送装置（6）呈直线排布，分别排布于劣质苗剔除部件（4）的两端，检测输送装置（5）位于机器视觉部件（2）中的光照箱（7）的正下方；结构相同的检测输送装置（5）和出苗输送装置（6）同一侧的输送带基座（13）下方安装输送装置电机（14），输送装置电机（14）输出轴上的带轮经传动带（16）和基座上方一侧的皮带轮（15）连接，基座上方一侧的皮带轮（15）和基座上方另一侧的皮带轮（15）通过输送皮带（17）连接；两块限位板分别置于输送皮带（17）长边两侧上方，位于进苗端侧的两块限位板前部呈弧形；其中检测输送装置（5）的两块限位板（18）上还等距的分布两个为一组的三组位置传感器，三对定位气缸等距安装在输送带基座（13）上，每个气缸的活塞杆均置于限位板与输送皮带（17）之间；

2）机器视觉部件（2）：包括相机（8）、光照箱（7）和带有图像采集卡的工控机（9）；

3）控制部件（3）：为PLC控制器（10），PLC控制器（10）分别与工控机（9）、两个输送装置电机、推动装置电机（22）、翻转装置电机（26）、喷嘴升降电机（28）、三组位置传感器、夹紧位置传感器（25）、六个定位气缸、两个夹紧气缸和喷气嘴（31）的电磁阀相连；

4）劣质苗剔除部件（4）：包括穴盘推动装置（46）、穴盘夹紧装置（47）、穴盘翻转装置（48）、升降式喷气嘴装置（49）和劣质苗回收箱（11）；穴盘推动装置（46）的推动装置挡板（21）安装在穴盘夹紧装置（47）的框形导轨支架（24）固定导轨（44）侧的长边外侧；穴盘夹紧装置（47）的框形导轨支架（24）两短边的伸出端，分别固定安装在穴盘翻转装置（48）的翻转轴（38）上；升降式喷气嘴装置（49）垂直安装在穴盘翻转装置（48）的剔苗装置基座（34）上；劣质苗回收箱（11）放置于劣质苗剔除部件（4）的正下方。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统，其特征在于：所述的穴盘推动装置（46）：包括推动装置挡板（21）、推动装置电机（22）、两个链轮、链条（36）和多根推杆；两个链轮对称安装在推动装置挡板（21）的下表面，两个链轮用链条（36）连接；推动装置电机（22）安装在推动装置挡板（21）的上表面，与靠近出苗输送装置（6）的一个链轮相连；多根推杆等距的安装在链条（36）的链节侧面上。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统，其特征在于：所述的穴盘夹紧装置（47）：包括框形导轨支架（24）、夹紧位置传感器（25）、两个夹紧气缸、固定导轨（44）、活动导轨（40）、穴盘夹板（41）、两个活动导轨限位件、气缸安装板（45）；夹紧位置传感器（25）安装在框形导轨支架（24）靠近出苗端的横杆上；固定导轨（44）和活动导轨（40）分别安装在框形导轨支架（24）两长边的内侧；两个活动导轨限位件分别安装在活动导轨（40）两端，固定在框形导轨支架（24）活动导轨侧的长边内侧；穴盘夹板（41）安装在框形导轨支架（24）活动导轨侧的长边内侧，活动导轨（40）的正上方；气缸安装板（45）安装在框形导轨支架（24）活动导轨侧的长边内侧，活动导轨（40）的正下方；两个夹紧气缸分别对称安装在气缸安装板（45）上，夹紧气缸的气缸活塞杆与活动导轨（40）固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统，其特征在于：所述的穴盘翻转装置（48）：包括翻转装置电机（26）、剔苗装置基座（34）和翻转轴（38）；翻转装置电机（26）与翻转轴（38）一端相连后，安装在剔苗装置基座（34）上端的支架上。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的劣质穴盘苗剔除系统，其特征在于：所述的升降式喷气嘴装置（49）：包括喷嘴升降电机（28）、直线电缸（29）、喷气嘴固定板（30）、一排喷气嘴、一排螺纹管接头、滑移导轨（33）、电缸滑块（39）；喷嘴升降电机（28）安装在直线电缸（29）的电机安装孔上；喷气嘴固定板（30）的一端固定安装在直线电缸（29）的电缸滑块（39）上，喷气嘴固定板（30）的另一端安装在滑移导轨（33）上；一排喷气嘴等距的安装在喷气嘴固定板（30）上，每一个喷气嘴分别通过螺纹管接头与气管相连。

Images