CN105900610A - 鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机及其控制方法，包括三维运动平台、采摘点定位系统、采摘系统、分级分装系统。所述三维运动平台包括行走电机控制器、位置传感器等；采摘点定位系统由分级图像检测摄像头、系统软件和数据传输模块组成；采摘系统为三维运动平台的顶端架构，由红外对管组、采摘刀、网兜和旋转缓冲板组成；分级分装系统由输送带前升降、输送履带、输送带驱动电机、分级图像检测摄像头、可控旋转箱体组成。该葡萄采摘一体机提高了葡萄的采摘效率和分级的精确度，减少了葡萄的二次损坏，确保新鲜度，具有广阔的市场推广前景。

Description

鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机及其控制方法

技术领域

本发明涉及果树采摘领域，特别涉及一种鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机的设计及其控制。

背景技术

自20世纪60年代美国人Schertz和Brown提出用机器人采摘果实之后，对采摘机器人的研究受到广泛重视，农业机器人也迅速发展起来。1983年，第一台采摘机器人在美国诞生，日本及欧美等国家相继研究了采摘苹果、柑橘、番茄、西瓜等的智能机器人。但我国采摘机器人的研究和应用还很少。目前，国内鲜食葡萄的采摘分级仍然主要为人工操作，收获成本高、检测分级效率低且难以做到客观准确，无法适应规模化和产业化生产的要求，已严重影响了葡萄产业的发展，迫切需要性能稳定、工作可靠、适应性强、效率高的葡萄采摘分级机器人。

鲜食葡萄生长环境复杂，葡萄果实轮廓不规则，形状复杂，每穗果实包括相互堆积的多枚果粒，且果实柔软多汁，同时受树叶、枝条、光照等环境因素的干扰，当前的机器人难以进行精确识别和定位，因此我国鲜食葡萄的自动采摘和分级尚未研究。针对自动采摘和分级的难题，本专利设计一款棚架鲜食葡萄无损采摘分级机器人，实现采摘过程中实时分级检测，提高采摘效率和分级准确率，确保新鲜度。

发明内容：

本发明针对目前鲜食葡萄人工采摘劳动强度大、效率低、工作繁琐，葡萄采摘点识别的背景确定、采摘葡萄品种的单一以及采摘后再分级以及分级标准单一和二次损伤的问题，发明了一种葡萄无损采摘分级智能一体机及其控制方法，进而提高葡萄的采摘效率和分级的精确度，减少了葡萄的二次损坏，确保了鲜食葡萄的保鲜度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，包括行走小车，其特征在于：所述行走小车上设有三维运动平台、采摘点定位系统、采摘系统、分级分装系统；

所述三维运动平台包括主控制器，主控制器连接有安装在行走小车上的行走电机、位置传感器；主控制器根据位置传感器控制行走电机：小车的前部设有两个行走轮，每个行走轮上设有一个行走电机，通过闭环的PID控制小车走直线，小车前方的两个行走轮配合有两个行走电机的差速完成转向；

在行走小车上还设有由步进电机控制的移动平台，主控制器连接步进电机并控制移动平台；上述的采摘点定位系统、采摘系统位于移动平台上；行走小车运动以及移动平台实现采摘定位系统、采摘系统的三维定位；

所述的采摘系统包括采摘刀、葡萄检测器、网兜、缓冲板；采摘刀为圆形锯齿旋转刀片，网兜位于采摘刀下方且为通透性弹性网兜，网兜下方设有缓冲板；

所述的采摘点定位系统包括与主控制器连接第一图像采集摄像头，主控制器内嵌入有高频图像采集系统软件、Microsoft Visual C++应用程序软件；

所述的分级分装系统包括输送履带、输送带驱动电机、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体；输送履带的一端承载采摘系统缓冲板下落的葡萄、另一端对应可控旋转箱体并把葡萄输入到可控旋转箱体内；主控制器连接并控制上述的输送带驱动电机、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体；

主控制器控制行走电机进行前进后退以及转向；同时主控制器根据采摘点定位系统的运算结果控移动平台到达采摘点；移动平台带动采摘系统、采摘点定位系统同步运动。

优选的，所述的移动平台包括固定在行走小车上的水平移动装置以及位于水平移动装置上的沿上下运动的上下移动装置。

优选的，所述的水平移动装置包括机械导轨以及与之配合的滑块；所述的上下移动装置包括固定在滑块上的丝杠联轴器，丝杠联轴器的上端设有丝杠副，上述的葡萄定位系统以及葡萄采摘系统位于丝杠副上。

优选的，在上下移动装置的上端设有前后移动装置，上述的葡萄定位系统以及葡萄采摘系统位于前后移动装置上。

优选的，所述的前后移动装置为套设在丝杠副上的同步带，上述的定位系统以及葡萄采摘系统固定在同步带上。

优选的，所述的输送履带的前后两端设有前后升降装置。

优选的，所述的葡萄检测器为至少一组红外对管组。

优选的，所述输送履带选用裙边带挡板式定时旋转履带传送。

一种葡萄无损采摘分级智能一体机的控制方法，过程如下：

葡萄无损采摘分级智能一体机的运动控制：当接受到作业指令时，由主控制器控制小车的行走电机运动到植保作业起始位置，并进入作业控制，小车在运动过程中，通过主控制器采用PID闭环算法控制行走电机转速调节小车行进速度；

运动过程中，采摘点定位系统的第一图像采集摄像头一直获取视野范围内的视频，将获取的视频通过图像采集软件分帧发送到MFC应用程序，通过与提前获取的模版数据库进行匹配，判断是否存在葡萄目标，若存在葡萄目标，则发送信号至主控制器，停止行进，并判断目标的二维坐标点；

采摘刀二维坐标定位：主控制器根据获得目标二维坐标点后，进行处理并控制采摘刀运动，记录检测到的采摘刀与目标二维坐标点的位置偏差，通过移动平台的水平以及上下移动进行偏差弥补直至所识别葡萄的垂线位置即其二维坐标点；

从控制器控制采摘刀运动至所识别葡萄的垂线位置，此时采摘刀开始做上升运动，同时红外对管组开始检测，当第一组红外对管组触发出低电平时说明已接近葡萄底部，继续做上升运动，当第一组红外对管组再次触发高电平，并且第二组和第三组同时触发低电平时，此时即是葡萄采摘位置，给主控制器发出采摘信号进行采摘；

分级：采摘之后的葡萄落到网兜里面，通过网兜缓冲，达到缓冲旋转板，经过三维运动平台向下运送并分级检测：通过基于第二图像采集摄像头采集的图像信息，在葡萄采摘后移送过程中，利用分形理论结合数学形态和轮廓曲线分析方法，对果面光滑、果穗大小、果粒大小以及均匀度进行检测，对葡萄进行分级；根据分级检测结果，由主控制器控制下方的可控旋转分选箱进行分类装箱；

当两侧接近开关检测到接近信号偏差时，也即小车行驶出现偏差时，主控制器控制行走电机进行位置补偿；当位置传感器检测到障碍物信号并将其传递到主控制器，主控制器控制植保小车减速至停止，并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，位置传感器检测不到障碍物信号后，主控制器控制继续作业；

小车直走作业，等待采摘到棚架尽头时转向返回后再进入下一行进行采摘。

本发明的工作原理以及有益效果表现在：

鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机的设计及其控制，包括三维运动平台、采摘点定位系统、采摘系统、分级分装系统。

所述三维运动平台由所述的行走控制系统和三维运动结构组成，平台包括行走电机控制器、超声波传感器、接近开关、精密滚珠丝杠副、42步进电机、步进电机控制器、开口式导轨滑块、光轴机械导轨等组成；所述的采摘点定位系统由所述的图像采集摄像头、高频图像采集系统软件、Microsoft Visual C++应用程序软件和蓝牙数据传输模块组成；所述的采摘系统为三维运动平台的顶端架构，由旋转缓冲板、红外对管组、采摘刀、光杆导向轨、网兜组成；所述的分级分装系统由输送带前升降、输送履带、输送带驱动电机、输送带驱动电机控制器、图像采集摄像头、可控旋转箱体组成，其中行走电机控制器、定位电机控制器、输送带驱动电机控制器均由电机控制器控制。

与现有装置相比，本方案设计的葡萄采摘一体机的积极效果是在采摘分级方式上属于全自动化，采用现阶段先进的图像识别技术，自动识别葡萄，检测采摘点和葡萄等级，能够一次性对4m²的葡萄进行采摘分装操作，避免了目前采摘后再分级的二次损伤，提高了采摘分装效率，确保了保鲜度，采用模板匹配的逆向葡萄识别算法，再配合红外射线的光电开关实现采摘点的识别，避免了使用昂贵的双目相机，通用性强，采用三维运动架构，在同步电机的配合识别点的检测，能够高效地实现棚架鲜食葡萄的采摘，避免了现阶段大多数葡萄采摘机仅针对红紫色葡萄操作的限制，可靠性高，能有效降低劳动强度，提高劳动效率，节约了成本，符合农业可持续发展的要求。

附图说明

图1为本发明创造结构示意图；

图2为小车车底结构示意图；

其中，1—数据传输模块、2—输送带前升降、3—输送履带、4—输送带驱动电机、5—旋转缓冲板、6—红外对管组、7—切割刀、8—光杆导向轨、9—网兜、10—精密滚珠丝杠副、11—图像采集摄像头、12—同步带、13—同步带轮、14—可控旋转箱体、15—步进电机、16—输送带后升降、17—丝杆联轴器、18—接近开关、19—主控制器、20—开口式导轨滑块、21—光轴机械导轨、22—超声波传感器。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-图2所示，一种葡萄无损采摘分级智能一体机，包括行走小车。

行走小车上设有行走装置，其中所述的行走装置包括行走电机，行走电机驱动行走小车前后运动，为实现智能控制的目的，本实施例设有主控制器19，主控制器19控制行走电机转动。

小车的前部设有两个行走轮，每个行走轮上设有一个行走电机，通过闭环的PID控制小车走直线，小车前方为两个转向轮，配合两个行走电机的差速完成转向；

进一步的，为了能够实现自动检测到达的目的，在小车上设置了位置传感器，通过位置传感器检测行走小车达到的位置，从而达到到位停止的目的，本实施例的位置传感器采用接近开关18以及超声波传感器22的形式，作为优选，超声波传感器参数：工作电压为DC12V，功率12W，接近开关以及超声波传感器22通过销轴固定在行走小车的底部。

行走小车上设有三维运动平台、采摘点定位系统、采摘系统、分级分装系统。

其中三维运动平台的目的是联合行走装置将小车置于需要采摘葡萄的下方；采摘点定位系统是将采摘系统置于合适的采摘点；而采摘系统是将葡萄进行具体采摘；分级分装系统是将采摘后的葡萄根据葡萄的品级进行分装。

所述三维运动平台包括移动平台；采摘定位系统、采摘系统以及分级分装系统位于移动平台上；移动平台带动采摘定位系统、采摘系统以及分级分装系统同步运动。

本实施例的移动平台包括固定在小车上的开口式导轨滑块20，与开口式导轨滑块20配合有机械导轨21，开口式导轨滑块20可以在步进电机15的带动下沿机械导轨21运动。

所述光轴机械导轨通过螺栓固定在小车架上，开口式导轨滑块与同步电机通过螺栓固定，同步电机转轴竖直朝上，通过轴连器与精密滚珠丝杠副10相连；精密滚珠丝杠副采用滚珠丝杆SFU1204-200，步进电机采用42系列步进电机42HS45及配套驱动，开口式导轨滑块采用配套导轨的SBR30*600型滑块。

本实施例中，机械导轨21的延伸方向与小车运动方向垂直，可以快速的实现采摘系统的二维定位(X、Y方向)，剩余的第三个维度(Z)通过下述的丝杠联轴器实现。(XY向水平，Z向竖直，XYZ三者垂直)

上述的采摘点定位系统包括图像采集摄像头11、高频图像采集系统、Microsoft VisualC++应用程序软件和蓝牙式数据传输模块1组成；

本发明的主控制器19包括行走电机控制器，步进电机控制器，所有的运动控制均由此控制器控制，葡萄目标的检测识别、目标点坐标的确定以及分级监测均由Microsoft VisualC++应用程序软件实现，这一部分属于上位机，控制器属于下位机，上位机通过蓝牙式的数据传输模块1将数据传输至下位机。

所述图像采集摄像头采用RMONCAM/林柏视广角摄像头S908进行移动摄像分帧提取，所述广角摄像头固定在缓冲板的相反一侧，视角垂直朝上摄像头采集的图像输出分辨率：1280*720。

所述Visual C++应用程序软件为运行在Windows操作系统上的Microsoft Visual C++6.0下的MFC应用程序软件，进行视频的采集、图像的分帧获取、图像的识别以及采摘点的定位。

在导轨滑块上设有丝杠联轴器17以及光杆导向轨8，在丝杠联轴器17以及光杆导向轨8的上端设有丝杠副，在丝杠副上设有同步带，同步带上设有图像检测摄像头以及采摘系统；同步带转动同步带动图像采集摄像头以及采摘系统运动；

所述的采摘系统包括旋转缓冲板5、红外对管组6、采摘刀7、网兜9、精同步带12、同步带轮13、主控制器19、开口式导轨滑块20、光轴机械导轨21组成；

所述采摘刀位于采摘系统的最顶端，其可达到的最高位置可超过三维运动平台台25cm，旋转缓冲板固定在采摘刀下方20cm处，网兜固定在旋转缓冲板下方12cm处，所述旋转刀、旋转缓冲板、网兜做同步运动，所述光电开关安装在采摘刀两侧的支架上，用来检测葡萄位置，所述导向轨采用SBR30*600mm的光轴机械导轨导向滑动。

所述的分级分装系统包括输送履带3、输送带驱动电机4、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体14；输送履带的一端承载采摘系统缓冲板下落的葡萄、另一端对应可控旋转箱体并把葡萄输入到可控旋转箱体内；主控制器连接并控制上述的输送带驱动电机、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体；

所述输送履带3选用裙边带挡板式定时旋转履带传送，通过输送带驱动电机4驱动，在履带的前后方分别设有输送带后升降16、输送带前升降2；两个升降可采用空气气缸的形式。

作为对本技术方案的进一步限定，图像检测装置采用分形理论、数学形态和轮廓曲线分析的综合分析方法有缺陷葡萄颗粒和颜色差别大的图像分割和果穗形状边缘分割，实现实时分级检测。

葡萄采摘一体机的工作过程：

行走控制系统在超声波传感器22的检测下按照规划路线行进，通过主控制器采用PID闭环算法控制行走电机转速调节小车行进速度，同时图像采集摄像头11连续不断的获得行进区域的葡萄图像视频，并由高频图像采集系统软件分帧获取图像进行葡萄目标识别，当接受到作业指令时，由主控制器控制小车的行走电机运动到植保作业起始位置，并进入作业控制；

广角摄像头一直获取视野范围内的视频，将获取的视频通过图像采集软件分帧发送到MFC应用程序，通过与提前获取的模版数据库进行匹配，判断是否存在葡萄目标，若存在葡萄目标，则发送信号至主控制器，停止行进，并判断葡萄目标的二维坐标点，将获得的目标数据通过蓝牙数据传输至主控制器；

通过蓝牙数据传输模块1将其二维坐标无线传输给主控制器19，定位电机控制器获得二维坐标，通过控制三维运动架构，在光轴机械导轨21、同步带12驱动运动下将采摘刀平移至检测目标的正下方，随后在精密滚珠丝杠副10不断地做上升运动，同时红外对管组开始检测，当第一组红外对管组触发出低电平时说明已接近葡萄底部，继续做上升运动，当第一组红外对管组再次触发高电平，并且第二组和第三组同时触发低电平时，此时即是葡萄采摘位置，给主控制器发出采摘信号进行采摘，采摘之后的葡萄落到网兜里面，通过网兜缓冲，达到缓冲旋转板，经过三维运动平台向下运送并分级检测；

葡萄无损采摘分级智能一体机在运动过程中，采摘刀二维坐标定位：主控制器根据获得目标坐标点，进行处理并控制三维运动平台架构将采摘刀运动，记录检测到的采摘刀与目标二维坐标点的位置偏差，进行偏差弥补直至所识别葡萄的垂线位置即其二维坐标点；

采摘下的葡萄落入网兜9并通过旋转缓冲板5，通过控制输送带前升降2的升降将葡萄移动至输送履带3，在葡萄采摘后移送过程中，利用分形理论结合数学形态和轮廓曲线分析方法，对果面光滑、果穗大小、果粒大小以及均匀度进行检测，对葡萄进行分级；根据分级检测结果，由主控制器控制下方的可控旋转箱体14进行分类装箱；

当两侧接近开关检测到接近信号偏差时，也即小车行驶出现偏差时，主控制器控制行走电机进行位置补偿；当超声波传感器检测到障碍物信号并将其传递到主控制器，主控制器控制植保小车减速至停止，并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，超声波传感器检测不到障碍物信号后，主控制器控制继续作业；

小车直走作业，等待采摘到棚架尽头时转向返回后再进入下一行进行采摘。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、添加或者替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，包括行走小车，其特征在于：所述行走小车上设有三维运动平台、采摘点定位系统、采摘系统、分级分装系统；

所述三维运动平台包括主控制器，主控制器连接有安装在行走小车上的行走电机、位置传感器；主控制器根据位置传感器控制行走电机：小车的前部设有两个行走轮，每个行走轮上设有一个行走电机，通过闭环的PID控制小车走直线，小车前方的两个行走轮配合有两个行走电机的差速完成转向；

在行走小车上还设有由步进电机控制的移动平台，主控制器连接步进电机并控制移动平台；上述的采摘点定位系统、采摘系统位于移动平台上；行走小车运动以及移动平台实现采摘定位系统、采摘系统的三维定位；

所述的采摘系统包括采摘刀、葡萄检测器、网兜、缓冲板；采摘刀为圆形锯齿旋转刀片，网兜位于采摘刀下方且为通透性弹性网兜，网兜下方设有缓冲板；

所述的采摘点定位系统包括与主控制器连接第一图像采集摄像头，主控制器内嵌入有高频图像采集系统软件、Microsoft Visual C++应用程序软件；

所述的分级分装系统包括输送履带、输送带驱动电机、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体；输送履带的一端承载采摘系统缓冲板下落的葡萄、另一端对应可控旋转箱体并把葡萄输入到可控旋转箱体内；主控制器连接并控制上述的输送带驱动电机、第二图像采集摄像头、可控旋转箱体；

主控制器控制行走电机进行前进后退以及转向；同时主控制器根据采摘点定位系统的运算结果控移动平台到达采摘点；移动平台带动采摘系统、采摘点定位系统同步运动。

2.根据权利要求1所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：所述的移动平台包括固定在行走小车上的水平移动装置以及位于水平移动装置上的沿上下运动的上下移动装置。

3.根据权利要求2所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：所述的水平移动装置包括机械导轨以及与之配合的滑块；所述的上下移动装置包括固定在滑块上的丝杠联轴器，丝杠联轴器的上端设有丝杠副，上述的葡萄定位系统以及葡萄采摘系统位于丝杠副上。

4.根据权利要求2或3所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：在上下移动装置的上端设有前后移动装置，上述的葡萄定位系统以及葡萄采摘系统位于前后移动装置上。

5.根据权利要求4所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：所述的前后移动装置为套设在丝杠副上的同步带，上述的定位系统以及葡萄采摘系统固定在同步带上。

6.根据权利要求1所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：所述的输送履带的前后两端设有前后升降装置。

7.根据权利要求2所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：

所述的葡萄检测器为至少一组红外对管组。

8.根据权利要求2所述的鲜食葡萄无损采摘分级智能一体机，其特征在于：

所述输送履带选用裙边带挡板式定时旋转履带传送。

9.一款葡萄无损采摘分级智能一体机的控制方法，其特征在于：

葡萄无损采摘分级智能一体机的运动控制：当接受到作业指令时，由主控制器控制小车的行走电机运动到植保作业起始位置，并进入作业控制，小车在运动过程中，通过主控制器采用PID闭环算法控制行走电机转速调节小车行进速度；

运动过程中，采摘点定位系统的第一图像采集摄像头一直获取视野范围内的视频，将获取的视频通过图像采集软件分帧发送到MFC应用程序，通过与提前获取的模版数据库进行匹配，判断是否存在葡萄目标，若存在葡萄目标，则发送信号至主控制器，停止行进，并判断目标的二维坐标点；

采摘刀二维坐标定位：主控制器根据获得目标二维坐标点后，进行处理并控制采摘刀运动，记录检测到的采摘刀与目标二维坐标点的位置偏差，通过移动平台的水平以及上下移动进行偏差弥补直至所识别葡萄的垂线位置即其二维坐标点；

从控制器控制采摘刀运动至所识别葡萄的垂线位置，此时采摘刀开始做上升运动，同时红外对管组开始检测，当第一组红外对管组触发出低电平时说明已接近葡萄底部，继续做上升运动，当第一组红外对管组再次触发高电平，并且第二组和第三组同时触发低电平时，此时即是葡萄采摘位置，给主控制器发出采摘信号进行采摘；

分级：采摘之后的葡萄落到网兜里面，通过网兜缓冲，达到缓冲旋转板，经过三维运动平台向下运送并分级检测：通过基于第二图像采集摄像头采集的图像信息，在葡萄采摘后移送过程中，利用分形理论结合数学形态和轮廓曲线分析方法，对果面光滑、果穗大小、果粒大小以及均匀度进行检测，对葡萄进行分级；根据分级检测结果，由主控制器控制下方的可控旋转分选箱进行分类装箱；

当两侧接近开关检测到接近信号偏差时，也即小车行驶出现偏差时，主控制器控制行走电机进行位置补偿；当位置传感器检测到障碍物信号并将其传递到主控制器，主控制器控制植保小车减速至停止，并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，位置传感器检测不到障碍物信号后，主控制器控制继续作业；

小车直走作业，等待采摘到棚架尽头时转向返回后再进入下一行进行采摘。