CN108990712A - 一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统，包括采摘机结构和控制系统。机器结构包括底盘、外壳、传动机构、采摘机构、传送机构和机器视觉装置等；控制系统包括采摘机驱动系统、采摘平台系统和采摘终端。由采摘平台根据机器视觉装置采集的图像，得出采摘机的运行参数；由采摘终端驱动采摘机运转；由采摘机的采摘机构与传送机构完成采摘的整个动作过程。采摘传送系统与机械臂上并列的多个采摘头提高了采摘效率，同时降低了漏采率；图像采集装置与采摘平台的图像特征提取模块，对不同高度与密度的双孢菇区域进行区分摘取，同时提高了双孢菇资源利用率。

Description

一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统

技术领域

本发明涉及双孢菇采摘与机械控制技术领域，特别是涉及一种在种植架上小空间可控制移动的带有机器视觉可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统。

背景技术

由于双孢菇具有生长密集、分布无规律、易受损害、生长周期短且速度差异大等特点，所以利用机械自动化的方式进行双孢菇采摘存在一定的难度。在现有的双孢菇采摘技术中，国内大部分种植大棚用户采用的还是人工采摘方式，用人手拔起或者铲子铲起，需要耗费大量的劳动力，且效率较低、成本较高；南京航空航天大学发明了基于机器视觉的双孢菇自动采摘系统，该控制系统运用气囊式机械手进行采集，虽然减轻了对双孢菇的损害，但是一次只能采摘一个双孢菇，效率较低，且机械手与气泵占用空间较大。国外已开发出具有一定自动化程度的双孢菇采摘机，如荷兰发明的一种双孢菇采摘机运用的是无差别滚动切割的采摘方法，采摘机可以在种植架上完成对双孢菇的切割与传输工作，很大程度上提高了采摘的速度，但是这种无差别切割的工作方式直接切掉了双孢菇的根部，不利于双孢菇的资源利用。

因此，需要一种新的双孢菇自动采摘的方法，以解决采摘效率低、对双孢菇资源损耗大、无法区别采摘等问题。

发明内容

为了克服现有的采摘机械在采摘过程中对双孢菇资源损耗高、缺少控制与监测系统、采摘效率低等缺陷，本发明提供了一种带有远程监控与图像识别的小空间多采摘头双孢菇采摘机及其控制系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种带有远程监控与机器视觉的小空间多采摘头可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统，包括采摘机与控制系统。采摘机硬件结构包括底盘、外壳、采摘机构、传送机构、传动机构和机器视觉装置等；控制系统包括采摘平台系统和采摘终端。

所述采摘机的结构布局特征为：底盘为4轮底盘，位于采摘机底端，横跨在双孢菇种植架导轨的上方，4个车轮沿双孢菇种植架上的导轨行走；外壳位于底盘的上方，具有一定的长宽高比例，前方无遮挡。所述采摘机构位于壳体前方两侧位置，转轴方向为竖直方向，为对称的两个，与采摘机外壳通过丝杠连接，可沿竖直方向上下运动；机械手臂与转轴连接，位于转轴上方，可随转轴转动；采摘头挂在采摘手臂上，采摘头向下，成排分布共14个。所述传送机构包括第一传送带、第二传送带和外伸导轨，第一传送带为横向，位于中央位置，具有一定的长度与宽度，上层与车轮高度相同；第二传送带为纵向传送带，具有一定的长度与宽度，位于第一传送带后方，有一定倾斜角度；外伸导轨位于第二传送带下方，与第二传送带平行。所述机器视觉装置位于机器壳体前上方，纵向的中央位置。

所述采摘机的底盘与外壳特征为，该底盘为4轮底盘，两个后轮由两个直流电机分别驱动，前轮无驱动；4个底轮可沿种植架上的导轨往返运动。该外壳具有一定的长度、宽度与高度，前方无挡板。适用于在双孢菇种植架上完成对双孢菇的采摘工作。

所述采摘机构特征为包括手臂转轴、机械手臂与采摘头。所述手臂转轴特征为位于采摘机壳体的前端，为对称的两个，具有一定的高度，转轴外壳与丝杠连接，由第一直线电机驱动丝杠，使转轴做上下运动，完成双孢菇的拔出动作；转轴外壳与第一步进电机的外壳固定在一起，步进电机通过同步齿形带驱动转轴往返转动，完成在双孢菇拔出之后，将双孢菇传送到传送带的动作。所述采摘机械臂特征为，与转轴连接，分为两侧对称的两个机械臂。采摘机械臂为拐角90度的两个杆，两个杆具有一定的长度，分为伸缩杆与挂杆。该伸缩杆一端连接采摘机转轴，中间还嵌套着一段套筒，套筒中有电磁铁与缓冲弹簧，可以伸缩，完成抓住双孢菇后的抖动动作，使双孢菇与土壤连接松动，抓取时减小对双孢菇根部的损害。所述采摘头特征为，挂在采摘机械臂的挂杆上，共有14个采摘头。采摘头分为两侧对称的两部分，中间是竖直的隔板，隔板尖端有圆面，将相邻两个双孢菇隔开，可降低采摘的遗漏率与提高采摘的效率；两侧有可绕轴转动的挡板，由电磁铁驱动张开与闭合，完成抓取双孢菇的动作；挡板内壁为斜面，可夹住比预定要采摘直径大的双孢菇的双孢菇头；另外该采摘头尖端与内壁设有橡胶类柔性材料，降低了采摘过程中对双孢菇的损害。

所述传送机构特征为包括第一传送带、第二传送带与外伸导轨。所述第一传送带特征为，是横向传送带具有一定的长度与宽度，顶端高度与车轮顶端高度相同，作用是将由机械采摘手臂掉下的双孢菇传送至采摘机后方纵向传送带上；所述第二传送带特征为，是纵向传送带具有一定的长度与宽度，作用是将由横向传送带导出的双孢菇传送到外伸导轨上；所述外伸导轨特征为，作用是将纵向传送带导出的双孢菇导出到采摘机外部的双孢菇运输装置上。为避免外伸导轨触碰种植架的竖直支撑，根据红外光电传感器测量的信号，由第三直线电机驱动丝杠，控制外伸导轨自由伸缩。所述红外光电传感器位于采摘机壳体侧面的前上方与后上方，当前方红外光电传感器检测到竖直支撑架时，将信号传递给采摘终端中央控制器，由中央控制器控制电机使外伸导轨完成避障的动作，在外伸导轨避障期间，第二传送带停止转动；当后方红外光电传感器检测到竖直支撑架时，中央控制器控制电机使外伸导轨伸出，继续正常工作。

所述采摘机传动机构包括4个直流电机、2个步进电机、3个直线电机。第一直流电机和第二直流电机驱动采摘机的两个后轮，驱动采摘机前进与停止，可由采摘终端中央控制器驱动电机控制器，控制电机的转速与转向；第三直流电机和第四直流电机驱动采摘机的两个传送带，完成双孢菇从释放到传送至外伸导轨的动作。第一直线电机与第二直线电机驱动采摘装置的转轴、手臂与采摘头的上下运动，第三直线电机驱动外伸导轨进行避障。第一步进电机与第二步进电机驱动两个机械手臂的转动。

所述机器视觉装置包括双目摄像头与照明装置，位于采摘机壳体宽度方向的中央位置，采摘手臂的前方；所述照明装置为摄像头提供光源，使双目摄像头采集图像清晰；所述双目摄像头用于采集采摘区域的图像，图像经局域网络传输至采摘平台；所述采摘平台建立在远程服务器上，对图像进行二值化、分割处理与特征提取，得出所检测区域双孢菇的大小高低、密度等数据；所述采摘平台将双孢菇的分布情况通过坐标系运算，得出采摘机的运行参数，如采摘头采摘的高度、采摘机运行的速度、步距大小等，对采摘区域的双孢菇进行区分采摘。

所述双孢菇采摘控制系统还包含采摘终端：该采摘终端位于采摘机壳体后方，包含无线通信模块用于与采摘平台进行通信；GPS定位模块用于采集采摘机的位置信息，采集的数据信息以报文的方式通过无线模块传至采摘平台，用于区分不同种植棚、不同位置的采摘机，方便采摘平台的管理；陀螺仪模块用于采集采摘机运行加速度，尤其是沿导轨方向的加速度与竖直方向的加速度，采集的导轨方向加速度用于中央控制器通过PID算法控制采摘机车轮转速，竖直方向加速度通过积分得出采摘机所处双孢菇种植架的层数，以报文的形式打包传送给采摘平台；温湿度采集模块用于采集双孢菇种植环境的温湿度；红外光电传感器模块，用于测量采摘机所载的外伸导轨与竖直种植架的距离，用于采摘终端中央控制器处理，使外伸导轨完成避障的动作；电源管理模块通过继电器控制采摘机主电的通断，当主电断开时，由备用电源支持采摘终端工作。

所述双孢菇采摘控制系统还包括采摘平台，该采摘平台包括历史数据存储功能，用于记录各个双孢菇采摘机的运行情况包括采摘个数、遗漏率、双目摄像头视频存储等；该采摘平台还包括参数设置功能，用于在采摘机运行前设置本次采摘双孢菇的高度、大小，采摘种植架的长度、层数，移动距离等信息，以报文的形式通过采摘机所载终端的无线通信模块发送给采摘终端；该监控平台还包括图像特征提取的功能，通过图像二值化处理、边缘检测等算法处理，提取摄像头采集区域内包含双孢菇的个数、双孢菇的高度、双孢菇密度等特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统，其特征在于其采摘头由电磁铁控制张开与闭合，内壁为斜面，可夹住比预定大小大的双孢菇；其采摘手臂由电机丝杠驱动，由采摘终端中央控制器控制，可调节机器每次采摘双孢菇的高度，对种植架上的双孢菇进行区分采摘，只采摘满足采摘条件的双孢菇，提高了双孢菇的资源利用率。在现有的双孢菇采摘机中，如荷兰的滚动式采摘机，对双孢菇进行无差别切割采摘，就不利于双孢菇的资源利用；同时本发明可以通过双目摄像头采集采摘区域内的图像，传至采摘平台进行区分不同位置双孢菇的高度，由采摘平台下发指令控制采摘头采摘的高度，更加智能化。

2、本发明采摘头挂在采摘手臂上，左右对称均匀分布。每个采摘手臂下方各挂着7个采摘头，可同时对两排的双孢菇进行采摘，提高了采摘的速度。与人工采摘或一些单采摘头的双孢菇采摘机相比，效率更高；同时本发明，采摘平台带有图像处理功能，可提取双目摄像头采集图像的图像特征，提取区域内双孢菇的密度、高度等信息，若采摘区域内双孢菇密度小、高度低，则提高采摘机步距；若密度大、高度高则减小采摘机步距。这样基于图像识别，有差别地进行采摘工作，使双孢菇采摘机具有较高的采摘效率。

3、本发明带有远程监控采摘终端，与采摘平台进行无线通信，采摘平台处理双目摄像头采集的图像信息的同时也监控了采摘机械的运行情况；同时本采摘机带有GPS定位模块和陀螺仪模块，可跟踪定位采摘机的位置，在哪个双孢菇种植架工作，在种植架的哪层工作；同时采摘机带有限位装置与测距装置，在发生故障时，采摘终端会断掉外部电源，对采摘机进行急停处理。与现有的单个采摘机工作，由人工管理机器相比，本发明的采摘机与控制系统更方便管理，更加安全。

附图说明

图1为本专利实施案例的一种双孢菇采摘机机械结构示意图；

图2为双孢菇采摘机结构组成图；

图3为双孢菇采摘终端与采摘平台结构示意图；

图4为本专利实施案例的一种双孢菇采摘机系统运行步骤流程图；

图5为本专利双孢菇采摘机采摘机构完成采摘动作的流程图。

图1中1为双目摄像头、2为前方红外光电传感器装置、3为壳体、4为第一传送带、5为转轴、6为机械手臂、7为采摘头、8为转轴外壳与丝杠接头、9 为后方红外光电传感器装置、10位采摘终端、11为采摘机后轮、12为第二传送带、13为外伸导轨。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。

本发明一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统，采摘机结构组成框图(参见图2)，采摘机的机械结构(参见图1)包括双目摄像头1、前方红外光电传感器装置2、壳体3、第一传送带4、转轴5、机械手臂6、采摘头7、转轴外壳与丝杆接头8、后方红外光电传感器装置9、采摘终端10、采摘机后轮11、第二传送带12、外伸导轨13。

该双孢菇采摘机还带有采摘终端与采摘平台，该采摘终端的设计框图(参见图3)，包括电源模块、wifi通信模块、陀螺仪模块、红外光电传感器模块、电机驱动模块、温湿度采集模块、数据存储模块、GPS定位模块；该双孢菇采摘平台的设计框图(参见图3)，包括实时数据显示模块、历史数据查询模块、参数设置模块与图像特征提取模块。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端中央控制器采用STM32F407VE 芯片。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端陀螺仪模块采用LSM6DSL 6轴陀螺仪芯片。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端WIFI通信模块采用ATK-ESP8266 芯片。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端GPS定位模块采用ATGM336H芯片。

该双孢菇采摘机及其控制系统工作步骤是(参见图4)：

S1：用户从移动客户端登录采摘平台，根据各采摘机的位置信息与采摘机特有的编号选择控制哪个采摘机；

S2：采摘平台根据采摘环境的温湿度，蘑菇的生长天数等信息，通过神经网络构建的模型，得出本次需要收割的双孢菇的高度信息；用户也可人工输入本次需要收割双孢菇的高度信息，双孢菇种植架的长度与层数等信息；

S3：采摘平台将启动信息与此次采摘的配置信息通过无线链路发送给采摘终端的WIFI通信模块，由WIFI通信模块唤醒采摘终端中央控制器；中央控制器控制继电器连通采摘机的主电，至此采摘机启动完成。

S4：机器视觉装置，如双目摄像头采集将要采摘区域的图像，通过局域网络上传至采摘平台服务器。

S5：在服务器上装有图像处理软件，可以对采集图像进行特征提取，提取的信息有双孢菇种植的密度信息、双孢菇的高度信息。根据密度与高度信息通过计算得出机械手臂、采摘头与车轮的运动参数，由采摘平台以报文的形式下发给采摘终端；采摘终端中央控制器根据报文内容通过后轮电机驱动器控制采摘机前进的速度，通过电机驱动，转轴与丝杠传动控制机械手臂与采摘头完成采摘动作。

S6：采摘动作步骤(参见图5)：S61由丝杠带动机械臂与采摘头下降；S62 采摘头的底端到达要采摘双孢菇蘑菇头的高度后，对电磁铁通电使采摘头张开，采摘头继续下降，待采摘头到达双孢菇蘑菇头下方时，对电磁铁断电使采摘头闭合；S63对机械臂上控制套筒的电磁铁瞬间上电与断电，可控制机械臂前后震荡，完成采摘双孢菇前的晃动动作，使双孢菇与种植土壤连接松动，减小了提取双孢菇时对双孢菇根部的损害；S64由丝杠带动机械臂与采摘头上升，完成对双孢菇的提取动作；S65由步进电机驱动转轴，使连接在转轴上的机械臂旋转 90度，使采摘头位于横向传送带的上方，完成对双孢菇的传送动作；S66由电磁铁控制采摘头张开，释放双孢菇，双孢菇会落在横向传送带上；S67转轴驱动机械臂与采摘头旋转90度快速回复原位置。

S7：根据2个红外光电传感器装置测量双孢菇种植架竖直支撑杆的位置，2 个红外光电传感器装置分布在采摘机壳体有外伸导轨侧的右上角与左上角。该外伸导轨位于纵向传送带的下方，为凹槽状，可自由伸缩。前方红外光电传感器装置检测到竖直支撑杆后，采摘终端中央控制器根据车速计算出外伸导轨撞击竖直支撑杆的时间，在撞击之前，通过直线电机驱动丝杠控制外伸导轨向内收缩。在后方红外光电传感器装置检测到竖直支撑杆时，由步进电机驱动丝杠控制外伸导轨向外延伸。至此完成了避障动作。

S8：根据GPS定位模块与安装在种植架顶端的限位装置，可判断采摘机是否到达了终点，若到达终点，则采摘终端向采摘平台发送到达终点报文，在采摘平台成功回复后，采摘终端断开采摘机的主电源，采摘终端进入休眠模式。至此本次任务结束。

本发明中所涉及的“左”、“右”、“前”、“后”等方位词是一个相对概念，以图1中X轴为长度方向也是横向；y轴方向为宽度方向也是纵向；Z轴方向为高度方向。X轴正向为前方，反方向为后方；Z轴正向为上方，反方向为下方。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种可区别采摘的双孢菇采摘机及其控制系统，其特征在于该双孢菇采摘机及其控制系统包括采摘机、采摘终端和采摘平台，所述双孢菇采摘机包括底盘、壳体、驱动机构、采摘机构、传送机构与机器视觉装置；所述采摘终端包括中央控制器、wifi通信模块、GPS定位模块、陀螺仪模块、红外测距模块、温湿度采集模块、电源管理模块与电机驱动模块；所述采摘平台包括实时数据显示模块、历史数据查询模块、图像特征识别模块与参数设置模块。

2.根据权利要求1所述该双孢菇采摘机采摘机构特征在于其转轴与机械手臂具有一定的高度，为对称的两个，该转轴的外壳与丝杠相连，可做上下运动，对不同高度的双孢菇进行区别采摘；该转轴与步进电机通过同步齿形带连接，由步进电机控制转轴旋转角度与方向；其机械手臂为折线型，分为伸缩杆和挂杆，伸缩杆一端与转轴连接，伸缩杆中套有一段套管，由一个电磁铁控制套管伸缩，完成采摘双孢菇时的抖动动作，挂杆下方挂有7个采摘头；进一步地该采摘头由支架、竖直固定隔板、两个可转动挡板与电磁铁组成。

3.根据权利要求1所述该双孢菇采摘机传送机构特征在于其传送机构包括第一传送带、第二传送带与外伸导轨，第一传送带将采摘头释放的双孢菇向后方传输，至第二传送带；第二传送带有一定倾斜角度，负责将第一传送带运来的双孢菇向外传输至外伸导轨；进一步地该外伸导轨为凹槽形，位于第二传送带下方，与第二传送带平行，负责将采摘的双孢菇传送至采摘机外部；外伸导轨可根据红外光电传感器装置的测量，由直线电机与丝杠控制进行避障。

4.根据权利要求1所述该双孢菇采摘机驱动机构特征在于其驱动机构包括驱动两个后轮的两个直流电机，驱动两个传送带的两个直流电机，控制采摘装置上下移动的第一、第二直线电机，控制转轴转动的第一、第二步进电机，控制外伸导轨避障的第三直线电机，驱动机械手臂套管的电磁铁和驱动采摘头张开闭合的电磁铁。

5.根据权利要求1所述该双孢菇采摘机机器视觉装置特征在于包括照明装置和图像采集装置，带有局域网视频图像传输功能，可预先采集采摘区域图像，由局域网上传至采摘平台。

6.根据权利要求1所述该采摘终端采用STM32F407为主控芯片，特征包括可接收采摘平台发送的参数信息与上报采摘机的运行情况；进一步地该采摘终端特征还在于其有控制外伸导轨避障的功能；进一步地该采摘终端特征还在于其可通过继电器控制采摘机主电的通断；进一步地该采摘终端还带有备用电源。

7.根据权利要求1所述该采摘平台特征在于该图像特征识别模块功能为将采集到的图像进行特征提取；参数设置模块功能为供用户输入双孢菇种植架的长度、宽度、层数、本次采摘双孢菇的高度等信息；该采摘平台特征还在于其通过局域网无线链路将参数信息通过报文的形式发送给采摘终端。