CN109328973B - 一种橡胶树智能割胶系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶树智能割胶系统及其控制方法，所述割胶系统包括移动车架、图像采集模块、高压水切割模块、控制模块和数据处理模块；所述方法为控制模块控制移动车架至未割胶橡胶树下，控制高压水切割模块对橡胶树进行割胶。与现有技术相比，本发明提供的橡胶树智能割胶系统和方法，功耗低、传输准确、抗干扰性能高，控制方便，高效实用，实现稳定可控、以最佳方式割胶，以机器人代替人工在最优时间段内工作，在割胶基础上再加入监控与自动控制功能，实现全方位的掌握橡胶树的动态，减少人工投入成本，提高生产效率，具有较好的推广和使用价值。

Description

一种橡胶树智能割胶系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶树割胶装置，属于农业领域，具体是一种橡胶树智能割胶系统及其控制方法。

背景技术

橡胶制品业是国民经济传统的重要基础性产业之一，广泛应用于采掘、轨道交通、建筑、机械、航空、电子、军工等工业领域，许多橡胶制品可作为最终产品直接运用于日常生活、文体活动和医疗卫生等方面。随着经济的不断发展，我国橡胶制品业得到快速的发展，市场需求相对旺盛，产业结构不断进行调整。

在橡胶收割前，一颗橡胶树需要投入的劳动力占了生产总投入的60％。割胶技术的好坏，不仅影响橡胶树的产量，也影响着产胶的寿命。几十年来，海南各地的农场胶工们采取的都是人工割胶的方式作业，而橡胶树最佳产胶时间又在凌晨的3、4点钟，起早摸黑，就成了老胶工的写照。

近年来，橡胶行情低迷，加上老胶工逐渐退休，胶工短缺就成了制约天然橡胶发展的瓶颈。国内橡胶企业纷纷开始研制自动化程度更高的橡机设备，以适应国内人工现状和市场发展的需要。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手是工业机器人的一个重要分支。工业机械手的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

在橡胶产业中，割胶机器人的发展前景广阔，但目前研发的此类机器仍存在许多的问题，比如：野外作业动力的问题，目前使用电池，不环保且消耗大，对于一些不平整橡胶的切割准确度还不够，以及控制系统的各种优化问题。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种橡胶树智能割胶系统及其控制方法，稳定性较强，可灵活操控，搭载机器人嵌入型系统进行精准定位切割，切割能力强，可规划最优路径，反馈橡胶树生长情况。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种橡胶树智能割胶系统，包括移动车架、图像采集模块、高压水切割模块、控制模块和数据处理模块，所述图像采集模块、高压水切割模块和控制模块均设于移动车架上，所述数据处理模块设于远程监测中心(所述数据处理模块也可随控制模块设置于硬件载体上)，所述控制模块控制图像采集模块实时监测橡胶树生长情况，所述数据处理模块通过图像采集模块传回的数据处理后判断是否可以割胶，所述数据处理模块将割胶或监测命令下达至控制模块后，所述控制模块控制移动车架移动或高压水切割模块割胶。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述移动车架上装有定位模块，所述定位模块用于向远程监测中心发送移动车架的位置信息。

所述移动车架包括行走梁总成，在行走梁总成首尾两侧分别装有导向轮和驱动轮，所述导向轮与驱动轮之间排列有若干支重轮，所述支重轮顺次平行设置在行走梁总成一侧，所述导向轮、驱动轮和支重轮外环绕一履带。

所述高压水切割模块包括喷射组件、机械手和转台，所述喷射组件和转台分别连接在机械手的两端，所述转台安装于移动车架上，所述机械手包括至少一个关节和连接在关节两端的机械臂。

所述控制模块选自单片机，所述单片机通过接收数据处理模块发送的位置数据，控制移动车架的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O。

所述数据处理模块包括用于处理摄像头捕捉的图像、并提取位置信息以及生长信息的图像数据处理器和用于管理摄像头的图像采集处理器。

本发明的另一目的是提供上述橡胶树智能割胶系统的割胶方法，包括如下步骤：

步骤a)所述控制模块控制移动车架至未割胶橡胶树下收集橡胶树的基本信息；

步骤b)所述数据处理模块将控制模块收集的橡胶树基本信息与远程监测中心内预先存储的可割胶橡胶树的基本信息对照，判断是否可以割胶，当判断可以割胶时，进入步骤c，当判断不能割胶时，重复步骤a～步骤b直至可以进入步骤c；

步骤c)所述控制模块控制高压水切割模块对橡胶树进行割胶。

步骤a收集橡胶树基本信息的具体操作为：所述图像采集模块通过摄像头输入待割胶橡胶树的图像，传输至数据处理模块，所述数据处理模块基于OpenCV函数对从摄像头输入的图像的颜色及轮廓进行分析。

步骤b判断是否可以割胶的具体操作为：步骤a得到分析后的橡胶树基本信息后，将其与远程监测中心内预先存储的可割胶橡胶树的直径、叶蓬等基本信息进行对比，若符合要求则进入步骤c，若不符合要求则重复步骤a～b直至进入步骤c。

步骤c割胶的具体操作为：所述控制模块控制转台旋转，再控制机械手调整喷射角度，最后控制模块控制喷射组件对准乳管处的最佳下刀位置喷射，刻划流胶槽，放置橡胶原液容器至流胶槽底部回收橡胶液。

所述方法还可包括步骤d：云端数据库将割胶系统的割胶情况进行汇总，监控割胶系统的工作量与橡树林可割胶情况。

本发明的橡树智能割胶系统的工作过程为：将橡树智能割胶系统置于地面，通过数据处理模块从数据库获取某一橡树坐标，将此橡树作为目标橡树，以橡树智能割胶系统作为原点建立二维坐标系，控制模块根据目标橡树的二维坐标数据，完成橡树智能割胶系统的运动规划。控制模块发送指令控制移动车架行驶到指定位置，摄像头扫描周边环境捕捉橡树图像，将扫描的图像信息传输至数据处理模块，数据处理模块利用识别算法与远程监测中心预先存储的橡树乳管位置信息匹配，根据所获取的橡树乳管位置信息，控制模块自动调节移动车架行驶到合适位置，随后利用摄像头扫描目标橡树测量直径，与数据处理模块中预设的标准判断橡胶树是否可以切割取胶。当判断不能割胶时，数据处理模块与远程监测中心连接，调用储存于数据库中的橡树林中各橡树种植的间距信息，控制移动车架行驶至下一目标橡树，再次进行判断是否可割胶的程序。当判断可以割胶时，则控制移动车架向橡胶树方向移动，数据处理模块进一步的处理图像数据(所述数据处理模块基于OpenCV函数对图像数据的颜色以及轮廓进行分析，确认最佳下刀位置)，将最佳下刀位置坐标发送给控制模块，启动高压水切割模块(控制模块控制转台旋转，再控制机械手调整喷射角度，将喷射组件对准乳管处最佳下刀位置喷射，按照原先设定好的程序，喷射高压水刻划流胶槽；待切割完毕后，喷射组件自动停止喷射，工作完成后控制模块控制转台以及机械手完成刚才工作过程的反过程，将转台、机械手归位，割胶完毕。此时，控制模块给数据处理模块发送控制指令，数据处理模块再次与远程监测中心连接，数据处理模块发送已割胶的信息到数据库，在预设的橡树林信息中对该割胶完毕的橡树做好标记，调用储存于数据库中的橡树林中各橡树种植的间距信息，控制移动车架行驶至下一目标橡树重复进行割胶的过程。

上述判断是否可以切割取胶的具体方法是：将摄像头所获取的图像利用图像分析算法，提取有效信息与预先录入远程监测中心数据库里的橡树信息(包括橡树的直径、叶蓬大小、橡树乳管尺寸、树高等必要的橡树树龄判断参数)进行对比，判断树龄是否已达可切割范围。如果不符合切割要求，远程监测中心即可将该橡树的信息发送至数据库，在预设的橡树林数据中对该橡树做标记。然后再将下一目标橡树的二维坐标数据发送至数据处理模块。

与现有技术相比，本发明提供的橡胶树智能割胶系统通过图像采集模块精准掌握橡胶树的乳管位置，数据处理模块确认最佳的下刀位置，控制模块控制高压水切割模块进行割橡胶操作，功耗低、传输准确、抗干扰性能高，控制方便，高效实用，实现稳定可控、以最佳方式割胶，以机器人代替人工在最优时间段内工作，在割胶基础上再加入监控与自动控制功能，实现全方位的掌握橡胶树的动态，减少人工投入成本，提高生产效率，具有较好的推广和使用价值。

通过定标定点的方式，控制移动车架行驶至目标树木旁合适位置，配合机械手的操作，利用高压水喷头在目标树木上精准刻划出流胶槽，并放置橡胶原液容器，操作实时通过无线传输至云平台进行登记与记录，并利用导航数据进行地理实时定位。

附图说明

图1为本发明提供的橡胶树智能割胶系统拓扑图；

图2为本发明提供的橡胶树智能割胶系统立体图；

图3为本发明提供的橡胶树智能割胶系统侧视图；

图4为本发明提供的橡胶树智能割胶系统的图像收集模块工作流程图；

图5为本发明提供的橡胶树智能割胶系统的高压水切割模块拓扑图；

图6为本发明提供的橡胶树智能割胶系统的增压器结构示意图；

其中，1、移动车架；10、导向轮；11、行走梁总成；12、支重轮；13、驱动轮；14、履带；2、图像采集模块；21、第一摄像头；22、第二摄像头；3、高压水切割模块；31、喷射组件；311、喷嘴；32、机械手；321、关节；322、机械臂；33、转台；331、台面；332、回转支撑；34、喷射辅助组件；341、增压器；342、液压泵；343、蓄能器；344、水箱；345、电机；346、高压管路；4、控制模块；5、数据处理模块；6、定位模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的橡胶树智能割胶系统的一种实施方式，包括移动车架1、图像采集模块2、高压水切割模块3、控制模块4和数据处理模块5，图像采集模块2、高压水切割模块3和控制模块4均设于移动车架1上，数据处理模块5设于远程监测中心，控制模块4控制图像采集模块2实时监测橡胶树生长情况，数据处理模块5通过图像采集模块2传回的数据处理后判断是否可以割胶，数据处理模块5将割胶或监测命令下达至控制模块4后，控制模块4控制移动车架1移动或高压水切割模块3割胶。移动车架1上装有定位模块6，定位模块6用于向远程监测中心发送移动车架1的位置信息。割胶前，远程监测中心录入橡胶林的基本信息(将橡树进行编号，编号橡树录入现实坐标系中各橡胶树的位置以及生长数据信息)，在移动车架1进入橡胶林前，远程监测中心处理橡胶树信息，整理出待收割橡胶树，数据处理模块5找出最佳路径发送数据至控制模块4，控制模块4控制移动车架1行驶至某一指定橡胶树位置，再从云端数据库获取目标树木的信息。在收割完橡胶之后，标记该橡胶树为已工作，避免系统重复收割。之后再通过北斗卫星定位实时向云端服务器报告目前位置，方便监控。

本实施例中，移动车架1包括行走梁总成11，在行走梁总成11首尾两侧分别装有导向轮10和驱动轮13，在导向轮10和驱动轮13之间、行走梁总成11下方排列有若干支重轮12，导向轮10、驱动轮13、行走梁总成11和支重轮12外环绕一履带14，履带式底盘适合于崎岖不平地段的割橡胶工作。

本实施例中，图像采集模块2由第一摄像头21和第二摄像头22组成，两摄像头安装在移动车架1前端，第一摄像头21用于捕捉路径情况，并将信息反馈给控制模块4，第二摄像头22捕捉要切割的橡胶树图像。

本实施例中，高压水切割模块3包括顺次连接的喷射组件31、机械手32、转台33、喷射辅助组件34和收集器(图中未示出)，其中，喷射组件31包括喷嘴311，机械手32由两个关节321和连接在关节321上的机械臂322组成三自由度的机械手32，转台33由360度水平面上转动的台面331及回转支撑332组成，转台33安装于移动车架1上，喷射组件31和转台33分别与不同机械臂322连接，喷射辅助组件34安装在移动车架1上，包括增压器341、液压泵342、蓄能器343、水箱344、电机(图中未示出)和高压管路346。在进行高压水切割时，水箱315与电机316安装在移动车架1上，水箱315与为喷射组件31提供水源，电机316为整个系统提供动力。

本实施例中，喷嘴311，喷咀的大小，形状，其内表面质量直接影响切割质量，用人造蓝宝石制成，直径0.3mm，达到高压水喷射最佳效果，用于橡胶树的切割，寿命长，成本低；收集器，用以收集切割物料之后的水流，它可以降低噪音，使水流回收处理；增压器312，压力较低的油作用于增压器大活塞，使其往反运动，大活塞上连续有两个小的柱塞泵出高压水，这种往返柱塞式的液压泵是整个系统的核心；蓄能器313，为了保持高压水的连续流动，减少系统内的压力脉动，需用一个高压水的蓄能器313，蓄能器313内没有运动件，当增压器312活塞换向时，依靠水的可压缩性而保持输出压力；高压管路346，把水从泵站输送到切割地点，高压管路346的直径有6.35mm，通过安装单作用成双作用小扭矩旋转接头，或把钢管绕成圆形回路，可使喷嘴311得到多轴运动，且各部件与管路接头处均有可靠的密封。

转台33分别与移动车架1及机械手32连接，转台33包括位于移动车架1(本实施例中为履带式底盘)之上的可以360度水平面上转动的台面331及与台面331连接的回转支撑332，通过回转支撑332可以让移动车架1承受转台33的全部重量。

本实施例中，控制模块4包括STM32Cortex M3单片机，STM32Cortex M3通过接受数据处理器通过串口/CAN总线发送的位置数据，来完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O，用于控制移动车架1的移动，图像采集模块2进行图像采集和橡胶树生长状况实时监测，以及高压水切割模块3的切割；具体为：根据数据处理模块5设计的最佳割胶路径控制移动车架1行驶至目标橡树旁；采用CCD传感器配合相应的机械传动装置测量技术和GPRS无线网络技术，对橡胶树生长实施远程实时监测，以此来解决当前检测橡胶树生长过程中数据采集以及数据远程传送方面的问题；采用单片机作为橡胶树生长速率检测系统的核心处理器，分别完成橡胶树生长速率数据、橡胶树外部生长环境数据的自动采集及数据的远程传送，并将橡胶树生长情况反馈给远程监测中心。橡胶树生长速率及其外部生长环境数据远程传送方式采用GPRS网络数据传输技术，通过TCP/IP协议进行上位机(远程监测中心)和现场机(需安装控制模块4)之间的无线数据传输，充分发挥GPRS技术的数据传输优势，避免了远程有线网络布线及维护成本高的缺点，具有技术先进、易于实现、可靠性高、成本造价低、易于普及等优点，极大地消除了检测对象(橡胶树)应用空间距离的限制。

本实施例中，数据处理模块5包括用于处理摄像头捕捉的图像、并提取位置信息以及生长信息的图像数据处理器和用于管理摄像头的图像采集处理器，所述图像数据处理器的电路包括以微处理器为核心的电路板，所述的电路板外围电路包括FLASH、SRAM、SDRAM存储器，opencv图像转换电路、5V稳压电源，所述的电路板带有数字图像输入接口，USB接口、VGA接口、按键I/O接口、RS232通信接口。图像采集处理器采用嵌入式Nios II软核处理器模块、图像硬件加速模块、FIFO缓存模块和运动控制模块，所述模块包括底层硬件驱动程序、解释程序和特定的指令规范；提高了图像处理速度，保证了系统的实时性，对图像采集模块2采集的画面进行图像处理，对于由图像采集卡收集到的连续的视频图像，提取单帧图像进行预处理以后，将图像由采集到的RGB(三原色：RED红色、GREEN绿色、BLUE蓝色)的图像转换为色度图像；数据处理模块5对RGB图像中色度和明度进行分离，只用色彩本质特性的色度进行聚类分析，进而识别橡胶树干定位。具体第，数据处理模块5运行的数据接收程序采用VC++6.0开发工具设计，数据库存储子系统可采用Microsoft公司推出的SQL Server 2000数据库管理系统。上位机远程监测不但保证了对生长速率检测的无人为干扰，而且方便用户通过浏览器对采集到的橡胶树生长速率数据以及橡胶树生长环境数据进行调用查看以及管理，具有功耗低、传输准确、抗干扰性能高等显著特点，有较好的推广价值。

利用北斗导航从云端服务器获取林区信息与区域，对每棵树木的直径，生长时间、割胶时间汇报至远程监测中心，将移动车架1、图像采集模块2、高压水切割模块3、控制模块4制作成一机器人，多个机器人在树林内工作，数据处理模块5设置于机器人或远程监测中心，用户可通过客户端方便直观的得知林区内每个机器人的位置信息以及工作量。

产品从云端数据库获取橡胶树的坐标，控制运动底盘将机器人移动至目标树木旁，从云端数据库获取目标树木的信息并结合opencv进行物体识别，确定橡胶树的位置，同时采用机械臂控制，实现全自动割胶。除此之外，在割橡胶基础上再加入监控与自动控制功能，利用大数据来反馈整个胶园，包括割胶，施肥，胶园的生产上的管理等，实现天然橡胶的智能化管理。在机器人割橡胶过程同时勘察树木情况，检测橡胶树的直径，是否符合当前年数的生长直径范围，来判断此橡胶树生长速率是否正常，若橡胶树的直径与当前年数直径相吻合且已经到达可割年限数，结合检测到的天气状况，病虫害状况以及橡胶树到达年限可产胶的产量，实施智能化切割，对是否可以下刀以及下刀深浅进行控制；将数据如橡胶产量、病虫灾害情况传输到云端，管理者可实施看到因天气等自然因素导致橡胶产量变化的情况，实现为天然橡胶割胶量及深浅，病虫防治实现智能化管理。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种橡胶树智能割胶系统，其特征在于，包括移动车架(1)、图像采集模块(2)、高压水切割模块(3)、控制模块(4)和数据处理模块(5)，所述图像采集模块(2)、高压水切割模块(3)和控制模块(4)均设于移动车架(1)上，所述数据处理模块(5)设于远程监测中心，所述控制模块(4)控制图像采集模块(2)实时监测橡胶树生长情况，所述数据处理模块(5)通过图像采集模块(2)传回的数据处理后判断是否可以割胶，所述数据处理模块(5)将割胶或监测命令下达至控制模块(4)后，所述控制模块(4)控制移动车架(1)移动或高压水切割模块(3)割胶；图像采集模块(2)由第一摄像头(21)和第二摄像头(22)组成，两摄像头安装在移动车架(1)前端，第一摄像头(21)用于捕捉路径情况，并将信息反馈给控制模块(4)，第二摄像头(22)捕捉要切割的橡胶树图像；所述高压水切割模块(3)包括喷射组件(31)、机械手(32)和转台(33)，所述喷射组件(31)和转台分别连接在机械手(32)的两端，所述转台安装于移动车架(1)上，所述机械手(32)包括至少一个关节(321)和连接在关节(321)两端的机械臂(322)；所述移动车架(1)上装有定位模块(6)，所述定位模块(6)用于向远程监测中心发送移动车架(1)的位置信息；

所述移动车架(1)包括行走梁 总成(11)，在行走梁总成(11)首尾两侧分别装有导向轮(10)和驱动轮(13)，所述导向轮(10)与驱动轮(13)之间排列有若干支重轮(12)，所述支重轮(12)顺次平行设置在行走梁总成(11)一侧，所述导向轮(10)、驱动轮(13)和支重轮(12)外环绕一履带(14)；

所述控制模块(4)选自单片机，所述单片机通过接收数据处理模块(5)发送的位置数据，控制移动车架(1)的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O；

所述数据处理模块(5)包括用于处理摄像头捕捉的图像、并提取位置信息以及生长信息的图像数据处理器和用于管理摄像头的图像采集处理器，所述图像数据处理器的电路包括以微处理器为核心的电路板，所述的电路板外围电路包括FLASH存储器、SRAM加固外围电路、SDRAM存储器，将图像信息转化成数字信息的opencv图像转换电路和5V稳压电源，所述电路板带有数字图像输入接口，USB接口、连接显示器的VGA接口、按键I/O接口和给外部通信设备发送树木信息的RS232通信接口；所述图像采集处理器包括可编程片上系统的软核处理器模块、加速图形运算的图像硬件加速模块和数据缓存输出平缓码流的FIFO缓存模块。

2.一种采用权利要求1所述的橡胶树智能割胶系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a)所述控制模块(4)控制移动车架(1)至未割胶橡胶树下收集橡胶树的基本信息；

步骤b)所述数据处理模块(5)将控制模块(4)收集的橡胶树基本信息与远程监测中心内预先存储的可割胶橡胶树的基本信息对照，判断是否可以割胶，当判断可以割胶时，进入步骤c，当判断不能割胶时，重复步骤a～步骤b直至可以进入步骤c；

步骤c)所述控制模块(4)控制高压水切割模块(3)对橡胶树进行割胶。

3.根据权利要求2所述的橡胶树智能割胶系统的控制方法，其特征在于，步骤a收集橡胶树基本信息的具体操作为：所述图像采集模块(2)通过摄像头输入待割胶橡胶树的图像，传输至数据处理模块(5)，所述数据处理模块(5)基于OpenCV函数对从摄像头输入的图像的颜色及轮廓进行分析。

4.根据权利要求3所述的橡胶树智能割胶系统的控制方法，其特征在于，步骤b判断是否可以割胶的具体操作为：步骤a得到分析后的橡胶树基本信息后，将其与远程监测中心内预先存储的可割胶橡胶树的基本信息进行对比，若符合要求则进入步骤c，若不符合要求则重复步骤a～b直至进入步骤c。

5.根据权利要求2所述的橡胶树智能割胶系统的控制方法，其特征在于，步骤c割胶的具体操作为：所述控制模块(4)控制转台(33)旋转，再控制机械手(32)调整喷射角度，最后控制模块(4)控制喷射组件(31)对准待割胶位置喷射，刻划流胶槽，放置橡胶原液容器至流胶槽底部回收橡胶液。

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