CN109588320A - 一种基于3d视觉引导的无人化奶牛挤奶系统 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，包括底座、进牛导流栏杆和出牛导流栏杆，其中所述底座上设有转盘和转盘驱动电机，该转盘被骨架沿圆周方向分隔成若干牛站位单元，每个牛站位单元能匹配一个牛身站立其中；每个所述牛站位单元中均设有一个机器人，该机器人上设有用于扫描牛奶头位置的三维扫描设备和挤奶器；所述驱动电机、三维扫描设备以及机器人均与控制器连接，所述三维扫描设备为由两个相机和一个线激光器组成的双目立体视觉扫描设备。本发明通过传感器扫描定位，并通过机器人实现自动化挤奶作业，相比传统的作业方式具有明显的精度和速度优势，提高了企业生产效率，增加企业竞争力。

Description

一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统

技术领域

本发明涉及无人化挤奶技术领域，具体涉及一种基于相机组网的三维立体扫描方法及系统，能实现对物体三维轮廓的精确快速扫描定位然后进行作业的一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统。

背景技术

随着工业自动化的迅速发展，人们对农业的自动化，无人化的要求越来越高，传统的挤奶方式效率低，占用人力，环境不太好越来越难以满足社会发展的需求。传统挤奶方式：在挤奶的时候我们员工要深入牛棚，拿着挤奶器手动安装，进行挤奶，因而工作效率很低必须一对一进行而且要一对一的人力；工作环境恶劣，员工必须深入到牛棚里面进行挤奶。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，使其可以同时对多个奶牛挤奶，提高挤奶效率，并且只需把奶牛按顺序赶进挤奶的设备里面其它的项目即可在无人化，自动化的环境下完成，无需人工参与；即本发明旨在通过传感器配合机器人和挤奶设备共同实现自动化无人化奶牛挤奶的场景，解决挤奶不方便，工作效率低下等问题，以提高生产效率，保证工件质量。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，包括底座1、进牛导流栏杆2和出牛导流栏杆3，其中所述底座1上设有转盘4和转盘驱动电机41，该转盘4被骨架5沿圆周方向分隔成若干牛站位单元，每个牛站位单元能匹配一个牛身站立其中；每个所述牛站位单元上均设有用于感应奶牛的感应器；每个所述牛站位单元中均设有一个机器人6，该机器人6末端设有用于扫描牛奶头位置的三维扫描设备7和挤奶器8；所述进牛导流栏杆2上设有用于统计经过进牛导流栏杆2的奶牛数量的编码器；所述驱动电机41、三维扫描设备7、机器人6、感应器以及编码器均与控制器9连接，该控制器9控制驱动电机驱动转盘转动，控制三维扫描设备7扫描奶牛奶头，然后接收并处理三维扫描设备7的扫描结果，最后将处理后得到的奶牛奶头的三维坐标输送给机器人6，使机器人6带动挤奶器8对准奶牛的奶头进行挤奶；所述三维扫描设备7为由两个相机和一个线激光器组成的双目立体视觉扫描设备；每个所述进牛导流栏杆2末端均设有可通过控制器9控制其开关的进口门。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术措施来实现。

前述的基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，其中所述的机器人6上还设有与挤奶器8连接的鲜奶暂放桶。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，本发明提出了一种基于相机组网的立体扫描从而实现无人化奶牛挤奶的方法，首先将多套双目立体视觉系统统一到相同的控制场下，然后每套双目立体视觉系统根据各自拍摄到目标物的二维图像分别计算出各自视角下目标物的三维坐标，最终得到物体的三维轮廓数据，然后对奶头进行定位挤奶。

本发明采用三维扫描系统对奶牛奶头进行3D定位确定奶头位置；机器人上面同时安装三维扫描系统(传感器)和挤奶器相互协调工作完成挤奶；机器人上设有鲜奶暂放收集桶，底盘设备旋转和控制装置，可以实现七个奶牛同时挤奶作业提高工作效率，同时实现自动化无人化作业。

综上，本发明至少具有下列：

优点：1.本发明通过传感器扫描定位，并通过机器人实现自动化挤奶作业，相比传统的作业方式具有明显的精度和速度优势，提高了企业生产效率，增加企业竞争力。

2.本发明通过底盘的转动自动化的让奶牛进行作业，真正实现自动化无人化的工作场景。

本发明公开了一种三维扫描系统及方法,属于扫描系统设计领域,该三维扫描系统及方法,区别于现有技术中的三维扫描系统及方法,通过旋转装置的旋转带动待扫描物体旋转,从而有效减少的扫描系统占地面积大的问题,也克服了现有技术中的扫描系统获取的数据不精确导致三维建模不精确的问题,进而在只采用一个扫描装置的基础上,还能保证获取的数据的精确性,进一步的降低挤奶时间,保证挤奶效率。

附图说明

图1为本发明一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统的立体示意图；

图2为本发明一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统的平面示意图；

图3为本发明一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统传感器结构示意图；

图4为本发明一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统机器人结构示意图；

图5为本发明实施例一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统PLC控制器的输入输出端子图；

图6为本发明实施例一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统转盘控制电路图。

【主要元件符号说明】

1：底座

2：进牛导流栏杆

3：出牛导流栏杆

4：转盘

41：驱动电机

5：骨架

6：机器人

7：三维扫描设备

8：挤奶器

9：控制器

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1-4，其为本发明基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统结构示意图，该设备包括底座1、进牛导流栏杆2和出牛导流栏杆3，所述底座1上设有转盘4和转盘驱动电机41，电机41驱动转盘4转动，该转盘4通过骨架5沿圆周方向分隔成若干牛站位单元，每个牛站位单元能匹配一个牛身站立其中。且每个牛站位单元中均设有一个机器人6，该机器人6上设有鲜奶暂放桶，该机器人6末端设有用于扫描牛奶头位置的三维扫描设备7和与鲜奶暂放桶连接的挤奶器8。所述驱动电机41、三维扫描设备7以及机器人6均与控制器9连接，该控制器9控制驱动电机驱动转盘转动，控制三维扫描设备7扫描奶牛奶头，接收并处理三维扫描设备7的扫描结果，并将处理后得到的奶牛奶头的三维坐标输送给机器人6，机器人转动进行调整利用挤奶器8来对准奶牛的奶头进行挤奶。

在本发明实施例中，所述进牛导流栏杆2上设有编码器，利用该编码器统计经过进牛导流栏杆2的奶牛数量。

在本发明实施例中，每个所述进牛导流栏杆2末端，即进牛导流栏杆2与转盘4相接的位置设有可通过控制器9控制其开关的进口门。

在本发明实施例中，每个所述牛站位单元上均设有感应器，通过感应器确认每个牛站位单元是否有奶牛存在。

所述三维扫描设备为单套双目立体视觉系统的硬件，包括两个相机和一个线激光器，相机组装后需要对两个相机标定内参数和外参数。线激光在伺服电机的驱动下做弧面扫描运动，同时，相机分别从左右两个视角拍摄工件，并分别提取投射到工件上的激光线条，并通过求解极线方程确定两条激光线匹配的同名点，然后采用三角测量原理计算出匹配激光线上每个点的三维坐标。其中涉及到以下步骤：

1)激光线条光照无关提取方法

结合灰度阈值和图片每行像素最值的方法实现激光线条光照无关的初步提取，该方法保证了在环境光照下激光线条的稳定提取，实现了激光线条提取对光照变化的弱敏感性。

2)激光线离群点的精确移除

采用激光线条列像素偏差限制的方法剔除因工件表面反射光线引起的激光线散乱，该方法有效剔除了非激光线上的离群点，为后续激光同名点的匹配提供准确的种点点。

3)激光线上点的亚像素定位

发明中采用灰度重心的方法精确的定位激光线的线条中心，从而实现激光线条的亚像素的提取。提高了算法的定位精度。

本发明三维扫描设备和挤奶器共同安装在机器人上面，通过机器人带动三维扫描设备对奶牛进行扫描得出三维扫描数据从而确定奶头的具体位置，然后机器人转动进行调整利用挤奶器来对准奶牛的奶头进行挤奶。每套系统的安装位置以能最大限度的拍摄到奶头为最佳。

本发明实施例中，整个机器人配合传感器和挤奶器装置都是安装在旋转底盘上面，底盘被平分八分，每一份都有独立的挤奶系统和装置。图1中圆柱体代表奶牛，首先奶牛通过进牛导流栏杆2依次进入转盘，然后与进牛导流栏杆2对应的牛站位的感应器感应到奶牛的位置后，控制器封闭进口门，并驱动转盘转过一个牛站位的距离，此时机器人配合三维扫描设备和挤奶器装置开始在底盘旋转的同时进行挤奶。转盘转过一个牛站位的距离后停止转动，此时新的牛站位单元对准进牛导流栏杆2的进口，控制器打开进牛导流栏杆2的进口门使奶牛进入牛站位单元，该牛站位单元的感应器感应到奶牛的位置后，控制器封闭进口门，并驱动转盘再次转过一个牛站位的距离，机器人配合三维扫描设备和挤奶器装置开始在底盘旋转的同时进行挤奶。重复上述步骤，转盘继续转动，然后停下，使奶牛进入空的牛站位单元。当转盘转动使站有奶牛的牛站位单元停在出牛导流栏杆3的入口处时，该牛站位中的奶牛由出牛导流栏杆3离开，同时在进口又一头奶牛进入转盘进行挤奶。

即本发明工作流程如下：先按照导流栏杆走向把奶牛赶到旋转平台上面，在所述控制设备的控制下,旋转平台开始转动同时机器人带动三维扫描设备扫描奶牛奶头，通过三维扫描确定奶头的位置定位然后移动挤奶器到对应的位置进行挤奶作业。同时电机带动整个旋转平台转动。在本发明实施例中由于转盘分为八个格所以可以七个奶牛同时作业提高工作效率，每到一个格停顿一下可以同时上来一头奶牛和下去一头奶牛，本发明不需要员工深入牛棚处理作业，也不需要员工将挤奶器放到奶牛的奶头上,从而实现了全自动的自动化无人工程,较现有人工操作技术在效率和精度上有显著提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，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,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，其特征在于：包括底座(1)、进牛导流栏杆(2)和出牛导流栏杆(3)，其中所述底座(1)上设有转盘(4)和转盘驱动电机(41)，该转盘(4)被骨架(5)沿圆周方向分隔成若干牛站位单元，每个牛站位单元能匹配一个牛身站立其中；

每个所述牛站位单元上均设有用于感应奶牛的感应器；

每个所述牛站位单元中均设有一个机器人(6)，该机器人(6)末端设有用于扫描牛奶头位置的三维扫描设备(7)和挤奶器(8)；

所述进牛导流栏杆(2)上设有用于统计经过进牛导流栏杆(2)的奶牛数量的编码器；

所述驱动电机(41)、三维扫描设备(7)、机器人(6)、感应器以及编码器均与控制器(9)连接，该控制器(9)控制驱动电机驱动转盘转动，控制三维扫描设备(7)扫描奶牛奶头，然后接收并处理三维扫描设备(7)的扫描结果，最后将处理后得到的奶牛奶头的三维坐标输送给机器人(6)，使机器人(6)带动挤奶器(8)对准奶牛的奶头进行挤奶；

所述三维扫描设备(7)为由两个相机和一个线激光器组成的双目立体视觉扫描设备；

每个所述进牛导流栏杆(2)末端均设有可通过控制器(9)控制其开关的进口门。

2.根据权利要求1所述的基于3D视觉引导的无人化奶牛挤奶系统，其特征在于：其中所述的机器人(6)上还设有与挤奶器(8)连接的鲜奶暂放桶。