CN109743961A - 一种气力辅助式浆果精确采收装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气力辅助式浆果精确采收装置和方法，其主体单元包括车架、驾驶室、采摘装置、接果装置、动力与传动装置、机器视觉系统。采摘装置由直立梳刷式与气力辅助采摘装置构成。机器视觉系统由面阵CCD与上位机处理器组成，完成浆果果实位置与分布密度识别。本系统首先由面阵CCD判断浆果果实相对位置以及相应位置的果实密度，然后根据位置与密度信息移动梳刷系统中两个梳刷辊相对位置，并调整相应位置区域气流喷头的气流强度，以梳刷为主，气力为辅，完成浆果的采收。本发明可适应于蓝莓等浆果疏密程度不一的自动化采收作业，应用范围广泛。

Description

一种气力辅助式浆果精确采收装置和方法

技术领域

本发明涉及浆果采收领域，具体涉及一种气力辅助式浆果精确采收装置和方法。

背景技术

蓝莓等浆果是中国果树产业的重要组成部分，其产业规模和经济价值在我国林果产业中高居前列。国内浆果采摘过程基本上依靠人工劳作，采摘机械在我国仍然处于研发的起步阶段。在采摘浆果时使用的工具中，梳齿状人工采收器最为常见，在果实收获过程中，需要人工清除枝叶与石块等杂物，最后将收获的浆果装入容器。

国外的浆果采摘机械研究起步比较早，并且技术水平与自动化程度都比较高。对浆果收获机研究最早的国家是美国，采摘方式主要是振动和摆动采摘，其中采摘装置主要分为旋转式和滚动式两种。然而，振动式和旋转式采摘方式不利于果实的收集，并且会对果实造成损伤。

发明内容

本发明的目的是针对现有的浆果采收装置和方法存在的问题，提供一种气力辅助式浆果精确采收装置和方法。该方法效率高，可靠，便于在浆果灌木丛间实施作业。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种气力辅助式浆果精确采收装置，包括车架、驾驶室、采摘装置、接果装置、动力与传动装置、机器视觉系统；

所述机器视觉系统由面阵CCD与上位机处理器组成，所述面阵CCD包括第一级面阵CCD、第二级面阵CCD、第三级面阵CCD，组成前、中、后三级面阵CCD；

所述采摘装置中设有第一级梳刷、第二级梳刷以及第一级气流喷头、第二级气流喷头、第三级气流喷头；其中每级梳刷设有两个并排安装的梳刷辊子、两个联轴器、一个上部直线导轨、两个下部直线导轨，两个梳刷辊子的上端通过滑块安装在上部直线导轨的两端、下端分别安装在一个下部直线导轨上；所述第一级气流喷头、第二级气流喷头、第三级气流喷头为三级安装在车架内侧的气流喷头，每个喷头由气流管路相连接，由空压机统一供气；

所述第一级气流喷头、第二级气流喷头、第三级气流喷头、第一级梳刷、第二级梳刷、第一级面阵CCD、第二级面阵CCD、第三级面阵CCD安装于所述车架内；所述驾驶室安装有座椅、方向盘以及控制台主体。

其中所述第一级面阵CCD和第三级面阵CCD每级各具有三个面阵CCD，分别安装在上方车架内侧的左、上、右部分，所述第二级面阵CCD具有一个面阵CCD，安装在车架内侧上部。

上部直线导轨上安装有左滑块、右滑块和丝杠，所述丝杠两端有螺纹线方向相反的两段螺纹，所述左滑块上安装有左旋转气缸，所述右滑块上安装有右旋转气缸，所述气缸连接联轴器，联轴器连接梳刷辊子；所述梳刷辊子下端通过轴承座与下部直线导轨上的下部滑块相连，每个梳刷辊子对应一个下部直线导轨。

所述气流喷头分为三级，每级至少14个，共42个喷头；每级喷头均布在车架内侧的左、左上、上、右、右上方，其中左侧和右侧分别有对称分布的4个气流喷头，上方均布有4个喷头，左上和右上分别对称分布有1个喷头。

所述上位机处理器集成在驾驶室中，安装在驾驶室中的控制台主体上；所述第一级面阵CCD、第二级面阵CCD、第三级面阵CCD分别安装在车架内侧的左、上、右侧，所述上位机处理器根据每一级面阵CCD所拍摄的图像分析出蓝莓果实的疏密程度以及其位置。

第一级梳刷和第二级梳刷为一高一低的结构，使第一级梳刷和第二级梳刷的梳刷从上至下对应交错分布。

装置下部设有接掉落果实的鱼鳞板，所述鱼鳞板连接到两侧的传送带上，在传送带上分布有间隔均匀的隔板，传送带尾部设有接果筐。

本发明将机器视觉技术加入蓝莓等浆果的采摘过程中，可以对蓝莓等浆果进行精确识别，并能判断出果实的疏密程度及其相应位置，进而控制梳刷工作，完成对蓝莓等浆果的采摘，同时结合气力辅助采摘，能够使得蓝莓等浆果的果树枝条摆动起来，在与梳刷配合作用于蓝莓等浆果采摘时，可以使得果实充分掉落，并且可以精准控制气流，对经过梳刷作用依然遗留在树上的果实进一步的吹落，这样使得果实收获率得到进一步的提高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可以根据蓝莓的疏密程度以及相应位置，调节单级梳刷中两个梳刷的相对距离，使梳刷的采收效率得到提高。

2.本发明通过面阵CCD和上位机处理器来识别出蓝莓果实的疏密程度以及相应的位置。

3.第一和第二级相应位置气流喷嘴可以调整气流强度来使蓝莓尽可能多的掉落；第三级气流喷头可以结合第三级面阵CCD识别结果，对经过前两级梳刷、两级气力作用后的蓝莓果树上剩余的蓝莓进行进一步的吹落，提高采果率和净果率。

附图说明

图1是本发明整体装置示意图。

图2是本发明整体装置立体示意图。

图3是本发明整体装置侧面示意图。

图4是本发明第一级梳刷装置示意图。

图5是本发明气流喷头示意图。

图6是本发明下部直线导轨图。

图7是本发明接果装置示意图。

图8是本发明梳刷变距示意图。

图9是本发明传送带示意图。

图10是本发明喷雾效果示意图。

图11是本发明第一级、第二级梳刷整体示意图。

图中：1-座椅，2-驾驶室，3-控制台主体，4-气流管路，5-气流喷头，6-面阵CCD，7-左梳刷辊子，8-轴承座A，9-下部滑轨B，10-鱼鳞板，11-传送带，12-空压机，13-接果筐，14-车架，15-方向盘，16-第一级梳刷，17-第二级梳刷，18-下部滑轨A，19-丝杠，20-第一级气流喷头，21-第二级气流喷头，22-第三级气流喷头，23-第一级面阵CCD，24-第二级面阵CCD，25-第三级面阵CCD，26-第一级梳刷的上部直线导轨，27-左滑块，28-左旋转气缸，29-联轴器，30-梳刷，31-右滑块，32-右旋转气缸，33-右梳刷辊子，36-下部滑块A，37-轴承座A，38-下部滑块B，42-第二级梳刷上部直线导轨。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种气力辅助式浆果精确采收装置，包括车架14、驾驶室2、采摘装置、接果装置、动力与传动装置、机器视觉系统；

所述机器视觉系统由面阵CCD与上位机处理器组成，所述面阵CCD包括第一级面阵CCD23、第二级面阵CCD24、第三级面阵CCD25，组成前、中、后三级面阵CCD；

所述采摘装置中设有第一级梳刷16、第二级梳刷17以及第一级气流喷头20、第二级气流喷头21、第三级气流喷头22；其中每级梳刷设有两个并排安装的左梳刷辊子、右梳刷辊子，两个联轴器、一个上部直线导轨、两个下部直线导轨，安装在上部直线导轨上的左滑块27和右滑块31、下部直线导轨上安装的下部滑块和轴承座；所述第一级气流喷头20、第二级气流喷头21、第三级气流喷头22为三级安装在车架内侧的气流喷头5，每个喷头由气流管路4相连接，由空压机12统一供气；

所述第一级气流喷头20、第二级气流喷头21、第三级气流喷头22、第一级梳刷16、第二级梳刷17、第一级面阵CCD23、第二级面阵CCD24、第三级面阵CCD25安装于所述车架14内；所述驾驶室安装有座椅1、方向盘15以及控制台主体3。

其中所述第一级面阵CCD23和第三级面阵CCD25每级各具有三个面阵CCD6，分别安装在上方车架内侧的左、上、右部分，所述第二级面阵CCD24具有一个面阵CCD6，安装在车架内侧上部。

在上部直线导轨上安装有左滑块27、右滑块31和丝杠19，所述丝杠19两端有螺纹线方向相反的两段螺纹，所述左滑块27上安装有左旋转气缸28，所述右滑块31上安装有右旋转气缸32，所述气缸连接联轴器29。每一个下部直线导轨分别安装一个滑块，每个滑块上安装有一个轴承座，轴承座分别与对应的梳刷棍子连接。

所述气流喷头5分为三级，每级至少14个，共42个喷头；每级喷头均布在车架内侧的左、左上、上、右、右上方，其中左侧和右侧分别有对称分布的4个气流喷头，上方均布有4个喷头，左上和右上分别对称分布有1个喷头。

所述上位机处理器集成在驾驶室中，安装在驾驶室中的控制台主体3上；所述第一级面阵CCD23、第二级面阵CCD24、第三级面阵CCD25分别安装在车架内侧的左、上、右侧，所述上位机处理器根据每一级面阵CCD所拍摄的图像分析出蓝莓果实的疏密程度以及其位置。

一级的两个梳刷辊子分别安装在左旋转气缸28、右旋转气缸32上，两个旋转气缸分别安装在左滑块27、右滑块31上，由丝杠实现传动，两个滑块沿丝杠两端螺纹相向运动或背向运动。

第一级梳刷16和第二级梳刷17上的梳刷交错分布。

装置下部设有接掉落果实的鱼鳞板10，所述鱼鳞板10连接到两侧的传送带11上，在传送带11上分布有间隔均匀的隔板，传送带尾部设有接果筐13。

以蓝莓举例，蓝莓树从鱼鳞板10前端进入，进入气力辅助可变距梳刷蓝莓采收机的工作部分，在蓝莓树进入采收机之后，第一级气流喷头20(第一级气流喷头均匀分布在机身内侧的左、上、右)开始工作，同时分布在机身内侧的第一级面阵CCD23(第一级面阵CCD由三个分布在机身内侧左、上、右的面阵CCD组成)开始工作，并由上位机处理器进行图像处理，以识别出蓝莓分布的疏密程度和位置，喷头根据疏密程度进行气流强度的调节，在蓝莓果实较密的地方提高相应位置气流喷头的气流强度，喷头吹出的气流作用在蓝莓树上，起到减小蓝莓与枝干之间果实结合力的作用，同时第一级梳刷16开始工作，第一级梳刷的两个梳刷辊子7分别由固定在上部直线导轨的两个滑块上的旋转气缸带动旋转，转动的梳刷辊子与蓝莓果树作用，并结合气流喷头气流的作用，起到将蓝莓果实脱离枝干的目的。第一级梳刷16可以根据相机识别出的蓝莓果实分布的疏密程度，相应的调节两个梳刷辊子之间的距离，具体的调节方式如下，两个梳刷辊子安装在两个旋转气缸上，两个旋转气缸分别安装在两个安装在上部直线导轨的滑块上，由丝杠19实现传动，丝杠两端车有螺纹线方向相反的两端螺纹，实现两个滑块的相向运动或背向运动，每一级具有左、右两个梳刷辊子，左梳刷辊子下端分别通过轴承座A与下部滑块A相连，右梳刷辊子下端分别通过轴承座B与下部滑块B相连，当左滑块、右滑块在丝杠的传动下在上部直线导轨滑动时，带动左梳刷辊子、右梳刷辊子和与之相连的轴承座A、轴承座B以及下部滑块A、下部滑块B分别沿着下部滑轨A、下部滑轨B滑动，从而调节左梳刷辊子、右梳刷辊子之间的距离。

蓝莓经过第二级梳刷17时，第二级面阵CCD24(第二级面阵CCD由一个分布在机身内侧上部的面阵CCD组成)开始工作，第二级气流喷头21(第二级气流喷头均匀分布在机身内侧的左、上、右)，根据第二级面阵CCD采集到的图像中的蓝莓疏密程度调节相应位置喷头的气流强度，同时根据疏密程度调节第二级梳刷两个辊子的距离，以实现蓝莓果实的掉落。

第一级和第二级梳刷上的梳刷交错分布，使得经过两级梳刷辊子和两级气流喷头处理的蓝莓果树上的蓝莓尽可能多的掉落。

经过第一级和第二级梳刷和气流喷头作用掉落的蓝莓，落在与水平面程有一定角度的鱼鳞板10上，蓝莓从鱼鳞板滑到两侧的传送带11上，传送带上分布有间隔均匀的隔板，可以将蓝莓方便的输送到安放在传送带尾部的接果筐13里。

第三级面阵CCD25由三个分布在机身内侧左，上右的面阵CCD组成对经过前两级梳刷辊子和气流喷头的蓝莓果树进行图像采集，在对图像进行处理后，识别出图像中的蓝莓，第三级气流喷头22第三级气流喷头均匀分布在机身内侧的左、上、右工作，将剩余的蓝莓尽可能多的吹离。

所述气力辅助，即第一、第二级气流喷头能够分别根据第一、第二级面阵CCD识别出的蓝莓果树上蓝莓的疏密程度及其相应的位置，从而精准调节相应位置作用区域的气流喷头的气流强度，在果实密度较高的位置相应的提高气流强度，在果实密度较低的位置相应的降低气流强度，通过气流辅助作用在蓝莓果树上，在经过梳刷与果树的作用，从而达到使蓝莓果实充分掉落的作用；第三级气流喷头22能够根据第三级面阵CCD25识别出的遗留在果树上的果实，将果实进一步的吹离果树。气力辅助使得蓝莓果实的采收率得到很高的提高。

所述精确采收，即第一、第二级梳刷棍子能够分别根据第一、第二级面阵CCD识别出的蓝莓果实的疏密程度及其相应位置，精确调节每级两个梳刷辊子之间的距离，在提高梳刷利用率的同时，能够精确作用在蓝莓果树上果实密度不同的区域，从而提高蓝莓采收的效率和采收率；第三级气流喷头22能够根据第三级面阵CC25D识别出的遗留在果树上的果实，使相应位置作用区域的气流喷头开始工作，使果实得到精确采收。

以上所述，仅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，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，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：包括车架(14)、驾驶室(2)、采摘装置、接果装置、动力与传动装置、机器视觉系统；

所述机器视觉系统由面阵CCD与上位机处理器组成，所述面阵CCD包括第一级面阵CCD(23)、第二级面阵CCD(24)、第三级面阵CCD(25)，组成前、中、后三级面阵CCD；

所述采摘装置中设有第一级梳刷(16)、第二级梳刷(17)以及第一级气流喷头(20)、第二级气流喷头(21)、第三级气流喷头(22)；其中每级梳刷设有两个并排安装的梳刷辊子、两个联轴器、一个上部直线导轨、两个下部直线导轨，两个梳刷辊子的上端通过滑块安装在上部直线导轨的两端、下端分别安装在一个下部直线导轨上；所述第一级气流喷头(20)、第二级气流喷头(21)、第三级气流喷头(22)为三级安装在车架内侧的气流喷头(5)，每个喷头由气流管路(4)相连接，由空压机(12)统一供气；

所述第一级气流喷头(20)、第二级气流喷头(21)、第三级气流喷头(22)、第一级梳刷(16)、第二级梳刷(17)、第一级面阵CCD(23)、第二级面阵CCD(24)、第三级面阵CCD(25)安装于所述车架(14)内；所述驾驶室安装有座椅(1)、方向盘(15)以及控制台主体(3)。

2.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：其中所述第一级面阵CCD(23)和第三级面阵CCD(25)每级各具有三个面阵CCD(6)，分别安装在上方车架内侧的左、上、右部分，所述第二级面阵CCD(24)具有一个面阵CCD(6)，安装在车架内侧上部。

3.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：在上部直线导轨上安装有左滑块(27)、右滑块(31)和丝杠(19)，所述丝杠(19)两端有螺纹线方向相反的两段螺纹，所述左滑块(27)上安装有左旋转气缸(28)，所述右滑块(31)上安装有右旋转气缸(32)，所述气缸连接联轴器(29)，联轴器(29)连接梳刷辊子；所述梳刷辊子下端通过轴承座与下部直线导轨上的下部滑块相连，每个梳刷辊子对应一个下部直线导轨。

4.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：所述气流喷头(5)分为三级，每级至少14个，共42个喷头；每级喷头均布在车架内侧的左、左上、上、右、右上方，其中左侧和右侧分别有对称分布的4个气流喷头，上方均布有4个喷头，左上和右上分别对称分布有1个喷头。

5.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：所述上位机处理器集成在驾驶室中，安装在驾驶室中的控制台主体(3)上；所述第一级面阵CCD(23)、第二级面阵CCD(24)、第三级面阵CCD(25)分别安装在车架内侧的左、上、右侧，所述上位机处理器根据每一级面阵CCD所拍摄的图像分析出蓝莓果实的疏密程度以及其位置。

6.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：第一级梳刷(16)和第二级梳刷(17)为一高一低的结构，使第一级梳刷(16)和第二级梳刷(17)的梳刷从上至下对应交错分布。

7.根据权利要求1所述的气力辅助式浆果精确采收装置，其特征在于：装置下部设有接掉落果实的鱼鳞板(10)，所述鱼鳞板(10)连接到两侧的传送带(11)上，在传送带(11)上分布有间隔均匀的隔板，传送带尾部设有接果筐(13)。