CN109804777A - 一种菠萝采摘方法 - Google Patents

Abstract

涉及一种菠萝采摘方法，包括以下步骤：识别菠萝、分析菠萝所在位置，其中菠萝所在位置包括水平位置和竖直位置；根据菠萝的水平位置控制行进装置的前进方向，根据菠萝的竖直位置控制高度调节机构调节推断机构的高度；当菠萝到达采摘机的特定工位，摆动机构推动菠萝，使菠萝与茎断裂分离；分离后的菠萝经提升装置提升输送至收集装置；当收集装置收集一定数量的菠萝时，提拉机构运动，调整收集装置内的菠萝使菠萝整齐排放；当收集装置收集满后，卸下菠萝。该采摘方法通过掰断菠萝梗部使菠萝与菠萝植株分离以实现菠萝的采摘，在采摘过程中减少对幼苗的损伤。识别分析、行进、推断、提升和收集过程同步持续进行，菠萝采摘和收集效率大大提高。

Description

一种菠萝采摘方法

技术领域

本发明涉及农业采摘技术领域，具体地说是一种菠萝采摘方法。

背景技术

菠萝作为一种经济农作物，其需求量正在不断提升，如何更好地降低成本已经成为菠萝产出的瓶颈问题，而菠萝的成本占比最大的就是菠萝的采摘费用。菠萝采摘费用高的原因在于：目前菠萝采摘绝大多数是靠人工摘取，而由于菠萝体积较大，采摘过程中运输困难，且果实周围的叶子锐利，很容易割伤工人，因此人工采摘不但低效率，且采摘过程中容易受伤。因此半自动化及全自动化的菠萝采摘技术显得尤为重要，而在现有的自动化采摘设备中，采摘设备通过直接剪切菠萝的梗部使菠萝与菠萝植株分离以实现菠萝的采摘，但是这种直接剪切的方式对菠萝植株上的幼苗的损坏率极高，是一种毁坏性的采摘方式(图7为菠萝植株的示意图，由图可知，幼苗与菠萝的梗部生长得十分紧密，若要直接剪切菠萝的梗部又避免对幼苗造成损伤的难度极大)。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种菠萝采摘方法，直接掰断菠萝的梗部使菠萝与菠萝植株分离以实现菠萝的采摘，在采摘过程中减少对幼苗的损伤。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种菠萝采摘方法，包括以下步骤：识别菠萝、分析菠萝所在位置，其中菠萝所在位置包括水平位置和竖直位置；根据菠萝的水平位置控制行进装置的前进方向，根据菠萝的竖直位置控制高度调节机构调节推断机构的高度；当菠萝到达采摘机的特定工位，摆动机构推动菠萝，使菠萝与茎断裂分离；分离后的菠萝经提升装置提升输送至收集装置；当收集装置收集一定数量的菠萝时，提拉机构运动，调整收集装置内的菠萝使菠萝整齐排放；当收集装置收集满后，卸下菠萝。

优选地，识别菠萝、分析菠萝所在位置的过程，包括识别摄像头视野范围内的所有菠萝、分析视野范围内菠萝的水平位置距离采摘机最近的菠萝，将据采摘机水平位置最近的菠萝的水平位置信息反馈给行进装置、竖直位置信息反馈给高度调节装置。

优选地，行进装置的前进动作和高度调节机构的调节动作同步进行。

优选地，采摘机的特定工位为菠萝通道末端，菠萝通道末端设有限位开关，菠萝触动限位开关的同时摆动机构启动工作。

优选地，识别分析、行进、推断、提升和收集过程同步持续进行，直至收集装置收集满菠萝。

优选地，卸下菠萝的工序包括打开门板，提拉机构调整收集板的倾斜角度；在重力作用下菠萝自动滚落。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.通过直接掰断菠萝梗部的方法使菠萝与菠萝植株分离以实现菠萝的采摘，在采摘过程中减少对幼苗的损伤，属于可持续性的采摘方式。

2.收集过程中提拉机构运动，在收集菠萝时能够使菠萝整齐地收集在收集板上，增加菠萝的收集容量。同时降低采摘过程中的运输成本。

3.在采摘过程中，识别分析、行进、推断、提升和收集过程同步持续进行，提高菠萝采摘和收集效率。

4.利用摄像头可以精确识别菠萝的位置。通过摄像头反馈的菠萝图像确定出前方最近的菠萝的高度，根据菠萝高度调节推断机构的高度，采摘时更加精准且能更好地保护菠萝植株上的幼苗。

附图说明

图1为菠萝采摘机的结构示意图。

图2为行进装置的结构示意图。

图3为摘取装置的结构示意图。

图4为图3中A处的局部放大图。

图5为提升装置的结构示意图。

图6为收集装置和提升装置的结构示意图(为表示结构，右侧侧板未示出)。

图7为菠萝植株的示意图。

图中的标号和对应的零部件名称为：1.收集装置，2.识别装置，3.导果板，4.摘取装置，5.行进装置，6.提升装置，7.框架，101.第一弹簧，102.第一限位光轴，103.固定件，104.同步带，105.第一电机，106.车轮，201.推杆，202.第三电机，203.锥齿轮，204.丝杆，205.推板，206.第二电机，207.第二弹簧，208.丝杆滑块，209.挡板，210.第三弹簧，211.限位开关，301.电机滑台，302.第四电机，303.阻挡条，304.第二限位光轴，305.横杆，306.提升板，307.第一箱式滑块，308.连接杆，309.第四弹簧，310.放置板，311.提升杆，312.滑块，401.第五电机，402.两级同步带，403.绕线轮，404.侧板，405.绳索，406.门板，407.导轨，408.动滑轮，409.收集板，410.第二箱式滑块，411.第三限位光轴，8.菠萝，9.菠萝茎，10幼苗。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种用于实现所述菠萝采摘方法的菠萝采摘机，包括行进装置、摘取装置、提升装置、收集装置、识别装置、导果板和框架。其中识别装置为摄像头，安装在框架的上部，摄影方向为俯视采摘机的前进方向。

行进装置包括：六个车轮、两台第一电机、两条同步带、固定件、第一限位光轴、第一弹簧。六个车轮分别安装在框架的底部，沿采摘机前进方向分两排三列设置，左侧后方的两个车轮为主动轮。第一电机、同步带和主动轮一一对应，第一电机与主动轮分别安装在同步带的两端，第一电机带动同步带运动，同步带带动主动轮运动，进而实现采摘机的前进以及转弯。

右侧的两个车轮的轴的两端均通过固定件与第一限位光轴连接。框架上设有安装第一限位光轴的孔，共四根第一限位光轴均竖直设在框架的底部，每根第一限位光轴上均套设有第一弹簧，第一限位光轴可以沿着框架的孔在竖直方向上下移动。由于第一弹簧的缓震作用，右侧的两个车轮具有缓震作用，以便采摘机能更好地在菠萝地的垄上行进，并且在遇到石头或是坑时，能给予采摘机一定的缓冲，防止侧翻。使采摘机能更好地在菠萝地的沟壑间行进，进而确保采摘工作正常进行。

摘取装置包括：推断机构和用于调节推断机构的高度以确保菠萝掰断部位的高度调节机构。推断机构包括支座、第三电机、推板和安装在支座上的摆动机构。第三电机为双出轴电机。支座的上下两部分的前端铰接，后端通过第二弹簧连接，支座的左侧为菠萝通道，右侧上安装摆动机构。推板安装在摆动机构的顶部且正对菠萝通道的末端。推板与菠萝的接触面上还设有防滑块，用来保护菠萝，避免掰断过程中对菠萝造成损伤。菠萝通道上依次设有挡板、第三弹簧和限位开关，菠萝茎进入菠萝通道后，先触碰到挡板，在第三弹簧的缓冲作用下，菠萝茎缓慢推动挡板，使挡板与限位开关接触，当菠萝茎越过挡板后，挡板在第三弹簧的作用下回到初始位置。第三电机在接收到限位开关的信号之后，启动工作，使摆动机构带动推板推动菠萝，使菠萝与茎断裂分离。摆动机构包括两组通过推杆和光轴对应连接的双摇杆机构，双摇杆机构包括两根摇杆和连接两根摇杆的连杆，两组双摇杆机构的摇杆的上端通过推杆连接、下端通过光轴连接。第三电机的输出轴与远离推板一侧的光轴连接，第三电机带动摆动机构运动。

高度调节机构包括两根丝杆、第二电机、锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ和丝杆滑块。两根丝杆竖直间隔设置，丝杆滑块安装在丝杆上，支座与丝杆滑块连接。第二电机、锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ均安装在丝杆的上端，锥齿轮Ⅰ与丝杆连接。第二电机为双出轴电机，第二电机的两个轴端分别和锥齿轮Ⅱ连接，通过锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ的传动带动两根丝杆的同向转动，从而电动丝杆滑块同时上升或者下降，实现推断机构的高度调节。

提升装置包括：电机滑台、滑块、阻挡条、放置板、提升板、第四弹簧、提升杆、横杆、连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ、第四电机、第一箱式滑块和两根第二限位光轴。第二限位光轴和电机滑台竖直设置在框架的一侧且电机滑台位于两根第二限位光轴的中间，放置板安装在框架的下部，阻挡条安装在框架的上部。提升板安装在提升杆上。横杆和提升杆的两端均通过第一箱式滑块安装在第二限位光轴上且横杆位于提升杆的上方，提升杆可在第一箱式滑块的孔内旋转。在同一第二限位光轴上两个第一箱式滑块之间套设有第四弹簧。连接杆Ⅰ和连接杆Ⅱ铰接，连接杆Ⅰ的一端与横杆对应的第一箱式滑块连接，连接杆Ⅱ的一端与提升板的一端连接，提升板的另一端也通过连接杆Ⅰ和连接杆Ⅱ与横杆另一端的第一箱式滑块连接。滑块安装在电机滑台上，滑块与提升杆的中部连接，放置板和提升板均为梳齿状结构且两者的梳齿间隙相互错开、梳齿间隙大于梳齿的宽度。

收集装置包括：收集板、提拉机构、侧板、门板和导轨。提拉机构包括：第五电机、两级同步带、绕线轮、绳索和动滑轮，第五电机的输出端分别与两组两级同步带连接，每组两级同步带包括一级主动带和两级从动带，每级从动带的末端控制每一绕线轮转动，每一绳索对应绕过一绕线轮和一动滑轮，动滑轮与收集板的一个角连接，收集板的四个角对应四个动滑轮。收集板的四个角还分别与四个第二箱式滑块连接，四个第二箱式滑块分别安装在四根第三限位光轴上，第三限位光轴竖直设置与框架连接。提拉机构通过分别控制收集板的四个角控制收集板的状态。收集板设置在提升装置的前方且位于框架的左侧内部。侧板竖直安装在收集板的前后左右处的框架上，在收集板末端设有门板，各侧板和门板将收集板围住形成收集容槽。两根导轨竖直安装在框架上，门板安装在导轨上、可沿导轨上下移动，门板正对收集板的末端。在收集状态下，门板位于关闭状态，在放出菠萝时，门板位于开启状态(门板在收集板的上方)。

导果板位于摘取装置的支座前方且位于行走装置的中部。导果板的首端与框架连接、末端与菠萝通道的前端连接，导果板引导菠萝茎进入菠萝通道。推板正对菠萝通道的末端。提升装置的放置板位于菠萝通道的末端且位于推板的相对一侧，对应接收掰断后的菠萝。收集板位于提升装置的提升末端的前方。

还包括控制集成部件，采摘机的识别和推断机构的高度调整过程为：从RaspberryPi配套的摄像头采集并将相应的菠萝图像上传到处理系统开始，先进行图像的预处理，包括裁剪、转换成灰度图和去噪等，同时加载相应的分类器，之后提取出菠萝的外轮廓，之后求其中心点的位置。将相应的信息反馈给单片机调整第二电机的转向，实现对推断机构高度的调整。

采摘机启动工作并在菠萝田中一垄的一端开始出发，由于采摘机的右侧的车轮处设有第一弹簧，由于第一弹簧的减震作用，采摘机能更好地在菠萝田地上行进。采摘机在沿着菠萝地的沟壑前进的过程中，摄像头动态捕捉采摘机前方的菠萝的位置，通过控制第一电机使采摘机沿着菠萝田的沟壑朝前方第一个菠萝的方向行进，摄像头反馈的菠萝图像信息先是传输给微型电脑处理，确定出前方最近的菠萝的高度，再反馈信息给单片机，然后通过单片机控制第二电机来调节推断机构的高度，使菠萝进入菠萝通道且菠萝和茎的连接处与支座的上表面位于同一平面。在采摘机行进的过程中，导果板把菠萝茎引导到菠萝通道内，采用推板掰断菠萝的方式采摘菠萝，可以在掰断菠萝的过程中能更好地保护菠萝植株上的幼苗。

一种菠萝采摘方法，包括以下步骤：

识别摄像头视野范围内的所有菠萝、分析视野范围内菠萝的水平位置距离采摘机最近的菠萝所在位置：其中菠萝所在位置包括水平位置和竖直位置。

将据采摘机水平位置最近的菠萝的水平位置信息反馈给行进装置、竖直位置信息反馈给高度调节装置。根据菠萝的水平位置控制行进装置的前进方向，根据菠萝的竖直位置控制高度调节机构调节推断机构的高度。

菠萝茎进入菠萝通道后，先触碰到挡板，在第三弹簧的缓冲作用下，菠萝茎缓慢推动挡板，使挡板与限位开关接触，当菠萝茎越过挡板后，挡板在第三弹簧的作用下回到初始位置。第三电机在接收到限位开关的信号之后，启动工作，使摆动机构带动推板推动菠萝，使菠萝与茎断裂分离。推板上设有用于保护菠萝的防滑块，在掰断菠萝过程中减少对菠萝的损伤。被掰断的菠萝落入提升装置的放置板上。

掰断一个菠萝过程中，摄像头持续工作，采摘机保持行进状态，菠萝茎依次进入菠萝通道，并被掰断。在采摘过程中，提升装置的滑块在电机滑台上维持上下往复运动，提升板在下落过程中碰到放置板上的菠萝时，由于受到下方菠萝的阻挡，两根第二限位光轴内的两根第四弹簧伸长，进而使提升板绕提升杆旋转一定角度避开菠萝继续往下运动，使提升板能越过在放置板的菠萝，达到菠萝的下方。越过菠萝的提升板恢复原始状态并往上运动，提升板在通过放置板时，由于两块板之间的梳齿相互错开，所以提升板可以直接穿过放置板继续向上运动，并在向上运动的过程中带动菠萝提升，在提升板到达阻挡条后，提升板由于受到固定在框架的阻挡条的阻挡，使位于电机滑台两端的两根第二限位光轴内的两根第四弹簧发生挤压使得提升板倾斜，进而使菠萝滚落收集装置的收集板上。完成一次菠萝的提升，提升板持续地上下移动进行菠萝的提升输送工作。然后进行下一次的菠萝提升。

滚入收集板的菠萝由于菠萝本身圆柱状的外形在调整成倾斜状态的收集板上滚动并依次排列，当收集板集满一层菠萝后，提拉机构的第五电机驱动绕线轮旋转调整绳索使收集板上下移动，进而使接下来被提升上来的菠萝能继续在收集板内滚动，完成下一层的菠萝收集。使菠萝能整齐地放置在收集板上，增加采摘机的收集容量。

在菠萝提升和收集过程中，行进装置、摘取装置和摄像头持续工作，提高菠萝采摘和收集的效率。当收集装置收集满菠萝后，打开门板，提拉机构调整收集板的倾斜角度，使收集板上的菠萝自动滚出采摘机。

除了上述实施例提及的方式外，车轮的驱动方式可以更换，可以改用轮毂电机、步进电机、伺服电机等电机驱动。同步带传动也可改为链传动。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种菠萝采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：

识别菠萝、分析菠萝所在位置，其中菠萝所在位置包括水平位置和竖直位置；

根据菠萝的水平位置控制行进装置的前进方向，根据菠萝的竖直位置控制高度调节机构调节推断机构的高度；

当菠萝到达采摘机的特定工位，摆动机构推动菠萝，使菠萝与茎断裂分离；

分离后的菠萝经提升装置提升输送至收集装置；

当收集装置收集一定数量的菠萝时，提拉机构运动，调整收集装置内的菠萝使菠萝整齐排放；

当收集装置收集满后，卸下菠萝。

2.按照权利要求1所述的菠萝采摘方法，其特征在于：识别菠萝、分析菠萝所在位置的过程，包括识别摄像头视野范围内的所有菠萝、分析视野范围内菠萝的水平位置距离采摘机最近的菠萝，将据采摘机水平位置最近的菠萝的水平位置信息反馈给行进装置、竖直位置信息反馈给高度调节装置。

3.按照权利要求1所述的菠萝采摘方法，其特征在于：行进装置的前进动作和高度调节机构的调节动作同步进行。

4.按照权利要求1所述的菠萝采摘方法，其特征在于：采摘机的特定工位为菠萝通道末端，菠萝通道末端设有限位开关，菠萝触动限位开关的同时摆动机构启动工作。

5.按照权利要求1所述的菠萝采摘方法，其特征在于：识别分析、行进、推断、提升和收集过程同步持续进行，直至收集装置收集满菠萝。

6.按照权利要求1所述的菠萝采摘方法，其特征在于：卸下菠萝的工序包括打开门板，提拉机构调整收集板的倾斜角度；在重力作用下菠萝自动滚落。