CN110178540A - 一种基于图像处理的茶叶采摘机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的茶叶采摘机，其特征在于，采摘时不损伤茶叶，对所采摘嫩叶进行自动分层；本发明还公开了一种基于图像处理的茶叶采摘机的工作方法，通过对图像的分析，构建茶陇以及嫩叶的三维模型，对嫩叶进行精确的定位，采摘臂对嫩叶进行折断式采摘，实现对嫩叶的精确采摘；本发明具有如下特点：采摘不损伤茶树与嫩叶、可自由选择采摘嫩叶的芽叶数比、储存嫩叶保鲜性好、采摘效率高、到达茶陇尽头以及遇障自动停止并发出警报。

Description

一种基于图像处理的茶叶采摘机及工作方法

技术领域

本发明涉及一种采茶机和基于该采茶机的工作方法，尤其涉及一种基于图像处理的茶叶采摘机及工作方法，属于农业机械技术领域。

背景技术

目前采茶机多采用推进切割式采摘，该方法所采摘的嫩叶长短不齐，易发生漏采，且对嫩叶造成大量损伤，影响了嫩叶品质。茶农在采茶过程中多采用折断的方式采摘嫩叶，这只因为嫩叶的茎以折断的方式断开能给嫩叶带来更好的品质。

检索发现专利号为201310406555.1的中国专利公开了一种嫩叶智能采茶机，该机通过投影仪向茶陇投射光栅条纹再由摄像机获取光栅反光信息进而对嫩叶进行识别，在强光下无法适用，并且该机采用刀片切割的方式切割嫩叶，对嫩叶品质造成影响，且因嫩叶的特殊结构，平面切割会对嫩叶造成损伤。专利号为201610627086.X的中国专利公开了一种智能采茶机器人及其采茶方法，该机器人只有一个图像采集器，不能拟合出嫩叶的三维模型，仅通过对图像的识别做出判断，准确率极低，不能很好的对嫩叶进行采摘。茶陇中新生嫩叶参差不齐，单一视角下，许多嫩叶被遮挡，单一图像采集器不能采集到所有嫩叶的图像，易发生漏采。

采茶时间段多为清明前后，该时间段下多为气温偏高的晴天，在强太阳光下，摄像头采集图像时极易过曝。检索发现，目前通过机器视觉采摘嫩叶的采摘机的公开专利中，均未加装挡光装置，造成机器在实际图像采集过程中很难获得清晰有效的图像，对嫩叶采摘过程造成影响。清明前后温度偏高，嫩叶堆积极易使内部发热，外部的高温与内部发热都会对嫩叶造成损伤。

检索发现，目前相关公开专利中，均未对采摘机到达茶陇尽头后提出解决方案。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的诸多问题，提出一种不仅能够采摘出相同芽叶比例的嫩叶，采摘过程不对嫩叶品质造成影响，不会损伤嫩叶和茶树，而且在强光下不会对采摘造成任何影响，在高温天气对所采摘的嫩叶进行很好的保存，到达茶陇尽头以及遇障自动停止前进并报警。

为了达到以上目的，本发明的技术方案为：一种基于图像处理的茶叶采摘机，其特征在于，由电池、多层嫩叶存储箱、中央控制器、多轮行走机构、操控扶手、操控面板、距离传感器、警报器、左翼可升降主架、右翼可升降主架、左翼采摘臂、右翼采摘臂、左翼回收装置、右翼回收装置、多个摄像头、太阳能板组成；

进一步的，所述多层嫩叶存储箱外部采用隔热材料，内部设有多层交叉式斜坡与嫩叶数量检测装置，与回收装置相连接。

进一步的，所述中央控制器由图像处理三维建模模块、采摘臂控制模块、行走控制模块、左右翼支架升降模块、路障分析模块组成，输入接口与摄像头、操控面板、操控扶手、距离传感器相连接。

进一步的，所述多轮行走机构由多个车轮和驱动装置组成，所述驱动装置与中央控制器输出接口、操控扶手相连接。

进一步的，所述操控扶手设有采摘模式和行走模式的模式转换开关，设有离合开关、油门。

进一步的，所述操控面板分为按键模块、显示模块，按键模块有总电源开关、多个芽叶数比选择按键，显示模块由茶叶数量显示模块、电量显示模块、报警原因显示模块组成。

进一步的，所述距离传感器安装在采摘机主体正面，传感器以一定角度向前下方，传感器与中央控制器连接，将采集到的数据传输至中央控制器进行分析。

进一步的，所述警报器与中央控制器输出端连接，当遇障、到达茶陇尽头、电量不足、嫩叶数量过多均会发出相应警报。

进一步的，所述左翼可升降主架与所述右翼可升降主架位于采摘机主体左右两侧，均设有步进电机为升降提供动力。

进一步的，所述左翼采摘臂与所述右翼采摘臂均为多自由度的机械臂，可使采摘臂末端在任意维度自由变换，所述左翼采摘臂与右翼采摘臂均在末端设有折断式的采摘手指。

进一步的，所述采摘手指设有两个采摘手指，两个采摘手指具有一定的高度差，采摘时横向交错运行。

进一步的，所述左翼回收装置与所述右翼回收装置均由回收管道、负压风机组成，连接于所述多层嫩叶存储箱。

进一步的，所述多个摄像头数据输出接口连接于中央处理器，利用采集到的图像对茶陇以及嫩叶建立三维模型，分析茶陇与采摘器的高度差。

进一步的，所述太阳能板安装在所述左翼可升降支架与所述右翼可升降支架的上方，收集能量，并且遮挡强光，以便摄像头更好的采集图像。

一种基于图像处理的茶叶采摘机的工作方法，包括以下步骤：

（1） 在操控面板上选择所要采摘嫩叶的芽叶数量比，如：一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶；

（2） 摄像头采集图像信息，并将采集到的信息发送至中央控制器进行处理；

（3） 中央控制器利用接收到的数据构建出茶陇以及嫩叶的三维模型，判断可升降主架高度是否利于采摘；

（4）中央控制器分析对比每个嫩叶的三维模型中是否存在预先选择的芽叶数量比，中央控制器对步进电机下达调节指令；

（5） 采摘臂对符合要求的嫩叶进行折断式采摘，采摘时采用由上层至下层的方式采摘；

（6）采摘后经回收管道运输至多层嫩叶存储箱；

（7） 采摘后行走机构驱动采摘机沿茶陇前进采摘范围长度后停止，进行下次采摘；

（8） 采摘至茶陇尽头或遇到障碍物时，采摘机进行最后一次采摘后停止运行并发出警报。

本发明的有益效果在于：将采摘技术、图像处理、三维建模、路障分析、贮藏技术相结合，实现了可自由选择采摘嫩叶的芽叶数比例，如一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶，采摘过程不对嫩叶以及茶树造成任何损伤，不影响嫩叶品质；本发明提供的一种基于图像处理的茶叶采摘机及工作方法，能够对嫩叶进行折断式采摘，采摘出的嫩叶质量与人工采摘无异，但采摘效率却远远高于人工采摘，且不会有漏采问题，遇障自动停止运行，对所采摘的嫩叶进行很好的保存。

附图说明

图1是基于图像处理的茶叶采摘机的结构示意图；

图2是基于图像处理的茶叶采摘机的侧面结构示意图；

图3是基于图像处理的茶叶采摘机的正面结构示意图；

图4是基于图像处理的茶叶采摘机的后面结构示意图；

图5是多层嫩叶存储箱的结构示意图；

图6和图7是采摘机行进时遇障示意图；

图8是茶树嫩叶结构示意图；

图9是采摘手指结构示意图；

图中主要附图标记含义如下：

1-采摘机主体，2-太阳能板，3-距离传感器，4-多轮行走机构，5-操控扶手，6-升降导轨，7-操控面板，8-可升降主架，9-摄像头，10-步进电机，11-采摘臂，12-采摘手指，13-回收管道，14-交叉式斜坡，15-数量检测装置

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明，下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例是一种基于图像处理的茶叶采摘机，包括左翼采摘器、右翼采摘器、采摘机主体1，左（右）翼采摘器的可升降主架8通过升降导轨6与采摘机主体1相连接，可升降主架8通过步进电机10驱动，沿升降导轨6进行升降；可升降主架8上方设有太阳能板2，太阳能板2在收集能量的同时遮挡强光，为摄像头9提供更好的图像获取环境；摄像头9将获取到的数据传输给采摘机主体1内部的中央处理器，中央处理器通过获取到的数据对茶陇以及嫩叶进行三维建模，并且判断可升降主架8高度是否合适，若不合适，对步进电机10下达调节指令；若合适，在所建三维模型中查找操控面板7所设置的芽叶数比的嫩叶，通过采摘臂11、采摘手指12和回收装置的配合对所查找到的嫩叶进行采摘。

本实施例中的采摘机主体1包括中央控制器、电池、多层嫩叶存储箱、距离传感器3、操控面板7、操控扶手5、警报器、多轮行走机构4及其驱动装置，操控面板7分为按键模块与显示模块，按键模块设有总电源开关、芽叶数比选择按键，显示模块分为电量状况显示模块、茶叶数量显示模块、报警原因显示模块；操控扶手5设有行走模式与采摘模式的模式转换开关、离合、油门；模式调为采摘模式时，在操控面板7上选择所要采摘的芽叶数量比，如一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶，采摘器进行采摘，因茶陇上嫩叶生长参差不齐，并且嫩叶之间距离随机，采摘时一旦采摘臂和采摘手指触碰到了其他嫩叶，极易使其他嫩叶发生晃动，进而影响采摘效率，为尽量减少或避免在采摘一片嫩叶时对其他嫩叶的触碰，故进行从上层至下层的采摘；当采摘完毕当前区域段下的所有嫩叶后，中央控制器对多轮行走机构4下达前进指令，前进采摘范围长度后停下，进行下一次采摘，以此往复，直至距离传感器3检测到达茶陇尽头或检测到前方有障碍物时停止前进与采摘，并发出警报，采摘人员从远处听到警报后，到达采摘机所在地，将采摘机调节为行走模式，行走模式下，多轮行走机构4受操控扶手5上的离合与油门控制，采摘人员利用操控扶手5将采摘机转移至下一行茶陇；因在实际情况中，茶陇尽头的场景不尽相同，很难实现自动换行，所以在此进行人为干预将采摘机换行，是一种符合实际且高效的解决方案。

本实施例中的距离传感器3采用激光距离传感器，当然，也可采用超声波距离传感器或其他距离传感器，距离传感器3置于采摘机主体正前方，并以一定倾角向下，将检测到的距离值传输至中央控制器，如图6-7，当检测的距离发生较大变化时，即认为到达茶陇尽头或遇到障碍物，中央控制器再对多轮行走机构4的驱动装置下达相应指令，并发出相应警报。

本实施例中的多层嫩叶存储箱内部所设的多层交叉斜坡14采用较为光滑的材料，因采摘机行走过程中会发生一定颠簸，在重力的作用下，斜坡上的嫩叶会进行自动分层，对嫩叶进行分层，避免了因积压对嫩叶造成损伤，多层嫩叶存储箱外部采用的隔热材料避免了高温对嫩叶的损伤；多层嫩叶存储箱内部所设的数量检测装置15采用红外装置，发射端发射红外，接收端接收红外，当接收端持续五秒未接收到红外则表明嫩叶已装至该数量检测装置的高度，操控面板7随即对茶叶数量显示做出变化，当嫩叶装至最上层的数量检测装置的高度，即认为到达存储上限，警报器发出相应警报，采摘工作随即停止。

本实施例中采用折断式的采摘手指12对嫩叶进行采摘，如图8所示，普通水平刀头切割会损伤嫩叶，采摘手指12的两个横向手指具有一定的高度差，均为细圆柱状，因为新生嫩叶的茎较脆，而叶具有一定的韧性，采摘时采摘手指横向交错运行，使茎断裂而不会损伤茶叶。采摘臂11与采摘手指12联动使采摘手指到达既定的采摘位置，中央控制器对采摘手指下达采摘命令，并对收集装置下达收集命令，采摘手指横向交错运行，折断嫩叶，嫩叶通过回收管道运送至多层嫩叶存储箱。

本实施例中的摄像头9设在可升降主架8下方的两对角处，嫩叶生长在茶陇中参差不齐，单一视角下许多嫩叶被遮挡而无法获取到其图像，本实施例中从多个视角对茶陇和嫩叶的图像进行采集，避免了无法获取到全部嫩叶图像的情况，通过不同视角下的同一物体的图像拟合出三维模型，从而更加精准的对嫩叶定位。

本实施例是一种基于图像处理的茶叶采摘机的工作方法，包括以下步骤：

（1） 在操控面板上选择所要采摘嫩叶的芽叶数量比，如：一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶；

（2） 摄像头采集图像信息，并将采集到的信息发送至中央控制器进行处理；

（3） 中央控制器利用接收到的数据构建出茶陇以及嫩叶的三维模型，判断可升降主架高度是否利于采摘；

（4）中央控制器分析对比每个嫩叶的三维模型中是否存在预先选择的芽叶数量比，中央控制器对步进电机下达调节指令；

（5）采摘臂对符合要求的嫩叶进行折断式采摘，采摘时采用由上层至下层的方式采摘；

（6） 采摘后经回收管道运输至多层嫩叶存储箱；

（7） 采摘后行走机构驱动采摘机沿茶陇前进采摘范围长度后停止，进行下次采摘；

（8） 采摘机行驶至茶陇尽头或遇到障碍物时，采摘机进行最后一次采摘后停止运行并发出警报。

本实施例中负压风机只在采摘时工作，非采摘过程负压风机自动停止工作 。

本发明将采摘技术、图像处理、三维建模、路障分析、贮藏技术相结合，实现了可自由选择采摘嫩叶的芽叶数比例，如一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶，采摘过程不对嫩叶以及茶树造成任何损伤，不影响嫩叶品质；本发明提供的一种基于图像处理的茶叶采摘机及工作方法，能够对嫩叶进行折断式采摘，采摘出的质量与人工采摘无异，但采摘效率却远远高于人工采摘，且不会有漏采问题，遇障自动停止运行，对所采摘的嫩叶进行很好的保存。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于图像处理的茶叶采摘机，其特征在于，包括采摘机主体、左翼采摘器、右翼采摘器；所述采摘机主体包括电池、多层嫩叶存储箱、中央控制器、多轮行走机构、操控扶手、操控面板、距离传感器、警报器；所述左翼采摘器包括左翼可升降主架、左翼采摘臂、左翼回收装置、两个摄像头、太阳能板；所述右翼采摘器包括右翼可升降主架、右翼采摘臂、右翼回收装置、两个摄像头、太阳能板；

所述多层嫩叶存储箱，具有自动分层功能，可对嫩叶进行自动分层，防止因积压损伤嫩叶，所述多层嫩叶存储箱外层为隔热材料，有效的防止温度过高对嫩叶造成损伤，所述多层嫩叶存储箱内部设有嫩叶数量检测装置，用于检测嫩叶数量，防止嫩叶溢出；

所述多轮行走机构由所述中央控制器和所述操控扶手控制，控制茶叶采摘机行进与停止；

所述操控扶手设有采摘模式与行走模式的转换开关、离合开关、油门；

所述操控面板设有按键用于选择采摘嫩叶的芽叶数比，所述操控面板设有显示区域，用于显示采摘机电量状况以及所述多层嫩叶存储箱内部嫩叶数量情况；

所述距离传感器设于所述采摘机主体正前方上部，检测采摘机是否到达茶陇尽头以及前方是否有障碍；

所述左翼可升降主架和所述右翼可升降主架与采摘机主体相连接，所述左翼可升降主架和所述右翼可升降主架设有步进电机，所述步进电机与中央控制器相连接，自动调节所述左翼采摘器与所述右翼采摘器的高度；

所述左翼采摘臂与所述右翼采摘臂为多个自由度的机械臂，末端设有折断式的采摘手指；

所述采摘手指设有两个采摘手指，两个采摘手指具有一定的高度差，采摘时两个采摘手指交错运行；

所述回收装置包括回收管道和负压风机组成，所述负压风机由所述中央控制器控制；

所述两个摄像头设于所述可升降主架下方的对角上，所述两个摄像头将所采集的信息传输给所述中央控制器；

所述太阳能板设于所述左翼可升降主架和所述右翼可升降主架上方，所述太阳能板的输出接口与电池相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的茶叶采摘机，其特征在于，所述的多层嫩叶存储箱外部采用隔热材料，内部设有多层交叉式斜坡与数量检测装置。

3.基于权利要求1-2任意一项所述的一种基于图像处理的茶叶采摘机的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在操控面板上选择所要采摘嫩叶的芽叶数量比，如：一芽一叶、一芽二叶、一芽三叶；

(2)摄像头采集图像信息，并将采集到的信息发送至中央控制器进行处理；

(3)中央控制器利用接收到的数据构建出茶陇以及嫩叶的三维模型，判断可升降主架高度是否利于采摘；

(4)中央控制器分析对比每个嫩叶的三维模型中是否存在预先选择的芽叶数量比，中央控制器对步进电机下达调节指令；

(5)采摘臂对符合要求的嫩叶进行折断式采摘，采摘时采用由上层至下层的方式采摘；

(6)采摘后经回收管道运输至多层嫩叶存储箱；

(7)采摘后行走机构驱动采摘机沿茶陇前进采摘范围长度后停止，进行下次采摘；

(8)采摘至茶陇尽头或遇到障碍物时，采摘机进行最后一次采摘后停止运行并发出警报。

4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，采用多颗摄像头采集图像信息，对茶陇及嫩叶建立三维模型，对嫩叶外形进行精准分析的同时对嫩叶进行精准定位。

5.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，采摘机到达茶陇尽头或遇到障碍自动停止前进并报警。

6.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，能够自主选择采摘嫩叶芽叶的比例。

7.根据权利要求3所述的工作方法，其特征在于，负压风机只在采摘时工作，非采摘过程负压风机自动停止工作。