CN110199683A - 基于ir与tcs的自识别水果采摘装置及水果采摘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，包括伸缩杆、控制装置、采摘筒、输送管道、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器、LED灯、电池、分类装置总成。本发明结构简单，操作、携带简便、识别准确、自动采摘准确率高，能够减轻水果采摘工人的劳动强度，提高工作效率，并且方便采摘果树上不便于人工手摘的果实，不需要在使用额外的力量进行采摘水果。

Description

基于IR与TCS的自识别水果采摘装置及水果采摘方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种基于IR与TCS的自识别水果采摘装置及水果采摘方法。

背景技术

我国是世界上水果生产和消费大国，随着人们生活水平的提高，水果消费需求逐年快速增长，尤其在边远山区水果种植特别广泛，每当水果成熟季节，需要大量劳动力，费时费力。现阶段的传统摘果机普遍存在结构复杂，体型笨重，成本高，操作不便，效率低，速度慢的问题，每一次摘一个水果都需要停下把摘下的水果放到地面的摘果匡，从而导致速度慢，并且传统的机器是使用手的握力来驱动机器时间长了就会导致手的酸痛，从而增加了人工的劳动量。普通的果剪不可以采摘高处的水果，而可伸缩的果剪除了采摘不方便，还需要对准水果的果枝才能进行采摘。

纵观国内外摘果机的发展现状，目前机械化水果采摘的方式可分为大型农机设备和小型采摘装置两种。大型农机设备具有效率高、速度快等优势，但由于技术与地势地貌的显著差异，大型农机设备仅适合在广阔平原及标准化种植地区使用，不适用于台地、丘陵、山地等种植地。大型农机需要专业人士进行操作，且操作复杂、笨重并具有一定的危险性，采摘过程中会因为装置本身缺陷或操作失误对果实甚至果树造成一定的伤害。因此，大型机械无法满足个体农户的使用，对于山地、丘陵地带也无法使用，并且对水果的伤害非常大，制造成本高，只适用与大型农场。

市场上普通小型采摘装置具有操作简便、轻巧等优势，但由于采摘周期的限制，小型采摘装置间接采摘效率低，自动识别功能不完善，无法精准定位水果果柄，步骤繁琐，不具连贯性等缺点一一展现。对于种植面积大、采摘周期短的种植户来说，选择一款操作简便且效率高的产品至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，结构简单，操作、携带简便、识别准确、自动采摘准确率高，能够减轻水果采摘工人的劳动强度，提高工作效率，并且方便采摘果树上不便于人工手摘的果实，不需要在使用额外的力量进行采摘水果。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，包括伸缩杆、控制装置、采摘筒、输送管道、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器、水果分类装置、LED灯、电池；

所述的伸缩杆的上端与控制装置的下端连接，控制装置的上端与采摘筒的侧壁连接，控制装置的轴向垂直于采摘筒的轴向；

所述的采摘筒的两端开口，采摘筒的前端开口上设有切断刀总成，采摘筒的后端与输送管道的上端连通；所述的切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器分别与控制装置电连接；所述的红外检测探头组包括个3红外检测探头Ⅰ和1个红外检测探头Ⅱ，所述的3个红外检测探头Ⅰ设于采摘筒的内壁前端上，沿圆周均匀间隔分布，所述的红外检测探头Ⅱ设于采摘筒内壁的中部圆周上的任一点处，所述的颜色传感器设于采摘筒的内壁上，位于个红外检测探头Ⅰ和红外检测探头Ⅱ之间；所述的LED灯设于采摘筒的内壁上，位于颜色传感器旁边；

所述的电池分别与控制装置、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器、LED灯电连接，用于供电；

所述的控制装置分别与切断刀总成、红外检测探头Ⅰ、红外检测探头Ⅱ、颜色传感器、LED灯电连接；所述的红外检测探头Ⅰ用于检测水果是否进入筒体，并发送水果进入信号至控制装置；所述的控制装置收到水果进入信号后，控制LED灯点亮，同时控制颜色传感器开启，所述的颜色传感器检测水果的颜色帧数，并传输颜色帧数信号至控制装置，所述的控制装置预设水果对应的颜色帧数范围，通过对比颜色帧数信号确定进入的物体是否为水果；所述的红外检测探头Ⅱ用于检测水果到达切割位置，当红外检测探头Ⅱ检测到水果，并且颜色传感器识别进入物体为水果时，控制装置控制切断刀总成进行切割作业；

所述的水果分类装置设于输送管道下端，能将水果分到不同的水果箱中。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括水果分类装置，所述的水果分类装置包括基座、分类套筒、转动斜台、转动电机、分类口、分类管；所述的分类套筒的下端固定设于基座上，分类套筒的上端与输送管道的下端连接；所述的基座的下底面设有转动电机，所述的转动电机的输出轴穿过基座底板，伸入基座内；所述的分类套筒的内壁上沿圆周方向间隔设置多个分类口，每个分类口分别与一根分类管连接，每根分类管分别与一个水果箱连通；所述的转动斜台固定设于转动电机的输出轴上，转动斜台为圆柱体，其上端面为斜面，随着转动电机驱动转动斜台转动，转动斜台的斜面能够转到正对各个分类口的位置。

所述的切断刀总成包括切断刀I、切断刀II；所述的切断刀I包括弧形的双刀和旋转电机I，双刀的尾端与旋转电机I的转轴连接，所述的旋转电机I安装于采摘筒的侧壁上；

所述的切断刀II包括弧形的单刀和旋转电机II，单刀的尾端与旋转电机II的转轴连接，所述的旋转电机II安装于采摘筒的侧壁上；

所述的单刀在采摘筒的轴向上恰好位于双刀的两个刀片之间；所述的单刀和双刀的弧度大于度小于度，并且其圆心位于与采摘筒的轴线上，半径与采摘筒的半径相同。

所述的输送管道为布编管道，输送管道内设有多个缓冲装置。

所述的控制装置为Arduino mini，所述的红外检测探头Ⅰ的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的红外检测探头Ⅱ的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的颜色传感器的型号为TCS34725颜色感应识别模块。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括手柄，所述的手柄设于伸缩杆的下端；所述的手柄设有开关，所述的开关与控制装置电连接，控制各模块的开启和关闭。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括显示屏，所述的显示屏设于手柄上，并与控制装置电连接，接收并显示电池电量和采摘数量数据。

所述的采摘筒规格根据所采摘的水果种类设计，所述的红外检测探头Ⅰ和红外检测探头Ⅱ之间的轴向距离，略大于所采摘类型的水果的高度。

本发明还提供了一种基于IR与TCS的自识别水果采摘方法，应用了如权利要求-任一项所述的自识别水果采摘装置，包括以下步骤：

A、控制装置中预设水果种类，设定各水果种类所对应的颜色帧数，具体设定值范围如下：2000帧以下为苹果，3000-4000帧为香梨，1000-3000帧为橘子；

B、根据所采摘的水果大小，选择合适的采摘筒，并根据当前采摘水果种类选择控制装置的颜色帧数设定值范围；启动电源，控制装置、红外检测探头组、颜色传感器启动；

C、人工将自识别水果采摘装置的采摘筒伸向水果，如果红外检测探头Ⅰ均检测到物体，等待10ms，红外检测探头Ⅰ仍然检测到物体，发出进入信号至控制装置；控制装置发送启动信号打开LED灯，颜色传感器检测物体颜色帧数，并将物体颜色帧数传输至控制装置，控制装置对比检测到物体颜色帧数与颜色帧数设定值范围，若在范围内，即为水果，否则为其他物体；如果检测结果属于水果时，发送识别成功信号至控制装置；

D、当至少两个红外检测探头Ⅰ检测不到物体，并且红外检测探头Ⅱ检测到物体时， 并且控制装置接收到识别成功信号，由控制装置驱动切断刀总成，切断水果枝条，否则控制装置不驱动切断刀总成；然后控制装置控制LED灯关闭；

E、通过转动电机开关控制转动电机，驱动转动斜台转动至对应水果种类的分类口处，水果经过转动斜台的斜面进入该分类口，经分类管落入水果分隔箱中对应的位置。

本发明的有益效果为：

本发明的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，简化了采摘机的结构，结构简单，操作、携带简便，能够减轻水果采摘工人的劳动强度，提高工作效率，并且方便采摘果树上不便于人工手摘的果实，伸缩杆可将采摘头推送至空间较远位置进行彩摘，降低了采摘难度。

本发明采用的红外检测探头组、颜色传感器组合应用，能够实现对水果在套筒中位置进行准确识别，确保切割位置准确，不会伤到水果，同时能够识别是否为对应水果，避免采摘不必要的枝条或树叶等杂物。

本发明的控制装置和颜色传感器还能够根据不同的水果种类进行选择，大大扩展了能够准确采摘的水果种类。

本发明还设计了水果分类装置，通过人工开关，切换到对应的分类口及分类管处，能够对不同种类的水果进行分类传输存储。

本发明的采摘头设计独特，科学合理，安全可靠，能够快速采摘果实，实现机械化，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的采摘筒结构示意图。

图3是本发明的采摘筒的另一结构示意图。

图4为本发明的水果分类装置的去掉分类套筒后的结构示意图。

图中各序号和名称如下：

1-手柄；2-伸缩杆；3-控制装置；4-采摘筒；5-切断刀I；51-双刀；52-旋转电机I；6-切断刀II；61-单刀；62-旋转电机II；7-颜色传感器；8-输送管道；9- LED灯；10-红外检测探头Ⅰ；11-红外检测探头Ⅱ；12-基座；13-分类套筒；14-转动斜台；15-转动电机；16-分类口；17-分类管。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-2所示，本发明的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，包括伸缩杆2、控制装置3、采摘筒4、输送管道8、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器7、LED灯9、电池；

所述的伸缩杆2的上端与控制装置3的下端连接，控制装置3的上端与采摘筒4的侧壁连接，控制装置3的轴向垂直于采摘筒4的轴向；

所述的采摘筒4的两端开口，采摘筒4的前端开口上设有切断刀总成，采摘筒4的后端与输送管道8的上端连通；所述的切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器7分别与控制装置3电连接；所述的红外检测探头组包括3个红外检测探头Ⅰ10和1个红外检测探头Ⅱ11，所述的3个红外检测探头Ⅰ10设于采摘筒4的内壁前端上，沿圆周均匀间隔分布，所述的红外检测探头Ⅱ11设于采摘筒4内壁的中部圆周上的任一点处，所述的颜色传感器7设于采摘筒4的内壁上，位于个红外检测探头Ⅰ10和红外检测探头Ⅱ11之间；所述的LED灯9设于采摘筒4的内壁上，位于颜色传感器7旁边；

所述的电池分别与控制装置、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器7、LED灯9电连接，用于供电；

所述的控制装置3分别与切断刀总成、红外检测探头Ⅰ10、红外检测探头Ⅱ11、颜色传感器7、LED灯9电连接；所述的红外检测探头Ⅰ10用于检测水果是否进入筒体，并发送水果进入信号至控制装置3；所述的控制装置3收到水果进入信号后，控制LED灯9点亮，同时控制颜色传感器7开启，所述的颜色传感器7检测水果的颜色帧数，并传输颜色帧数信号至控制装置3，所述的控制装置3预设水果对应的颜色帧数范围，通过对比颜色帧数信号确定进入的物体是否为水果；所述的红外检测探头Ⅱ11用于检测水果到达切割位置，当红外检测探头Ⅱ11检测到水果，并且颜色传感器7识别进入物体为水果时，控制装置3控制切断刀总成进行切割作业；

所述的水果分类装置设于输送管道8下端，能将水果分到不同的水果箱中。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括水果分类装置，所述的水果分类装置包括基座12、分类套筒13、转动斜台14、转动电机15、分类口16、分类管17；所述的分类套筒13的下端固定设于基座12上，分类套筒13的上端与输送管道8的下端连接；所述的基座12的下底面设有转动电机15，所述的转动电机15的输出轴穿过基座12底板，伸入基座12内；所述的分类套筒13的内壁上沿圆周方向间隔设置多个分类口16，每个分类口16分别与一根分类管17连接，每根分类管17分别与一个水果箱连通；所述的转动斜台14固定设于转动电机15的输出轴上，转动斜台14为圆柱体，其上端面为斜面，随着转动电机15驱动转动斜台14转动，转动斜台14的斜面能够转到正对各个分类口16的位置。

所述的切断刀总成包括切断刀I5、切断刀II6；所述的切断刀I5包括弧形的双刀51和旋转电机I52，双刀51的尾端与旋转电机I52的转轴连接，所述的旋转电机I52安装于采摘筒4的侧壁上；

所述的切断刀II6包括弧形的单刀61和旋转电机II62，单刀61的尾端与旋转电机II62的转轴连接，所述的旋转电机II62安装于采摘筒4的侧壁上；

所述的单刀61在采摘筒4的轴向上恰好位于双刀51的两个刀片之间；所述的单刀61和双刀51的弧度大于120度小于180度，并且其圆心位于与采摘筒4的轴线上，半径与采摘筒4的半径相同。

所述的输送管道8为布编管道，输送管道8内设有多个缓冲装置。

所述的控制装置3为Arduino mini，所述的红外检测探头Ⅰ10的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的红外检测探头Ⅱ11的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的颜色传感器7的型号为TCS34725颜色感应识别模块。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括手柄1，所述的手柄1设于伸缩杆2的下端；所述的手柄1设有开关，所述的开关与控制装置3电连接，控制各模块的开启和关闭。

所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，还包括显示屏9，所述的显示屏9设于手柄1上，并与控制装置3电连接，接收并显示电池电量和采摘数量数据。

所述的采摘筒4规格根据所采摘的水果种类设计，所述的红外检测探头Ⅰ10和红外检测探头Ⅱ11之间的轴向距离，略大于所采摘类型的水果的高度。

本发明还提供了一种基于IR与TCS的自识别水果采摘方法，应用了如权利要求1-8任一项所述的自识别水果采摘装置，包括以下步骤：

A、控制装置3中预设水果种类，设定各水果种类所对应的颜色帧数，具体设定值范围如下：2000帧以下为苹果，3000-4000帧为香梨，1000-3000帧为橘子；

B、根据所采摘的水果大小，选择合适的采摘筒3，并根据当前采摘水果种类选择控制装置3的颜色帧数设定值范围；启动电源，控制装置3、红外检测探头组、颜色传感器7启动；

C、人工将自识别水果采摘装置的采摘筒4伸向水果，如果红外检测探头Ⅰ10均检测到物体，等待10ms，红外检测探头Ⅰ10仍然检测到物体，发出进入信号至控制装置3；控制装置3发送启动信号打开LED灯9，颜色传感器7检测物体颜色帧数，并将物体颜色帧数传输至控制装置3，控制装置3对比检测到物体颜色帧数与颜色帧数设定值范围，若在范围内，即为水果，否则为其他物体；如果检测结果属于水果时，发送识别成功信号至控制装置3；

D、当至少两个红外检测探头Ⅰ10检测不到物体，并且红外检测探头Ⅱ11检测到物体时，并且控制装置3接收到识别成功信号，由控制装置3驱动切断刀总成，切断水果枝条，否则控制装置3不驱动切断刀总成；然后控制装置3控制LED灯9关闭；

E、通过转动电机开关控制转动电机15，驱动转动斜台14转动至对应水果种类的分类口16处，水果经过转动斜台14的斜面进入该分类口16，经分类管17落入水果分隔箱中对应的位置。

Claims (9)

1.一种基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，包括伸缩杆（2）、控制装置（3）、采摘筒（4）、输送管道（8）、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器（7）、LED灯（9）、电池、水果分类装置，其特征在于：

所述的伸缩杆（2）的上端与控制装置（3）的下端连接，控制装置（3）的上端与采摘筒（4）的侧壁连接，控制装置（3）的轴向垂直于采摘筒（4）的轴向；

所述的采摘筒（4）的两端开口，采摘筒（4）的前端开口上设有切断刀总成，采摘筒（4）的后端与输送管道（8）的上端连通；所述的切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器（7）分别与控制装置（3）电连接；所述的红外检测探头组包括3个红外检测探头Ⅰ（10）和1个红外检测探头Ⅱ（11），所述的3个红外检测探头Ⅰ（10）设于采摘筒（4）的内壁前端上，沿圆周均匀间隔分布，所述的红外检测探头Ⅱ（11）设于采摘筒（4）内壁的中部圆周上的任一点处，所述的颜色传感器（7）设于采摘筒（4）的内壁上，位于个红外检测探头Ⅰ（10）和红外检测探头Ⅱ（11）之间；所述的LED灯（9）设于采摘筒（4）的内壁上，位于颜色传感器（7）旁边；

所述的电池分别与控制装置、切断刀总成、红外检测探头组、颜色传感器（7）、LED灯（9）电连接，用于供电；

所述的控制装置（3）分别与切断刀总成、红外检测探头Ⅰ（10）、红外检测探头Ⅱ（11）、颜色传感器（7）、LED灯（9）电连接；所述的红外检测探头Ⅰ（10）用于检测水果是否进入筒体，并发送水果进入信号至控制装置（3）；所述的控制装置（3）收到水果进入信号后，控制LED灯（9）点亮，同时控制颜色传感器（7）开启，所述的颜色传感器（7）检测水果的颜色帧数，并传输颜色帧数信号至控制装置（3），所述的控制装置（3）预设水果对应的颜色帧数范围，通过对比颜色帧数信号确定进入的物体是否为水果；所述的红外检测探头Ⅱ（11）用于检测水果到达切割位置，当红外检测探头Ⅱ（11）检测到水果，并且颜色传感器（7）识别进入物体为水果时，控制装置（3）控制切断刀总成进行切割作业；

所述的水果分类装置设于输送管道（8）下端，能将水果分到不同的水果箱中。

2.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：还包括水果分类装置，所述的水果分类装置包括基座（12）、分类套筒（13）、转动斜台（14）、转动电机（15）、分类口（16）、分类管（17）；所述的分类套筒（13）的下端固定设于基座（12）上，分类套筒（13）的上端与输送管道（8）的下端连接；所述的基座（12）的下底面设有转动电机（15），所述的转动电机（15）的输出轴穿过基座（12）底板，伸入基座（12）内；所述的分类套筒（13）的内壁上沿圆周方向间隔设置多个分类口（16），每个分类口（16）分别与一根分类管（17）连接，每根分类管（17）分别与一个水果箱连通；所述的转动斜台（14）固定设于转动电机（15）的输出轴上，转动斜台（14）为圆柱体，其上端面为斜面，随着转动电机（15）驱动转动斜台（14）转动，转动斜台（14）的斜面能够转到正对各个分类口（16）的位置。

3.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：

所述的切断刀总成包括切断刀I（5）、切断刀II（6）；所述的切断刀I（5）包括弧形的双刀（51）和旋转电机I（52），双刀（51）的尾端与旋转电机I（52）的转轴连接，所述的旋转电机I（52）安装于采摘筒（4）的侧壁上；

所述的切断刀II（6）包括弧形的单刀（61）和旋转电机II（62），单刀（61）的尾端与旋转电机II（62）的转轴连接，所述的旋转电机II（62）安装于采摘筒（4）的侧壁上；

所述的单刀（61）在采摘筒（4）的轴向上恰好位于双刀（51）的两个刀片之间；所述的单刀（61）和双刀（51）的弧度大于120度小于180度，并且其圆心位于与采摘筒（4）的轴线上，半径与采摘筒（4）的半径相同。

4.如权利要求1或5所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：所述的输送管道（8）为布编管道，输送管道（8）内设有多个缓冲装置。

5.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：所述的控制装置（3）为Arduino mini，所述的红外检测探头Ⅰ（10）的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的红外检测探头Ⅱ（11）的型号为艾诺ainol电子Ai-IR，所述的颜色传感器（7）的型号为TCS34725颜色感应识别模块。

6.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：还包括手柄（1），所述的手柄（1）设于伸缩杆（2）的下端；所述的手柄（1）设有开关，所述的开关与控制装置（3）电连接，控制各模块的开启和关闭。

7.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：还包括显示屏（9），所述的显示屏（9）设于手柄（1）上，并与控制装置（3）电连接，接收并显示电池电量和采摘数量数据。

8.如权利要求1所述的基于IR与TCS的自识别水果采摘装置，其特征在于：所述的采摘筒（4）规格根据所采摘的水果种类设计，所述的红外检测探头Ⅰ（10）和红外检测探头Ⅱ（11）之间的轴向距离，略大于所采摘类型的水果的高度。

9.一种基于IR与TCS的自识别水果采摘方法，应用了如权利要求1-8任一项所述的自识别水果采摘装置，其特征在于，包括以下步骤：

A、控制装置（3）中预设水果种类，设定各水果种类所对应的颜色帧数，具体设定值范围如下：2000帧以下为苹果，3000-4000帧为香梨，1000-3000帧为橘子；

B、根据所采摘的水果种类，选择合适的采摘筒（3），并根据当前采摘水果种类选择控制装置（3）的颜色帧数设定值范围；启动电源，控制装置（3）、红外检测探头组、颜色传感器（7）启动；

C、人工将自识别水果采摘装置的采摘筒（4）伸向水果，如果红外检测探头Ⅰ（10）均检测到物体，等待10ms，红外检测探头Ⅰ（10）仍然检测到物体，发出进入信号至控制装置（3）；控制装置（3）发送启动信号打开LED灯（9），颜色传感器（7）检测物体颜色帧数，并将物体颜色帧数传输至控制装置（3），控制装置（3）对比检测到物体颜色帧数与颜色帧数设定值范围，若在范围内，即为水果，否则为其他物体；如果检测结果属于水果时，发送识别成功信号至控制装置（3）；

D、当至少两个红外检测探头Ⅰ（10）检测不到物体，并且红外检测探头Ⅱ（11）检测到物体时， 并且控制装置（3）接收到识别成功信号，由控制装置（3）驱动切断刀总成，切断水果枝条，否则控制装置（3）不驱动切断刀总成；然后控制装置（3）控制LED灯（9）关闭；

E、通过转动电机开关控制转动电机（15），驱动转动斜台（14）转动至其中一个水果种类的分类口（16）处，水果经过转动斜台（14）的斜面进入该分类口（16），经分类管（17）落入水果分隔箱中对应的位置。