CN110547146A - 一种多采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种存在多个采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机。采摘机组成部分为采摘机机械结构和控制系统。采摘机机械结构包括外壳、底盘、采摘机构、传送机构及机器视觉装置等；控制系统包括驱动系统、平台系统及采摘终端等。机器视觉装置首先得出双孢菇生长情况，采摘平台根据图像确定采摘机的行走参数；采摘终端驱动采摘机行走；采摘机构完成双孢菇的采摘后，由传送机构将双孢菇送到指定位置。传送机构和机械手臂可以将采摘速度提升上去。机器视觉装置提取采摘区域的特征，这样可以确定双孢菇大小和高度，进而完成采摘工作，或者是人工输入需采摘双孢菇的大小和高度，进而可以将双孢菇的资源利用率提升上去。

Description

一种多采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机

技术领域

本发明涉及双孢菇采摘与机械控制技术领域，特别是涉及一种多采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机及其控制系统。

背景技术

由于双孢菇具有生长密集、分布无规律、易受损害、生长周期短且速度差异大等特点，所以利用机械自动化的方式进行双孢菇采摘存在一定的难度。国内大部分种植大棚用户采用的还是人工采摘方式，用人手拔起或者铲子铲起，需要耗费大量的劳动力，且效率较低、成本较高不利于双孢菇的资源利用。

因此，需要一种新的双孢菇自动采摘的方法，以解决采摘效率低、对双孢菇资源损耗大、无法自动选择采摘等问题。

发明内容

为了克服现有的采摘机械在采摘过程中对双孢菇资源损耗高、缺少控制与监测系统、采摘效率低等缺陷，本发明提供了一种带有远程监控与传感器系统的多采摘头可区分采摘双孢菇采摘机。

本发明所采用的技术方案是：

一种多个采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机。其特征在于采摘机主要组成部分由采摘机机械结构和采摘机控制系统组成。采摘机机械结构包括外壳、底盘、采摘机构、传送机构及机器视觉装置等；控制系统包括驱动系统、平台系统及采摘终端。

采摘平台对机器视觉装置所拍摄的图像进行分割与提取；该采摘平台可以将图像参数信息通过无线局域网传递给采摘终端。由采摘终端驱动采摘机构运转，实现对双孢菇采摘的功能。

所述采摘机的机械结构布局特征为：采摘机底盘由四个车轮构成，并且横跨在双孢菇种植架导轨上，采摘双孢菇过程中在驱动系统的驱动下可以沿着种植架前进或后退；采摘机构特征为包括机械手臂转轴、机械手臂与采摘头，位于采摘机最前方位置，为八个六自由度的机械手臂，通过舵机实现对机械手臂的控制，在采摘头内部含有超声波测距传感器及压力传感器；所述传送机构特征为包括横向斜梯及外伸导轨，横向斜梯前端高度与采摘机总体高度的中心位置一致，后端高度与外伸导轨高度差不多但略高于外伸导轨，外伸导轨位于横向斜梯下方位置，并且同外伸导轨带保持平行；所属机器视觉装置特征为位于采摘机横向最前端，纵向中间位置。

所述采摘机行走机构与外壳特征为：该行走机构为四轮式，由底盘驱动模块驱动，并且以串口通信的方式实现与采摘终端的通信；四个轮子通过直线电机实现驱动，能够沿着双孢菇种植架导轨前进或后退；外壳位于行走机构的上方，具有一定长宽高。

所述末端执行器特征为包括机械手臂转轴、机械手臂及采摘爪，为八个六自由度机械臂，所属机械手臂转轴特征为可沿垂直方向360度旋转，实现对机械手臂方向的控制；所述机械手臂特征为两个可以进行一定角度转动金属杆，当获得双孢菇生长区域图像之后，将采摘爪送到指定位置，当采摘爪抓住双孢菇之后以旋转方式完成对双孢菇的采摘并且将采摘下的双孢菇放置到横向斜梯；所属采摘爪位于双孢菇采摘机最前端位置，始终处于垂直向下状态，但是采摘爪可沿垂直方向360度旋转，当抓住双孢菇之后进行旋转，进而完成双孢菇的采摘，另外，采摘爪由三个刚性手指组成，在每个手指内部对硅胶类柔性材料进行设置，并且存在压力传感器，用以确定夹持双孢菇时的力度，防止对双孢菇表面造成损伤，另外，在采摘爪顶部位置存在超声波传感器，用于检测采摘爪与采摘目标之间的垂直距离，保证采摘爪可以抓取到双孢菇。

所述双孢菇传送机构包括为横向斜梯及外伸导轨。所述横向斜梯特征为采用光滑材料制作，前端高度与采摘机总体高度的中心位置一致，后端高度略高于外伸导轨，作用是将采摘机构释放的双孢菇传送至采摘机后方的外伸导轨；所述外伸导轨特征为位于横向斜梯下方位置，与横向斜梯在空间上保持平行，作用是将双孢菇运送到指定装置。为了确保外伸导轨不会与双孢菇种植架相碰撞，在外伸导轨的前方与后方设置超声波传感器，通过直线电机驱动气缸方式，对外伸导轨的前进或者收缩进行控制。所述超声波传感器设置在外壳侧面的前上方与后上方，当前方超声波传感器检测到双孢菇种植架竖直支撑架时，将信号传送到中央处理器，通过直线电机驱动丝杠，使外伸导轨完成避障的动作，在外伸导轨避障期间，采摘机不进行工作；当后方超声波传感器检测到竖直支撑架时，中央控制器控制电机驱动丝杠，使外伸导轨伸出，继续正常工作。

所述双孢菇传动机构由五个直流电机、三十二个舵机及一个直线电机组成，其中四个直流电机对底盘四个车轮进行控制。底盘驱动模块以串口通信的方式与采摘终端通信，控制直流电机转速，通过控制继电器的闭合与断开确定采摘车的行驶方向，实现采摘车的前进与后退；以串口通信的方式实现与采摘终端的通信。通过控制电机的转速及转向，可控制采摘机的前进或者后退；第五直流电机实现对外伸导轨的控制。八个机械手臂，每个机械手臂由四个舵机控制，完成对双孢菇的抓取及拧断操作，传送每个机械手臂的自由度为六。

所述传感器系统包括超声波传感器。位于双孢菇采摘机壳体宽度的中央位置，采摘手臂的前方；所述CCD图像传感器用于采集双孢菇的生长信息，确定是否对双孢菇进行采摘，经过局域网络传输到采摘平台。

所述双孢菇采摘控制系统包括采摘机驱动系统：驱动系统包括采摘机底盘驱动模块、采摘机械手臂驱动模块、直流电机驱动器、直线电机驱动器等。底盘驱动模块以串口通信的方式与采摘终端通信，根据提前制定好的通信协议，执行采摘终端所发出的指令，通过电机驱动电路控制采摘车前进或后退；机械手臂驱动模块以串口通信方式与采摘终端进行通信，根据提前制定好的通信协议，执行采摘终端所发出的指令，最终完成对双孢菇的采摘并放置到指定位置；超声波传器模块可以对双孢菇采摘机搭载的外伸导轨与双孢菇培养架竖直支撑架之间的距离进行测量，当外伸导轨与竖直支架距离比较近的时候完成避障操作。

所述双孢菇采摘控制系统还包括采摘终端：双孢菇采摘终端位于采摘机中间位置，与直流电机驱动模块距离较远，可避免电磁干扰。采摘终端以无线通信方式与采摘平台进行通信；GPS定位模块可以获取采摘车具体移动位置，完成对位置信息进行收集之后，通过无线通信方式将信息传送到采摘平台；陀螺仪模块可以获取采摘车移动加速度，进而获取采摘车的移动速度，当采摘车与目标采摘区域距离较远，沿双孢菇植架导轨方向水平加速度通过模糊控制算法，可实现对控制四个底轮的直流电机转速的控制，进而控制车轮的转速，快速到达目标采摘区域，另外，机械手臂对双孢菇抓取过程中，机械爪垂直加速度通过积分形式得出采摘机所处双孢菇种植架的位置，以报文的形式发送个采摘平台；温湿度传感器模块可对双孢菇种植大棚的温湿度进行采集；电源控制模块通过继电器控制采摘机主电的通断，当主电断开时，可通过备用电源继续完成采摘工作。

所述双孢菇采摘控制系统还包括采摘平台，所述采摘平台建立在远程服务器上，采摘平台可以对历史数据进行一段时间的保留，可以对双孢菇采摘机的运行参数进行记录，主要记录采摘个数、成功率等；该采摘平台还包括参数设置功能，用于对本次需要采摘的双孢菇的大小、高度、移动距离等参数进行设置，以报文的形式通过无线通信模块发送给采摘终端。该监控平台还包括特征提取功能，通过双孢菇分布情况通过模糊运算，得出双孢菇采摘机的运动参数，及时对机械臂的姿态及采摘机的运行速度等情况进行调整，进而实现对采摘区域的双孢菇进行采摘。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明一种多采摘头可区分采摘双孢菇采摘机，其特征在于舵机可控制采摘爪的张开与关闭，采摘爪三个手指之间张角大小可控，从而可以夹持住比预定大小大的双孢菇；在手指内壁设有硅胶类柔性材料，中间有压力传感器，用于检测采摘头夹持物体的力度，从而降低对双孢菇表面的伤害；在采摘爪顶部位置存在超声波传感器，用于检测采摘爪与采摘目标之间的垂直距离，保证采摘爪可以抓取到双孢菇；其采摘手臂由机械手臂驱动模块驱动，采摘终端中央控制器通过模糊控制，提高采摘系统运行速度，对需要采摘的蘑菇进行选择；采摘爪可以旋转，以旋转的方式完成对双孢菇的采摘，提高双孢菇资源利用效率；同时，此发明通过CCD图像传感器对采摘区域信息进行采集，直接将经过处理的图像信息传输到采摘终端，不需要服务器额外对图像信息进行处理，节省时间，并且提高精确度。

2、本发明多采摘头双孢菇采摘机有八个机械手臂，每个机械手臂自由度为6，机械手臂下方挂着一个采摘爪，在采摘精度足够条件下，提高采摘速度，同人工采摘方式相比较，提高采摘效率；同时此发明，采摘平台带有传感器系统，通过多个传感器之间互相协调工作，对采摘区域内双孢菇的密度、大小及生长位置等信息进行提取，如果采摘区域内双孢菇的密度比较大、高度比较高，则可以减慢采摘机的移动速度，若采摘区域内双孢菇密度比较小、高度比较低，则可以适当提高采摘机的移动速度，这样通过多传感器之间信息有效融合，可以有选择地对双孢菇进行采摘，提高采摘效率。

3、本发明双孢菇采摘机带有远程监控模块，与采摘平台通过无线通信的方式，不仅可以对多传感器数据融合信息进行监控，而且也可以监控采摘机的运行情况；本采摘机带有GPS定位模块及陀螺仪模块，实现对采摘机位置的确定，方便管理；本采摘机存在限位装置及测距装置，当发生故障，采摘机可及时切掉外部电源，对采摘机进行紧急处理。

附图说明

图1为本专利实施案例的一种双孢菇采摘机机械结构示意图；

图2为双孢菇采摘机结构组成图；

图3为双孢菇采摘终端、驱动模块与采摘平台结构示意图；

图4为本专利实施案例的一种双孢菇采摘机系统运行步骤流程图；

图5为本专利双孢菇采摘机采摘机构完成采摘动作的流程图。

图1中1为照明装置、2为CCD图像传感器、3为前方超声波传感器装置、4为采摘终端、5为外壳、6为横向斜梯、7为机械手臂、8为采摘机构转轴、9为采摘头、10为采摘机前轮、11为采摘机后轮、12为外伸导轨、13为后方超声波传感器装置。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。

本发明一种多采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机，采摘机结构组成框图(参见图2)，采摘机的机械结构(参见图1)包括照明装置1、CCD图像传感器2、前方超声波传感器装置3、采摘终端4、外壳5、横向斜梯6、机械手臂7、采摘机构转轴8、采摘头9、采摘机前轮10、采摘机后轮11、外伸导轨12、后方超声波传感器装置13。

该双孢菇采摘机还包括驱动模块、采摘平台和采摘终端。设计框图(参见图3)，驱动模块包括直流电机驱动模块、底盘驱动模块、传送机构驱动模块、机械手臂驱动模块、超声波传感器模块；采摘平台包括双孢菇生长实时数据显示模块、数据存储模块及参数设置模块；采摘终端包括中央控制器、电源模块、通信模块、GPS定位模块、陀螺仪模块。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端中央控制器采用STC12C5A60S2芯片。

本发明的进一步特征在于所述采摘终端无线通信模块采用EM357 zigbee无线发射接收模块芯片。

本发明采摘平台通过MATLAB编译环境，进行模块化编程，使用TCP通信协议，通过路由器转换与采摘终端的zigbee模块通信。

该双孢菇采摘机及其控制系统工作步骤是(参见图4)：

S1：采摘工人登录采摘平台，根据采摘机的实际位置及需要采摘区域选择采摘机械手臂；

S2：工作人员可以手动输入需要采摘的蘑菇大小，或者是传感器系统获取采摘环境的温度及湿度，并且获取蘑菇的生长情况，将信息传递给采摘平台，通过模糊控制获取采摘蘑菇情况；

S3：采摘平台无线链路发射形式将启动信息传递给采摘终端，通过zigbee通信唤醒采摘终端的主控芯片，中央控制器控制继电器连接采摘机的主电源，完成采摘机的启动工作。

S4：CCD图像传感器将采摘区域图像上传到采摘平台；

S5：CCD图像传感器将已经经过处理的图像信息传递到采摘终端，采摘平台根据图像信息计算出机械手臂与车轮的运动参数，采摘平台以报文形式发送到采摘终端采摘终端中央控制器通过串口对采摘机的移动速度及机械手臂的运动轨迹进行控制；

S6：采摘动作(参见图5)：S61舵机控制机械手臂进行移动，到达需要进行采摘的双孢菇上方，并且在舵机控制下竖直向下运动；S62，当采摘手爪到达双孢菇正上方，舵机控制机械手爪张开，当采摘手爪的顶部位置与双孢菇上表面相接触时采摘手爪闭合，完成抓取；S63采摘手爪以左右旋转方式扭动双孢菇，从而减少对双孢菇的损伤，完成扭动动作；S64由气缸带动机械手臂及机械手爪向上移动，完成拔出动作；S65舵机驱动转轴，使机械手臂90度旋转，待机械手爪到达横向斜梯正上方采摘手爪张开，将双孢菇放置到横向斜梯；S66机械手臂进行90度旋转恢复到原来位置，进行下一次采摘工作；

S7：前方超声波传感器装置与后方超声波传感器装置检测采摘车与双孢菇种植架竖直支撑杆的距离，并且根据采摘车运动速度计算出外伸导轨与竖直支撑杆碰撞时间，在碰撞之前，通过直线电机驱动丝杠控制外伸导轨向内收缩，从而完成避障操作。

S8：由GPS定位模块确定采摘机的运动位置，如果已经到达终点，则向采摘平台发送信息，采摘平台回复之后采摘终端断开电源，完成本次采摘工作。

本发明中所涉及的“左”、“右”、“前”、“后”等方位词是一个相对概念，以图1中X 轴为长度方向也是横向；y轴方向为宽度方向也是纵向；Z轴方向为高度方向。X轴正向为前方，反方向为后方；Z轴正向为上方，反方向为下方。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.本发明设计一种存在多个采摘头可区分采摘的双孢菇采摘机。其特征在于采摘机主要组成部分为采摘机机械结构和采摘机控制系统。采摘机机械结构包括外壳、底盘、采摘机构、传送机构以及机器视觉机构等；控制系统包括驱动系统、平台系统以及采摘终端。

2.根据权利要求1所述采摘机的机械结构布局特征为：采摘机底盘有四个车轮构成，并且横跨在双孢菇种植架导轨，采摘双孢菇过程中在驱动系统的驱动下可以沿着种植架向前或者是向后行走；采摘机构特征为包括机械手臂转轴、机械手臂与采摘头，位于采摘机最前方位置，为八个六自由度的机械手臂，通过舵机实现对机械手臂的控制，在采摘头内部含有超声波测距传感器以及压力传感器；所述传送机构特征为包括横向斜梯以及外伸导轨，横向斜梯前端高度与采摘机总体高度的中心位置一致，后端高度与外伸导轨高度差不多但略高于外伸导轨，外伸导轨位于横向斜梯下方位置，并且同外伸导轨带保持平行；所属机器视觉装置特征为位于采摘机横向最前端，纵向中间位置。

3.根据权利要求1所述采摘机的控制系统特征为：采摘机驱动系统特征为包括采摘机底盘驱动模块、机械手臂驱动模块等；采摘终端特征为采用STC12C5A60S2作为主控芯片，以串口通信方式向底盘驱动模块、机械手臂驱动模块、GPS定位模块和zigbee通信模块发送指令，通过串口通信方式与陀螺仪模块进行通信，其特征在于不仅可以对采摘机平台所发送的控制参数进行接收，而且还可以向平台发送采摘机的运动情况，进一步的，采摘终端还可以对外伸导轨进行控制，进而采摘机行走过程中可以完成一系列避障功能，进一步的，采摘终端还可以携带5V备用电源；采摘平台特征为可以将图像参数信息通过无线局域网传递给采摘终端。