CN111684924A - 一种基于树莓派的草莓采摘机器人 - Google Patents

一种基于树莓派的草莓采摘机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于树莓派的草莓采摘机器人，属于农业收获机械技术领域，该采摘机器人包括移动平台模块、坐标式机械臂模块、采摘机构模块、控制模块、视觉模块，所述移动平台模块位于采摘机器人最下层，用于实现采摘机器人在草莓大棚内的行进；所述坐标式机械臂模块置于底盘上方偏左侧，用于使采摘机构模块靠近成熟草莓果实；所述采摘机构模块置于坐标式机械臂模块上，用于采摘草莓果实；所述控制模块和视觉模块都置于底盘上，视觉模块用于采集草莓图像，控制模块用于进行图像处理和采摘机器人运动控制；实现机器人在草莓大棚内全自动运行，识别定位并采摘成熟草莓。

Description

一种基于树莓派的草莓采摘机器人
技术领域
本发明涉及一个成熟草莓识别采摘装置，属于农业收获机械技术领域。
背景技术
目前我国农业发展迅速，往自动化、智能化方向发展。针对地里的农作物，现已有着许多农业机械，辅助农民进行农作物的播种、种植、收获等等。而针对较为脆弱娇嫩的水果，目前大多还是采用的人工集中采摘，即在果实的收获期采用大量工人进行手工采摘收获和运输。因此，针对各类果实的采摘收获，多所大学、研究所和多家公司都曾研究设计过果实采摘机器人，来帮助果农快速采摘收获果实，减少人工成本，降低工人劳作强度。同时，高温大棚已经成为了水果蔬菜种植业的主流种植方法,尤其是草莓的种植。大棚使草莓的生长环境更加可控可调，更利于草莓的种植生长。在草莓的收获时节到来时，往往需要在短时间内将成熟的草莓及时采摘下来，并加以良好的储存。而一个大棚往往种植有很多亩草莓，并且农户同时拥有许多个大棚。因此收获时节的采摘工作量是比较大的。但是高温大棚中的湿度和温度较高，超过人体较为适应的温度和湿度，因此人们无法做到连续工作很长时间。而在高温大棚中，草莓是高速生长的，如果劳动力不足导致无法及时采摘，由于大棚内的高温高湿度，会使果实很容易烂掉，造成不必要的损失。所以通常采摘时，需要许多工人共同劳作，并且由于草莓植株高度较低，工人们都需要弯着腰、背着筐、忍受着不舒适的环境采摘成熟草莓果实很长时间。以上这些目前的实际采摘情况，为进行以机代人采摘草莓提供了前提条件。
目前，草莓采摘机器人在功能性上有一定程度的发展，但距离实际使用还有一定的差距，因此本项目设计了一种高度自动化，结构简单，工作效率高的草莓采摘机器人。
发明内容
针对现有大棚草莓的实际采摘需求，本发明设计了一种基于树莓派的草莓采摘机器人，实现草莓大棚内自主行进、自动识别及定位成熟草莓果实、自动采摘成熟草莓果实功能，能代替人工更加高效及时地进行成熟草莓的采摘收获。
为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于，包括移动平台模块、坐标式机械臂模块、采摘机构模块、控制模块、视觉模块；
所述移动平台模块位于采摘机器人最底端，负责采摘机器人的行进，同时承载采摘机器人的其他部件；
所述坐标式机械臂模块安装于移动平台上方偏左侧，用于使采摘机构靠近成熟草莓果实；
所述采摘机构模块安装于坐标式机械臂Y向机械臂上，用于完成草莓采摘；
所述控制模块置于移动平台上方，用于处理草莓图像，识别定位成熟草莓并控制步进电机运行；
所述视觉模块安装于移动平台上，用于拍摄采集草莓图像。
进一步地，所述视觉模块，首先是拍摄采集草莓果实图像，随后将图像传至树莓派进行图像处理，先进行图像分割，依据的是HSV颜色模型中的红色分量，设置红色分量上下阈值来对采集到的草莓果实图像进行分割，提取红色区域，从而识别出成熟的红色草莓果实，随后对图像进行开运算、闭运算去除噪声等干扰，再进行Hough圆变换定位图像中的果实坐标，再进行坐标系变换，得到果实的实际坐标。
进一步地，所述移动平台模块采用4个步进电机驱动的橡胶轮胎。
进一步地，所述采摘机构模块由连接板、步进电机、中间支撑板、粘有刀片的采摘爪、下支撑板、上支撑板组成。
进一步地，所述的采摘机构模块通过连接板与Y向微型丝杠滑台相连接，通过步进电机控制粘有刀片的采摘爪的开闭，实现采摘动作。
本发明的有益效果是：
本发明提出采用步进电机控制的橡胶轮胎作为行走机构，实现装置X方向的行进，精度较高；
本发明提出了HSV颜色模型下根据红色量设定阈值的具体的图像分割方法，该方法可以高效率的提取出图像中的红色部分，去除掉其他颜色部分，实现成熟红色草莓果实的准确识别；
本发明提出基于Hough圆变换的草莓果实定位策略，实现对成熟草莓果实的定位。
本发明提出了一种特殊的坐标式机械臂设计，该机械臂仅有Z向Y向两向移动，而X向简化为通过移动平台实现，降低了机械臂的结构复杂程度，简化了机械臂的控制难度。
本发明提出使用树莓派作为主控制器，对视觉模块采集到的图像进行处理，对移动平台、坐标式机械臂和采摘机构进行运动控制，使采摘机器人结构更加精简小巧。
附图说明
图1是本发明所述草莓采摘机器人的结构图。
图2是本发明所述草莓采摘机器人另一个视角下的结构图。
图3为本发明所述草莓采摘机器人的控制系统接线图。
图4是本发明所述草莓采摘机器人的硬件原理图。
图5是本发明所述草莓采摘机器人的采摘工作流程图。
图中：
1-Y向微型丝杠滑台，2-连接板及步进电机，3-中间支撑板，4-粘有刀片的采摘爪，5-下支撑板，6-上支撑板，7-Z向微型丝杠滑台，8-直流移动电源，9-树莓派，10.步进电机及支架11.底盘，12.步进电机驱动器，13-单目相机，14-相机支架，15-橡胶轮子。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，主要分为机械结构和电控部分，所述机械结构包括移动平台模块、坐标式机械臂模块、采摘机构模块，如图1所示。所述移动平台模块包括橡胶轮子15、底盘11、步进电机及支架10，具体的，在底盘11上安置有4个步进电机及支架10，驱动4个橡胶轮子15，移动平台模块结构简单，便于控制，位移精度高。
坐标式机械臂模块用于使采摘机构模块靠近草莓果实，采摘机构模块用于完成采摘动作。具体的，通过连接板及步进电机2，使采摘机构模块固定于坐标式机械臂模块中的Y向微型丝杠滑台1的滑块上，坐标式机械臂模块固定于底盘的上方偏左部分，由Y向微型丝杠滑台1和Z向微型丝杠滑台7的运动来使采摘机构模块靠近草莓果实，粘有刀片的采摘爪4由一个步进电机驱动控制开合，实现采摘草莓的功能。
所述的粘有刀片的采摘爪4采用不完全齿轮结构，步进电机带动一侧采摘爪运动，通过不完全齿轮的啮合使另一侧采摘爪进行相应的对侧运动，实现整个采摘爪的开合，从而使其上粘附的刀片闭合剪断草莓果实与茎的连接，实现采摘。所述采摘机构模块包括连接板及步进电机2、中间支撑板3、粘有刀片的采摘爪4、下支撑板5、上支撑板6组成。
如图4所示，所述电控部分包括树莓派、步进电机驱动器、单目摄像头、步进电机。所述视觉模块包括相机支架14和单目相机13，置于底盘11上方左侧边缘，用来拍摄采集草莓图像，并将草莓图像传输至树莓派进行图像处理。所述步进电机及步进电机驱动器置于底盘11上方，用于驱动采摘机器人行进，驱动机械臂运行和驱动采摘爪开合。
所述树莓派安装在底盘11上，与各个步进电机驱动器、单目相机13相连，用于接收单目相机13传输来的草莓图像，进行图像处理识别定位成熟草莓果实，并控制步进电机进行相应运动。
采用单目相机进行拍摄，完成草莓图像的采集，并将图像传输至树莓派进行图像处理。树莓派首先对图像依据HSV颜色模型根据红色分量设定阈值从而进行图像分割，提取红色区域，去除掉其他区域，完成草莓图像的分割，实现草莓果实的识别；随后对分割后的图像进行开运算和闭运算去除各种噪声干扰，再进行Hough圆变换拟合定位草莓果实在相机坐标系下的坐标位置，并通过坐标系变换得到世界坐标系下草莓果实的实际坐标，实现成熟草莓果实的定位。
图3所示为基于树莓派的草莓采摘机器人的控制系统接线图，具体展示了该草莓采摘机器人的整体接线方法，其中，步进电机驱动器采用共阳接法，单目相机直接连接树莓派上预留的USB接口。
该基于树莓派的草莓采摘机器人的整体工作流程如图5所示，该机器人于大棚内通过移动平台行进，并通过单目相机不断拍摄采集图像，并传输至树莓派进行图像处理，若未检测到存在红色成熟草莓果实，则该采摘机器人继续向前行进，当识别出存在红色成熟草莓果实时，该采摘机器人停止行进，根据定位的成熟红色草莓坐标分别控制坐标式机械臂的Y向和Z向微型丝杠滑台运转，使采摘机构模块靠近成熟草莓果实，随后控制采摘爪开合剪断草莓果实与茎的连接，实现草莓果实的采摘，随后坐标式机械臂回归原位，采摘机器人继续向前行进，重复该工作流程。
本发明是一种基于树莓派的草莓采摘机器人，属于农业收获机械技术领域。针对大棚草莓的采摘收获，采用了树莓派作为总控制器进行图像处理和机器人运动控制，采用了HSV颜色模型识别成熟草莓，采用了Hough圆变换方法定位草莓果实，采用了特殊的坐标式机械臂和采摘爪，共同完成本发明的目的，具有结构简单，控制简单，高自动化，高采摘效率的优点。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：包括移动平台模块、坐标式机械臂模块、采摘机构模块、控制模块、视觉模块；
所述移动平台模块组成部分包括(15)橡胶轮子、(11)底盘、(10)步进电机及支架，用于机器人的行进与停止；
所述坐标式机械臂模块包括(1)Y向微型丝杠滑台和(7)Z向微型丝杠滑台，用于使采摘机构靠近成熟草莓果实；
所述采摘机构模块包括(2)连接板及步进电机、(3)中间支撑板、(4)粘有刀片的采摘爪、(5)下支撑板、(6)上支撑板组成，用于采摘草莓；
所述控制模块包括(9)树莓派和(12)步进电机驱动器，用于处理草莓图像，定位草莓坐标并控制相应步进电机运行；
所述视觉模块包括(14)相机支架和(13)单目相机，用于采集草莓果实图像。
2.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：所述视觉模块，首先是拍摄采集草莓果实图像，随后将图像传至树莓派进行图像处理，先进行图像分割，依据的是HSV颜色模型中的红色分量，设置红色分量上下阈值来对采集到的草莓果实图像进行分割，提取红色区域，从而识别出成熟的红色草莓果实，随后对图像进行开运算、闭运算去除噪声等干扰，再进行Hough圆变换定位图像中的果实坐标，再进行坐标系变换，得到果实的实际坐标。
3.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：图像分割方法为：在HSV颜色模型下提取图像中的红色分量，而去除其他部分，识别出成熟的红色草莓果实。
4.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：所述移动平台模块采用4个步进电机驱动的橡胶轮胎。
5.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：所述的采摘机构模块通过(2)连接板及步进电机与(1)Y向微型丝杠滑台相连接，(2)连接板及步进电机同时控制(4)粘有刀片的采摘爪的开闭。
6.根据权利要求1所述的基于树莓派的草莓采摘机器人，其特征在于：所述坐标式机械臂模块通过两个微型丝杠滑台，实现采摘机构模块在三维空间中Z向和Y向移动。
7.根据权利要求2所述的基于机器视觉的草莓采摘机器人，其特征在于：采用树莓派进行图像处理和整体运行控制。
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