CN113019969A - 一种智能苹果分级系统 - Google Patents

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邬伊浩
周义之
周慧能
王殊迪
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Abstract

本发明涉及一种智能苹果分级系统，包括无人机和起飞平台，所述无人机上设有中心控制器、视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂；该视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂均与所述中心控制器电性相连；所述视觉识别与定位装置包括机载摄像头和双目摄像头；所述机械臂为杆状，其前端设有抓取器；该抓取器为鸭蹼式结构，能够开合而抓取或松开水果，并在抓取时，在其内部形成暗室效果；所述高光谱相机设置于所述抓取器内，能够对抓取的苹果进行拍照，确定苹果的等级；所述起飞平台包括果箱；该果箱为无顶盒状，其内部设有多个格挡；所述果箱设置于履带车上；该起飞平台上设有停放台。本发明在采摘苹果的同时进行分级，极大的提高了作业效率。

Description

一种智能苹果分级系统
技术领域
本发明涉及一种农业设备，尤其是一种水果的分级系统，具体的说是一种智能苹果分级系统。
背景技术
我国是世界上第一大水果生产国，但是，目前对水果品质高低的划分还是以人工为主，无法准确量化，不仅会增加人力劳动的成本，而且，会耗费大量时间，影响生产效率和效益。若是通过化学仪器进行检测，不仅会破坏水果的完整性，而且，只能进行抽样检测，无法对所有水果进行划分。因此，需要对现有的采摘和分级设备进行改进，以便提高生产效率，降低人工成本，为提高经济效益。
发明内容
本发明的目的是针对当前在水果采摘和分级操作过程中存在的问题，提供一种智能苹果分级系统，可对水果进行无人式的采摘和分级，并可实现零损伤、零污染和高效快速的检测，从而，可极大的提高生产效率，降低成本，减少浪费。
本发明的技术方案是：
一种智能苹果分级系统，包括无人机和起飞平台，所述无人机上设有中心控制器、视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂；该视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂均与所述中心控制器电性相连；所述视觉识别与定位装置包括机载摄像头和双目摄像头，能够获取目标水果的图像和位置信息，并通过中心控制器计算后，确定目标水果的成熟度和空间位置；
所述机械臂为杆状，其前端设有抓取器；该抓取器为鸭蹼式结构，能够开合而抓取或松开水果，并在抓取时，在其内部形成暗室效果；
所述高光谱相机设置于所述抓取器内，能够对抓取的苹果进行拍照，并将获取的光谱信息传送至所述中心控制器，对苹果的糖度和破损度进行检测，确定苹果的等级；
所述起飞平台包括果箱；该果箱为无顶盒状，其内部设有多个格挡，便于放置不同等级的苹果；所述果箱设置于履带车上；该起飞平台上设有停放台，供所述无人机停放。
进一步的，所述无人机为1个或多个；每个所述无人机分别通过电缆与所述起飞平台相连，通过所述起飞平台自带的电池向所述无人机供电。
进一步的，所述机械臂包括套筒和移动杆；该移动杆为中空杆，其一部分设置于所述套筒内内，能够沿该套筒前后移动；所述移动杆内设有螺纹，并与丝杆I相旋接；该丝杆I的后端与电机I相连，能够在所述电机I的驱动下转动，进而带动所述移动杆前后移动；所述移动杆的前端通过旋转盘I与所述抓取器的后部相连；该旋转盘I与电机III相连，能够在该电机III的驱动下而转动，带动所述抓取器旋转而产生扭力。
进一步的，所述旋转盘I为凸台状，其大端与所述抓取器的底端固定连接，其小端的外周设有轮齿；所述电机III的输出轴通过齿轮与所述旋转盘I相连；
进一步的，所述移动杆通过直线轴承与所述套筒相连。
进一步的，所述套筒的后端设有电机座I；所述电机I安装在该电机座I上；所述丝杆I的后端设有皮带轮，能够通过皮带与所述电机输出轴相连；所述移动杆的前部设有电机座II；所述电机III安装在该电机座II上。
进一步的，所述抓取器包括底座、爪指、遮盖层和旋转盘II；该底座为圆柱状，其底部通过所述旋转盘I与所述移动杆相连，其前端设有电机II，其外周设有凸耳I；所述爪指为圆弧形条状，其下部设有连接块；该连接块上设有长条形的连接槽，能够与所述凸耳I相铰接，并沿该铰接处转动和移动；所述旋转盘II为圆盘状，其中心设有螺孔，旋接在丝杆II的前端；该丝杆II的后端与所述电机II的输出轴相连，使所述电机II转动时，所述旋转盘II能够沿所述丝杆II的轴向进行移动；所述旋转盘II的周边设有凸耳II，与所述爪指的下端相铰接；所述爪指的上端为悬空；所述爪指、凸耳I和凸耳II均为多个，且相互对应和均布；所述遮盖层由弹性不透明材料制成，包裹在所述爪指的外侧，其下端与所述底座相连，其上端为开口，并与所述爪指的上端相连；所述遮罩层的开口端设有弹性的系绳。
进一步的，所述爪指内侧设有压力传感器；该传感器与所述中心控制器相连；所述高光相机安装在所述旋转盘II上。
进一步的，所述停放台为平板状，设置于所述果箱的上沿，并向外突出；所述停放台的数量与所述无人机的数量相适应。
进一步的，还包括固定支架；该固定支架为“门”字形窄板状，其下端通过套环安装在所述套管上，其顶部设有长条状固定槽，便于通过螺钉连接到所述无人机的底部；所述套环为两个半圆环，两端通过螺栓连接。
本发明的有益效果：
本发明设计合理，结构可靠，操控方便，可对苹果进行无人式的采摘和分级，并可实现零损伤、零污染和高效快速的检测，极大的提高了生产效率，降低了成本，减少了浪费，为提高经济效益创造有利条件。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是无人机和机械臂组合后的示意图。
图3是起飞平台结构示意图。
图4是机械臂结构示意图。
图5是抓取器爆炸示意图。
图6是抓取器局部剖视示意图。
其中，1-起飞平台；2-电缆；3-机械臂；4-无人机；5-机载摄像头；6-双目摄像头；7-高光相机；1-1-履带车；1-2-果箱；1-3-停放台；3-1-电机I；3-2-固定支架；3-3-固定槽；3-4-套筒；3-5-移动杆；3-6-旋转盘I；3-7-抓取器；3-8-电机III；3-9-电机座II；3-10-直线轴承；3-11-丝杆I；3-12-电机座I；3-7-1-底座；3-7-2-丝杆II；3-7-3-旋转盘II；3-7-4-爪指；3-7-5-遮罩层；3-7-6-压力传感器；3-7-7-连接座；3-7-8-凸耳II；3-7-9-电机II；3-7-10-凸耳I；3-7-11-系绳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至6所示。
一种智能苹果分级系统，包括无人机4和起飞平台1。
所述无人机4上设有中心控制器、视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂。所述视觉识别与定位装置包括机载摄像头5和双目摄像头6。其中，所述机载摄像头5安装在所述无人机4的机架上，所述双目摄像头6安装在所述机械臂3的下方。无人机可选用轴距50cm的无人机，可承受2kg的负载。无人机共有4个旋翼，并可通过调节自身升力的大小维持整体的平衡。所述中心控制器可选树莓派4B作为核心MCU。运行时，首先利用机载摄像头5拍摄苹果的图片，并将图片从RGB颜色空间转换为HSV颜色空间。在HSV颜色空间中进行阈值分割，利用二值化处理使图像呈现明显的黑白效果，从而达到提取目标物和去除背景的目的，再通过开运算和闭运算进一步去噪。对于被枝叶等遮挡或是重叠的苹果,通过在二值化图像中运用圆回归法提取苹果正确完整的封闭边缘，进而实现苹果识别。之后，检测苹果边缘并绘制边框，从而达到图像识别并框选的目的。然后，切换为安装于机械臂上的双目摄像头6进行图像拍摄，确定苹果的具体位置坐标，并将坐标信息返回到中心控制系统。优选的，双目摄像头可选用Intel RealSense D435立体深度体感相机双目实感摄像头。
所述起飞平台1包括果箱1-2。该果箱1-2为无顶盒状，其内部设有多个格挡，便于放置不同等级的苹果。所述果箱1-2设置于履带车1-1上，便于移动。该起飞平台1上设有停放台1-3，供所述无人机4停放。优选的，所述停放台1-3为平板状，设置于所述果箱1-2的上沿，并向外突出，可避免影响所述无人机4向所述果箱1-2内投放苹果。所述停放台的数量与所述无人机的数量相适应，满足停放需要。所述履带车1-1可选用350型履带运输车，型号为HK-YS350。所述履带车1-1可通过人工驾驶，也可通过遥控控制，方便使用。
所述机械臂3为杆状，包括套筒3-4和移动杆3-5。该套筒3-4和移动杆3-5均为中空杆状，且所述移动杆3-5可活动的置于所述套筒3-4之内，能够沿该套筒3-4前后移动。所述移动杆3-5内设有螺纹，并与丝杆I3-11相旋接。该丝杆I3-11的后端设有皮带轮，能够通过皮带与电机I3-1的输出轴相连，可在所述电机I3-1的驱动下转动，进而带动所述移动杆3-5前后移动。所述移动杆3-5的前端通过旋转盘I3-6与所述抓取器3-7的后部相连。该旋转盘I3-6为凸台状，其大端与所述抓取器3-7的底端固定连接，其小端的外周设有轮齿，并与安装在电机III3-8的输出轴上的齿轮相啮合，使所述电机III3-8可驱动所述旋转盘I3-6转动，进而所述抓取器3-7旋转而产生扭力，将苹果从树上扭断下来。优选的，所述移动杆3-5通过直线轴承3-10与所述套筒3-4相连，使移动更加平滑和稳定。
所述套筒3-4的后端设有L型的电机座I3-12，可将所述电机I3-1安装在该电机座I3-12上。所述移动杆3-5的前部设有L型的电机座II3-9，可将所述电机III3-8安装在该电机座II3-9上。
所述抓取器3-7包括底座3-7-1、爪指3-7-4、遮罩层3-7-5和旋转盘II3-7-3。该底座3-7-1为圆柱状，其底部通过所述旋转盘I3-6与所述移动杆3-5相连，其前端设有电机II3-7-9，其外周设有凸耳I3-7-10。所述爪指3-7-4为圆弧形条状，其下部设有连接块3-7-7。该连接块3-7-7上设有长条形的连接槽，能够与所述凸耳I3-7-10相铰接，并沿该铰接处转动和移动。所述旋转盘II3-7-3为圆盘状，其中心设有螺孔，旋接在丝杆II3-7-2上。该丝杆II3-7-2的后端与所述电机II3-7-9的输出轴相连，使所述电机II3-7-9转动时，所述旋转盘II3-7-3能够沿所述丝杆II3-7-2的轴向进行移动。所述旋转盘II3-7-2的周边设有凸耳II3-7-8，与所述爪指3-7-4的下端相铰接，可在所述旋转盘II3-7-3移动时，带动所述爪指3-7-4围绕所述连接块3-7-7的铰接处转动。所述爪指3-7-4的上端为悬空，可作向内或向内的移动。所述爪指3-7-4、凸耳I3-7-10和凸耳II3-7-8均为多个，且相互对应和均布，可形成手爪式结构，以便握住或松开苹果。所述遮罩层3-7-5可由橡胶等材料制成，使其具有弹性，且不透光。该遮罩层3-7-5包裹在所述爪指3-7-4的外侧，其下端与所述底座3-7-1相连，其上端为开口，并与所述爪指3-7-4的上端相连，与所述爪指3-7-4共同构成鸭蹼式结构，既可灵活的开合而抓取或松开苹果，又可在抓取苹果时，在其内部形成暗室效果。所述高光相机7可通过支架安装在所述旋转盘II3-7-3上，并与所述中心控制器电性相连，可对抓取的苹果进行拍摄，并将获取的光谱信息传送至所述中心控制器，对苹果的糖度和破损度进行检测，确定苹果的等级。优选的，所述遮罩层3-7-5的开口端设有弹性的系绳3-7-11，便于使该开口端能够很好的收拢，提高暗室效果。
所述高光谱相机7可选用Nano-Hyperspec，其光谱范围为400—1000nm，其光谱通道数为270，其光谱采样率约为2.2nm/pixel。拍照时，所述高光谱相机7在采摘过程中形成的暗室里对苹果进行图像采集。将MATLAB的库函数移植到树莓派上，并对苹果的高光谱图像进行背景分割和感兴趣区域的提取。通过对比背景和苹果的光谱数据，采用阈值分割法在背景和目标苹果反射率差异较为显著的地方进行分割，并进行降噪处理得到二值化图像，最后将苹果的掩膜图像与原图像相乘得到感兴趣区域。再采用MSC（多元散射校正算法）和归一化对原始光谱数据进行预处理，采用SPA算法、iRF算法提取特征波长，进而建立糖度和苹果无损检测的模型。通过分析比对，得出糖度数据和损伤程度的分析。最后将通过光谱信息获取的关于苹果糖度、表皮损伤等的情况传输到中心控制系统对苹果进行分级。
所述爪指3-7-4内侧设有压力传感器3-7-6，并与所述中心控制器相连，可以感测所述爪指3-7-4与苹果之间的触压，并与所述中心控制器中的预设值进行比较，以便控制所述爪指3-7-4的动作幅度，避免对苹果表面造成损伤。所述压力传感器3-7-6可选用Tekscan压力力敏传感器，其长度约为120mm，宽度约为14mm，可安装于爪指的内侧。
所述爪指可由两段半径分别为60.3mm和84.7mm的圆弧相切拼接而成，使其前后两端之间的距离达到约91mm。同时，该爪指的宽度约为25mm，厚度鱼尾4mm，使整个机械爪的开合范围达到60——100mm，可满足大部分苹果的抓取需要。
所述机械臂3上还设有固定支架3-2。该固定支架为“门”字形窄板状，其下端通过套环安装在所述套管上，其顶部设有长条状固定槽3-3，便于通过螺钉连接到所述无人机4的底部；所述套环为两个半圆环，两端通过螺栓连接，方便安装和拆卸。
所述无人机4为一个或多个，分别通过电缆2与所述起飞平台2相连。该起飞平台1上设有锂电池，可通过所述电缆2向所述无人机4供电，充分满足无人机的电力需求。
本发明的工作过程为：
在进行采摘作业时，先驾驶履带车，将起飞平台移动至作业地点。然后，无人机按照既定路线飞行，通过视觉识别与定位装置反馈的、需摘取苹果的具体位置，并由MCU控制机械臂进行抓取与采摘。在抓取过程中，高光谱相机在形成的局部暗室中进行水果光谱信息的高质量采集，并将采集的信息传输至中心控制器，分析水果的糖度、大小、表皮损伤情况，最后确定苹果的等级。随后，无人机根据分级信息，将苹果放到不同级别的果箱。
本发明通过多个无人机进行采摘，不受到地形限制，有效提高采摘效率。同时，在采摘过程中，还可对苹果的糖度和破损度进行零损伤、零污染的高效检测，然后，直接按等级进行分开放置，极大的降低了采摘及分级所需的成本，提高了作业效率，值得大力推广。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种智能苹果分级系统，包括无人机和起飞平台，其特征是，所述无人机上设有中心控制器、视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂；该视觉识别与定位装置、高光谱相机和机械臂均与所述中心控制器电性相连；所述视觉识别与定位装置包括机载摄像头和双目摄像头，能够获取目标水果的图像和位置信息，并通过中心控制器计算后，确定目标水果的成熟度和空间位置；
所述机械臂为杆状，其前端设有抓取器；该抓取器为鸭蹼式结构，能够开合而抓取或松开水果，并在抓取时，在其内部形成暗室效果；
所述高光谱相机设置于所述抓取器内，能够对抓取的苹果进行拍照，并将获取的光谱信息传送至所述中心控制器，对苹果的糖度和破损度进行检测，确定苹果的等级；
所述起飞平台包括果箱；该果箱为无顶盒状，其内部设有多个格挡，便于放置不同等级的苹果；所述果箱设置于履带车上；该起飞平台上设有停放台，供所述无人机停放。
2.根据权利要求1所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述无人机为1个或多个；每个所述无人机分别通过电缆与所述起飞平台相连，通过所述起飞平台自带的电池向所述无人机供电。
3.根据权利要求1所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述机械臂包括套筒和移动杆；该移动杆为中空杆，其一部分设置于所述套筒内内，能够沿该套筒前后移动；所述移动杆内设有螺纹，并与丝杆I相旋接；该丝杆I的后端与电机I相连，能够在所述电机I的驱动下转动，进而带动所述移动杆前后移动；所述移动杆的前端通过旋转盘I与所述抓取器的后部相连；该旋转盘I与电机III相连，能够在该电机III的驱动下而转动，带动所述抓取器旋转而产生扭力。
4.根据权利要求3所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述旋转盘I为凸台状，其大端与所述抓取器的底端固定连接，其小端的外周设有轮齿；所述电机III的输出轴通过齿轮与所述旋转盘I相连。
5.根据权利要求3所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述移动杆通过直线轴承与所述套筒相连。
6.根据权利要求3所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述套筒的后端设有电机座I；所述电机I安装在该电机座I上；所述丝杆I的后端设有皮带轮，能够通过皮带与所述电机输出轴相连；所述移动杆的前部设有电机座II；所述电机III安装在该电机座II上。
7.根据权利要求3所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述抓取器包括底座、爪指、遮盖层和旋转盘II；该底座为圆柱状，其底部通过所述旋转盘I与所述移动杆相连，其前端设有电机II，其外周设有凸耳I；所述爪指为圆弧形条状，其下部设有连接块；该连接块上设有长条形的连接槽，能够与所述凸耳I相铰接，并沿该铰接处转动和移动；所述旋转盘II为圆盘状，其中心设有螺孔，旋接在丝杆II的前端；该丝杆II的后端与所述电机II的输出轴相连，使所述电机II转动时，所述旋转盘II能够沿所述丝杆II的轴向进行移动；所述旋转盘II的周边设有凸耳II，与所述爪指的下端相铰接；所述爪指的上端为悬空；所述爪指、凸耳I和凸耳II均为多个，且相互对应和均布；所述遮盖层由弹性不透明材料制成，包裹在所述爪指的外侧，其下端与所述底座相连，其上端为开口，并与所述爪指的上端相连；所述遮罩层的开口端设有弹性的系绳。
8.根据权利要求7所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述爪指内侧设有压力传感器；该传感器与所述中心控制器相连；所述高光相机安装在所述旋转盘II上。
9.根据权利要求1所述的智能苹果分级系统，其特征是，所述停放台为平板状，设置于所述果箱的上沿，并向外突出；所述停放台的数量与所述无人机的数量相适应。
10.根据权利要求3所述的智能苹果分级系统，其特征是，还包括固定支架；该固定支架为“门”字形窄板状，其下端通过套环安装在所述套管上，其顶部设有长条状固定槽，便于通过螺钉连接到所述无人机的底部；所述套环为两个半圆环，两端通过螺栓连接。
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