CN116616045B - 一种基于植物生长的采摘方法及采摘系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于植物生长的采摘方法及采摘系统，属于智慧农业技术领域，解决了现有智慧大棚采摘时容易漏采的问题，包括以下步骤：获取植株图像，得到植株图像中果实的空间位置；需要采摘时，提取每个空间位置对应的植株图像，其中提取的植株图像为能够捕捉到空间位置对应的果实且与采摘时刻最接近的监测时刻获取的植株图像；根据提取的植株图像和预先获取的果实生长模型得到采摘时刻对应的所有果实的成熟度信息；将采摘时刻对应的所有果实的成熟度信息与获取的目标果实成熟度信息进行比对，获取目标果实的空间位置；根据目标果实的空间位置控制采摘执行装置工作，本发明的方法能够实现果实的精准采摘，降低漏采的概率。

Description

一种基于植物生长的采摘方法及采摘系统

技术领域

本发明涉及智慧农业技术领域，具体涉及一种基于植物生长的采摘方法及采摘系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

研究发现，机器人采摘装置结合大数据处理来提高采摘效率、性能、准确度是具有广阔前景的，但是如何满足市场对于果实大小、形状、成熟度差异性、多样性需求是采摘系统亟需要解决的问题，发明专利CN107966944B中公开了智慧大棚分区控制系统及分区采摘方法，包括监控装置、数据监控及分析处理中心和反馈执行终端。监控装置在各个子区间三维度拍摄大棚内植物成长状况图像，并将成长状况图像发送至数据监控及分析处理中心。数据监控及分析处理中心接收并分析植物成长状况图像，判定子区间的可采摘区域，定位可采摘区域并将定位数据发送至反馈执行终端。反馈执行终端接收定位数据后进行定点区域的采摘作业。上述技术提供的控制系统，可以快速找到可采摘区域，从而提高了采摘效率，降低了人工成本。但此方式还是建立在区域划分的前提下，对于采摘精度还是有一定局限性，判定可采摘区域时，果实会被枝叶遮挡，无法准确全面的掌握采摘内容，导致部分果实会漏采。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于植物生长的采摘方法及采摘系统，能够准确的掌握采摘内容且对数据处理设备的要求低。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于植物生长的采摘方法，包括以下步骤：

获取植株图像，并根据获取的植株图像得到植株图像中果实的空间位置，其中植株图像按照设定的监测周期进行采集。

在采摘时刻提取每个空间位置对应的植株图像，其中提取的植株图像为能够捕捉到空间位置对应的果实且与采摘时刻最接近的监测时刻获取的植株图像。

根据提取的植株图像和预先获取的果实生长模型得到采摘时刻对应的所有果实成熟度信息。

将采摘时刻对应的所有果实的成熟度信息与获取的目标果实成熟度信息进行比对，获取目标果实的空间位置。

根据目标果实的空间位置控制采摘执行装置工作，对目标果实进行采摘。

可选的，将植株的生长时间划分为多个阶段，按照植株的生长过程，依次设置的每个阶段内的监测周期逐渐缩短。

可选的，多个阶段分别为依次设置的生长阶段、发育阶段和成熟阶段，其中成熟阶段内的监测周期为1-4天。

可选的，根据提取的植株图像获取对应的监测时刻的果实成熟度信息，根据监测时刻与采摘时刻的时间差值结合预先存储的果实生长模型获取采摘时刻的果实成熟度信息。

可选的，所述果实成熟度信息包括果实的尺寸及果实的颜色。

可选的，获取植株图像后，对枝条进行识别并对枝条进行编号，以枝条编号为母编号，对枝条上的果实进行母编号下的子编号，然后将果实的空间位置进行存储。

可选的，获取多个监测时刻的植株图像，并根据植株图像获取果实的成熟度信息，将同一个空间位置的果实对应的多个监测时刻的成熟度信息生成直观显示图。

第二方面，本发明的实施例提供了一种基于植物生长的采摘系统，包括：图像采集装置、数据处理装置及采摘执行装置。

所述图像采集装置：用于按照监测周期采集大棚内各个植株的图像，并将植株图像传输给数据处理装置。

所述数据处理装置：用于接收图像采集装置传递的植株图像，并执行第一方面所述的基于植物生长的采摘方法步骤。

所述采摘执行装置：用于接收到数据处理装置传递的目标果实空间位置后进行采摘工作。

可选的，还包括环境监测装置，用于监测植物生长环境数据，与数据处理装置连接，将采集的环境数据传输给数据处理装置。

可选的，所述环境监测装置包括温度传感器、湿度传感器及光照传感器。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的采摘方法，按照监测周期对植株的图像进行采集，图像采集贯穿整个植株的生长过程，只要枝条上的果实存在不被枝叶遮挡的时刻即可通过图像采集进行定位，进行果实成熟度信息获取时，结合了植株图像和果实生长模型，只要果实能够被采集图像，就可以获取采摘时刻的成熟度，因此，采摘时精准定位到每一个果实的生长变化过程，保证一定时间内对果实位置的准确全面把握，极大的降低了果实采摘时由于受枝叶阻挡而造成的漏采概率。

2.本发明的采摘方法，采摘时获取果实成熟度信息，提取并分析的植株图像为能够捕捉到果实空间位置对应的果实，且与采摘时刻最接近的监测时刻对应的植株图像，每次采摘时不是对所有植株图像对应的果实成熟度信息进行分析处理，数据处理量小，提高了采摘效率。

3.本发明的采摘方法，根据获取的目标果实的位置信息控制采摘设备进行采摘，采摘的时候不需要实时采集图像，减少了信息处理量，降低了对相应数据处理设备的要求，结合果实生长模型，对采摘时刻某个空间位置的果实的成熟度就能够实现预判，采摘机器人直接去采摘，工作效率高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1方法流程示意图；

图2是本发明实施例1获取果实空间位置示意图；

图3是本发明实施例1数据存储示意图；

图4是本发明实施例2采摘系统示意图；

图5是本发明实施例2采摘机器人设置位置示意图；

其中，1.植株，2.生态数据处理中心，3.存储模块，4.监测平台，5.显示器，6.采摘机器人，7.采摘路线，8.大棚生态系统。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于植物生长的采摘方法，如图1所示，包括以下步骤：

根据预先获得植株生长时间将植株生长时间划分为多个阶段，本实施例中，将植株生长时间划分为三个阶段，分别依次为生长阶段、发育阶段和成熟阶段。

生长时间的划分根据植株的生长规律结合种植人员的经验进行人工设定划分即可，在此不进行详细叙述，不同的植株划分时间不同，根据实际需要设定即可，在此不进行详细叙述。

设定三个阶段的监测周期，按照植株的生长，依次设置的三个阶段的监测周期逐渐缩短，本实施例中，所述生长阶段的监测周期为10-14天，优选为14天，发育阶段的监测周期为5-8天，优选为6天，所述成熟阶段的监测周期为1-4天，优选为2天，成熟阶段的监测周期设置为2天，保证能够采集到每个果实的图像，降低漏采概率。

生长阶段监测周期为14天，即每隔14天对植株图像进行一次采集。发育阶段的监测周期为6天，即每隔6天对植株图像进行一次采集。成熟阶段的监测周期为2天，即每隔2天对植株图像进行一次采集。

采用本实施例的监测周期，能够保证对果实的监测频率，避免遗漏的同时能够最大程度的减少监测次数，减少数据存储量。

图像采集的时刻为监测时刻。

按照设定的监测周期，接收多个监测时刻采集的植株图像，其中相邻监测时刻之间的时间间隔为监测周期。

对于每一次接收到植株图像，对植株图像进行数据处理，获取植物中每个枝条上的果实信息。

其中果实信息包括果实的空间位置信息和果实成熟度信息；果实成熟度信息包括果实的尺寸信息和果实的颜色信息，其中果实的尺寸和颜色代表了果实的成熟度。

如图2所示，本实施例中，对果实的空间位置信息的获取方法采用现有方法即可，例如专利CN104700404B中公开的果实定位识别方法，本实施例中，植株的空间位置信息预先可进行获取为（Xn、Yn、Zn），则果实的空间位置信息为（Xn+△Xn，Yn+△Yn，Zn+△Zn），（Xn、Yn、Zn）为植株底端在本实施例定位用坐标系中分别沿X轴、Y轴和Z轴的坐标，n代表植株的编号，1号植株坐标为（X1、Y1、Z1）,2号植株的坐标为（X2、Y2、Z2）,3号植株的坐标为（X3、Y3、Z3），△Xn为果实在坐标系中X轴方向坐标与植株底端在坐标系中X轴方向坐标的差值，△Yn为果实在坐标系中Y轴方向坐标与植株底端在坐标系中Y轴方向坐标的差值，△Zn为果实在坐标系中Z轴方向坐标与植株底端在坐标系中Z轴方向坐标的差值。

对于果实的尺寸识别方法采用现有方法即可，例如专利CN107358627B中公开了果实尺寸检测方法，对于果实颜色的识别方法采用现有方法即可，例如专利CN101334835B中公开的颜色识别方法。

本实施例中，当接收到采集的植株图像后，对植株的枝条进行识别，识别方法采用现有方法即可，例如专利CN111311573A中记载的方法，识别后，沿顺时针或逆时针方向对枝条进行母编号，例如枝条的编号为1、2、3…k，k为植株上枝条的数量，对某个枝条上的果实进行母编号下的子编号，如1/A11、1/A12、1/A13…1/A1m，1/A11代表母编号为1的枝条上的第1个果实，1/A12代表母编号为1的枝条上的第2个果实，1/A13代表母编号为1的枝条上的第3个果实，1/A1m代表母编号为1的枝条上的第m个果实。

针对每个子编号对应的果实，将果实对应的空间位置信息、果实的尺寸信息和果实的颜色信息进行存储，形成果实信息数据库。

如图3所示，将枝条的信息作为侧链的关联信息进行存储，作为果实空间位置研判的参考，将枝条对应的果实信息（果实空间位置信息、尺寸和颜色信息）作为主链的关键信息进行存储。主链上的关键信息为侧链关联信息的衍生。

针对同一个空间位置的果实，将多个监测时刻得到的果实尺寸信息和果实颜色信息生成直观显示图。

本实施例中，当检测到枝条上有果实后，即对果实的空间位置信息进行存储，果实的空间位置信息一直在果实信息数据库中进行存储，对于某个空间位置信息，之后所有的监测时刻都认为该空间位置处具有果实。

对于某个监测时刻：

当采集的植株图像中，果实能够进行显示时，即果实不被任何物体遮挡，能够采集到其图像，则根据采集的植株图像能够获取果实成熟度信息。

当采集的植株图像中，果实不能够进行显示时，即果实被枝叶遮挡，则需要根据之前监测时刻中获取的该果实的图像结合预先获取的果实生长模型来获取果实的成熟度信息。

本实施例的采摘方法，图像采集贯穿整个植株的生长过程，只要枝条上的果实存在不被叶子遮挡的时刻即可通过图像采集进行定位，进行果实成熟度信息获取时，结合了植株图像和果实生长模型，只要果实能够被采集图像，就可以获取采摘时刻的成熟度，因此，精准定位到每一个果实的生长变化过程，保证一定时间内对果实位置的准确全面把握，极大的降低了果实采摘时由于受枝叶阻挡而造成的漏采概率。

果实生长模型是指果实的尺寸和颜色随时间的变化模型，由于果实的尺寸和颜色随时间变化是遵循一定的规律的，因此果实的生长模型可以预先获取并进行存储。

果实生长模型获取时，对果实生长过程中多个时刻的成熟度信息进行采集，结合采集的果实成熟度信息，构建果实生长的大数据中心，拟合时间参数和果实成熟度关系的生长曲线，得到果实生长模型。

当需要对果实进行采摘时，接收目标果实的成熟度信息，目标果实的成熟度信息数据包括尺寸和颜色，本实施例中，目标果实成熟度信息数据来自于区块链，区块链将合约数据即目标果实成熟度信息进行上传，将合约数据转化为需求编码。

本实施例中，当接收到目标果实的成熟度信息后，针对每一个空间位置，获取该空间位置对应的果实的成熟度信息。

提取最接近采摘时刻的第一监测时刻的植株图像，获取第一监测时刻的果实的成熟度信息。

当某个空间位置对应的果实由于被枝叶遮挡未在第一监测时刻的植株图像中显示时，提取第一监测时刻之前的第二监测时刻的图像，第二监测时刻的植株图像能够显示处该空间位置的果实，且最接近采摘时刻，根据第二监测时刻的植株图像获取第二监测时刻的果实成熟度信息。

根据采摘时刻与第一监测时刻的时间差，采摘时刻与第二监测时刻的时间差，结合果实生长模型，得到采摘时刻所有果实成熟度信息，然后在果实信息数据库中进行存储。

将目标果实成熟度信息的需求编码与果实信息数据库中提取的果实成熟度信息进行比对，筛选出满足要求的目标果实，进而得到目标果实的空间位置信息。

获得上述目标果实的空间位置信息后，根据目标果实的空间位置控制采摘执行装置工作，对目标果实进行采摘。

采用本实施例的方法，采摘时刻获取果实成熟度信息时，提取并分析的植株图像为能够采集到果实的空间位置对应的果实图像，且与采摘时刻最接近的监测时刻对应的植株图像，每次采摘不是对所有植株图像进行分析，数据处理量小，提高了采摘效率。

采用本实施例的方法，采摘执行装置采摘时，不需要实时采集图像，减少了信息处理量，降低了对相应数据处理设备的要求，结合果实生长模型，对采摘时刻某个空间位置的果实的成熟度就能够实现预判，采摘机器人直接去采摘，工作效率高。

实施例2

本实施例提供了一种基于植物生长的采摘系统，如图4所示，用于大棚生态系统8，包括图像采集装置、数据处理装置及采摘执行装置。

所述图像采集装置采用摄像头，用于采集大棚内的植株1图像。

所述数据处理装置用于执行实施例1所述的基于植物生长的采摘方法，数据处理装置包括生态数据处理中心2和存储模块3，生态数据处理中心2与监测平台4连接，生态数据处理中心2与监测平台4实时交互。

所述摄像头与生态数据处理中心2连接，能够将采集的植株图像传递给生态数据处理中心2，生态数据处理中心2能够根据采集的植株图像获取果实的空间位置信息和果实成熟度信息并传递给存储模块3进行数据存储，形成果实信息数据库。

生态数据处理中心2形成多个监测时刻对应果实成熟度信息的直观显示图，在监测平台4的显示器5上进行显示，例如形成果实尺寸和果实颜色的直观显示图，在监测平台4的显示器5进行直观显示。

所述生态数据处理中心2接入区块链系统中，区块链系统能够将需求果实的成熟度信息传递给生态数据处理中心2。生态数据处理中心2能够将合约数据转化为需求编码，生态数据处理中心2还能够执行实施例1所述的基于植物生长的采摘方法，根据实施例1的方法得到采摘时刻的所有果实成熟度信息并且传输给存储模块3以实现在果实信息数据库中的存储。

生态数据处理中心2根据需求编码筛和采摘时刻的所有果实的成熟度信息选出满足要求的果实作为目标果实，然后生态数据处理中心2将目标果实的空间位置信息传递给采摘执行装置，控制采摘执行装置对目标果实进行采摘工作。

本实施例中，如图5所示，所述采摘执行装置采用现有的采摘机器人6，采摘机器人6设置在大棚内相邻两行植株之间，能够根据生态数据处理中心2传递的目标果实的空间位置信息进行工作，对目标果实进行采摘。

所述采摘系统还包括环境监测装置，用于检测大棚系统内的环境数据，所述环境监测装置包括温度传感器、湿度传感器和光照传感器，用于采集大棚内的温度、湿度和光照信息，环境监测装置与生态数据处理中心2连接，能够将检测得到的环境数据传递给生态数据处理中心2，并利用存储模块3进行存储。

本实施例的工作方法为：

摄像头按照监测周期采集植株1图像，并传输给生态数据处理中心2，生态数据处理中心2对接收到的植株图像进行处理，获取植株1的果实空间位置信息和果实成熟度信息，具体的，生态数据处理中心2对采集的植株图像中的枝条进行识别并进行母编号，对枝条上的果实进行子编号，按照编号对果实成熟度信息和空间位置信息数据在存储模块3中进行存储，形成果实信息数据库。

当需要对果实进行采摘时，生态数据处理中心2接收到区块链系统上传的合约数据，并转化为需求编码后，生态数据处理中心2提取与采摘时刻最接近的第一监测时刻的图像，并根据第一监测时刻获取果实的空间位置对应的果实成熟度信息，其中获取的果实成熟度信息为能够在第一监测时刻的植株图像中显示的果实的成熟度信息，对于某些果实空间位置，第一监测时刻获取的植株图像由于枝叶遮挡无法获取某些果实空间位置对应的果实图像，生态数据处理中心2提取第二监测时刻的植株图像，第二监测时刻的植株图像能够捕捉到在第一监测时刻的植株图像中无法进行显示的果实，根据第二监测时刻的图像得到对应果实成熟度信息。

通过第一监测时刻和第二监测时刻对应的果实成熟度信息结合果实生长模型，得到采摘时刻的所有果实成熟度信息并传递给存储模块3，将采摘时刻所有果实成熟度信息存储在果实信息数据库中。

生态数据处理中心2将采摘时刻的所有果实成熟度信息与目标果实成熟度信息的需求编码进行比对，筛选出目标果实，并得到目标果实的空间位置信息，然后将目标果实的空间位置信息传递给采摘机器人。

采摘机器人6获得目标果实的空间位置信息后工作，按照采摘路线7行走，对目标果实进行采摘。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于植物生长的采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取植株图像，并根据获取的植株图像得到植株图像中果实的空间位置，其中植株图像按照设定的监测周期进行采集；

在采摘时刻提取每个空间位置对应的植株图像，其中提取的植株图像为能够捕捉到空间位置对应的果实且与采摘时刻最接近的监测时刻获取的植株图像；

提取最接近采摘时刻的第一监测时刻的植株图像，获取第一监测时刻的果实的成熟度信息；

当某个空间位置对应的果实由于被枝叶遮挡未在第一监测时刻的植株图像中显示时，提取第一监测时刻之前的第二监测时刻的图像，第二监测时刻的植株图像能够显示处该空间位置的果实，且最接近采摘时刻，根据第二监测时刻的植株图像获取第二监测时刻的果实成熟度信息；

根据提取的植株图像和预先获取的果实生长模型得到采摘时刻对应的所有果实成熟度信息；

将采摘时刻对应的所有果实的成熟度信息与获取的目标果实成熟度信息进行比对，获取目标果实的空间位置；

根据目标果实的空间位置控制采摘执行装置工作，对目标果实进行采摘；

将植株的生长时间划分为多个阶段，按照植株的生长过程，依次设置的每个阶段内的监测周期逐渐缩短；

所述多个阶段分别为依次设置的生长阶段、发育阶段和成熟阶段，其中生长阶段的监测周期优选为14天，发育阶段的监测周期优选为6天，成熟阶段的监测周期优选为2天；

根据提取的植株图像获取对应的监测时刻的果实成熟度信息，根据监测时刻与采摘时刻的时间差值结合预先存储的果实生长模型获取采摘时刻的果实成熟度信息。

2.如权利要求1所述的一种基于植物生长的采摘方法，其特征在于，所述果实成熟度信息包括果实的尺寸及果实的颜色。

3.如权利要求1所述的一种基于植物生长的采摘方法，其特征在于，获取植株图像后，对枝条进行识别并对枝条进行编号，以枝条编号为母编号，对枝条上的果实进行母编号下的子编号，然后将果实的空间位置进行存储。

4.如权利要求1所述的一种基于植物生长的采摘方法，其特征在于，获取多个监测时刻的植株图像，并根据植株图像获取果实的成熟度信息，将同一个空间位置的果实对应的多个监测时刻的成熟度信息生成直观显示图。

5.一种基于植物生长的采摘系统，执行如权利要求1-4任一项所述的一种基于植物生长的采摘方法，其特征在于，包括：图像采集装置、数据处理装置及采摘执行装置；

所述图像采集装置：用于按照监测周期采集大棚内各个植株的图像，并将植株图像传输给数据处理装置；

所述数据处理装置：用于接收图像采集装置采集的植株图像并进行处理；

所述采摘执行装置：用于接收到数据处理装置传递的目标果实空间位置后进行采摘工作。

6.如权利要求5所述的一种基于植物生长的采摘系统，其特征在于，还包括环境监测装置，用于监测植物生长环境数据，与数据处理装置连接，将采集的环境数据传输给数据处理装置。

7.如权利要求6所述的一种基于植物生长的采摘系统，其特征在于，所述环境监测装置包括温度传感器、湿度传感器及光照传感器。