CN211240896U - 一种视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构和无人机采收装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构和无人机采收装置。仿生蛇嘴采摘机构包括蛇嘴上部、蛇嘴下部和蛇颈,蛇嘴上部与蛇嘴下部主要用于采摘,蛇颈主要用于收获;仿生蛇嘴采摘机构通过支架安装在无人机主体上。本实用新型具有很好的仿生效果,在采摘过程中,蛇嘴上部和蛇嘴下部的仿生形状可以很好地适用于果实采摘,刀片的设置模仿了牙齿的作用,加上电磁铁与旋转电机的快速响应,可以迅速促进果实和植株的分离,而且在果实定位采摘出现偏差时以及应对障碍环境等方面,本实用新型都有很好的容错率和相应的应对措施,人工劳动强度小,在采摘过程中可以有效避免果实的损伤和人员的受伤。
Description
技术领域
本实用新型涉及采摘机械领域,特别涉及一种视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构和无人机采收装置。
背景技术
油茶果、苹果等果实是我国最主要的作物。以油茶果为例,采摘具有以下特点:多数果树种植在山区,特别是南方的山路道路不平,大型化的机械无法上山作业;油茶果采收时要求动作轻,不能损伤树枝和新开的花苞,否则会严重影响来年的产量。目前,油茶果的采摘基本上依靠手工采摘来完成,通过外力作用使果实与果树分离,再将果实放入框中;这种采摘方式的人工强度较大,采摘效率较低。现有的采摘机器人,大多为小车加机械手的组合,小车可通过人工或者导航的方式到达目标点,而采摘工作大多给机械手进行作业,在机械手工作时,当要采摘高度较高的果实时,还需要配备升降台;当采摘位置错误,即使是较小的位置偏移,都可能导致采摘不成功,需要重新对准果实,重复之前的动作进行采摘,这势必造成时间的浪费和效率的降低。基于此,本实用新型为了克服采摘过程中采摘点目标过高造成的采摘不便,配备无人机视觉定位进行采摘;为了克服由于定位精度不足导致与采摘点偏移过大,设计仿生蛇嘴采摘机构,增大容错率,提高采摘效率。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点,提供一种采摘效率高、容错率高、人工劳动强度低的视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构。
本实用新型的另一目的在于提供一种无人机采收装置,所述无人机采收装置安装有上述视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
一种视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构2,包括蛇嘴上部3、蛇嘴下部4和蛇颈5;所述蛇嘴上部3包括上圆形帽7、蛇嘴上沿8和双目相机9,蛇嘴上部3的前方为蛇嘴上沿8,蛇嘴上沿8与上圆形帽7固定连接,蛇嘴上沿8的上方装有双目相机9;蛇嘴上沿8的两侧装有距离传感器10,用于检测果实与仿生蛇嘴采摘机构的初步距离,进行辅助初步定位,再通过双目相机采集图像,结合算法实现二次定位;蛇嘴下部4的前方为蛇嘴下沿11,蛇嘴下部4的底部设有圆形倾斜轨道,角度范围为15~30°;蛇嘴上部3与蛇嘴下部4都装有刀片19;光杆16与蛇嘴上部3固连,蛇嘴下部4设有光杆孔,光杆16通过光杆孔竖直穿过蛇嘴下部4,光杆16的底部装有节环18,光杆的中部套有弹簧17,蛇嘴下部4与蛇嘴上部3之间通过光杆16进行相对移动;蛇颈5位于上圆形帽7的下方。
所述蛇颈5包括下圆形帽13和尼龙网14,下圆形帽13的内部设有圆形倾斜轨道,角度范围为45~65°,下圆形帽13的圆形倾斜轨道与蛇嘴下部4的圆形倾斜轨道相连通,果实被采摘下来之后先通过蛇嘴下部4的圆形倾斜轨道下滑,接着通过下圆形帽13的圆形倾斜轨道下滑;下圆形帽的外部套接有尼龙网14;尼龙网14的底部设置有铁圈15,防止大风等外界因素影响果实的正常摘取。
所述刀片19分别安装在蛇嘴上沿8的底部边缘和蛇嘴下沿11的上部边缘,刀片19的安装呈上下对称。蛇嘴上沿8安装有7块刀片,包括前方安装有一块刀片、左方安装有两块刀片、右方安装有两块刀片、前方刀片和左方刀片之间有一块过渡刀片、前方刀片和右方刀片之间有一块过渡刀片;蛇嘴下沿11在相对应的位置也安装有7块刀片。左方刀片和右方刀片对称,可以在定位出现偏差而导致仿生蛇嘴采摘机构的位置与果实位置出现偏移时,采用左方刀片或者右方刀片进行果实分离,即在没有正对果实的情况下进行倾斜采摘。
蛇颈5通过齿轮齿条20与蛇嘴上部3相连接,齿轮通过旋转电机提供动力。
蛇嘴上沿8的外侧呈圆斜坡状,角度范围为15~30°;蛇嘴下沿11的外侧也呈圆斜坡状,角度范围为10~15°;这种形状使得仿生蛇嘴采摘机构的导向性好,可以对树枝进行导向,减少碰撞,防止干扰。
仿生蛇嘴采摘机构上安装有电磁铁12和旋转电机;光杆孔的周围布置有环形铁环,蛇嘴上部对应环形铁环所在的竖直方向上设置有电磁铁12,通过电磁铁12的通电和断电,实现环形铁环的吸附与释放,从而带动蛇嘴下部4的上下移动;旋转电机安装在齿轮齿条20的上方,当旋转电机通电时,使齿轮齿条20运动,通过旋转电机的正反转,带动蛇颈5的上下移动。
一种视觉定位的无人机采收装置,包括无人机主体1,所述视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构2;仿生蛇嘴采摘机构2通过支架6安装在无人机主体1上,支架6的内部设有线路,线路用于给电磁铁、旋转电机、双目相机、距离传感器等需要用电的设备供电。
一种视觉定位的无人机采收方法,是采用上述视觉定位的无人机采收装置,包括下述步骤:
(1)双目相机标定:先进行单目标定,得到相机的内参数矩阵与畸变系数矩阵;然后进行双目标定,得到双目校正的重投影矩阵,以及相机像素距离和真实距离的转换关系;
(2)图像采集与校正:无人机通过双目相机获取果实图像,然后进行双目校正,得到校正后的果实图像;
(3)图像处理:对校正后的果实图像先进行灰度化、平滑处理,然后采用Otus法来确定分割阈值,将校正后的果实图像中的果实分割出来,得到分割后的图像,并依次对果实进行编号,计算每个果实的位置;
(4)形态学处理:通过数学形态学滤波的开运算对分割后的图像进一步处理,平滑果实轮廓、断开较窄的狭颈并消除细的突起物;
(5)轮廓检测与筛选:通过调用OpenCV函数库中的函数,辅助提取图像中所有可能是果实轮廓的信息,并进行轮廓的筛选,得到目标果实的位置;
(6)视觉跟踪:采用CamShift算法对目标果实特征标志进行跟踪,达到实时动态锁定果实,进行跟随;
(7)驱动无人机靠近:在获取目标果实位置后,返回果实O1的位置,计算仿生蛇嘴采摘机构与目标果实位置的距离,将O1投影到相机坐标系平面上得到投影O1’;计算投影O1’到相机坐标系原点O的实际物理距离在仿生蛇嘴采摘机构靠近目标果实的时候,如果(w为安全距离,w的取值范围30cm~40cm),打开旋转电机,让蛇颈下移;如果(e为采摘距离,e的取值范围为10cm~15cm),表示可以准备摘取果实,让电磁铁失电,蛇嘴下部下移;若无人机根据距离值和方向
(8)距离传感器返回实时距离:距离传感器10返回实时直线距离,将实时直线距离与双目相机计算的的距离进行对比,由于距离传感器在近距离测算时,所测距离为直线距离,故其测得距离更加精确,所以当相机与距离传感器所测距离都小于e时,则可以只通过距离传感器所测距离进行判断,当距离传感器返回实时直线距离为0时,表示可以进行采摘;
(9)采摘果实:通过控制电磁铁通电和断电,进而控制仿生蛇嘴采摘机构的蛇嘴上部3与蛇嘴下部4进行张开与闭合的动作以咬住果实,然后采用刀片19对果实进行多角度采摘,咬断果枝或拧下果实;
(10)收集果实:采摘到果实后,通过旋转电机控制齿轮齿条,使得果实从圆形倾斜轨道进入蛇颈,最后从铁圈滑入收集筐中。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和效果:
(1)本实用新型具有很好的仿生效果,在采摘过程中,蛇嘴上部和蛇嘴下部的仿生形状可以很好地适用于果实采摘,刀片的设置模仿了牙齿的作用,加上电磁铁与旋转电机的快速响应,可以迅速促进果实和植株的分离。
(2)本实用新型在视觉等方面的定位装置也采用了仿生,比如距离传感器类似于耳朵,双目相机类似于眼睛,分别起到了初步和二次定位,而且在很接近果实时,通过距离传感器进行测算距离更加精确,更加有效地定位目标的位置,使得无人机能够在准确的位置进行采摘。
(3)本实用新型的仿生蛇嘴采摘机构通过旋转电机和齿轮齿条的作用,实现蛇颈与蛇嘴之间稳定的运动和牢固的连接;当开始采摘前,电机正转,蛇颈渐渐稳定下移;当采摘时,由于蛇颈较长,可能受到环境影响,齿条的牢固连接可以为其提供保障,保证采摘的正常进行;当采摘结束,电机反转,蛇颈逐渐收回,完成采摘。
(4)本实用新型的蛇嘴上沿和蛇嘴下沿呈圆尖状,既可以导向树枝,防止影响采摘,又不易发生碰撞,进一步提高了仿生蛇嘴采摘机构的安全性。
(5)蛇嘴上下部的刀片设计是呈前、左、右分布,这样的设计类似动物齿,可以在果实定位出现偏差的时候,使得仿生蛇嘴采摘机构不能够正对果实的时候,可以通过左右的蛇齿进行分离果实;或者当果实之间非常靠近或者存在很密集的树枝时,可通过调整进行倾斜式靠近果实,进行采摘。
(7)本实用新型借助电磁铁与弹簧的快速响应特性以及齿轮齿条稳定牢固的运动,有效提高采摘效率,缩短采摘时间,而且在果实定位采摘出现偏差时以及应对障碍环境等方面,本实用新型的装置都有很好的容错率和相应的应对措施,人工劳动强度小,在采摘过程中可以有效避免果实的损伤和人员的受伤。
附图说明
图1为本实用新型视觉定位的无人机采收装置的结构示意图。
图2为仿生蛇嘴采摘机构的结构示意图。
图3为仿生蛇嘴采摘机构的局部结构示意图。
图4为正常采摘示意图。
图5为多果实采摘情况示意图。
图6为多障碍物采摘情况示意图。
图7为果实定位偏差或果颈歪斜采摘情况示意图。
图中,1、无人机主体;2、仿生蛇嘴采摘机构;3、蛇嘴上部;4、蛇嘴下部;5、蛇颈;6、支架;7、上圆形帽;8、蛇嘴上沿;9、双目相机;10、距离传感器;11、蛇嘴下沿;12、电磁铁;13、下圆形帽;14、尼龙网;15、铁圈;16、光杆;17、弹簧;18、节环;19、刀片;20、齿轮齿条。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步详细的描述,但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、图2、图3所示,一种视觉定位的无人机采收装置,包括无人机主体1和视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构2;仿生蛇嘴采摘机构2通过支架6安装在无人机主体1上,支架6的内部设有线路,线路用于给电磁铁、旋转电机、双目相机、距离传感器等需要用电的设备供电。支架6的安装方式为可插拔式,即支架内部布置有线路,支架末端类似电源插头,通过插装在无人机上获取电源。
视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构2,包括蛇嘴上部3、蛇嘴下部4和蛇颈5。所述蛇嘴上部3包括上圆形帽7、蛇嘴上沿8和双目相机9,蛇嘴上部3的前方为蛇嘴上沿8,蛇嘴上沿8与上圆形帽7固定连接,蛇嘴上沿8的上方装有双目相机9;蛇嘴上沿8的两侧装有距离传感器10,用于检测果实与仿生蛇嘴采摘机构的初步距离,进行辅助初步定位,再通过双目相机采集图像,结合算法实现二次定位;蛇嘴下部4的前方为蛇嘴下沿11,蛇嘴下部4的底部设有圆形倾斜轨道,角度范围为15~30°。蛇嘴上沿8的外侧呈圆斜坡状,角度范围为15~30°;蛇嘴下沿11的外侧也呈圆斜坡状,角度范围为10~15°;这种形状使得仿生蛇嘴采摘机构的导向性好,可以对树枝进行导向,减少碰撞,防止干扰。
蛇嘴上部3与蛇嘴下部4都装有刀片19。所述刀片19分别安装在蛇嘴上沿8的底部边缘和蛇嘴下沿11的上部边缘,刀片19的安装呈上下对称。蛇嘴上沿8安装有7块刀片,包括前方安装有一块刀片、左方安装有两块刀片、右方安装有两块刀片、前方刀片和左方刀片之间有一块过渡刀片、前方刀片和右方刀片之间有一块过渡刀片;蛇嘴下沿11在相对应的位置也安装有7块刀片。左方刀片和右方刀片对称,可以在定位出现偏差而导致仿生蛇嘴采摘机构的位置与果实位置出现偏移时,采用左方刀片或者右方刀片进行果实分离,即在没有正对果实的情况下进行倾斜采摘。
所述蛇颈5包括下圆形帽13和尼龙网14,下圆形帽13的内部设有圆形倾斜轨道,角度范围为45~65°,下圆形帽13的圆形倾斜轨道与蛇嘴下部4的圆形倾斜轨道相连通,两个轨道呈小阶梯状,下圆形帽的轨道略低。果实被采摘下来之后先通过蛇嘴下部4的圆形倾斜轨道下滑,接着通过下圆形帽13的圆形倾斜轨道下滑;下圆形帽的外部套接有尼龙网14;尼龙网14的底部设置有铁圈15,防止大风等外界因素影响果实的正常摘取。蛇颈5通过齿轮齿条20与蛇嘴上部3相连接,齿轮通过旋转电机提供动力。
光杆16与蛇嘴上部3固连,蛇嘴下部4设有光杆孔,光杆16通过光杆孔竖直穿过蛇嘴下部4,光杆16的底部装有节环18,光杆的中部套有弹簧17,蛇嘴下部4与蛇嘴上部3之间通过光杆16可以进行相对移动。仿生蛇嘴采摘机构上安装有电磁铁12和旋转电机;光杆孔的周围布置有环形铁环,蛇嘴上部对应环形铁环所在的竖直方向上设置有电磁铁12,通过电磁铁12的通电和断电,实现环形铁环的吸附与释放,从而带动蛇嘴下部4的上下移动;旋转电机安装在齿轮齿条20的上方,当旋转电机通电时,使齿轮齿条20运动,通过旋转电机的正反转,带动蛇颈5的上下移动。
如图4所示,一种视觉定位的无人机采收方法,是采用上述视觉定位的无人机采收装置,在采摘过程中,首先无人机通过安装在蛇嘴上沿两侧的距离传感器10初步获得果实与无人机的距离,此时蛇嘴上沿的电磁铁12通电,弹簧17被蛇嘴下部4压紧,蛇嘴上下部为闭合状态。然后,控制无人机飞行至预设高度(视果树高度决定),进行双目相机9的标定和图像采集、处理、筛选并获得目标的位置,当无人机获得果实位置后,通过CamShift算法进行动态追踪果实位置,无人机慢慢靠近果实,期间距离传感器不断获取无人机与果实之间的距离,同时无人机通过双目相机动态捕捉果实位置后,与距离传感器获得的距离进行对比,达到开口距离w后(w为安全距离,w范围在30cm~40cm左右),此时,以距离传感器所测数据为依据,打开旋转电机,齿轮齿条20相互移动,蛇颈5开始逐渐下移,等蛇颈5下移到合适的位置,使得上圆形帽7与下圆形帽13之间的空间足以容纳果实,此时关闭旋转电机,下移完毕;接着在与采摘点的距离到达e时(e范围在10cm~15cm左右),让电磁铁立刻失电,由于弹簧的作用力,蛇嘴上下部马上分离至最大行程,呈开口状,由于光杆16的底部设有节环18,可以阻止蛇嘴下部继续下移,接着无人机慢慢靠近果实,通过距离传感器不断检测距离,直到果实到达蛇嘴的采摘范围,开始摄入果实,此时让电磁体得电,蛇嘴下部快速上移,借助快速上移的速度和刀片19的作用,果实与植株顺利分离,由于蛇嘴内部设有圆形倾斜轨道,果实顺利进入尼龙网14,由于尼龙网质量较轻,所以对果实不会产生损伤,网底套有铁圈15,可以降低大风等外界因素的影响,果实顺着尼龙网便会到达收获小车内,等采摘完成后,即可控制无人机返程,期间控制旋转电机反转,齿轮齿条20反向相对移动,蛇颈5逐渐上移,最终与上部重合,关闭旋转电机,完成采摘过程。
实施例2
如图5所示,当图像定位的果实位置处含有多个果实时,仿生蛇嘴采摘机构靠近果实时,由于蛇嘴外形呈圆锥状,利用其导向性,可以使目标果实旁边的果实顺着外侧轮廓,移动到旁边位置,这样便使得目标果实处于正确的采摘位置,其中主要的采摘执行步骤与实施例1相同。
实施例3
如图6所示,当目标果实上下方存在许多障碍树枝,当仿生蛇嘴采摘机构靠近果实时,由于蛇嘴上下沿外侧设计的圆斜坡,可以很好地将树枝导向上方和下方,而不影响采摘,其中主要的采摘执行步骤与实施例1相同。
实施例4
如图7所示,当果实定位出现误差时,使得果实没有正对仿生蛇嘴采摘机构的正中央,且果颈倾向一侧,此时,无人机仍可以靠近进行采摘,由于蛇嘴空间足够大,无人机移动,使得果实被包裹在内,即可通过左方或者右方的刀片将果颈切断,其中主要的采摘执行步骤与实施例1相同。
以上所述仅为本实用新型的实施例,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种视觉定位的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:包括蛇嘴上部、蛇嘴下部和蛇颈;所述蛇嘴上部包括上圆形帽、蛇嘴上沿和双目相机,蛇嘴上部的前方为蛇嘴上沿,蛇嘴上沿与上圆形帽固定连接,蛇嘴上沿的上方装有双目相机;蛇嘴上沿的两侧装有距离传感器;蛇嘴下部的前方为蛇嘴下沿,蛇嘴下部的底部设有圆形倾斜轨道;蛇嘴上部与蛇嘴下部都装有刀片;光杆与蛇嘴上部固连,蛇嘴下部设有光杆孔,光杆通过光杆孔竖直穿过蛇嘴下部,光杆的底部装有节环,光杆的中部套有弹簧,蛇嘴下部与蛇嘴上部之间通过光杆进行相对移动;蛇颈位于上圆形帽的下方。
2.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:所述蛇颈包括下圆形帽和尼龙网,下圆形帽的内部设有圆形倾斜轨道,下圆形帽的圆形倾斜轨道与蛇嘴下部的圆形倾斜轨道相连通;下圆形帽的外部套接有尼龙网;尼龙网的底部设置有铁圈。
3.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:所述刀片分别安装在蛇嘴上沿的底部边缘和蛇嘴下沿的上部边缘,刀片的安装呈上下对称。
4.根据权利要求3所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:蛇嘴上沿安装有7块刀片,包括前方安装有一块刀片、左方安装有两块刀片、右方安装有两块刀片、前方刀片和左方刀片之间有一块过渡刀片、前方刀片和右方刀片之间有一块过渡刀片;蛇嘴下沿在相对应的位置也安装有7块刀片。
5.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:蛇颈通过齿轮齿条与蛇嘴上部相连接。
6.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:蛇嘴上沿的外侧呈圆斜坡状,角度范围为15~30°;蛇嘴下沿的外侧也呈圆斜坡状,角度范围为10~15°。
7.根据权利要求1所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:光杆孔的周围布置有环形铁环,蛇嘴上部对应环形铁环所在的竖直方向上设置有电磁铁,通过电磁铁的通电和断电,实现环形铁环的吸附与释放,从而带动蛇嘴下部的上下移动;旋转电机安装在齿轮齿条的上方,当旋转电机通电时,使齿轮齿条运动,通过旋转电机的正反转,带动蛇颈的上下移动。
8.根据权利要求2所述的仿生蛇嘴采摘机构,其特征在于:蛇嘴下部的圆形倾斜轨道的角度范围为15~30°;下圆形帽的圆形倾斜轨道的角度范围为45~65°。
9.一种视觉定位的无人机采收装置,其特征在于:包括无人机主体,权利要求1~8中任一项所述的仿生蛇嘴采摘机构;仿生蛇嘴采摘机构通过支架安装在无人机主体上。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110537416A (zh) * | 2019-10-10 | 2019-12-06 | 浙江海洋大学 | 一种玫瑰花花蕾的采摘装置 |
CN117461482A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 山西晋美羊畜牧科技有限公司 | 一种牧草收割用破碎机 |
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2019
- 2019-11-08 CN CN201921916318.9U patent/CN211240896U/zh active Active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110537416A (zh) * | 2019-10-10 | 2019-12-06 | 浙江海洋大学 | 一种玫瑰花花蕾的采摘装置 |
CN117461482A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 山西晋美羊畜牧科技有限公司 | 一种牧草收割用破碎机 |
CN117461482B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-03-12 | 山西晋美羊畜牧科技有限公司 | 一种牧草收割用破碎机 |
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GR01 | Patent grant | ||
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