CN216982615U - 一种番茄采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种番茄采摘机器人，包括AGV小车，所述AGV小车安装有主控模块、图像识别模块、采摘模块和可升降平台，所述采摘模块包括机械爪，所述机械爪内侧设有压力传感器，所述可升降平台设有测距传感器。本实用新型解决了传统的番茄采摘机器人对成熟果实识别精度不是太高，被枝条遮挡番茄不易识别，机器人仍需划线循迹、手动操作等技术问题，设计了一种高效省力的番茄采摘机器人。

Description

一种番茄采摘机器人

技术领域

本实用新型涉及人工智能以及图像识别的技术领域，尤其是涉及一种番茄采摘机器人。

背景技术

我国是传统农业大国，现如今即使部分设施农业可以进行高度自动化作业，其农作物采摘环节仍需大量人工来完成。人工采摘方式效率较为低下，实现温室内农作物自动化采摘已成为发展新型设施农业的主要方向。

我国的农业采摘机器人技术起步较晚，现有的农作物采摘机器人并不能较好地完成对成熟农作物的自动采摘工作。张宾等设计的基于激光视觉的智能识别苹果采摘机器人虽然对成熟苹果的识别率较高，但该机器人系统图像识别时反应时间较长。李泽宇等设计的基于物联网感知的草莓采摘机器人基于DSP图像处理技术对草莓进行采摘，但该方法对成熟果实的识别准确率较低，大规模采摘水果时不是特别适用。赵源深设计的西红柿采摘机器人目标识别、定位与控制技术研究了基于EtherCAT总线的驱动控制系统和基于颜色特征分类识别成熟西红柿的采摘机器人，吕小莲设计的基于四自由度西红柿采摘机器人视觉系统，首次根据采摘要求对不同成熟期的西红柿果实进行识别，为温室内番茄的定位和采摘奠定了基础。

在这种背景下，本实用新型以温室大棚内的番茄为采摘对象，设计一款适用于温室内对已成熟番茄进行图像识别，可自主规划行走路线，通过机械爪对成熟番茄进行采摘的一体化采摘机器人。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种番茄采摘机器人,以解决现有的番茄采摘机器人对成熟果实识别精度不是太高，被枝条遮挡番茄不易识别，机器人仍需划线循迹、手动操作等技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的番茄采摘机器人的具体技术方案如下：

一种番茄采摘机器人，包括AGV小车，所述AGV小车安装有主控模块、图像识别模块、采摘模块和可升降平台，所述采摘模块包括机械爪，所述机械爪内侧设有压力传感器，所述可升降平台设有测距传感器。

进一步，所述主控模块包括主控芯片，所述主控芯片的型号为树莓派4。

进一步，所述AGV小车包括上位机、物联网通信单元、指令处理单元、内建通信单元、定位单元、地图单元、路径规划单元、驱动单元和传感器单元。

进一步，所述图像识别模块包括摄像头，所述摄像头的型号为ToF深度相机，所述ToF深度相机设有红外传感器。

进一步，所述可升降平台包括驱动电机、上平台铝板、机械臂滑轨和风机系统。

进一步，所述AGV小车设有RFID传感器。

进一步，所述压力传感器的型号为HX711薄膜压力传感器。

进一步，所述测距传感器的型号为HR-04测距传感器。

进一步，所述主控模块与图像识别模块、采摘模块、可升降平台、AGV小车电性连接，所述采摘模块与压力传感器电性连接，所述可升降平台与测距传感器电性连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：在现有的番茄采摘机器人基础上进行了改进，也从各类水果采摘机器人提取了经验。原有的设计仍需要预先设置定位线进行循迹，依赖于人工控制，对成熟番茄识别精度较低，对被枝条遮挡的番茄无法快速采摘。本实用新型的树莓派4通过ToF深度相机识别出番茄树所在位置，AGV小车通过传感器识别近场通信点，自主规划运动路径到达指定位置，ToF深度相机通过图像识别出已成熟的番茄，最终通过机械臂所搭载的柔性机械爪进行采摘。该机器人可以通过可升降平台对不同高度，不同位置的番茄进行采摘，提升了机器采摘效率，达到节省人力的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的总体系统框图；

图3为本实用新型的流程图；

图4为本实用新型图1中AGV小车的系统框图；

图中标记说明：1、可升降平台；2、摄像头；3、机械爪；4、AGV小车。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型一种番茄采摘机器人做进一步详细的描述。

实施例1：

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种番茄采摘机器人，包括AGV小车4，所述AGV小车4安装有主控模块、图像识别模块、采摘模块和可升降平台1，所述采摘模块包括机械爪3，用于对已成熟的番茄进行采摘，所述机械爪3采用由橡胶材质制作的柔性手爪，采用柔性手爪可以防止采摘过程中番茄的损伤；所述机械爪3内侧设有压力传感器，所述可升降平台1设有测距传感器。

进一步，所述主控模块包括主控芯片，所述主控芯片的型号为树莓派4，可以向上位机发送目标指令、控制图像识别模块对成熟番茄进行图像识别、调整可升降平台1的高度、控制机械爪采摘果实。

进一步，所述AGV小车4包括上位机、物联网通信单元、指令处理单元、内建通信单元、定位单元、地图单元、路径规划单元、驱动单元和传感器单元，AGV小车4作为机器人的移动底盘，用于为机器人提供运动能力。

进一步，所述图像识别模块包括摄像头2，所述摄像头2的型号为ToF深度相机，所述ToF深度相机设有红外传感器，该ToF深度相机的传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，能快速识别出温室大棚内各种番茄树图像，根据温室大棚内接收到的番茄和枝条反射光强弱差异，获取番茄树的二维坐标；其深度图可判断番茄的高度，获取番茄的三维坐标以及图像。

进一步，所述可升降平台1包括驱动电机、上平台铝板、机械臂滑轨和风机系统；可升降平台1通过测距传感器始终位于机械爪的下方，机械爪采摘完以后番茄自动落在可升降平台1上，机械爪不用来回移动，节省了采摘时间。

进一步，所述AGV小车4设有RFID传感器。

进一步，所述压力传感器的型号为HX711薄膜压力传感器，利用A/D转换器的动态输入范围进一步精准控制机械爪的采摘力度，防止采摘过程中压力过大损伤番茄，或压力过小无法顺利采摘。

进一步，所述测距传感器的型号为HR-04测距传感器，用于保证机械爪和可升降平台1一直处于联动状态，可升降平台1一直位于机械爪下方合适距离，番茄采摘后可以自动落在平台上。

进一步，所述主控模块与图像识别模块、采摘模块、可升降平台1、AGV小车4电性连接，所述采摘模块与压力传感器电性连接，所述可升降平台1与测距传感器电性连接。

工作原理：温室大棚内设置多个近场通信点，由多个近场通信点共同构建温室大棚内地图拓扑结构，相邻近场通信点之间联通。ToF深度相机通过预处理图像对番茄形状特征进行提取，将事先拍摄好的番茄图像，记录在树莓派4中。树莓派4传递移动信息给上位机，上位机向AGV小车下发目标指令，AGV小车移动到温室大棚内指定位置。

树莓派4传递指令到ToF深度相机，ToF深度相机开始图像识别，根据番茄反射光的光强和枝条返回的光强不同，并根据Hu(基于不变矩的视觉模式识别)不变矩阵提取番茄的图像特征，番茄本身纹理特征不算复杂，与周边枝条、枝叶区别也较为明显。以ToF深度相机为坐标系构建点云地图，ToF深度相机的传感器发出特制的红外光，经过Hu不变矩算法过滤，将检测到的各个番茄树位置以及大致特征反投影到二维坐标。采摘机器人移动过程中，会将检测到的番茄图像与对应的二维信息匹配，在二维坐标上分别搜索番茄树的位置和外部特征。树莓派4定位到距离最近的番茄树位置后，上位机传递目标指令给AGV小车，AGV小车基于局部最近原则和全局最近原则进行路径规划。

然后利用ToF深度相机的深度图获取番茄的深度信息，可以判断到番茄的高度差，调整可升降平台的高度，直到番茄处于可升降平台的正下方，同时保证机械爪处于可以采摘番茄的合理距离内，ToF深度相机为了得到可采摘范围内的番茄的准确位置，在深度图上以番茄为中心随机选取五个点作为番茄三维数据，然后对这五个点求平均值，然后将深度信息与目标检测产生的三维位置信息融合，最终计算出番茄的中心位置。树莓派4会根据先前录入的番茄图像进行比对，区分出成熟番茄与未成熟番茄，确定番茄的中心位置后，再传递指令到机械爪，机械爪对已成熟的番茄进行采摘。在机械爪的内壁还贴有HX711薄膜压力传感器，树莓派4可以通过与之连接的AD转换电路获得机械爪内部的压力数据，进一步精准控制番茄的采摘力度，从而防止番茄因采摘发生损伤。同时，机械爪与可升降平台之间通过HR-04测距传感器始终保持合适的距离，机械爪采摘完番茄后，自动落在可升降平台上，机械爪依次对可采摘范围内的番茄采摘。

树莓派4判断出当前位置的番茄树无所需采摘的番茄时，会将该位置的二维坐标从云地图中删除，ToF深度相机快速识别剩余二维坐标中距离最近的番茄树所在位置，AGV小车设有RFID传感器，RFID传感器用于对近场通信点进行识别,再自行规划路径到下一位置进行采摘。直到确定所有番茄采摘完毕以后，该机器人返回起始位置。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种番茄采摘机器人，其特征在于：包括AGV小车(4)，所述AGV小车(4)安装有主控模块、图像识别模块、采摘模块和可升降平台(1)，所述采摘模块包括机械爪(3)，所述机械爪(3)内侧设有压力传感器，所述可升降平台(1)设有测距传感器。

2.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述主控模块包括主控芯片，所述主控芯片的型号为树莓派4。

3.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述AGV小车(4)包括上位机、物联网通信单元、指令处理单元、内建通信单元、定位单元、地图单元、路径规划单元、驱动单元和传感器单元。

4.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述图像识别模块包括摄像头(2)，所述摄像头(2)的型号为ToF深度相机，所述ToF深度相机设有红外传感器。

5.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述可升降平台(1)包括驱动电机、上平台铝板、机械臂滑轨和风机系统。

6.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述AGV小车(4)设有RFID传感器。

7.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述压力传感器的型号为HX711薄膜压力传感器。

8.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述测距传感器的型号为HR-04测距传感器。

9.根据权利要求1所述的番茄采摘机器人，其特征在于，所述主控模块与图像识别模块、采摘模块、可升降平台(1)、AGV小车(4)电性连接，所述采摘模块与压力传感器电性连接，所述可升降平台(1)与测距传感器电性连接。

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