CN220493649U - 组合式果园智能采摘收集车 - Google Patents

Abstract

组合式果园智能采摘收集车，包括采摘小车、收集小车、机械动作控制组件、智能自动控制组件、云平台和监控终端；智能自动控制组件包括激光雷达、深度相机和微型计算机；两个激光雷达分别安装在采摘小车上端和收集小车上端；两个深度相机分别安装在采摘小车上端和收集小车上端；微型计算机分别与激光雷达和深度相机通信连接；云平台用于暂存采摘小车和收集小车的运行状态数据；监控终端用于下载并查看采摘小车和收集小车的运行状态数据。本实用新型设计了分体式的采摘小车和收集小车，通过深度相机实现采摘小车与收集小车之间相对定位，通过激光雷达实现周围环境感知和建模，再通过微型计算机的全局控制实现采摘小车自动跟随收集小车。

Description

组合式果园智能采摘收集车

技术领域

本实用新型涉及水果采收设备技术领域，特别是一种组合式果园智能采摘收集车。

背景技术

果业是典型的劳动密集型产业，在水果的生产过程中，采摘就占了整个生产作业量的很大一部分，是水果生产中要求较高的一个关键环节，具有劳动密集、季节性和时效性的特点。而采摘作业质量的好坏会直接影响到水果的储存、加工、销售等各个环节，最终影响市场价格和经济效益。

现有的水果自动采收设备/采收机器人的采摘作业部分(以机械臂为主体)和果实收集部分(以收集仓为主体)通常都是集成为一体，体积相对较大，在果树种植密度较高的果园中移动不便，通过性和灵活性都较差。

因此，现有的水果自动采收设备/采收机器人普及度并不是很高，在很多果树种植密度较大的果园中仍然还是采用传统的人工采摘模式，费时费力。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，而提供一种组合式果园智能采摘收集车，它解决了现有的一体式水果自动采收设备/采收机器人通过性和灵活性较差的问题。

本实用新型的技术方案是：组合式果园智能采摘收集车，包括采摘小车、收集小车、机械动作控制组件、智能自动控制组件、云平台和监控终端；

采摘小车包括车体A、履带式移动机构、升降驱动底盘和多节段机械臂；车体A上端设有承载台；履带式移动机构安装在车体A两侧，其包括履带A和用于驱动履带A运转的电机A；升降驱动底盘固定安装在承载台上；多节段机械臂固定安装在升降驱动底盘上，其末端设有夹爪，夹爪内侧粘接有橡胶缓冲垫；

收集小车包括车体B和轮式移动机构；车体B上端设有收集仓，收集仓上端设有供水果投入的敞口，收集仓底部设有斜坡面，斜坡面的两端分别为高端和低端，收集仓在紧邻斜坡面低端的一侧壁上设有卸货口，卸货口上安装有活动门板；轮式移动机构安装在车体B两侧，其包括滚轮和用于驱动滚轮运转的电机B；

机械动作控制组件包括超声波传感器、压力传感器、遥控器和单片机；超声波传感器的数量为两个，两个超声波传感器分别安装在采摘小车前端中部边沿处和收集小车前端中部边沿处，其用于采摘小车和收集小车的周边小范围内的障碍物感知；压力传感器埋设在橡胶缓冲垫中，其用于感知夹爪夹持水果的压力；遥控器用于手动控制采摘小车的移动状态、收集小车的移动状态、多节段机械臂的动作和夹爪的开合；单片机分别与超声波传感器、压力传感器、遥控器、电机A、电机B、升降驱动底盘及多节段机械臂通信连接；

智能自动控制组件包括激光雷达、深度相机和微型计算机；激光雷达的数量为两个，两个激光雷达分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于采摘小车和收集小车的周边障碍物感知，以及采摘小车和收集小车周围环境感知和建模；深度相机的数量为两个，两个深度相机分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于短暂构建三维云点图，以供采摘小车或收集小车找到可行驶的路段选择性的前往目标位置，采摘小车或收集小车汇合后，根据深度相机上传的深度信息保持距离跟车行驶；微型计算机分别与激光雷达和深度相机通信连接；

云平台分别与单片机和微型计算机通信连接，其用于暂存采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及暂存深度相机拍摄的图像数据；

监控终端与云平台通信连接，用于下载并查看采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及查看深度相机拍摄的实时画面。

本实用新型进一步的技术方案是：多节段机械臂包括若干个节段，各个节段之间通过舵机活动连接，最下端的一根节段在下端与升降驱动底盘连接，最上端的一根节段在上端与夹爪连接；相应的，单片机分别与各个舵机通信连接。

本实用新型再进一步的技术方案是：微型计算机的型号为jetson tx2；深度相机的型号是英特尔realsense d455，其集成了红外摄像头和双目识别摄像头；云平台选用OneNET；监控终端为智能手机和/或PC机；单片机的型号为STM32F407ZGT6；遥控器的型号为大疆DT7，大疆DT7通过其附带的无线信号接收器与单片机进行无线通信连接

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、其设计了分体式的采摘小车(用于水果采摘)和收集小车(用于承装水果)，通过深度相机实现采摘小车与收集小车之间相对定位，通过激光雷达实现周围环境感知和建模，再通过微型计算机的全局控制实现采摘小车自动跟随收集小车。相比现有的一体式的水果自动采收设备/采收机器人，结构更加小巧，移动更加灵活，适用于果树种植密度较大的果园中使用。

2、考虑到果园土壤一般为软质，而轮式行走机构在遇到松软的地面时可能陷车，故在采摘小车上采用履带式移动机构，并且，履带式移动机构能够提供采摘小车更好的稳定性和抓地力，有助于采摘小车采摘水果时保持稳定。

3、基于深度相机可实现实时追踪物体，并准确识别可采摘物体，可以提高采摘效率，而且深度相机可以解决复杂的机器视觉问题，使机器可以看到、理解和分析周围环境，可以根据分析后的结果改变机器行为，而且不受天气等环境原因的影响，实现更加准确的采摘精度。

以下结合图和实施例对本实用新型作进一步描述。

附图说明

图1为本实用新型在一种视角下的结构示意图；

图2为本实用新型在另一视角下的结构示意图；

图3为本发明中的各需电部件的通信连接关系图。

图例说明：车体A11；承载台111；履带式移动机构12；升降驱动底盘13；多节段机械臂14；夹爪15；车体B21；轮式移动机构22；收集仓23；活动门板231；超声波传感器31；压力传感器32；遥控器33；单片机34；激光雷达41；深度相机42；微型计算机43；云平台5；监控终端6。

具体实施方式

实施例

如图1-3所示，组合式果园智能采摘收集车，包括采摘小车、收集小车、机械动作控制组件、智能自动控制组件、云平台5和监控终端6。

采摘小车包括车体A11、履带式移动机构12、升降驱动底盘13和多节段机械臂14。车体A11上端设有承载台111。履带式移动机构12安装在车体A11两侧，其包括履带A和用于驱动履带A运转的电机A。升降驱动底盘13固定安装在承载台111上。多节段机械臂14固定安装在升降驱动底盘13上，其具有空间内多个方向的运动自由度，其在升降驱动底盘13的驱动下做竖直升降移动，其末端设有用于抓取水果的夹爪15，夹爪15内侧粘接有橡胶缓冲垫(图中未示出)。

收集小车包括车体B21和轮式移动机构22。车体B21上端设有收集仓23，收集仓23上端设有供水果投入的敞口，收集仓23底部设有斜坡面，斜坡面的两端分别为高端和低端，收集仓23在紧邻斜坡面低端的一侧壁上设有卸货口，卸货口上安装有活动门板231(门板仅可向收集仓外侧打开)。轮式移动机构22安装在车体B两侧，其包括滚轮和用于驱动滚轮运转的电机B。

机械动作控制组件包括超声波传感器31、压力传感器32、遥控器33和单片机34。超声波传感器31的数量为两个，两个超声波传感器31分别安装在采摘小车前端中部边沿处和收集小车前端中部边沿处，其用于采摘小车和收集小车的周边小范围内的障碍物感知，避免采摘小车和收集小车相互追尾，避免采摘小车和收集小车碾压近距离突然掉落的果实。压力传感器32埋设在橡胶缓冲垫(图中未示出)中，其用于感知夹爪15夹持水果的压力。遥控器33用于手动控制采摘小车的移动状态、收集小车的移动状态、多节段机械臂14的动作和夹爪15的开合。单片机34分别与超声波传感器31、压力传感器32、遥控器33、电机A(从属于履带式移动机构12)、电机B(从属于轮式移动机构22)、升降驱动底盘13和多节段机械臂14通信连接。

智能自动控制组件包括激光雷达41、深度相机42和微型计算机43。激光雷达41的数量为两个，两个激光雷达41分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于采摘小车和收集小车的周边大范围内的障碍物感知，以及周围环境的感知和建模。深度相机42的数量为两个，两个深度相机42分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于短暂构建三维云点图，以供采摘小车或收集小车找到可行驶的路段选择性的前往目标位置，采摘小车或收集小车汇合后，根据深度相机上传的深度信息，即可使采摘小车和收集小车保持距离跟车行驶。微型计算机43分别与激光雷达41和深度相机42通信连接。

云平台5分别与单片机34和微型计算机43通信连接(通过Wifi模块)，其用于暂存采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及暂存深度相机42拍摄的图像数据。

监控终端6与云平台5通信连接，用于下载并查看采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及查看深度相机42拍摄的实时画面。

优选，微型计算机的型号为jetson tx2；深度相机的型号是英特尔realsensed455，其集成了红外摄像头和双目识别摄像头，当环境光线较弱时，红外摄像头识别成功率更高，当环境光线较好时，双目识别摄像头识别成功率更高，在任何情况下均取标定成功率更大的摄像头输出的坐标作为目标坐标；云平台选用OneNET；监控终端为智能手机和/或PC机；单片机的型号为STM32F407ZGT6；遥控器的型号为大疆DT7，大疆DT7通过其附带的无线信号接收器(大疆DR16)与单片机进行无线通信连接，遥控器与无线信号接收器之间通过2.4G频段无线通信连接，无线信号接收器通过Dbus(数据总线)与单片机通信连接。

优选，采摘小车和收集小车上分别安装有电源(图中未示出)，电源通过降压或稳压模块与各需电部件电连接。

本实施例中，履带式移动机构为普遍应用的现有技术，其结构不再赘述，可参考公开号为CN112109066A的发明专利“核应急多功能作业机器人下部总成”或公开号为CN110065545A的发明专利“履带式越障机器人及越障方法”。

本实施例中，多节段机械臂的结构为普遍应用的现有技术，其结构不再赘述，可参考公告号为CN112091926B的发明专利“核应急多功能作业机器人”，或公告号为CN114055492A的发明专利“一次侧堵板多自由度拆装机器人及方法”。

本实施例中，夹爪15的结构为普遍应用的现有技术，其结构不再赘述，可参考公开号为CN105917858A的发明专利“一种旋转式水果采摘机械手”或公开号为“CN108312168A”的发明专利“欠驱动水果采摘机械手”。

采摘小车与收集小车的跟随方案：使用DOT深度学习技术来实现收集小车寻找并跟踪采摘小车的功能，首先，使用CNN(卷积神经网络)根据输入的图像预测采摘小车的位置，然后使用SVM算法来跟踪采摘小车的移动情况。最后，使用强化学习算法来控制收集小车寻找并跟随采摘小车。

机器视觉识别方案：深度相机捕捉到的图像帧经过畸变矫正后，通过tensorrt加速的yolov5机器学习算法精准识别到目标物体后，返回坐标，角度，高度等等信息给微型计算机进行信息处理。通过slam技术和各类传感器（如：声音，激光）自动巡航并让机器优先选择效率最高的方式智能运行，全自动完成任务。在完成大型任务的时候采用区块链技术，将各个机器之间的数据互相传递分析并合作协同以更高效率完成任务。

电控部分设计方案：通过FreeRTOS操作系统编写主控制板任务程序，使得采摘收集车的控制执行任务运行高效简洁，同时还使用ROS中的Rviz与Gazebo工具对采摘收集车的模型与环境进行仿真与模拟，在硬件通信方面采用CAN通信协议于各电机与主板之间进行通信控制，具有较高速且稳定的数据传输效率，同时算法方面除了传统三级PID，还引用模糊PID来面对因为采摘过程中的及其质量变化以及重心改变所导致的控制不精确。

Claims (3)

1.组合式果园智能采摘收集车，其特征是：包括采摘小车、收集小车、机械动作控制组件、智能自动控制组件、云平台和监控终端；

采摘小车包括车体A、履带式移动机构、升降驱动底盘和多节段机械臂；车体A上端设有承载台；履带式移动机构安装在车体A两侧，其包括履带A和用于驱动履带A运转的电机A；升降驱动底盘固定安装在承载台上；多节段机械臂固定安装在升降驱动底盘上，其末端设有夹爪，夹爪内侧粘接有橡胶缓冲垫；

收集小车包括车体B和轮式移动机构；车体B上端设有收集仓，收集仓上端设有供水果投入的敞口，收集仓底部设有斜坡面，斜坡面的两端分别为高端和低端，收集仓在紧邻斜坡面低端的一侧壁上设有卸货口，卸货口上安装有活动门板；轮式移动机构安装在车体B两侧，其包括滚轮和用于驱动滚轮运转的电机B；

机械动作控制组件包括超声波传感器、压力传感器、遥控器和单片机；超声波传感器的数量为两个，两个超声波传感器分别安装在采摘小车前端中部边沿处和收集小车前端中部边沿处，其用于采摘小车和收集小车的周边小范围内的障碍物感知；压力传感器埋设在橡胶缓冲垫中，其用于感知夹爪夹持水果的压力；遥控器用于手动控制采摘小车的移动状态、收集小车的移动状态、多节段机械臂的动作和夹爪的开合；单片机分别与超声波传感器、压力传感器、遥控器、电机A、电机B、升降驱动底盘及多节段机械臂通信连接；

智能自动控制组件包括激光雷达、深度相机和微型计算机；激光雷达的数量为两个，两个激光雷达分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于其用于采摘小车和收集小车的周边障碍物感知，以及采摘小车和收集小车周围环境感知和建模；深度相机的数量为两个，两个深度相机分别安装在采摘小车上端和收集小车上端，其用于短暂构建三维云点图，以供采摘小车或收集小车找到可行驶的路段选择性的前往目标位置，采摘小车或收集小车汇合后，根据深度相机上传的深度信息保持距离跟车行驶；微型计算机分别与激光雷达和深度相机通信连接；

云平台分别与单片机和微型计算机通信连接，其用于暂存采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及暂存深度相机拍摄的图像数据；

监控终端与云平台通信连接，用于下载并查看采摘小车和收集小车的运行状态数据，以及查看深度相机拍摄的实时画面。

2.如权利要求1所述的组合式果园智能采摘收集车，其特征是：多节段机械臂包括若干个节段，各个节段之间通过舵机活动连接，最下端的一根节段在下端与升降驱动底盘连接，最上端的一根节段在上端与夹爪连接；相应的，单片机分别与各个舵机通信连接。

3.如权利要求2所述的组合式果园智能采摘收集车，其特征是：微型计算机的型号为jetson tx2；深度相机的型号是英特尔realsense d455，其集成了红外摄像头和双目识别摄像头；云平台选用OneNET；监控终端为智能手机和/或PC机；单片机的型号为STM32F407ZGT6；遥控器的型号为大疆DT7，大疆DT7通过其附带的无线信号接收器与单片机进行无线通信连接。