RU2796270C1 - Device for automated picking of tomatoes - Google Patents
Device for automated picking of tomatoes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796270C1 RU2796270C1 RU2022124037A RU2022124037A RU2796270C1 RU 2796270 C1 RU2796270 C1 RU 2796270C1 RU 2022124037 A RU2022124037 A RU 2022124037A RU 2022124037 A RU2022124037 A RU 2022124037A RU 2796270 C1 RU2796270 C1 RU 2796270C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tomatoes
- platform
- suspension
- tomato
- manipulator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности, к автоматизированным устройствам для уборки плодов овощных культур, а именно томатов, на основе технологий компьютерного зрения и технологий интеллектуального распознавания образов.The invention relates to agricultural engineering, in particular, to automated devices for harvesting vegetables, namely tomatoes, based on computer vision technologies and intelligent pattern recognition technologies.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известны технические решения, обеспечивающие автоматизированный сбор плодов. При использовании таких устройств отсутствует необходимость в сортировке плодов, обеспечивается автономность процесса сбора урожая в течение светового дня, сокращаются трудозатраты работников.From the prior art, technical solutions are known that provide automated harvesting of fruits. When using such devices, there is no need for sorting fruits, the autonomy of the harvesting process during daylight hours is ensured, and the labor costs of workers are reduced.
Большинство известных роботов не имеют колес, которые бы могли поворачиваться на 360(вокруг своей оси, что снижает маневренность устройств в условиях ограниченного пространства в теплицах или на полях с узкими междурядьями. Более того, множество роботов-аналогов передвигаются в теплицах по отопительным трубам, используя их как рельсы. Повышенные требования роботов к ровности поверхности для передвижения сокращают универсальность их применения. Множество роботов используют круговое преобразование Хафа (http://wiki.technicalvision.ru/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%A5%D0%B0%D1%84%D0%B0_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%B0_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B9) для поиска томатов, хотя по скорости этот метод уступает методу скользящего окна в сверточной нейронной сети (https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/191723/1/108-111.pdf). Качество фотографий при проезде робота по неровной поверхности может «смазываться» из-за тряски камеры.Most known robots do not have wheels that can rotate 360 (around their axis), which reduces the maneuverability of devices in conditions of limited space in greenhouses or in fields with narrow aisles. Moreover, many analogue robots move in greenhouses along heating pipes using they are like rails.Increased requirements of robots to the evenness of the surface for movement reduce the versatility of their application.Many robots use the circular Hough transform (http://wiki.technicalvision.ru/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%B5 %D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%A5%D0 %B0%D1%84%D0%B0_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%B0_%D0%BE % D0% BA% D1% 80% D1% 83% D0% B6% D0% BD% D0% BE% D1% 81% D1% 82% D0% B5% D0% B9) to search for tomatoes, although this method is faster is inferior to the sliding window method in a convolutional neural network (https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/191723/1/108-111.pdf). cameras.
Из уровня техники известен робот для сбора яблок, который ориентируется в садах с помощью машинного зрения и времяпролетной камеры. Робот оснащен микроконтроллером, ПЗС-камерой (сокр. от «прибор с зарядовой связью»), которая идентифицирует яблоки. Трехпальцевый манипулятор с 6-ю степенями свободы срывает яблоки с деревьев. Во избежание повреждений плодов и с целью повышения эффективности сбора, каждый захват манипулятора создан по принципу повторения человеческого указательного пальца. Для отрыва яблока от плодоножки манипулятор тянет его, двигаясь по принципу маятника. Для обнаружения яблок используется метод кругового преобразования Хафа (Circular Hough Transformation), выбранный исходя из округлой формы яблок. Однако яблоки, частично скрытые листвой, не выявляются этим методом, поэтому для их обнаружения применяется анализ больших двоичных объектов (Blob Analysis). Чтобы каждый раз не идентифицировать одно и то же яблоко, фрагменты которого видны камерой, используется алгоритм кластеризации, выясняющий, что все выявленные части принадлежат одному плоду. [Davidson J.R., Silwal A., Hohimer C.J., Karkee M., Mo C., Zhang Q. Proof-of-concept of a robotic apple harvester // 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016. - Pp.634-639. DOI: 10.1109/IROS.2016.7759119.]In the prior art, an apple-picking robot is known that navigates orchards using machine vision and a time-of-flight camera. The robot is equipped with a microcontroller, a CCD camera (short for charge-coupled device), that identifies apples. A three-finger manipulator with 6 degrees of freedom picks apples from trees. In order to avoid damage to the fruit and in order to increase the efficiency of collection, each grip of the manipulator is designed according to the principle of repeating the human index finger. To separate the apple from the stalk, the manipulator pulls it, moving according to the principle of a pendulum. To detect apples, the Circular Hough Transformation method is used, selected based on the rounded shape of the apples. However, apples partially hidden by foliage are not detected by this method, so Blob Analysis is used to detect them. In order not to identify the same apple each time, the fragments of which are visible to the camera, a clustering algorithm is used, which finds out that all the identified parts belong to the same fruit. [Davidson J.R., Silwal A., Hohimer C.J., Karkee M., Mo C., Zhang Q. Proof-of-concept of a robotic apple harvester // 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016 .- Pp.634-639. DOI: 10.1109/IROS.2016.7759119.]
Основной недостаток робота заключается в его низкой маневренности ввиду отсутствия средств всенаправленного хода.The main disadvantage of the robot is its low maneuverability due to the lack of omnidirectional movement.
Известно устройство сбора томатов, которое всасывает томаты с помощью генератора вакуума, подносимого к ним. Телескопический цилиндр, расширяя рукав генератора вакуума, облегчает попадание томатов через рукав в воздушный мешок. При вращении рукава происходит отделение плодов от стеблей и листьев, если они поступают в рукав вместе с томатами. На обнаружение томата роботу требуется 4 с, на перемещение рукава к томату - 12 с, на всасывание томата - 8 с и на возвращение рукава в исходное положение - 12 с.[Wang X.N., Wu P.H., Feng Q.C., Wang G.H. Design and test of tomatoes harvesting robot // Journal of Agricultural Mechanization Research. - 2016. - Vol.38(4). - Pp.94-98].A device for collecting tomatoes is known, which sucks tomatoes with the help of a vacuum generator brought to them. The telescopic cylinder, expanding the sleeve of the vacuum generator, facilitates the entry of tomatoes through the sleeve into the air bag. When the sleeve rotates, the fruits are separated from the stems and leaves if they enter the sleeve along with the tomatoes. The robot needs 4 s to detect a tomato, 12 s to move the sleeve to the tomato, 8 s to suck the tomato, and 12 s to return the sleeve to its original position. [Wang X.N., Wu P.H., Feng Q.C., Wang G.H. Design and test of tomatoes harvesting robot // Journal of Agricultural Mechanization Research. - 2016. - Vol.38(4). - Pp.94-98].
Недостаток устройства заключается в том, что генератор вакуума всасывает не только сами плоды, но и пыль, листья растений в результате низкой эффективности отделения плодов от листьев путем вращения рукава.The disadvantage of the device is that the vacuum generator sucks not only the fruits themselves, but also dust, leaves of plants as a result of the low efficiency of separating fruits from leaves by rotating the sleeve.
Известно устройство для сбора томатов с адаптивной под форму томатов рукой-манипулятором. Благодаря этой особенности, робот не повреждает хрупкие плоды в процессе сбора. В системе машинного зрения задействуется метод построения хорд, способный определять скопления нескольких томатов на одном растении, частично перекрытые листьями плоды, выявлять томаты на затемненных снимках. Чаша, всасывающая томаты, предназначена не для их полного засасывания по принципу пылесоса, а лишь для притягивания томата с целью его фиксации, чтобы затем пальцам манипулятора было легче схватить плод. Эта чаша размещается рядом с пальцами манипулятора. Томат срывается с растения силой натяжения, когда манипулятор движется по направлению к контейнеру робота. [Peter L., Reza E., Ting K.C., Chi Y.-T., Ramalingam N., Klingman M.H., Draper C. Sensing and End-Effector for a Robotic Tomato Harvester // 2004 ASAE Annual Meeting. Ottawa, ON, Canada. - 2004. - Pp.1-12].A device for picking tomatoes with a manipulator arm adaptive to the shape of tomatoes is known. Thanks to this feature, the robot does not damage fragile fruits during the picking process. The machine vision system uses the method of constructing chords, which is able to detect clusters of several tomatoes on one plant, fruits partially covered with leaves, and identify tomatoes in darkened images. The bowl that sucks tomatoes is not designed to completely suck them in like a vacuum cleaner, but only to attract a tomato in order to fix it, so that it would be easier for the fingers of the manipulator to grab the fruit. This bowl is placed next to the fingers of the manipulator. The tomato is pulled off the plant by tensile force as the arm moves towards the robot's container. [Peter L., Reza E., Ting K.C., Chi Y.-T., Ramalingam N., Klingman M.H., Draper C. Sensing and End-Effector for a Robotic Tomato Harvester // 2004 ASAE Annual Meeting. Ottawa, ON, Canada. - 2004. - Pp.1-12].
Пальцы манипулятора выполнены из ABS-пластика, а он, имея преимущество в легкости, отличается низкой надежностью и повышенной хрупкостью, особенно в сравнении со сталью или алюминием. В связи с этим пальцы манипулятора имеют высокий риск повреждений с учетом нагрузки при сборе томатов. Робот не имеет системы охлаждения контейнера для сбора томатов, что может привести к их порче.The fingers of the manipulator are made of ABS plastic, and, having the advantage of lightness, it is characterized by low reliability and increased fragility, especially in comparison with steel or aluminum. In this regard, the fingers of the manipulator have a high risk of damage, given the load when picking tomatoes. The robot does not have a cooling system for the container for collecting tomatoes, which can lead to spoilage.
Известен робот для сбора томатов в теплицах, передвигающийся на 4-х колесах, используя автоматическую навигацию и объезжая препятствия. Для сбора томатов устройство задействует роботизированную руку с 4 степенями свободы и пальцы с 1 степенью свободы. В качестве основы интеллектуального устройства применены нейронные сети для задачи классификации плодов по степени зрелости. Реализация алгоритма распознавания томатов не требует большого объема памяти, высокой частоты процессора, что позволяет снизить стоимость разрабатываемого устройства, а также повысить точность распознавания фруктов. Его погрешность в процессе распознавания томатов составляет около 14%. Для поиска созревших томатов устройство использует метод нормализованной цветовой разницы при получении изображений в оттенках серого. Для сегментации изображений применяется алгоритм Отцу. Скорость сбора плодов - 15 с/ед. при точности обнаружения томатов - 86%. [Wang L.L., Zhao B., Fan J.W., Hu X.A., Wei S., Li X.S., Wei C.F. Development of a tomato harvesting robot used in greenhouse // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. - 2017. - Vol.10(4). - Pp.140-149]; [Wang Z.H., Xun Y., Wang Y.K., Yang Q.H. Review of smart robots for fruit and vegetable picking in agriculture // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. - 2022. - Vol.15(1). - P. 36]. Недостатком устройства является отсутствие системы охлаждения у контейнера для хранения собранных томатов. В этой связи существует риск порчи или ухудшения товарного качества томатов, особенно, если уборочные работы занимают продолжительное время и производятся в жаркую погоду или если теплица перегрета.Known robot for picking tomatoes in greenhouses, moving on 4 wheels, using automatic navigation and avoiding obstacles. To pick tomatoes, the device uses a robotic arm with 4 degrees of freedom and fingers with 1 degree of freedom. Neural networks are used as the basis of an intelligent device for the task of classifying fruits according to the degree of maturity. The implementation of the tomato recognition algorithm does not require a large amount of memory, high processor frequency, which reduces the cost of the device being developed, as well as improves the accuracy of fruit recognition. Its error in the process of recognizing tomatoes is about 14%. To search for ripe tomatoes, the device uses the normalized color difference method when acquiring grayscale images. Otcu algorithm is used for image segmentation. Fruit picking speed - 15 s / unit. with an accuracy of detection of tomatoes - 86%. [Wang L.L., Zhao B., Fan J.W., Hu X.A., Wei S., Li X.S., Wei C.F. Development of a tomato harvesting robot used in greenhouse // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. - 2017. - Vol.10(4). - Pp.140-149]; [Wang Z.H., Xun Y., Wang Y.K., Yang Q.H. Review of smart robots for fruit and vegetable picking in agriculture // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. - 2022. - Vol.15(1). - P. 36]. The disadvantage of the device is the lack of a cooling system in the container for storing harvested tomatoes. In this regard, there is a risk of spoilage or deterioration of the commercial quality of tomatoes, especially if harvesting takes a long time and is carried out in hot weather or if the greenhouse is overheated.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция устройства для автоматизированного сбора томатов, раскрытая в публикации «Проектирование робототехнических манипуляторов с системой компьютерного зрения для сбора томатов» // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2020. - №3(51). - С.135-147, URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44189041. Известная мобильная робототехническая платформа представляет собой дистанционно управляемый манипулятор, оснащенный источником питания, камерой и системой оценки размеров плода, закрепленный на поворотном столике. Манипулятор также оснащен специализированным схватом и системой технического (компьютерного) зрения, которая представляет собой дополнительную видеокамеру и ультразвуковой дальномер, подключенные к блоку управления. Видеокамера и дальномер обладают определенным углом обзора и предназначены для обеспечения точного сближения схвата с плодом, расположенным на стебле растения. Робот для выявления томатов использует специальную программу определения границ плодов томатов и координат их центров на изображениях разрешением 800 на 600 пикселей. Методика цветовых фильтров позволяет определять местонахождение спелых томатов. Параметры цветового фильтра задаются с учетом освещенности в теплице и желаемой степени спелости томатов.The closest in technical essence to the claimed invention is the design of a device for automated picking of tomatoes, disclosed in the publication "Design of robotic arms with a computer vision system for picking tomatoes" // Caspian journal: management and high technologies. - 2020. - No. 3 (51). - P.135-147, URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44189041. The well-known mobile robotic platform is a remotely controlled manipulator equipped with a power source, a camera and a fetal size assessment system, mounted on a turntable. The manipulator is also equipped with a specialized gripper and a technical (computer) vision system, which is an additional video camera and an ultrasonic rangefinder connected to the control unit. The video camera and rangefinder have a certain viewing angle and are designed to ensure accurate approach of the tong to the fruit located on the stem of the plant. The robot for identifying tomatoes uses a special program for determining the boundaries of tomato fruits and the coordinates of their centers on images with a resolution of 800 by 600 pixels. The color filter technique allows you to locate ripe tomatoes. The color filter parameters are set taking into account the illumination in the greenhouse and the desired degree of ripeness of the tomatoes.
Недостатки прототипа выражаются в ограниченности применений данного устройства - робот функционирует только в рамках теплиц с ровным полом, поскольку колеса не способны преодолевать кочки и неровности на полях. Прототип не имеет системы стабилизации положения корпуса, в связи с чем высок риск тряски корпуса и камеры с последующим ухудшением качества изображений томатов. Контейнер для сбора томатов не охлаждается, что может вызвать снижение товарного качества томатов.The disadvantages of the prototype are expressed in the limited applications of this device - the robot operates only within greenhouses with a flat floor, since the wheels are not able to overcome bumps and bumps in the fields. The prototype does not have a system for stabilizing the position of the body, and therefore there is a high risk of shaking the body and camera, with subsequent deterioration in the quality of images of tomatoes. The container for collecting tomatoes is not cooled, which can cause a decrease in the commercial quality of the tomatoes.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания автоматизированного устройства для сбора томатов, характеризующегося высокой надежностью и эффективностью сбора томатов не только в условиях теплиц, но и на открытых полях с неровным грунтом за счет обеспечения всенаправленного хода колес и наличия системы стабилизации платформы устройства.Thus, the technical problem solved by the claimed invention is the need to overcome the disadvantages inherent in analogues and the prototype, by creating an automated device for picking tomatoes, characterized by high reliability and efficiency of picking tomatoes, not only in greenhouse conditions, but also in open fields with uneven ground due to the provision of omnidirectional wheel travel and the presence of a system for stabilizing the platform of the device.
Краткое раскрытие сущности изобретенияBrief summary of the invention
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении стабилизации корпуса устройства в горизонтальном положении при повышении маневренности и проходимости устройства, что способствует более точному распознаванию томатов в результате стабилизации положения HD-камеры, распознающей зрелые томаты.The technical result achieved by using the invention is to ensure the stabilization of the device body in a horizontal position while increasing the maneuverability and maneuverability of the device, which contributes to more accurate recognition of tomatoes as a result of stabilizing the position of the HD camera that recognizes ripe tomatoes.
Устройство характеризуется также такими техническими преимуществами, как:The device is also characterized by such technical advantages as:
- повышением сохранности собранных томатов за счет внедрения системы охлаждения контейнера для их хранения в процессе сбора;- increasing the safety of harvested tomatoes through the introduction of a container cooling system for storing them during the collection process;
- улучшением видимости устройства в темное время суток за счет использования LED-габаритов;- improving the visibility of the device at night due to the use of LED-dimensions;
- более надежным захватом томата за счет применения вакуумной помпы;- more reliable capture of a tomato due to the use of a vacuum pump;
- большей точностью идентификации спелых томатов за счет применения сверточной нейронной сети на базе архитектуры YOLOv4;- greater accuracy of identification of ripe tomatoes due to the use of a convolutional neural network based on the YOLOv4 architecture;
- обеспечением сохранности собранных томатов за счет использования системы охлаждения контейнера для их хранения.- ensuring the safety of harvested tomatoes through the use of a container cooling system for their storage.
Технический результат достигается в том числе за счет конструкции подвески устройства, обеспечивающей горизонтальное положение корпуса в процессе перемещения по полю. Подобная система стабилизации положения корпуса помогает сохранять неподвижность HD-камеры, делающей фотоснимки томатов и поля, и тем самым обеспечивается высокое качество фотографий, достаточное для 95%-ной точности распознавания спелых томатов. У устройств-аналогов ввиду отсутствия такой системы стабилизации, фотоснимки и видео получаются менее четкими, что негативно влияет на точность идентификации спелых томатов.The technical result is achieved, among other things, due to the design of the suspension of the device, which ensures the horizontal position of the body in the process of moving across the field. This body position stabilization system helps to keep the HD camera still while taking photos of the tomatoes and the field, and thus ensures high quality photos, sufficient for 95% accuracy in recognizing ripe tomatoes. In analogue devices, due to the lack of such a stabilization system, photographs and videos are less clear, which negatively affects the accuracy of identifying ripe tomatoes.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для автоматизированного сбора томатов, представляющем собой мобильную платформу, снабженную средствами передвижения и корпусом, внутри которого размещен блок управления, источник питания, а снаружи закреплен дистанционно управляемый манипулятор, оснащенный пальцевым захватом, камерой распознавания томатов и системой технического зрения, согласно техническому решению, на корпусе закреплен контейнер для сбора томатов, выполненный с возможностью размещения в нем охлаждающих элементов, а в качестве средств передвижения платформы использованы независимые мотор-колеса со всенаправленным ходом, закрепленные к платформе через подвеску, а в корпусе установлен бортовой компьютер, обеспечивающий распознавание и классификацию томатов по степени зрелости с помощью предустановленной сверточной нейронной сети, при этом подвеска представляет собой качающуюся тележку и включает поворотные стойки, соединенные с одной стороны, с мотор-колесами, а с другой стороны, с поворотными элементами подвески, которые, в свою очередь соединены с линейными актуаторами, закрепленными по бокам платформы. В качестве охлаждающих элементов могут быть использованы сухой лед или пакеты с хладагентом. Система технического зрения представляет собой видеокамеру и ультразвуковой дальномер, подключенные к блоку управления. Манипулятор снабжен вакуумной помпой. Устройство также снабжено навигационным устройством на базе GPS.The claimed technical result is achieved by the fact that in the device for automated picking of tomatoes, which is a mobile platform equipped with vehicles and a housing, inside of which there is a control unit, a power source, and a remotely controlled manipulator equipped with a finger grip, a tomato recognition camera and a system is fixed outside. technical view, according to the technical solution, a container for picking tomatoes is fixed on the body, made with the possibility of placing cooling elements in it, and independent motor-wheels with an omnidirectional stroke, fixed to the platform through a suspension, are used as a means of moving the platform, and an onboard a computer that provides recognition and classification of tomatoes according to the degree of maturity using a pre-installed convolutional neural network, while the suspension is a swinging cart and includes swivel racks connected on one side to motor wheels, and on the other hand, to swivel suspension elements that , in turn, are connected to linear actuators fixed on the sides of the platform. Dry ice or refrigerant packs can be used as cooling elements. The vision system is a video camera and an ultrasonic rangefinder connected to the control unit. The manipulator is equipped with a vacuum pump. The device is also equipped with a GPS-based navigation device.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства,in fig. 1 shows a general view of the claimed device,
на фиг. 2 - вид на заявляемое устройство сбоку,in fig. 2 - side view of the claimed device,
на фиг. 3 - внутренняя компоновка заявляемого устройства,in fig. 3 - internal layout of the proposed device,
на фиг. 4 - вид на заявляемое устройство спереди,in fig. 4 - front view of the claimed device,
на фиг. 5 - вид на заявляемое устройство сверху.in fig. 5 - view of the claimed device from above.
Позициями на фигурах обозначены:The positions in the figures are:
1 - манипулятор для захвата томатов;1 - manipulator for capturing tomatoes;
2 - мотор-колесо;2 - motor-wheel;
3 - поворотная стойка;3 - rotary stand;
4 - поворотный столик;4 - turntable;
5 - рама;5 - frame;
6 - бортовой компьютер;6 - on-board computer;
7 - управляющее устройство;7 - control device;
8 - поворотный элемент;8 - rotary element;
9 - крепление бортового компьютера;9 - mount on-board computer;
10 - джойстик;10 - joystick;
11 - навигационное устройство на базе GPS;11 - navigation device based on GPS;
12 - четырехтактный бензиновый генератор;12 - four-stroke gasoline generator;
13 - гиродатчик;13 - gyro sensor;
14 - линейный актуатор;14 - linear actuator;
15 - подвеска;15 - suspension;
16 - вакуумная помпа;16 - vacuum pump;
17 - HD-камера для распознавания томатов;17 - HD camera for tomato recognition;
18 - контейнер для сбора плодов;18 - a container for collecting fruits;
19 - HD-камера для анализа местности.19 - HD camera for terrain analysis.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Устройство для обеспечения мобильности выполнено в виде платформы, смонтированной с возможностью перемещения. Платформа включает раму, на которой закреплен поворотный столик 4, предназначенный для размещения манипулятора 1. Рама 5, выполненная из прочного алюминиевого сплава, несет на себе нагрузку компонентов устройства и контейнера с собираемыми томатами. По боковым сторонам рамы на подвеске закреплены мотор-колеса, обеспечивающие перемещение заявляемого устройства. Мотор-колеса 2 устройства (в опытном образце использовано шесть штук, по три с каждой стороны устройства) соединены с поворотными стойками 3. Угол поворота мотор-колес регулируется системами управления поворотного элемента 8. Благодаря всенаправленному ходу мотор-колес, заявляемое устройство может изменять курс своего движения, не меняя положения своего корпуса, вместо этого регулируя только угол поворота мотор-колес.The device for providing mobility is made in the form of a platform mounted with the possibility of movement. The platform includes a frame on which a
В основании манипулятора установлена вакуумная помпа, которая контролирует захват. Вакуумная помпа представляет собой сферу диаметром около 10 см из вакуум-плотной промышленной резины, заполненную мелкими гранулами пластика. Вакуумная помпа схватывает томаты посредством эффекта фазового перехода состояния пластиковых гранул при изменении внешнего давления. Мелкие гранулы пластика, находясь в свободном состоянии, представляются собой массу, напоминающую по физическим свойствам жидкость, характеризуясь податливостью, плавучестью и текучестью. Применяя к вакуумной помпе определенную силу, например, при ее прижатии к плоду, мелкие гранулы пластика становятся твердыми и прочными. Эластичность резины, в сочетании с податливостью мелких гранул пластика, дает возможность вакуумной помпе, находящейся в ненапряженном состоянии, трансформироваться в форму, соответствующую форме захватываемого томата. Затем в вакуумной помпе формируется разрежение до достижения вакуума, который приводит к уплотнению мелких гранул пластика и одновременному крепкому фиксированию захватываемого томата.A vacuum pump is installed at the base of the manipulator, which controls the grip. The vacuum pump is a sphere about 10 cm in diameter made of vacuum-tight industrial rubber filled with small plastic granules. The vacuum pump seizes the tomatoes through the effect of the phase change of the state of the plastic granules when the external pressure changes. Small granules of plastic, being in a free state, are a mass resembling a liquid in physical properties, characterized by compliance, buoyancy and fluidity. By applying a certain force to the vacuum pump, for example, by pressing it against the fetus, small plastic granules become hard and durable. The elasticity of the rubber, combined with the pliability of the small plastic granules, allows the vacuum pump, when in a relaxed state, to transform into a shape corresponding to the shape of the tomato being grasped. Then a vacuum is formed in the vacuum pump until a vacuum is reached, which leads to compaction of small plastic granules and at the same time strong fixation of the captured tomato.
Манипулятор снабжен HD-камерой 17, размещенной на его наконечнике. HD-камера 17 обеспечивает функцию распознавания плодов и степени их созревания. Работа манипулятора, параметры его наклона, поворотов, захвата плодов регулируются управляющим устройством 7 манипулятора. Ультразвуковой дальномер (не показан), установленный на наконечнике манипулятора, помогает пальцам манипулятора и вакуумной помпе точнее приближаться к спелому томату. Управляющее устройство 7 манипулятора помещено внутри корпуса. Бортовой компьютер 6 обеспечивает управление всеми рабочими блоками заявляемого устройства. Бортовой компьютер 6 размещен на креплении 9, внутри корпуса. Бортовой компьютер 6 имеет графический процессор со сверхточной нейронной сетью, необходимой для анализа фотографий растений. Помимо автономного режима, устройство может также управляться оператором, например, через джойстик 10, в частности, когда автономный режим невозможен из-за непредвиденных ситуаций при эксплуатации устройства. Устройство ориентируется в пространстве с помощью модуля GPS 11, расположенного внутри корпуса. Гиродатчик 13, находящийся внутри корпуса, контролирует положение заявляемого устройства на земле. Высота корпуса над поверхностью грунта регулируется с помощью двух линейных актуаторов 14 подвески 15. Два линейных актуатора 14 установлены по одному на нижней части корпуса по бокам, соединяясь с подвеской 15. Подвеска 15 выполнена по принципу качающейся тележки или, иначе, «рокер-тележки» (https://en.wikipedia.org/wiki/Rocker-bogie). Наличие рычагов подвески позволяет заявляемому устройству преодолевать бугры, холмы и неровности рельефа без риска опрокидывания и/или пробуксовывания, позволяя сохранять положение корпуса в горизонтальном положении, что важно для точности получаемых HD-камерой фотографий томатов. Устройство оснащено также Wi-Fi модулем для обеспечения возможности беспроводного соединения с джойстиком оператора. В качестве источника питания устройство снабжено, по меньшей мере, одним литий-ионным аккумулятором, обеспечивающим возможность питания устройства. Аккумулятор размещен внутри корпуса. К аккумулятору может быть подсоединен четырехтактный бензиновый генератор 12, предназначенный для подзарядки аккумулятора в случае израсходования заряда. Благодаря бензиновому генератору 12, аккумулятор получит заряд, необходимый для того, чтобы устройство могло доехать с поля на базу для полноценной подзарядки. Пальцы манипулятора, выполненные из алюминиевого сплава, имеют 6 степеней свободы с грузоподъемностью до 500 г, при этом манипулятор достигает 1,5-2 м в длину. Помимо пальцев, манипулятор снабжен вакуумной помпой 16, которая цепляет томат и удерживает его до момента отправления в контейнер для сбора урожая. Принцип захвата предметов вакуумной помпой описан по ссылке: https://dailytechinfo.org/robots/5549-kofeynyy-zahvat-versaball-pozvolit-robotam-manipulirovat-obektami-imeyuschimi-formu-lyuboy-slozhnosti.html. Над корпусом установлен контейнер для хранения собранных томатов. Снизу и по боковым стенкам изнутри контейнер обложен хладагентом (например, сухим льдом или охлаждающими пакетами), благодаря которому томаты сохраняют свой товарный вид и не портятся в жаркую погоду. На передней части корпуса может быть установлен датчик освещенности (не показан), подающий на блок управления сигнал о наступлении темноты. В свою очередь, блок управления адресует команду на включение LED-габаритов, которые начинают светиться, делая устройство видимым на густо заросшем поле. LED-габариты прикреплены к ребрам (краям) на передней и задней сторонах корпуса. Поскольку верхняя панель LED-матрицы выполнена из оргстекла из специальной транслюцентной пленки, то свет плавно растекается, создавая эстетичные переливчатые цвета.The manipulator is equipped with an
Отслеживание захвата томатов осуществляется с помощью дополнительной камеры, установленной в манипуляторе справа от вакуумной помпы. Ультразвуковой дальномер, установленный на наконечнике манипулятора, оценивая расстояние от него до томата, помогает пальцам манипулятора и вакуумной помпе точнее приближаться к спелому томату.Tracking the capture of tomatoes is carried out using an additional camera installed in the manipulator to the right of the vacuum pump. An ultrasonic rangefinder mounted on the tip of the manipulator, estimating the distance from it to the tomato, helps the fingers of the manipulator and the vacuum pump to more accurately approach a ripe tomato.
Устройство отличается применением интеллектуальных обучающихся алгоритмов для распознавания плодов, точного определения их координат, размеров, степени зрелости в зависимости от вводимых данных по сортам томатов.The device is distinguished by the use of intelligent learning algorithms for recognizing fruits, accurately determining their coordinates, sizes, and degree of maturity, depending on the input data on tomato varieties.
Устройство может быть дополнительно оснащено следующим оборудованием: прожектором, дозиметром, газовым анализатором, датчиками температуры, влажности. Программная часть блока управления заявляемого устройства адаптируется под требования пользователя.The device can be additionally equipped with the following equipment: searchlight, dosimeter, gas analyzer, temperature and humidity sensors. The software part of the control unit of the proposed device is adapted to the requirements of the user.
Заявляемое устройство работает следующим образом.The claimed device works as follows.
При сборе плодов происходит захват томата в специальную вакуумную помпу и в три пальца манипулятора с последующим отрывом от плодоножки с усилием 25 Н. Производительность устройства составляет около 220 кг/час, при этом необходимость последующей дополнительной переборки собранного урожая отсутствует, степень повреждения томатов незначительна.When harvesting fruits, the tomato is captured in a special vacuum pump and in three fingers of the manipulator, followed by separation from the stalk with a force of 25 N. The productivity of the device is about 220 kg / h, while there is no need for subsequent additional sorting of the harvested crop, the degree of damage to the tomatoes is insignificant.
Предварительно бортовой компьютер 6 определяет местоположение устройства с помощью навигационного устройства GPS, инерционной системы и лидара, размещенных на передней части корпуса, справа от поворотного столика 4. Начальная координата определяется с помощью базовой станции, затем инерционная система регистрирует изменение координаты в пространстве во время движения. Лидар повышает точность позиционирования устройства на поле посредством анализа полученных данных и сопоставлением их с существующей картой-заданием. Бортовой компьютер 6 обрабатывает информацию, поступающую с навигационного устройства GPS, инерционной системы и лидара. Затем компьютер 6 определяет местоположение робота.Preliminarily, the on-
В начале процесса сбора томатов устройство размещают на поле и активируют источник питания. Устройство заезжает на томатное поле, ведя навигацию с помощью системы GPS. Устройство перемещается на шести колесах по пути, заданному навигационным устройством GPS. HD-камера, будучи направленной в сторону одного междурядья, ведет поиск плодов томатов, передавая изображения в бортовой компьютер. HD-камера выполняет поиск спелых томатов. Камера фотографирует плоды и передает файл с изображением в бортовой компьютер. Нейронная сеть обрабатывает полученные изображения растений и плодов, при этом алгоритм на базе архитектуры YOLOv4 детектирует и классифицирует изображения томатов. YOLOv4 использует систему «скользящего окна». Архитектура YOLOv4, разбивая фотографии на условные квадратные блоки, предсказывает вероятность нахождения томатов для каждого блока по заданным признакам. Это экономит время обработки фотографий, что делает сверточную нейронную сеть предпочтительной для работы [Bosilj P., Aptoula E., Duckett T., Cielniak G. Transfer learning between crop types for semantic segmentation of crops versus weeds in precision agriculture // Journal of Field Robotics. - 2020. - Vol.37(1). - Pp.7-19. DOI: 10.1002/rob.21869]. Таким образом, классификатор сверточной нейронной сети на базе архитектуры YOLOv4 определяет спелость томата. Если обнаружен неспелый плод, то устройство продолжает свое движение дальше. При обнаружении в результате анализа нейронной сетью спелого плода, бортовой компьютер направляет соответствующий сигнал на блок управления.At the beginning of the tomato picking process, the device is placed on the field and the power source is activated. The device enters the tomato field, navigating with the help of the GPS system. The device moves on six wheels along the path set by the GPS navigation device. The HD camera, being directed towards one aisle, searches for tomato fruits, transmitting images to the on-board computer. The HD camera searches for ripe tomatoes. The camera takes pictures of the fruit and transfers the image file to the on-board computer. The neural network processes the received images of plants and fruits, while the algorithm based on the YOLOv4 architecture detects and classifies the images of tomatoes. YOLOv4 uses a "sliding window" system. The YOLOv4 architecture, dividing photos into conditional square blocks, predicts the probability of finding tomatoes for each block according to given criteria. This saves photo processing time, which makes the convolutional neural network preferable for work [Bosilj P., Aptoula E., Duckett T., Cielniak G. Transfer learning between crop types for semantic segmentation of crops versus weeds in precision agriculture // Journal of Field robotics. - 2020. - Vol.37(1). - Pp.7-19. DOI: 10.1002/rob.21869]. Thus, the classifier of the convolutional neural network based on the YOLOv4 architecture determines the ripeness of the tomato. If an unripe fruit is detected, the device continues its movement further. When a ripe fruit is detected as a result of analysis by the neural network, the on-board computer sends a corresponding signal to the control unit.
Более конкретно, при обнаружении томата на фотоснимке инициируются следующие этапы обработки изображения томата на фотоснимке:More specifically, when a tomato is detected in a photograph, the following processing steps for the image of the tomato in the photograph are initiated:
- гамма-преобразование (усиление насыщенности цвета томата);- gamma conversion (increasing the saturation of the color of the tomato);
- медианная фильтрация (используемая для удаления шума из изображения томата);- median filtering (used to remove noise from the tomato image);
- преобразование в HSV (цветовую модель, в которой координаты цвета - это цветовой тон, насыщенность и яркость);- conversion to HSV (color model, in which color coordinates are hue, saturation and brightness);
- сегментация по алгоритму Отцу (используя гистограмму распределения значений яркости пикселей растрового изображения томата с кластеризацией);- segmentation according to the Father algorithm (using a histogram of the distribution of pixel brightness values of a tomato bitmap with clustering);
- морфологическая обработка (изменение пикселей на изображении томата с целью повышения его четкости);- morphological processing (changing pixels on the image of a tomato in order to increase its clarity);
- поиск контура (выделение границ томата);- search for the contour (selection of the borders of the tomato);
- получение информации о местонахождении томата для передачи ее манипулятору, чтобы он захватил томат, оторвал от плодоножки и переместил в контейнер для сбора урожая.- obtaining information about the location of the tomato for transferring it to the manipulator, so that he would grab the tomato, tear it off the stalk and move it to the container for harvesting.
Блок управления направляет сигнал на мотор-колеса, чтобы устройство подъехало ближе к растению с обнаруженным спелым томатом и остановилось. После остановки блок управления подает команду на запуск манипулятора, который начинает двигаться в сторону найденного спелого томата. Как только манипулятор достигает томата, вакуумная помпа присасывает томат, а пальцы манипулятора обхватывают плод: в итоге он схватывается двойным усилием - пальцами и вакуумной помпой. Далее манипулятор начинает движение назад и вниз, по направлению к корпусу, и тянет за собой томат.Манипулятор перемещается в заданную позицию, над контейнером. Под силой натяжения плодоножка томата разрывается, и томат отделяется от нее, и пальцы манипулятора опускают плод, и он попадает в контейнер для сбора. Система охлаждения предотвращает порчу томата, благодаря чему устройство может не возвращаться на овощехранилище до тех пор, пока контейнер полностью не наполнится томатами. В контейнер опытного образца устройства помещается около 20 кг томатов. Как только одна сторона междурядья на поле будет пройдена устройством, крепление HD-камеры поворачивается на другую сторону междурядья, и HD-камера начинает поиск созревших томатов по другой стороне. Датчик освещенности при наступлении темноты подает сигнал на блок управления с тем, чтобы он дал команду на включение LED-габаритов. LED-габариты в активированном состоянии делают устройство заметным издалека, предупреждая наезд на него других фермеров и давая понять, в каком месте поля устройство находится. В ходе движения подвеска адаптируется к рельефу местности так, что корпус постоянно сохраняет свое горизонтальное положение, благодаря чему HD-камера не изменяет угол своего наклона. Тем самым достигается высокое качество фотоснимков, без «размытия». В результате, нейронной сети легче распознавать степень зрелости томатов, ориентируясь на высококачественные фотографии. Классификатор нейронной сети устройства отделяет созревшие томаты от незрелых. За счет этого возможно избежать преждевременного срыва недоспевших плодов. Процент обнаруженных томатов опытным образцом устройства составляет - 92%, незамеченных - 8%. Среднее время сбора томатов с одного куста - 380 секунд. Система навигации на базе GPS позволяет предлагаемому устройству ориентироваться в ходе движения по полю, саду или теплице. Всенаправленный ход шести мотор-колес позволяет предлагаемому устройству экономить пространство для разворота, повышая тем самым его маневренность и проходимость.The control unit sends a signal to the motor-wheels so that the device drives closer to the plant with the detected ripe tomato and stops. After stopping, the control unit gives a command to start the manipulator, which starts moving towards the found ripe tomato. As soon as the manipulator reaches the tomato, the vacuum pump sucks the tomato, and the fingers of the manipulator clasp the fruit: as a result, it is grabbed by double force - fingers and vacuum pump. Further, the manipulator starts moving back and down, towards the body, and pulls the tomato along with it. The manipulator moves to a predetermined position, above the container. Under the force of tension, the stalk of the tomato is torn, and the tomato is separated from it, and the fingers of the manipulator lower the fruit, and it falls into the collection container. The cooling system prevents damage to the tomato, thanks to which the device may not return to the vegetable store until the container is completely filled with tomatoes. About 20 kg of tomatoes are placed in the container of the prototype device. As soon as one side of the row spacing in the field is passed by the device, the HD camera mount rotates to the other side of the row spacing and the HD camera starts searching for ripe tomatoes on the other side. The light sensor at the onset of darkness sends a signal to the control unit so that it gives the command to turn on the LED dimensions. LED-dimensions in the activated state make the device visible from afar, preventing other farmers from running into it and making it clear where the device is located in the field. As you drive, the suspension adapts to the terrain so that the body stays level at all times, so the HD camera doesn't change its angle. This achieves high quality photographs, without "blurring". As a result, it is easier for the neural network to recognize the degree of ripeness of tomatoes, focusing on high-quality photographs. The device's neural network classifier separates ripe tomatoes from unripe ones. Due to this, it is possible to avoid premature failure of unripe fruits. The percentage of detected tomatoes by a prototype device is 92%, unnoticed - 8%. The average time for picking tomatoes from one bush is 380 seconds. The GPS-based navigation system allows the proposed device to navigate while moving through a field, garden or greenhouse. The omnidirectional movement of six motor-wheels allows the proposed device to save space for a turn, thereby increasing its maneuverability and maneuverability.
Заявляемое устройство может двигаться автономно или управляться дистанционно с помощью джойстика. В таком случае оператор имеет возможность принимать фотографии плодов в режиме реального времени. Они передаются через Wi-Fi маршрутизатор на бортовой компьютер 6. Вес опытного образца устройства составляет - 400 кг с размерами платформы 1 250 - 1 550 - 1 750 мм (высота - ширина - длина). Вес манипулятора составляет около 7 300 г, а его длина - около 1,5 метров в разложенном виде.The claimed device can move autonomously or be controlled remotely using a joystick. In this case, the operator has the ability to take photos of the fruits in real time. They are transmitted via a Wi-Fi router to the on-
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2796270C1 true RU2796270C1 (en) | 2023-05-22 |
Family
ID=
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117256314A (en) * | 2023-11-20 | 2023-12-22 | 山东寿光蔬菜种业集团有限公司 | Automatic fruit collecting device and method for stringed tomatoes |
CN117617002A (en) * | 2024-01-04 | 2024-03-01 | 太原理工大学 | Method for automatically identifying tomatoes and intelligently harvesting tomatoes |
RU2818343C1 (en) * | 2023-10-25 | 2024-05-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ ) | Robotic greenhouse |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN210610354U (en) * | 2019-09-22 | 2020-05-26 | 西北农林科技大学 | Tomato picking robot based on OpenCV binocular stereoscopic vision |
CN211020083U (en) * | 2019-07-31 | 2020-07-17 | 安徽科技学院 | Tomato picking robot |
CN215872722U (en) * | 2021-06-17 | 2022-02-22 | 山东华宇工学院 | Intelligent tomato picking robot |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN211020083U (en) * | 2019-07-31 | 2020-07-17 | 安徽科技学院 | Tomato picking robot |
CN210610354U (en) * | 2019-09-22 | 2020-05-26 | 西北农林科技大学 | Tomato picking robot based on OpenCV binocular stereoscopic vision |
CN215872722U (en) * | 2021-06-17 | 2022-02-22 | 山东华宇工学院 | Intelligent tomato picking robot |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"ПРОЕКТИРОВАНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ МАНИПУЛЯТОРОВ С СИСТЕМОЙ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ ДЛЯ СБОРА ТОМАТОВ" // ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: УПРАВЛЕНИЕ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, N 3 (51), 2020, стр. 135-147. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2818343C1 (en) * | 2023-10-25 | 2024-05-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ ) | Robotic greenhouse |
CN117256314A (en) * | 2023-11-20 | 2023-12-22 | 山东寿光蔬菜种业集团有限公司 | Automatic fruit collecting device and method for stringed tomatoes |
CN117617002A (en) * | 2024-01-04 | 2024-03-01 | 太原理工大学 | Method for automatically identifying tomatoes and intelligently harvesting tomatoes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Review on fruit harvesting method for potential use of automatic fruit harvesting systems | |
Zhao et al. | A review of key techniques of vision-based control for harvesting robot | |
US10779472B2 (en) | Robotic fruit picking system | |
Mueller-Sim et al. | The Robotanist: A ground-based agricultural robot for high-throughput crop phenotyping | |
Sarig | Robotics of fruit harvesting: A state-of-the-art review | |
Hannan et al. | Current developments in automated citrus harvesting | |
Brown et al. | Design and evaluation of a modular robotic plum harvesting system utilizing soft components | |
Xiong et al. | Design and evaluation of a novel cable-driven gripper with perception capabilities for strawberry picking robots | |
KR20200103823A (en) | Methods and systems for agriculture | |
US20220078972A1 (en) | Harvester with automated targeting capabilities | |
Tejada et al. | Proof-of-concept robot platform for exploring automated harvesting of sugar snap peas | |
CN210053904U (en) | Hierarchical modularization robot is picked in kiwi fruit field | |
JP2024505669A (en) | Robotic harvesting system with gantry system | |
Miao et al. | Efficient tomato harvesting robot based on image processing and deep learning | |
Stoelen et al. | Low-cost robotics for horticulture: A case study on automated sugar pea harvesting | |
CN209983105U (en) | Harvester | |
RU2796270C1 (en) | Device for automated picking of tomatoes | |
CN111201896A (en) | Picking robot based on visual navigation and control method | |
WO2022091092A1 (en) | System and method for indoor crop management | |
Liu et al. | The Vision-Based Target Recognition, Localization, and Control for Harvesting Robots: A Review | |
Burks et al. | Opportunity of robotics in precision horticulture | |
Kurhade et al. | Review on “Automation in Fruit Harvesting | |
EMİNOĞLU et al. | Smart farming application in fruit harvesting | |
Burks et al. | Orchard and vineyard production automation | |
JPH0787829A (en) | Method for photographing harvesting robot |