基于云平台的多功能自动采摘机

基于云平台的多功能自动采摘机

马雁楠，刘嘉

青岛理工大学 机械与汽车工程学院 山东青岛 266500

摘要

为了减轻人的劳动强度，提高收获率，我们研发了智能采摘机器，本产品包括图像定位单元、采摘手臂、控制系统、载重计量平台、物联网平台。用来采摘番茄及主茎高度在1m左右、成熟前后颜色产生变化、果实直径在3cm-10cm的农作物，改变了以往一种机器只能采摘一种果实的状况，并且能够运用物联网平台实现采摘售卖一体化。采取6自由度的机械手臂，建立各机构的静力学模型，并运用了一种基于颜色识别、双目立体视觉理论的识别系统，能够高效的进行空间位置的定位及成熟度识别。

前言

随着信息化时代的到来，现代农业朝着智能化、自动化、多功能化方向发展，果蔬的采摘是农业生产中的一个重要环节，最早的机械采摘方法是机械振摇式和动振摇式两种方法，但这两种方法不仅容易损伤果实，采摘效率也不高，同时容易摘到未成熟果实。如今，将机械采摘手臂和收集车结合，并由数据库实时监控，结合物联网新科技，实现了实时监测果实的采摘。后期入仓库的时候通过识别，根据果实的优劣进行产品分级。我们设计制造的智能果蔬采摘机器能够实现采摘、称量、包装一体化，并通过自主研发的APP与互联网连接进行实时监测和网上销售，真正实现了机器的自动化与智能化。符合新时代的发展，顺应了未来趋势。

1.总体设计

本产品研究了多功能采摘机，运用了双目立体视觉识别系统原理，通过颜色识别来确定果实作物是否达到了可采摘阶段，机械手根据主板发出的“作物”成熟指令对果实进行采摘，以减免人工进行二次分类。采用剪切的方法实现果实与作物主茎的分离，减少果实的破损。果实落到机械手下层的缓冲布，滑到收集管道内，进入机器的储存器内。后期入仓库的时候通过识别，根据果实的优劣进行产品分级。采摘机下层是驱动装置，主要包括车轮，发动机，蓄电池，为采摘机的行走提供动力。本机器外部加有太阳能电池板，转化的电量储存到蓄电池内；可根据不同田地里农作物植株结的果实间距来设置程序，设定机器行走路程，而且可以根据田地规模大小设定机器每段直行距离(完成后进行转向)以达到采摘机的改变方向的功能。储存器下方设有压力传感器，与物联网衔接，实现实时监测已摘作物的产量。

2.产品的工作原理及方法

2.1剪切机械手臂

机械手由剪刀机构、伸缩杆、接果装置组成，如图1。通过识别系统判断后，以切割的方式来切断果茎，并且由于末端执行器具有一定的通用性，本产品可以用来采摘多类果实。针对番茄果实的生长特性，选择自由度为6的机械手臂，通过关节进行连接，允许手臂进行旋转、扭动、平移，使得机器可以采摘任意位置和方位的果实。并且为了缩短剪切番茄果实杆茎的时间，提高效率，在剪切式末端执行器的刀刃上增加了豁口，锯齿形的刀刃大大地提高了采摘机工作的效率。

2 .2图像识别及空间定位

通过对成熟西红柿与周围环境颜色特征的分布进行统计与分析，确定适用于可采摘西红柿目标分割的颜色因子（其他果实类似，分别确定各种类果实的颜色因子），采摘机器人通过颜色传感器来辨别果实的成熟度，判断是否执行采摘的指令。本产品采用了双目立体视觉系统，获取不同距离的成熟番茄的立体图像，通过对图像进行灰度图像处理，将彩色图像转化为灰度图像，然后根据像素点的相关性进行立体匹配，通过计算像素点的位置获得一幅深度图像。利用模板的形心坐标和仿射变换模型获取番茄果实的形心坐标，从而利用双目立体视觉标定技术确定番茄果实实际的三维位置。

2.3减震收集装置

在接果装置里添加的有海绵材料，可以避免果实由机械手臂剪切后进行落体运动造成的碰撞损伤，有效的对果实进行了保护。果实落到漏斗中后继续滑落到收集管道中，进入采摘机的收集箱中，这样直接省去了好多麻烦，连续完成了筛选、采摘、收集的工作，减少了人工作业。

2.4智能控制与监测

系 统由ArduinoUNOR3控制板、压力传感器、RGB颜色传感器、光照度转换模块和蓝牙数据传输模块等组成，其中UNO控制板是系统控制中心，负责把采集上来的数据按照定义好的通信协议发送给上位机，数据主要包括压力信息，伺服电机电平信号等。系统框图如图2所示：

3.实验结果分析

实验结果表明，采摘机在工作的过程中速度平稳，分辨果实成熟度能力强，采摘效率高，真正实现了机器的自动化与智能化。对新能源的利用也使得我们的机器在经济效益和社会效益方面占据优势，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]薛政坤,刘春丽.智能远程控制水果采摘机的研制[J].科技创新，2018.06.

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[3]杜瑞廷,等.苹果自动采摘机的设计[J].现代化农业,2019.

[4]李寒.温室绿熟番茄机器视觉检测方法[J].农业工程学报,2017.02.

[5]张俊雄,等.设施农业采摘机器人研究进展[J].当代农机，2016.