基于機器視覺的草莓自動采摘機的設計

陳 軍,張繼耀,張 欣

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

我國草莓主要采用種植壟培育方式,并以傳統人工采摘方式進行果實的收獲。草莓具有采摘困難、工作量大、易損壞、不易儲存的特點,研究并推廣草莓的自動化收獲技術成為了亟待解決的關鍵問題。

20世紀90年代起,世界上出現了對果蔬自動化采摘的研究[1-4]。上海交通大學和中國農業大學相繼進行了草莓自動化收獲的研究[5-7],但目前為止仍存在以下問題:①采摘損傷率得不到有效降低;②對我國采用的種植壟草莓采摘的研究較少;③視覺識別過程復雜,且定位精度不高;④用單個機械臂完成采摘與收集,采摘效率得不到提高。

為此,針對大面積高壟種植模式下的草莓生長特點,提出了基于機器視覺、應用多個末端執行器同時工作的草莓自動采摘機,解決了原有采摘機器采摘效率低、損傷率較高的問題,降低了農民重復購買機具的成本。經過初步試驗,該采摘機器具有較好的采摘質量與較高的采摘效率,能夠實現草莓的自動化采摘收獲,為大面積高壟種植草莓的采摘收獲提供了可靠保證。

1 工作環境和作業要求

我國草莓以種植壟栽培居多,種植壟呈等腰梯形,壟頂寬400mm,壟底寬600mm,高300mm。草莓植株生長于種植壟上,草莓果實生長在種植壟兩側面,如圖1所示。

圖1 草莓種植壟結構圖

2 設計原理及機構

2.1 設計原理

針對采摘效率低、損傷率較低的問題,研制了一種基于機器視覺的草莓自動采摘機。該機底盤搭載測距模塊,實時監測和反饋其與種植壟的距離,以實現機器與種植壟之間距離始終恒定;通過攝像頭獲取外部圖像,采集到的圖像信息通過圖像處理系統進行處理得到成熟草莓坐標,通過串口通信把坐標值發送給stm32控制板;stm32控制與草莓中心點坐標相應列的末端執行器緊貼地壟向上運動,實現草莓的采摘;采摘結束后,末端執行器運動至收集裝置上方后,釋放草莓,實現草莓采摘的自動化過程。

自動采摘機對種植壟破壞小,采摘效率高,采摘損傷率低。其優點如下:機器與種植壟恒距前行,極大地減少了對種植壟的破壞;多個末端執行器同時工作提高了采摘效率;只需判斷草莓與末端執行器是否在同一維度,不需判斷果柄位置,解決了通過復雜圖像處理精準判斷果柄位置的難題;采摘裝置的運動基于光桿和同步帶,避免了傳統機械手臂速度慢、定位不夠精準的缺點;底盤搭載檢測和反饋裝置,保證機器在行進過程中末端執行器與地壟之間的距離恒定;機器采用輪轂電機驅動,利于環保,充電方便。

2.2 總體設計

基于機器視覺的草莓自動采摘機結構如圖2所示。

1.步進電機Ⅰ 2.豎直滑軌Ⅰ 3.底盤 4.攝像頭Ⅰ 5.測距模塊Ⅰ 6.末端執行器Ⅰ 7.末端執行器Ⅱ 8.測距模塊Ⅱ 9.攝像頭Ⅱ 10.豎直滑軌Ⅱ 11.傳送帶Ⅱ 12.固定裝置Ⅰ 13.步進電機Ⅱ 14.水平滑軌 15.滑塊Ⅰ 16.固定裝置Ⅱ 17.步進電機Ⅲ 18.步進電機Ⅳ 19.固定裝置Ⅲ 20.上擋板 21.滑塊Ⅱ 22.固定裝置Ⅳ

具體工作過程:測距模塊Ⅰ、測距模塊Ⅱ實時監測和反饋其與兩側種植壟的距離,保證機器與種植壟之間距離始終恒定;攝像頭Ⅰ、攝像頭Ⅱ不斷采集當前位置圖像,直至發現成熟草莓果實,獲取草莓果實區域中心位置坐標;末端執行器Ⅰ或末端執行器Ⅱ對應列有草莓時,末端執行器運動至種植壟壁,并貼壟向上運動,直至切斷果柄,草莓落入末端執行器中;末端執行器Ⅰ、末端執行器Ⅱ運動至收集裝置上方,通過與上擋板Ⅱ互相配合,將草莓釋放,末端執行器復位。其主要技術參數如下:

外形尺寸/mm:900×650×1750(工作時)

900×650×1050(運輸時)

跨壟寬度/mm: 600

電機轉速/r·min-1:240

3 關鍵部件設計

3.1 采摘執行部分

末端執行器采用小車輪式結構,保證其緊貼種植壟,提高了采摘可靠性;連桿機構觸發下底板打開,從而方便地實現草莓的收集。末端執行器具體結構如圖3所示。由圖3可以看出:裝載框架的一端為“V”形開口,開口上設置有刀片Ⅰ、刀片Ⅱ,用于切斷草莓果柄;裝載框架靠近地壟的一側安裝有4個滑輪,以實現采摘草莓時末端執行器可沿種植壟向上運動,且與種植壟之間摩擦力較小;兩根桿件Ⅱ安裝在裝載框架上,通過直線軸承與連接裝置裝配;彈簧Ⅰ分別套在兩根桿件Ⅱ上,以實現末端執行器在貼壟運動時于種植壟間的壓力的自動調節;螺帽Ⅰ安裝在桿件Ⅱ上,以防止細桿脫落,同時使彈簧擁有一定的預緊力;末端執行器運行到收集裝置正上方時,向上運動使得彈簧Ⅱ被壓縮,進而通過連桿機構使底板Ⅰ、底板Ⅱ向兩側打開,讓草莓順利釋放到收集裝置,從而實現草莓的高效采摘。

末端執行器在車體的兩側呈兩排排列,每一列設置多個末端執行器,且各個末端執行器工作互不干擾,極大地提高了采摘效率,也提高了采摘的可靠性。

1.刀片Ⅰ 2.桿件Ⅰ 3.滑輪 4.底板Ⅰ 5.連桿機構 6.底板Ⅱ 7.彈簧Ⅰ 8.封蓋 9.螺帽Ⅰ 10.桿件Ⅱ 11.連接裝置 12.裝載框架 13.彈簧Ⅱ 14.螺帽Ⅱ 15.刀片Ⅱ

3.2 車體受力分析

在采摘車在啟動時進行受力分析,如圖4所示。

圖4 草莓自動采摘機受力分析圖

圖4中,G為草莓采摘機質量;FN為草莓采摘車所受地面支持力;Fg為草莓采摘機啟動時的慣性力;Fw為草莓采摘機行進時的空氣阻力;Ft為輪轂電機提供的驅動力;Ff為草莓采摘車行進時的滾動阻力。

由達朗貝爾原理對草莓采摘車可以列出如下方程,即

Ft-Fw-Ff-Fg=0

Ff=fFN

式中f—滾動阻力系數;

g—重力加速度(f);

C—空氣阻力系數;

ρ—空氣密度(kg/m3);

S—機器行走時的迎風面積(m2);

f—機器行走時的速度(m/s)。

根據草莓自動采摘機的預估尺寸,選用8寸輪轂電機,24V20Ah鋰電池供電,額定功率180W。

計算該輪轂電機可以提供的轉矩,則

式中Td—單個輪轂電機所能提供的轉矩(N·m);

P—輪轂電機額定功率(kW);

n—輪轂電機額定轉速(r/min);

v—機器行走時的速度(m/s)。

3.3 車體底盤設計

底盤的兩側安裝了超聲波模塊Ⅰ、超聲波模塊Ⅱ,用于檢測車體與草莓種植壟間的距離,使底盤始終與壟以恒定距離前行;后輪采用輪轂電機驅動,前輪使用萬向輪易于轉向;減震部分由彈簧和液壓裝置共同作用。

3.4 HSV顏色模型

3.4.1 HSV簡介

HSV(Hue Saturation Value)是根據顏色的直觀特性由A. R. Smith在1978年創建的一種顏色空間, 也稱六角錐體模型(Hexcone Model)。這個模型中,顏色的參數分別是色調(H)、飽和度(S)及明度(V)。

1)色調H用角度度量。取值范圍為0°～360°,從紅色開始按逆時針方向計算,紅色為0°,綠色為120°,藍色為240°。它們的補色是:黃色為60°,青色為180°,品紅為300°。

2)飽和度S表示顏色接近光譜色的程度。一種顏色可以看成是某種光譜色與白色混合的結果。其中,光譜色所占的比例愈大,顏色接近光譜色的程度就愈高,顏色的飽和度也就愈高。飽和度高,顏色則深而艷。光譜色的白光成分為0,飽和度達到最高,通常取值范圍為0%～100%。值越大,顏色越飽和。

3)明度V表示顏色明亮的程度。對于光源色,明度值與發光體的光亮度有關;對于物體色,此值和物體的透射比或反射比有關。通常取值范圍為0(黑)到100%(白)。

3.4.2 基于HSV顏色模型的草草莓識別方法

草莓生長種植環境的特征為:綠色的葉子、白色的花蕾、青綠色的未成熟草莓及黑色地膜等,只有成熟草莓是紅色的[9]。因此,只需要把圖像中色調為紅色的部分分割出來即可。識別包括3個步驟,即果實識別、圖像預處理、形狀特征提取。

果實識別部分本文采用HSV模型分割草莓與背景,實驗所用攝像頭獲取圖像信息為RGB模型。RGB模型轉換為HSV模型的方法為:

Max = max(R,G,B);

min = min(R,G,B);

V = max(R,G,B);

S = (max-min)/max;

if (R = max)

H = (G-B)/(max-min)*60;

if (G = max)

H = 120+(B-R)/(max-min)*60;

if (B = max)

H = 240 +(R-G)/(max-min)*60;

if (H <0)

H = H+ 360;

圖像預處理主要包括圖像噪聲的去除和孔洞填充。對于噪聲點,采用對圖像高斯濾波后進行形態學開運算、閉運算的方法去除噪聲;對于由于光線原因造成的內部空洞問題,采用形態學閉運算的方法進行填充。

為了進一步保證圖像識別的準確性,本文采用了形狀特征提取的方法進一步確定最終目標。用最小矩形擬合預處理后圖像的輪廓,通過判斷擬合最小矩形的長寬比是否在誤差允許范圍內來提高識別的準確率。

4 試驗與結果

將80顆成熟草莓分為8組,即每組10顆,并隨機給分組分配2～3顆未成熟草莓,在實驗室環境下對基于機器視覺的草莓自動采摘機樣機進行了采摘試驗,結果如表1所示。

表1 一種基于機器視覺的草莓自動采摘機試驗性能結果

在視覺識別成熟草莓發現目標、末端執行器貼壟靠近目標并將果柄割斷將目標送至收集裝置的整個過程中,果實表面未與刀片發生接觸。試驗結果表明:基于機器視覺的草莓自動采摘機在模擬高壟模式下的草莓收獲作業中,具備區分成熟與未成熟果實的能力,并有效地降低了采摘損傷率,采摘平均速度為403.4顆/h,采摘成功率為96.25%,無損傷率達90%,符合農產品的收獲要求。

5 結論

針對高壟種植模式下的草莓生長環境,設計了基于機器視覺的草莓自動采摘機,并進行了試驗測試。該機集成了視覺識別系統和機械采摘裝置,能夠自動識別、定位成熟草莓,用末端執行器割斷果柄摘取果實,并實現了草莓的自動收集。試驗結果表明:采摘執行機構能夠摘取成熟草莓,整個機器在識別、控制方法上依靠低成本設備實現了較高的整體作業精度,能夠滿足高壟種植模式下成熟草莓的無損傷收獲要求,具有較高的推廣價值。