花椒采摘機設計

蔣瑞奇,萬志遠,王 威

(山東華宇工學院 信息工程學院,山東 德州 253034)

0 引言

花椒不僅是香料、油料,還是一種重要的藥物,其果皮、種子、枝、葉等均可入藥。花椒性辛溫,能使汗腺通暢,促進唾液分泌,有助于消化和殺菌,起到開胃健脾的作用,是中藥里不可缺少的藥引。但花椒果實較小,其樹枝彎曲、伸展長還帶有刺[1]。現階段,國內大多數花椒采摘還停留在人工階段,有極少數花椒采摘機也是在人工輔助下完成采摘,人工需求量大,導致成熟花椒的市場價格昂貴[2]。國外以機械振動的方式采摘花椒居多,如使用大型機械將樹枝基部夾住,機械臂帶動樹身振動,通過共振將椒穗從椒樹上振落下來,以便收集[3]。還有采用負壓虹吸法,利用吸管對準成熟果枝,大型動力機械產生強負壓氣流將果實吸入儲果箱中。國內陜西韓城市花椒研究所第一次研制的新型花椒采摘機,投入使用時,效果顯著,后又相繼出現手槍式鋸齒形手動花椒采摘機、長臂剪刀式采摘機、負壓吸收式采摘機等[4],但由于沒能完全脫離人工,采摘時花椒樹身傷害較重,沒能實現量產。

為提高花椒采收效率和質量,現設計一種可有效代替人工,自動完成花椒識別、定位、采摘的花椒采摘機。利用視覺識別系統準確定位花椒果實位置,后通過機械臂無死角旋轉運動,將花椒采摘裝置對準花椒簇,使成熟花椒果實完全進入采摘裝置中,再通過采摘裝置中刀片的左右滑動將花椒簇采摘下來,花椒果實順勢通過與機械臂相接的中空軟管滑落到收集裝置中,完成花椒果實的采集。此機械基本實現花椒果實的自動采摘,對提高花椒采摘效率、降低成本起到一定的促進作用。

1 整體結構設計及工作流程

1.1 整體結構

圖1為花椒采摘機的整體結構示意圖,其結構包括360°無死角攝像頭、多自由度機械臂、圓形中樞結構、帶動采摘機移動和采摘裝置的電源、帶有鋒利刀片的采摘裝置、車身運動裝置,以及收集裝置和控制整個采摘機運動的中央控制系統。

1.360°無死角攝像頭;2.刀片;3.采摘裝置;4.圓形中樞結構;5.收集裝置;6.車身運動裝置;7.電源;8.中央控制系統;9.多自由度機械臂圖1 采摘機結構示意圖

成熟花椒果實顏色為紫紅色且成簇結實,現采用視覺識別系統定位花椒果實位置,將位置信息傳輸到中央控制系統,中央控制系統接收到信息后向機械臂發出指令,機械臂接收到信息后,通過機械臂的定向旋轉運動將花椒采摘裝置對準花椒簇,之后通過方形采摘裝置中鋒利的刀片左右滑動將花椒簇采摘下來,順勢通過與機械臂相連的中空軟管滑落到收集裝置中完成花椒果實的采集。其中無死角攝像頭可360°尋找成熟花椒;機械臂為中空機械臂,方便采摘下來的花椒運送到收集裝置;采摘裝置中含有一個鋒利刀片,以便采集花椒;中央控制系統包括視覺識別系統、機械臂運動控制系統、采摘裝置控制系統和車身控制系統;車身中間與收集裝置底部用螺紋管相連接;收集裝置與機械臂之間采用螺紋管與焊接共同固定的方式;多自由度機械臂,帶動采摘裝置運動,位于收集裝置上部,兩部分緊密連接采摘裝置。

1.2 工作流程

如圖2所示,待小車到達花椒樹附近位置,視覺識別系統工作,相機打開,通過HSV色彩與形狀輪廓定位花椒果實,帶動機械臂運動,將上部采摘裝置運送到目標位置,花椒果實成簇分布,將花椒果實簇包裹起來,此時采摘裝置內刀片已到達花椒果實頸部,刀片橫向滑動,完成花椒果實的采集工作。花椒果實脫落,通過與機械臂相接的軟管滑落到下方收集裝置中,完成花椒果實的采摘和收集工作。

圖2 工作流程圖

這款花椒采摘機,機械結構輕巧、識別方式新穎,可靠性高,可遠程遙控和自動運行,能代替人工來完成花椒采摘這一復雜且具有一定危險性的工作,既保證了人身安全,又提高了效率,還能降低成本。

2 關鍵部分設計

2.1 視覺識別系統

視覺識別系統采用HSV色彩紅外識別和小波變換方式。花椒的采摘季節一般在夏季和秋季,采摘時間在7-9月,此時間段光照強烈,在可見光的映照下多呈現紫紅色或淡紅色,花椒果實小且成簇,小波變換方式可以增強紅外與可見光圖像融合,將分析后成熟的花椒果實色彩與形狀信息形成不同圖像系數矩陣,高頻包含圖像的顏色特征信息,低頻包含圖像的輪廓特征信息,兩種圖像之間對應融合鎖定成熟花椒位置。當花椒果實在順光、背光、遮陰等不同光照條件下,HSV顏色空間與形狀特征融合的方法識別效率更高,利用Matlab 2012b對原圖像先進行同態濾波,用圖像的H分量對圖像進行初步分割,再使用形態對比的方法進行識別,此種方法在遮陰條件下運行效率提高了14.6%[2]。

2.2 采摘裝置

基于花椒簇大小多為3～7 cm,同一枝上花椒簇距離基本大于15 cm,采用10 cm長矩形刀片,設計整體采摘裝置為15 cm×12 cm×12 cm(長×寬×高)的矩形長方體(圖3),采摘裝置與機械臂之間采用焊接和螺紋連接結合的固定方式。當視覺識別定位到花椒果實后,將位置信息傳輸到中央控制系統,發出指令,使機械臂帶動采摘裝置深入果實枝丫深處,此時刀片橫向移動,完成采摘。

1.采摘裝置;2.刀片圖3 采摘裝置內部結構圖

2.3 中央控制系統

中央控制系統包括視覺識別系統、機械臂運動控制系統、采摘裝置控制系統和車身控制系統,其位置排布依次從左向右,其中車身控制系統內含有輔助駕駛功能、GPS定位系統和4 GB內存條,可以定位、記憶若干條路段,使用者通過儲存定向路段,在采摘時打開電源,車身前部通過攝像頭開啟路段識別工作,攝像頭識別安全路段后正常行駛,使花椒采摘機按照定向路段到達花椒樹附近,完成自動輔助駕駛。

3 部分元件種類及作用

圖4為視覺識別系統的攝像頭,攝像頭采用北京市中國惠普有限公司,廣角66°、1 080 p分辨率的HP320 FHD攝像頭,其鏡像畫面清晰,無失真,而且支持1 920*1 080,30 fps,亮度和白平衡可根據環境自動適應,攝像頭的上下左右可旋轉15°,水平可旋轉360°,可調節底座使其可直接貼于采摘裝置的上部,且為USB接口,由于原接線為1.5 m,增加使用一段3 m長的惠普USB延長線即可。相比于其他攝像頭,HP320 FHD攝像頭價格更低,圖像更加清晰,安裝更方便。

圖4 HP320 FHD視覺識別攝像頭

圖5為車身車輪,采用瑞典麥克納姆公司的專利麥克納姆輪,這種全方位移動方式依靠各自機輪的方向和速度,產生的合力矢量能滿足任何方向上的行駛需求,保證了這個平臺可以在最終合力矢量方向上自由移動,而不改變機輪自身的方向。我國花椒主產地分布在山西、河北、陜西、云南、四川等地區,其中河北及山西的山地、丘陵地區種植較廣,山地、丘陵地形崎嶇,地面坑洼,麥克納姆輪能有效解決這一問題。

圖5 麥克納姆輪

4 結語

設計了一種花椒果實采摘裝置,通過HSV色彩融合識別、定位花椒果實,機械臂帶動采摘裝置到達指定位置,利用采摘裝置內部鋒利刀片橫向滑動,完成花椒果實的采摘,進而花椒果實順勢滑落到收集裝置中,完成花椒果實的收集。隨著我國花椒需求量的增長,花椒種植面積擴大,花椒采摘機能有效代替人工,提高花椒果實采摘效率,顯著地降低人工成本,使該機械具有良好的推廣前景。