CN108834579B - 一种花椒采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了花椒种植领域内的一种花椒采摘装置，包括采摘箱，采摘箱的顶端开口设置，采摘箱两个相对的内侧壁的上部设有多组并排的色选机构，色选机构的下方设有多组与色选机构对应的采摘机构，每组色选机构均包括两个正对设置的CCD摄像机，每组色选机构中的两个CCD摄像机分别固定在采摘箱正对的两个内侧壁上；每组采摘机构均包括两个正对设置的采摘叶轮，每个采摘叶轮均连接有一个驱动电机，采摘箱的内侧底端固定有液压升降支架，驱动电机均固定在液压升降支架上，每个CCD摄像机与对应的驱动电机之间连接有图像信号转换机构。本发明可解决现有的花椒采摘设备不能对成熟的花椒进行选择性采摘的问题。

Description

一种花椒采摘装置

技术领域

本发明涉及花椒种植领域，具体涉及一种花椒采摘装置。

背景技术

花椒作为我国人民常用的一种调味品，在日常生活中占有重要地位，常见的花椒多为红花椒，其树干均为灌木类植株。以前传统的花椒种植多为家庭式小规模种植，种植量小，采收均为人工手动采摘，这样对花椒的采摘更有选择性，可优先对成熟的花椒进行采收。而近年来随着城市餐饮业的发展花椒的市场需求量大量增加，促使了较多农业企业开始规模化大量种植花椒，若种植后仍采用人工采收或半自动采收的方式，则需要大量的人力成本投入，若采用简单的机械采收则不能对花椒进行选择性的采摘，无法优先对成熟的花椒进行选择性采摘，易对未成熟的花椒造成破坏影响产量。

发明内容

本发明意在提供一种花椒采摘装置，以解决现有的花椒采摘设备不能对成熟的花椒进行选择性采摘的问题。

为达到上述目的，本发明的基础技术方案如下：一种花椒采摘装置，包括采摘箱，采摘箱的顶端开口设置，采摘箱两个相对的内侧壁的上部设有多组并排的色选机构，色选机构的下方设有多组与色选机构对应的采摘机构，每组色选机构均包括两个正对设置的CCD摄像机，每组色选机构中的两个CCD摄像机分别固定在采摘箱正对的两个内侧壁上；每组采摘机构均包括两个正对设置的采摘叶轮，每个采摘叶轮均连接有一个驱动电机，采摘箱的内侧底端固定有液压升降支架，驱动电机均固定在液压升降支架上，每个CCD摄像机与对应的驱动电机之间连接有图像信号转换机构。

本方案的原理是：实际应用时，采摘箱用于包夹花椒树的树干或树枝进行花椒采摘，采摘箱顶端的开口用于供花椒树枝进入采摘箱，色选机构用于对花椒树枝上的花椒进行颜色区分识别成熟后花椒的红色，采摘机构用于获得色选机构的识别信息后对成熟的花椒进行采摘操作。CCD摄像机为安装有电荷耦合器件的摄像机，其可将被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD芯片根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。通过CCD摄像机可对花椒树枝上成熟花椒的红色进行识别并转换成电信号，通过图像信号转换机构将CCD摄像机输出的信号转换输出为驱动电机、液压升降支架的启动信号，使得对应成熟花椒位置的驱动电机驱动采摘叶轮对成熟的花椒进行采摘。

本方案的优点在于：1、通过CCD技术可对花椒树枝上成熟花椒的红色进行识别进而通过采摘叶轮自行进行针对性的采摘，通过机电设备可对成熟的花椒进行选择性采摘，采摘效率高，采摘自动化程度高；2、采用箱式采摘结构可从花椒树枝的外侧包夹进行采摘，一次可对一枝花椒树枝进行采摘，采摘效率高，采用机械化，劳动强度低，人工成本低。

进一步，还包括行走车，行走车上安装有液压升降臂，采摘箱固定在液压升降臂上，行走车拖曳有收集箱。作为优选这样设置使得花椒采摘装置可在种植区域内灵活运动，便于对不同位置的花椒进行采摘，并对采摘的花椒进行收集。

进一步，采摘叶轮的叶片的端部设有与叶片相互垂直的采摘板，采摘板远离叶片的一端呈锯齿状，相邻锯齿之间设有切缝。作为优选这样设置通过采摘板的锯齿部位可对花椒树枝上的花椒进行梳抓，并在跟随采摘叶轮的转动下将花椒从树枝上拉扯分离，切缝可对花椒蒂部的细枝进行卡接从而将花椒稳定的抓取，有利于将同一细枝上的多从花椒从树枝上有效的分离。

进一步，采摘箱为长方箱体状，采摘箱沿底部的长边中心线均分为两个箱槽，每组色选机构的一个CCD摄像机、每组采摘机构的一个采摘叶轮均位于一个箱槽的内侧，液压升降臂有两个，两个液压升降臂分别为固定臂和移动臂，两个箱槽一个位于固定臂上端、另一个位于移动臂上端，两个箱槽的底壁相互卡接。作为优选这样设置在进行采摘前可通过移动臂的移动使得两个箱槽脱离，然后对准需要采摘的树枝后再通过移动臂向固定臂移动卡接形成采摘箱，从待采摘树枝的两侧对树枝进行全面的包夹，以达到对树枝上花椒的一次充分采摘。

进一步，采摘箱的底壁倾斜设置且低端设有开口，开口下方设有与收集箱连通的收集槽。作为优选采摘箱倾斜的底壁便于从树枝脱落的花椒自行向开口滑动进入收集槽，收集槽将采摘的花椒导向引入收集箱，方便对采摘后的花椒进行集中收集。

进一步，CCD摄像机朝向采摘箱中部的一侧设有透明隔板，透明隔板固定在采摘箱的内壁上。作为优选通过透明隔板可对CCD摄像机进行遮挡保护并同时保证其有效工作，避免CCD摄像机的镜头被花椒树枝磨花影响对花椒颜色的识别，可避免花椒树上的其他杂质落在CCD摄像机上影响其正常运行。

进一步，图像信号转换机构包括用于将CCD摄像机获取的图像信息转换为驱动电机驱动电信号的计算机。作为优选采用计算机进行图像信息转换后可准确驱动成熟花椒在采摘箱内所处位置对应的驱动电机，使得对应的采摘叶轮转动对成熟花椒进行采摘。

附图说明

图1为本发明实施例的结构简图；

图2为1中A部分的放大示意图；

图3为本发明实施例中箱槽的主视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：行走车1、计算机2、固定臂3、CCD摄像机4、透明隔板5、采摘叶轮6、箱槽7、移动臂8、收集槽9、收集箱10、液压升降支架11、采摘板12、驱动电机13、叶片14、卯榫15。

实施例基本如附图1、图2及图3所示：一种花椒采摘装置，包括长方箱体状的采摘箱，采摘箱的顶端开口设置，采摘箱两个相对的内侧壁的上部设有多组并排的色选机构，色选机构的下方设有多组与色选机构对应的采摘机构，每组色选机构均包括两个正对设置的CCD摄像机4，每组色选机构中的两个CCD摄像机4分别固定在采摘箱正对的两个内侧壁上，CCD摄像机4朝向采摘箱中部的一侧设有透明隔板5，透明隔板5固定在采摘箱的内壁上。每组采摘机构均包括两个正对设置的采摘叶轮6，每个采摘叶轮6均连接有一个驱动电机13，采摘叶轮6的叶片14的端部设有与叶片14相互垂直的采摘板12，采摘板12远离叶片14的一端呈锯齿状，相邻锯齿之间设有切缝。采摘箱的内侧底端固定有液压升降支架11，驱动电机13均固定在液压升降支架11上，每个CCD摄像机4与对应的驱动电机13之间连接有图像信号转换机构。图像信号转换机构包括用于将CCD摄像机4获取的图像信息转换为驱动电机13驱动电信号的计算机2。

如图1所示，还包括行走车1，行走车1上安装有液压升降臂，采摘箱固定在液压升降臂上，行走车1拖曳有收集箱10。采摘箱沿底部的长边中心线均分为两个箱槽7，每组色选机构的一个CCD摄像机4、每组采摘机构的一个采摘叶轮6均位于一个箱槽7的内侧，液压升降臂有两个，两个液压升降臂分别为固定臂3和移动臂8，固定臂3通过螺栓固定在行走车1上，移动臂8通过在行走车1上开设长条孔及配合使用螺栓滑动连接在行走车1上。两个箱槽7一个焊接于固定臂3上端、另一个焊接于移动臂8上端，两个箱槽7的底壁相互卡接，具体的在两个箱槽7底部相对的侧壁上开设卯榫15结构进行卡接。采摘箱的底壁倾斜设置且低端设有开口，开口下方设有与收集箱10连通的收集槽9。

CCD摄像机4为安装有电荷耦合器件的CCD摄像机4，其可将被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD芯片根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。

图像信号转换机构是指对图像信息进行处理的计算机2软件与硬件***，包括图像处理硬件和图像处理软件。图像处理硬件包括图像采集卡、计算机2；图像处理软件包括图像处理算法及其程序模块，具体如专利CN103529855B实施例提供的设备一致。其中图像采集卡的主要功能是对CCD摄像机4所获取的图像数据进行实时的量化，并将其转换为数字图像，同时提供与计算机2的高速接口，将数字图像存储在计算机2中。图像信号转换机构的计算机2根据从CCD摄像机4获取的图像信息，计算视场中物体的位置信息，并由此识别环境中的物体，最终完成对目标物体的定位。图像信号转换机构的操作过程包括下述步骤：

(1)CCD摄像机4标定：CCD摄像机4标定是指确定目标图像坐标到世界坐标的映射关系，也就是确定视觉成像***的内部参数和外部参数。因此，为了确定空间目标的三维位置与二维图像像素坐标间的对应关系，必须建立视觉成像的几何模型，并求解几何模型的参数。

CCD摄像机4标定结果的精度对目标定位结果的影响较大。根据标定方式的不同，可大致将标定方法归纳为三类：传统标定方法、自标定方法和基于主动视觉的标定方法。其中，张正友的平面标定方法是介于传统标定方法和自标定方法之间的一种方法，该方法有较好的鲁棒性和实用性，故选用该方法进行CCD摄像机4标定。

(2)图像采集：图像采集也就是图像的数字化过程，即将图像采集到计算机2中的过程。在实际操作过程中，首先通过调整箱槽7使得CCD摄像机4处在一个合适的三维空间位置，然后CCD摄像机4开始采集采摘箱内花椒树枝的植株图像。CCD摄像机4获取图像后，便将图像存储在计算机2中以便进行后续的图像处理工作。

(3)图像预处理：一般地，获取的图像即是原始图像。在自然环境下，由于受到光照、温度、湿度等种种因素的影响，由CCD摄像机4获取的原始图像往往包含着各种各样的噪声和畸变，因而不能在图像处理***中直接使用。为此需要对图像进行预处理，包括：对比度增强、平滑和图像增强。必须在进行图像分析和识别前进行灰度校正、噪声过滤等图像预处理，从而去掉这些使图像质量劣化的因素，并对信息微弱的图像进行增强，使图像特征更加明显或使图像中的有用信息更容易被提取。因此需要对图像进行预处理，具体包括：对比度增强、图像平滑和图像增强等。

(4)颜色空间转换：在自然光环境下，需要一种适合该特定情景分析的颜色模型。通常由获取的原始图像为RGB颜色模型，代表了红、绿、蓝三种颜色，受光线影响较大，该颜色空间模型不适合在自然场景下分割图像。通过申请人反复实验表明YCbCr颜色模型可以有效抑制光照的影响，因此将RGB颜色模型转换到YCbCr颜色模型进行处理。

(5)图像分割与目标提取：由CCD摄像机4获取到的一副图像中，通常包括花椒果实、花椒叶子、花椒树枝等部分。图像分割的主要目标就是从一副包含上述复杂背景的图像中分割出成熟的花椒果实。现有的图像分割算法包括：基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。

提取成熟花椒果实用到的图像分割算法为基于阈值的图像分割。具体的方法是：上一步中已经将图像转换到YCbCr颜色模型，使用该模型中的Cr分量，运用大津法得到该幅图像的一个阈值，以此为基础可以得到初步只包含成熟花椒果实的二值图像。最后，运用恰当的形态学处理方法，对图像进行腐蚀、膨胀等操作，得到最终的只有成熟花椒果实的图像。

目标提取是指从单幅图像或序列图像中将感兴趣的目标与背景分割开来，并从图像中识别和解译有意义的物体实体而提取不同的图像特征的操作。在完成目标图像分割后，目标提取工作也就基本完成。

(6)目标定位：目标定位是指从一副采集的图像中获得目标的空间三维位置的过程。在目标提取完成后，得到该目标在图像中的几何位置信息，即获得成熟花椒果实在图像中的二维坐标位置，然后结合CCD摄像机4标定结果，将二维坐标转换到三维空间坐标，最终求取目标的三维位置信息。

之后通过计算机2输出成熟花椒果实的坐标给驱动电机13及液压升降支架11，使得液压升降支架11移动驱动电机13及采摘叶轮6到成熟花椒的外侧，通过驱动电机13带动采摘叶轮6对成熟花椒进行采摘。

具体实施过程如下：行走车1采用柴油发电机驱动，产生的电力还提供给CCD摄像机4、驱动电机13、图像信号转换机构、液压升降臂、液压升降支架11的启动。使用时行走车1驶到待采摘的花椒树前，调整行走车1位置及移动臂8的位置，使得两个箱槽7位于待采摘的花椒树枝外侧，再通过调整移动臂8的位置使得两个箱槽7的卯榫15卡接合拢形成将花椒树枝包裹其中的采摘箱。CCD摄像机4对采摘箱内的花椒树枝进行图像采集，然后经过上述的图像预处理、颜色空间转换、图像分割与目标提取、目标定位等过程后从计算机2输出信号给液压升降支架11及驱动电机13，使得驱动电机13带动采摘叶轮6对花椒树枝上成熟的红色花椒进行采摘，通过采摘叶轮6的叶片14上的采摘板12准确的将成熟的红色花椒从树枝上摘取下来。采摘的花椒从采摘箱的底部开口落到收集槽9中，再从收集槽9进入到收集箱10内。

Claims (5)

1.一种花椒采摘装置，其特征在于：包括采摘箱，采摘箱的顶端开口设置，采摘箱两个相对的内侧壁的上部设有多组并排的色选机构，色选机构的下方设有多组与色选机构对应的采摘机构，每组所述色选机构均包括两个正对设置的CCD摄像机，每组色选机构中的两个CCD摄像机分别固定在采摘箱正对的两个内侧壁上；每组所述采摘机构均包括两个正对设置的采摘叶轮，每个所述采摘叶轮均连接有一个驱动电机，采摘箱的内侧底端固定有液压升降支架，驱动电机均固定在液压升降支架上，每个CCD摄像机与对应的驱动电机之间连接有图像信号转换机构；还包括行走车，行走车上安装有液压升降臂，所述采摘箱固定在液压升降臂上，所述行走车拖曳有收集箱；所述采摘箱为长方箱体状，采摘箱沿底部的长边中心线均分为两个箱槽，每组色选机构的一个CCD摄像机、每组采摘机构的一个采摘叶轮均位于一个箱槽的内侧，所述液压升降臂有两个，两个液压升降臂分别为固定臂和移动臂，两个箱槽一个位于固定臂上端、另一个位于移动臂上端，两个箱槽的底壁相互卡接。

2.根据权利要求1所述的花椒采摘装置，其特征在于：所述采摘叶轮的叶片的端部设有与叶片相互垂直的采摘板，采摘板远离叶片的一端呈锯齿状，相邻锯齿之间设有切缝。

3.根据权利要求2所述的花椒采摘装置，其特征在于：所述采摘箱的底壁倾斜设置且低端设有开口，开口下方设有与收集箱连通的收集槽。

4.根据权利要求3所述的花椒采摘装置，其特征在于：所述CCD摄像机朝向采摘箱中部的一侧设有透明隔板，透明隔板固定在采摘箱的内壁上。

5.根据权利要求4所述的花椒采摘装置，其特征在于：所述图像信号转换机构包括用于将CCD摄像机获取的图像信息转换为驱动电机驱动电信号的计算机。

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