CN111758424A - 一种田间棉花自动打顶装置 - Google Patents

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Abstract

针对现有的棉花打顶装置在田间环境打顶作业时打顶效率和打顶精度难以兼顾的问题，提出了一种田间棉花自动打顶装置。该装置主要包括自主移动平台、棉花高度粗定位装置、棉花顶部三维识别及精定位装置、棉花去顶装置、供电***和控制***。以自主移动平台为载体，实现本装置在不同棉花地块的自主、高效行走。通过棉花高度粗定位装置进行田间环境棉花株高初步定位，通过棉花顶部三维识别及精定位装置进行打定目标二次定位，再通过棉花去顶装置上安装的彩色摄像头进行打顶目标的三次精确定位，实现田间棉花顶部的自动识别和精准去除。大大提高田间环境的棉花打顶效率和打顶精准度。

Description

一种田间棉花自动打顶装置
技术领域
本发明属于农业机器人领域，涉及一种棉花自动作业装置。具体涉及一种田间棉花自动打顶装置，对田间种植的棉花自动打顶。
背景技术
棉花具有无限生长的习性，顶端优势明显。通过摘除顶心，能控制主茎的生长，协调营养生长与生殖生长，促使养分更多的运向果枝，供应结实器官，减少无效果枝。目前，棉花打顶技术有人工打顶、机械打顶、化学打顶等三种。人工打顶虽然精度高，但工作环境恶劣、劳动强度高、费工费时，效率较低，易错过最佳打顶时期，导致棉花生长周期不一，从而降低棉花产量。机械打顶较人工效率高，但对地势以及棉花生长均匀度要求较高，且漏打率高达20％，且会对植株和蕾铃造成严重损伤，降低了吐絮效率，从而影响了产量。化学打顶，通过喷洒生长抑制剂使棉花停止向上生长，虽能够抑制棉花的生长，但会导致棉花产量降低，且容易对环境造成极大污染。急需能够实现田间棉花自动、高效、精准、环保的打顶技术装置及方法。目前，新疆石河子大学团队针对棉花打顶关键技术开展了相关研究，如论文“棉花打顶机棉株高度识别技术的研究”(沈晓晨，2018)，“基于机器视觉技术的棉株识别***研究”(瞿端阳，2013)等，针对盆栽棉花，基于双目视觉技术从侧面拍照进行棉株定位和棉株高度计算，为棉花打顶机构的高度调节提供依据。但其采用侧面成像，定位目标为棉株而非待去顶的对象。所述方法，尚难以应用于田间密植环境的棉花自动打顶。
本发明提出一种田间棉花自动打顶装置及方法，以多功能轮式智能移动平台为载体，进行田间棉花顶部的自动识别和精准切除，大大降低人工打顶成本，提高打顶效率和精度。
发明内容
现有的棉花打顶装置及方法存在打顶效率、打顶精度难以兼顾的问题，针对此情况，发明设计了一种田间棉花自动打顶装置及方法，可自主实现田间棉花的自动、高效、高精度打顶。具体发明内容如下：
一种田间棉花自动打顶装置，用于田间棉花顶部的自动化快速精准去除，其特征在于：该装置包括自主移动平台、棉花高度粗定位装置、棉花顶部三维识别及精定位装置、棉花去顶装置、供电***和控制***；其中，自主移动平台采用四轮独立驱动、独立转向方式移动；移动机器人平台搭载了高精度GPS自主导航模块***，具有遥控和自主导航两种工作模式；棉花高度粗定位装置和棉花顶部三维识别及精定位装置配合，通过三级定位来实现拟去顶目标的精准定位和识别，具体是通过所述棉花高度粗定位装置实现所述自主移动平台的调整，对棉花进行一级初步定位，再通过所述棉花顶部三维识别及精定位装置对拟去顶的目标进行二级定位，最后通过棉花去顶装置末端安装的摄像头进行三级定位；棉花去顶机构基于棉花顶部的精准识别信息进行去顶操作；供电***为田间棉花自动打顶装置提供动力。
具体地，自主移动平台的四个轮组分别通过升降机构与各支撑杆连接，支撑杆与承载平台连接，伸缩机构通过伸缩运动调整自主移动平台的高度；支撑杆与承载平台相对转动，从而带动轮组整体相对承载平台转动，进而调整自主移动平台的行驶宽度；所述自主移动平台升降范围为0-40cm，承载平台底部距离地面高度为1.2-1.6m可调。
具体地，支撑杆与承载平台通过法兰连接，法兰上均匀分布8个固定孔，支撑杆与承载平台以22.5°为间隔单位相对转动，进而调整移动机器人平台的行驶宽度；单个支撑杆水平长度设置为0.5米，移动机器人平台轮组之间的调节范围为0-0.6m；其行驶跨距为1.4-2m可调。
具体地，棉花高度粗定位装置通过超声传感器测量田间棉花群体的冠层高度后，反馈调节伸缩机构的行程，将承载平台调节至合适高度；设置承载平台的底部距离棉花冠层高度为30cm，以保证棉花顶部三维识别及精定位装置距离棉花顶部的距离在一定范围内，提高棉花顶部识别及定位精度。
具体地，棉花顶部三维识别及精定位装置采用立体摄像头和三自由度并联机械臂来实现棉花顶部的识别和定位；立体摄像头与三自由度并联机械臂安装相对位置固定，通过立体摄像头对棉花顶部识别结果控制三自由度并联机械臂移动至目标处。
具体地，三自由度并联机械手的最大往复移动速度为120次/分钟，其末端移动范围为：水平方向覆盖直径1.4米范围，垂直方向移动范围为0-60cm，棉花顶部三维识别及精定位装置可同时安装多套三自由度并联机械手，以提高效率。
具体地，棉花顶部三维识别及精定位装置通过所述立体摄像头对棉花顶部进行识别，根据所采集的棉花顶部图像出现无需打顶棉花、有唯一需打顶棉花、有多个需打顶棉花的实际状态，其识别准则为：若该图像中未识别出需打顶的棉花，不做任何处理，继续进行图像采集及识别；若该图像中有需唯一需打顶棉花，将该棉花设置为目标；若该图像中有多个棉花需打顶，首先计算视场中需打顶的棉花的数量，并根据该数量自动调节行驶速度，待打顶数量越多，设置行驶速度越低，同时将图像中识别出的面积最大顶部设置为目标，进行打顶；对设置为目标的棉花，计算其三维空间位置坐标，反馈至所述三自由度并联机械手。
具体地，彩色摄像头和顶部切割装置安装于三自由度并联机械手末端中心位置处，彩色摄像头进行目标近距离三次定位，顶部切割装置为高强度点激光器，工作时随着并联机械手的运动，移动至目标棉花顶部处后，通过彩色摄像头获取目标图像，识别目标中心位置并对顶部切割装置位置进行微调，消除棉花遮挡对打顶效果造成的影响，实现目标棉花顶部的精准切割，激光切割伤口整齐，无二次污染。
具体地，顶部切割装置采用切刀或者细喷头作为替代，具体实施时采用切刀切除或者精准喷洒脱落剂去顶。
具体地，控制***包含有两个相对独立控制模块；其一采用单片机作为控制器，用于自主移动平台的田间移动进行自主控制，其二采用微型嵌入式开发板作为控制器，用于进行棉花顶部图像视觉识别及三自由度并联机械手运动控制，两个控制器采用485协议进行通讯。
本发明所述的田间棉花自动打顶装置及方法技术优势包括：
(1)高通量、高效率、省人工。整个打顶过程全自主，无需人工参与，单组三自由度并联机械臂最大往复速度为120次/分钟，可同时设置多组，打顶效率高，可大大节省人力成本。
(2)通用性强、适应性广。本发明的田间棉花自动打顶装置，可在棉花田间自主、自由行走，且该轮距及高度可调，满足不同品种、不同种植模式、不同生长高度的棉花打顶需求，具有很好的通用性和广泛的适应性。
(3)精度高、损伤率和漏打率低、效果好。田间棉花密植环境，目标遮挡严重，打顶目标定位及识别困难。本发明采用三级定位方式实现拟去顶目标的精准定位，定位精度高，采用摄像头对每个目标进行识别，识别精度高，从而降低损伤率和漏打率，作业后产量高于传统方法，作业效果好。
(4)节能环保。本发明在自动移动平台上安装太阳能电池板，可为锂电池充电。本发明正常工作时无需提供额外能源，节能环保。
附图说明
图1一种棉花自动打顶装置及方法示意图
图2棉花顶部视觉识别及三自由度并联机械臂定位示意图
具体实施方式
一种田间棉花自动打顶装置及方法，主要由自主移动平台、棉花高度粗定位装置、棉花顶部三维识别及精定位装置、棉花去顶装置、供电***、控制***组成。其具体实施方案为：
一种田间棉花自动打顶装置，用于田间棉花顶部的自动化快速精准去除，其特征在于：该装置包括自主移动平台、棉花高度粗定位装置、棉花顶部三维识别及精定位装置、棉花去顶装置、供电***和控制***；其中，自主移动平台采用四轮独立驱动、独立转向方式移动；移动机器人平台搭载了高精度GPS自主导航模块***，具有遥控和自主导航两种工作模式；棉花高度粗定位装置和棉花顶部三维识别及精定位装置配合，通过三级定位来实现拟去顶目标的精准定位和识别，具体是通过所述棉花高度粗定位装置实现所述自主移动平台的调整，对棉花进行一级初步定位，再通过所述棉花顶部三维识别及精定位装置对拟去顶的目标进行二级定位，最后通过棉花去顶装置末端安装的摄像头进行三级定位；棉花去顶机构基于棉花顶部的精准识别信息进行去顶操作；供电***为田间棉花自动打顶装置提供动力。
具体地，自主移动平台的四个轮组分别通过升降机构与各支撑杆连接，支撑杆与承载平台连接，伸缩机构通过伸缩运动调整自主移动平台的高度；支撑杆与承载平台相对转动，从而带动轮组整体相对承载平台转动，进而调整自主移动平台的行驶宽度；所述自主移动平台升降范围为0-40cm，承载平台底部距离地面高度为1.2-1.6m可调。
具体地，支撑杆与承载平台通过法兰连接，法兰上均匀分布8个固定孔，支撑杆与承载平台以22.5°为间隔单位相对转动，进而调整移动机器人平台的行驶宽度；单个支撑杆水平长度设置为0.5米，移动机器人平台轮组之间的调节范围为0-0.6m；其行驶跨距为1.4-2m可调。
具体地，棉花高度粗定位装置通过超声传感器测量田间棉花群体的冠层高度后，反馈调节伸缩机构的行程，将承载平台调节至合适高度；设置承载平台的底部距离棉花冠层高度为30cm，以保证棉花顶部三维识别及精定位装置距离棉花顶部的距离在一定范围内，提高棉花顶部识别及定位精度。
具体地，棉花顶部三维识别及精定位装置采用立体摄像头和三自由度并联机械臂来实现棉花顶部的识别和定位；立体摄像头与三自由度并联机械臂安装相对位置固定，通过立体摄像头对棉花顶部识别结果控制三自由度并联机械臂移动至目标处。
具体地，三自由度并联机械手的最大往复移动速度为120次/分钟，其末端移动范围为：水平方向覆盖直径1.4米范围，垂直方向移动范围为0-60cm，棉花顶部三维识别及精定位装置可同时安装多套三自由度并联机械手，以提高效率。
具体地，棉花顶部三维识别及精定位装置通过所述立体摄像头对棉花顶部进行识别，根据所采集的棉花顶部图像出现无需打顶棉花、有唯一需打顶棉花、有多个需打顶棉花的实际状态，其识别准则为：若该图像中未识别出需打顶的棉花，不做任何处理，继续进行图像采集及识别；若该图像中有需唯一需打顶棉花，将该棉花设置为目标；若该图像中有多个棉花需打顶，首先计算视场中需打顶的棉花的数量，并根据该数量自动调节行驶速度，待打顶数量越多，设置行驶速度越低，同时将图像中识别出的面积最大顶部设置为目标，进行打顶；对设置为目标的棉花，计算其三维空间位置坐标，反馈至所述三自由度并联机械手。
具体地，彩色摄像头和顶部切割装置安装于三自由度并联机械手末端中心位置处，彩色摄像头进行目标近距离三次定位，顶部切割装置为高强度点激光器，工作时随着并联机械手的运动，移动至目标棉花顶部处后，通过彩色摄像头获取目标图像，识别目标中心位置并对顶部切割装置位置进行微调，消除棉花遮挡对打顶效果造成的影响，实现目标棉花顶部的精准切割，激光切割伤口整齐，无二次污染。
具体地，顶部切割装置采用切刀或者细喷头作为替代，具体实施时采用切刀切除或者精准喷洒脱落剂去顶。
具体地，控制***包含有两个相对独立控制模块；其一采用单片机作为控制器，用于自主移动平台的田间移动进行自主控制，其二采用微型嵌入式开发板作为控制器，用于进行棉花顶部图像视觉识别及三自由度并联机械手运动控制，两个控制器采用485协议进行通讯。
更具体地，实施过程可以采用如下操作步骤。
(1)准备工作：选择一片待打顶的棉花地块，测量棉花种植的行间距。手动调节打顶装置的车轮行间距以适应本地块，使其能够在棉花地里不伤苗行走，将田间棉花自动打顶装置移动至棉花地块内。
(2)一次定位：超声测距传感器自动测量棉花的冠层高度，并自动反馈调节伸缩装置，调节承载平台底部至距离棉花冠层约30cm处(一次定位)。选择本装置的工作模式，遥控模式或自主导航模式。遥控模式需要操作人员通过遥控器控制本装置的前进、后退及转向；自主导航模式则需提前进行路径规划，使得本装置在初始设定速度下按照规划路径行驶。
(3)开始检测：本装置开始运动后，立体相机开始采集棉花冠层图像并识别。若该图像中未识别出需打顶的棉花，则继续进行图像采集及识别；若该图像中有需打顶的棉花，首先计算视场中需打顶的棉花的数量，并根据该数量自动调节行驶速度。待打顶数量越多，设置行驶速度越低。不论该图像中有多少个待打顶的棉花，均将该幅图像中识别出的最大顶部作为目标。
(4)二次定位：计算所识别目标的三维空间位置坐标，同时通过驱动轮编码器反馈信号获取车子此时的移动速度和方向。通过控制器将识别到的三维空间坐标信息结合车子的移动速度和方向进行计算，形成新的三维位置坐标。控制棉花去顶装置随三自由度并联机械臂移动至新的三维坐标处。
(5)三次定位：移动至新的三维坐标位置后，棉花去顶装置的摄像头拍摄目标棉花顶部图像并计算顶部中心所在的平面位置，反馈调节顶部切割装置的位置，使其精准对准待切割目标。
(6)去顶操作：三次定位结束后，控制切割部件动作，进行去顶切割。随后并联机械臂回到原点，本次去顶操作完成。随后进入第3步，再次进行棉花冠层图像采集及识别，如此往复。工作结束后，采集图像中无需要打顶的棉花，并联机械臂处于原点位置，此时关闭本装置即可。
本申请中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种田间棉花自动打顶装置，用于田间棉花顶部的自动化快速精准去除，其特征在于：该装置包括自主移动平台、棉花高度粗定位装置、棉花顶部三维识别及精定位装置、棉花去顶装置、供电***和控制***；其中，自主移动平台采用四轮独立驱动、独立转向方式移动；移动机器人平台搭载了高精度GPS自主导航模块***，具有遥控和自主导航两种工作模式；棉花高度粗定位装置和棉花顶部三维识别及精定位装置配合，通过三级定位来实现拟去顶目标的精准定位和识别，具体是通过所述棉花高度粗定位装置实现所述自主移动平台的调整，对棉花进行一级初步定位，再通过所述棉花顶部三维识别及精定位装置对拟去顶的目标进行二级定位，最后通过棉花去顶装置末端安装的摄像头进行三级定位；棉花去顶机构基于棉花顶部的精准识别信息进行去顶操作；供电***为田间棉花自动打顶装置提供动力。
2.根据权利要求1所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：自主移动平台的四个轮.组分别通过升降机构与各支撑杆连接，支撑杆与承载平台连接，伸缩机构通过伸缩运动调整自主移动平台的高度；支撑杆与承载平台相对转动，从而带动轮组整体相对承载平台转动，进而调整自主移动平台的行驶宽度；所述自主移动平台升降范围为0-40cm，承载平台底部距离地面高度为1.2-1.6m可调。
3.根据权利要求2所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：支撑杆与承载平台通过法兰连接，法兰上均匀分布8个固定孔，支撑杆与承载平台以22.5°为间隔单位相对转动，进而调整移动机器人平台的行驶宽度；单个支撑杆水平长度设置为0.5米，移动机器人平台轮组之间的调节范围为0-0.6m；其行驶跨距为1.4-2m可调。
4.根据权利要求1所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：棉花高度粗定位装置通过超声传感器测量田间棉花群体的冠层高度后，反馈调节伸缩机构的行程，将承载平台调节至合适高度；设置承载平台的底部距离棉花冠层高度为30cm，以保证棉花顶部三维识别及精定位装置距离棉花顶部的距离在一定范围内，提高棉花顶部识别及定位精度。
5.根据权利要求4所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：棉花顶部三维识别及精定位装置采用立体摄像头和三自由度并联机械臂来实现棉花顶部的识别和定位；立体摄像头与三自由度并联机械臂安装相对位置固定，通过立体摄像头对棉花顶部识别结果控制三自由度并联机械臂移动至目标处。
6.根据权利要求1所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：三自由度并联机械手的最大往复移动速度为120次/分钟，其末端移动范围为：水平方向覆盖直径1.4米范围，垂直方向移动范围为0-60cm，棉花顶部三维识别及精定位装置可同时安装多套三自由度并联机械手，以提高效率。
7.根据权利要求5所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：棉花顶部三维识别及精定位装置通过所述立体摄像头对棉花顶部进行识别，根据所采集的棉花顶部图像出现无需打顶棉花、有唯一需打顶棉花、有多个需打顶棉花的实际状态，其识别准则为：若该图像中未识别出需打顶的棉花，不做任何处理，继续进行图像采集及识别；若该图像中有需唯一需打顶棉花，将该棉花设置为目标；若该图像中有多个棉花需打顶，首先计算视场中需打顶的棉花的数量，并根据该数量自动调节行驶速度，待打顶数量越多，设置行驶速度越低，同时将图像中识别出的面积最大顶部设置为目标，进行打顶；对设置为目标的棉花，计算其三维空间位置坐标，反馈至所述三自由度并联机械手。
8.根据权利要求7所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：彩色摄像头和顶部切割装置安装于三自由度并联机械手末端中心位置处，彩色摄像头进行目标近距离三次定位，顶部切割装置为高强度点激光器，工作时随着并联机械手的运动，移动至目标棉花顶部处后，通过彩色摄像头获取目标图像，识别目标中心位置并对顶部切割装置位置进行微调，消除棉花遮挡对打顶效果造成的影响，实现目标棉花顶部的精准切割，激光切割伤口整齐，无二次污染。
9.根据权利要求8所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：顶部切割装置采用切刀或者细喷头作为替代，具体实施时采用切刀切除或者精准喷洒脱落剂去顶。
10.根据权利要求1所述的田间棉花自动打顶装置，其特征在于：控制***包含有两个相对独立控制模块；其一采用单片机作为控制器，用于自主移动平台的田间移动进行自主控制，其二采用微型嵌入式开发板作为控制器，用于进行棉花顶部图像视觉识别及三自由度并联机械手运动控制，两个控制器采用485协议进行通讯。
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