一种基于机器视觉的荸荠捡拾机
阅读说明：本技术 一种基于机器视觉的荸荠捡拾机 (Machine is picked up to water chestnut based on machine vision ) 是由 周勇 刘浩蓬 张国忠 吴泽栋 王鑫尧 刘沿 王宏波 黄琳 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于机器视觉的荸荠捡拾机,包括行走系统、图像识别系统、捡拾系统、荸荠输送系统、收集仓和机架；所述行走系统为履带式底盘结构,用于行走及转向；所述图像识别系统置于机架上,用于识别荸荠并进行图像处理和数据传输；所述捡拾系统用于完成目标荸荠的抓取并传输给荸荠输送系统；所述荸荠输送系统用于将捡拾系统传输过来的荸荠输送到收集仓中；所述收集仓置于机架后端,用于储存已捡拾的荸荠。本发明可以实现对机械挖掘过后铺在地面上的荸荠进行识别并捡拾,结构简单,操作方便,提高了生产效率。(The invention discloses a water chestnut pickup machine based on machine vision, which comprises a walking system, an image recognition system, a pickup system, a water chestnut conveying system, a collection bin and a rack, wherein the image recognition system is used for recognizing water chestnuts; the walking system is of a crawler-type chassis structure and is used for walking and steering; the image recognition system is arranged on the rack and used for recognizing the water chestnuts and performing image processing and data transmission; the picking system is used for finishing grabbing of the target water chestnuts and transmitting the water chestnuts to the water chestnut conveying system; the water chestnut conveying system is used for conveying the water chestnuts conveyed by the picking system to the collection bin; the collecting bin is arranged at the rear end of the rack and used for storing the picked water chestnuts. The water chestnut picking machine can recognize and pick up water chestnuts paved on the ground after mechanical excavation, is simple in structure and convenient to operate, and improves production efficiency.)
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，涉及到农作物收获机械，具体涉及一种基于机器视觉的荸荠捡拾机。
背景技术
荸荠是一种生长在浅水里的草本植物，通常以地下球茎供食用，可以当做水果直接生吃，口味微甜，清脆多汁；同时也可以烹饪做菜或做成甜品。荸荠因外形和马蹄十分相似，故而得名马蹄。荸荠皮色紫黑，肉质洁白，洗净去皮后，咬一口，顿觉汁液四溢、满口清甜，令人神清气爽。
荸荠采收期一般定在地面以上茎叶完全枯黄后的30天左右，则最适的采收期一般约在每年的冬至与立春期间。此时，荸荠的皮颜色呈深红褐色，地下球茎停止膨胀，其球茎的含水量较低，但淀粉含量很多。这时的荸荠含糖量处于最高值，味也最甜。如果提前采收荸荠，荸荠的颜色是没有完全变红的，这时的荸荠皮薄，肉质很嫩但味道不甜，因此不宜贮藏。具体的采收方法一般是在准备采收荸荠前的l0～l5天内将田里的水放干，待泥层晾干之后，再用叉挖取荸荠进行采收。因为荸荠主要生长在地表以下9～20cm的土层中，所以在采收时要先用叉扒掉上层约8、9cm左右的泥土，再接着扒开底下的土层，看到荸荠之后再用手仔细捏出球茎。
现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：
荸荠机械化挖掘是荸荠生产过程中的关键一环，现阶段，荸荠的机械化收获分为两种：1.水田环境中采取射流冲出泥土中的荸荠的采集机；2.针对无水的田间环境的荸荠挖掘机。其中，后者是荸荠机械化收获的主要发展方向。但是，其所能完成的工作只能到达机械化的将荸荠挖出铺在地表上这一环节。
为了更好的适应现在这一生产形势，实现荸荠收获的全程机械化，发明一种基于机器视觉的荸荠捡拾机显得尤为重要。并且，还可通过修改相应程序，实现对机械挖掘后的马铃薯、芋头、番薯等作物的捡拾，实现一机多用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种基于机器视觉的荸荠捡拾机，可以实现对机械挖掘过后铺在地面上的荸荠进行识别并捡拾，结构简单，操作方便，提高了生产效率。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种基于机器视觉的荸荠捡拾机，包括行走系统、图像识别系统、捡拾系统、荸荠输送系统、收集仓和机架；所述行走系统为履带式底盘结构，用于行走及转向；所述图像识别系统置于机架上，用于识别荸荠并进行图像处理和数据传输；所述捡拾系统用于完成目标荸荠的抓取并传输给荸荠输送系统；所述荸荠输送系统用于将捡拾系统传输过来的荸荠输送到收集仓中；所述收集仓置于机架后端，用于储存已捡拾的荸荠。
优选地，所述行走系统包括电源箱、步进电机、履带轮、履带、减速器、联轴器，所述电源箱固定在机架前平台上，步进电机固定于履带底盘的底端，步进电机与减速器的动力输入轴相连，减速器的动力输出轴通过联轴器与履带轮连接，履带轮带动履带实现前进、后退、转向功能。
优选地，转向利用差动原理，即左转时右侧履带轮正传，左侧履带轮反转；右转时，左侧履带轮正传，右侧履带轮反转。
优选地，所述电源箱的里面装有锂电池。
优选地，所述图像识别系统包括安装在机架前端相机架上的识别相机、置于机架前平台上部进行图像处理的固定PC处理端；所述识别相机采集图像信息并发送给固定PC处理端，固定PC处理端进行图像处理得出目标荸荠坐标，通过数据采集卡将实时坐标信息不断传递给下位机嵌入式主板，用于控制捡拾系统的运动。
优选地，所述捡拾系统包括置于机架前平台下部的并联机械臂和柔性机械爪，并联机械臂通过螺栓连接在机架前平台下方，并联机械臂末端装有柔性机械爪，两者通过螺栓连接。
优选地，运动控制系统运行机械手逆解程序，解算出目标荸荠的坐标信息，获取并联机械臂各关节角度，并将解算出的角度信息以PWM波的形式发送给机械手舵机，从而完成目标荸荠的抓取动作并将其放入荸荠输送系统。
优选地，所述荸荠输送系统包括固定在机架右侧的驱动电机、与驱动电机通过联轴器相连的前链轮、带有凹槽的输送带、与输送带连接的后链轮以及传动链，所述后链轮通过传动链与前链轮连接，驱动电机产生的动力通过联轴器传递给前链轮，前链轮通过传动链带动后链轮，后链轮驱动输送带使其运转。
优选地，所述收集仓为长方形箱体，置于履带底盘的后端。
优选地，该荸荠捡拾机用于对机械挖掘过后平铺于地表的荸荠进行识别和捡拾；还包括计数器，所述计数器用于统计捡拾荸荠数量，达到设定数量后报警器报警并停止工作，并可用于对其它作物的捡拾。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可代替人力对机械挖掘过后平铺于地表的荸荠进行识别和捡拾，其履带式底盘可适应大部分作业环境，通过性好，图像识别系统可准确的对地表的荸荠进行识别、定位，通过固定PC处理端的处理计算，从而控制机械手准确的捡拾目标荸荠，荸荠输送系统可将荸荠输送到收集仓中，并实时计数，箱满时自动报警并停止工作，并且可以实现对其他作物的捡拾，实现一机多用。
(2)本发明可极大的节省人力，提高生产效率，提高了荸荠收获的机械化程度。
附图说明
图1是本发明所提供的一种基于机器视觉的荸荠捡拾机的结构示意图。
图2是本发明所提供的一种基于机器视觉的荸荠捡拾机的仰视图。
图3是本发明所提供的一种基于机器视觉的荸荠捡拾机的右视图。
附图标记说明：1、柔性机械爪；2、并联机械臂；3、输送带；4、机架前平台；5、固定PC处理端；6、电源箱；7、收集仓；8、驱动电机；9、前链轮；10、传动链；11、后链轮；12、履带轮；13、履带；14、联轴器；15、减速器；16、步进电机；17、相机架；18、识别相机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
一种基于机器视觉的荸荠捡拾机，包括行走系统、图像识别系统、捡拾系统、荸荠输送系统、收集仓7、机架。所述行走系统为履带式底盘，所述图像识别系统包括安装在机架前端相机架17上的识别相机18、置于机架前平台4上部进行图像处理的固定PC处理端5；所述捡拾系统包括置于机架前平台4下部的并联机械臂2和柔性机械爪1，并联机械臂2通过螺栓连接在机架前平台4下方，机械臂末端装有柔性机械爪1，两者通过螺栓连接；所述荸荠输送系统包括固定在机架右侧的驱动电机8、与驱动电机8通过联轴器相连的前链轮9、以及与之配合的带有凹槽的输送带3，两个前链轮固定在机架的前侧，可随输送带旋转；所述收集仓7置于机架后端，主要起承装已采集荸荠的功能。
具体地，所述行走系统包括电源箱6、步进电机16、履带轮12、履带13、减速器15、联轴器14，其中电源箱6固定在机架前平台4上，里面装有锂电池，步进电机16固定于履带底盘的底端，其与减速器15的动力输入轴相连，减速器15的动力输出轴通过联轴器与履带轮12连接，履带轮12带动履带13实现前进、后退、转向功能；转向利用差动原理，即左转时右侧履带轮正传，左侧履带轮反转；右转时，左侧履带轮正传，右侧履带轮反转，此方法转弯半径小，机具灵活性强。
具体地，所述图像识别系统包括识别相机18、固定PC处理端5，其中，识别相机18安装在机架前端的相机架17上，固定PC处理端5位于机架前平台4的上平面上，识别相机18采集图像信息，并发送给固定PC处理端5，固定PC处理端5进行图像处理得出目标荸荠坐标，通过数据采集卡将实时坐标信息不断传递给下位机嵌入式主板，方便运动控制系统控制机械臂的运动。
具体地，所述捡拾系统包括并联机械臂2、柔性机械手1，并联机械臂2通过螺栓连接在机架前平台4下方，机械臂末端装有柔性机械爪1，两者通过螺栓连接。运动控制系统运行机械手逆解程序，解算出目标荸荠的坐标信息，获取机械臂各关节角度，并将解算出的角度信息以PWM波的形式发送给机械手舵机，从而完成目标荸荠的抓取动作并将其放入输送带3的凹槽中。
具体地，所述荸荠输送系统包括驱动电机8、与驱动电机通过联轴器相连的两个前链轮9、带有凹槽的输送带3、两个后链轮11，其中，驱动电机8通过螺栓固定在机架右侧，驱动电机8的动力由电源箱6中的锂电池提供，输送带3的后链轮11通过传动链10与前链轮9连接，驱动电机8产生的动力通过联轴器传递给前链轮9，前链轮9通过传动链10带动后链轮11，后链,11驱动输送带3使其运转。
具体地，所述收集仓7为长方形箱体，置于履带底盘的后端，用于储存已捡拾的荸荠。
实施例
如图1-3所示，一种基于机器视觉的荸荠捡拾机，包括行走系统、捡拾系统、图像识别系统、收集仓7、荸荠输送系统、机架。
行走系统包括：电源箱6、步进电机16、履带轮12、履带13、减速器15、联轴器14，其中电源箱6固定在机架前平台4上，里面装有锂电池，步进电机16固定于履带底盘的底端，其与减速器15动力输入轴相连，减速器15动力输出轴通过联轴器14与履带轮12连接，履带轮12带动履带13实现前进、后退、转向功能，转向利用差动原理，即左转时右侧履带轮正传，左侧履带轮反转；右转时，左侧履带轮正传，右侧履带轮反转，此方法转弯半径小，机具灵活性强。
图像识别系统包括：识别相机18，固定PC处理端5，其中，识别相机18安装在机架前端的相机架17上，固定PC处理端位于机架前平台4的上平面上，识别相机18采集图像信息，并发送给固定PC处理端，PC端进行图像处理得出目标荸荠坐标，通过数据采集卡将实时坐标信息不断传递给下位机嵌入式主板，方便运动控制系统控制并联机械臂2的运动。
捡拾系统包括：并联机械臂2、柔性机械手1，并联机械臂2通过螺栓连接在机架前平台4下方，机械臂末端装有柔性机械爪1，两者通过螺栓连接。运动控制系统运行机械手逆解程序，解算出目标荸荠的坐标信息，获取机械臂各关节角度，并将解算出的角度信息以PWM波的形式发送给机械手舵机，从而完成目标荸荠的抓取动作并将其放入输送带3的凹槽中。
荸荠输送系统包括：驱动电机8、与驱动电机8通过联轴器相连的前链轮9、带有凹槽的输送带3、与输送带3连接的后链轮11，其中，驱动电机8通过螺栓固定在机架右侧，驱动电机8的动力由电源箱6中的锂电池提供，输送带3的后链轮11通过传动链10与前链轮9连接，驱动电机8产生的动力通过联轴器传递给前链轮9，前链轮9通过传动链10带动后链轮11，后链轮11驱动输送带3使其运转，两个前链轮置于机架前端随输送带一起转动。
收集仓7为长方形箱体，置于履带底盘的后端，用于储存已捡拾的荸荠。
本发明可对机械挖掘过后的地表荸荠实现识别和抓取捡拾，电源箱6为位于履带底盘底部的两个步进电机16提供电力，步进电机16提供的动力通过减速器15后传递给履带轮12，履带轮12带动履带13实现前进、转向、后退等运动，转向利用差动原理。配套的图像识别系统由电源箱6提供电力，识别相机18可左右转动，实时检测荸荠目标的位置，识别相机18拍摄的图像实时传递给固定PC处理端5，固定PC处理端5进行图像处理并得出小球坐标，并通过数据采集卡将实时坐标信息不断传给下位机嵌入式主板，下位机得到坐标信号后，运动控制系统运行机械手逆解程序，解算荸荠坐标信息，获取机械臂各关节角度，并将解算的角度信息以PWM波的形式发给舵机，完成小球的抓取、放回工作。由计数器统计捡拾荸荠数量，达到一定数量后报警器报警并停止工作，由人工实现卸载过程。
本发明未尽事宜为公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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