CN109566092B - 一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，包括主控制器，以及与所述主控制器连接的行走底盘驱动模块、升降机构驱动模块、电源模块、循迹模块、果实检测模块、姿态检测模块、收集模块、采摘模块；所述采摘模块通过升降机构设置在行走底盘上，且位于所述收集模块的上方。本发明可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别行走引导线，在没有导引线的部分路段，进行路径规划，完成收获果实任务，且结构简单，可操作性强，能识别果实颜色。

Description

一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统

技术领域

本发明属于农业机器人竞赛技术领域，具体涉及一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统。

背景技术

随着科技的发展，农业机械智能化程度不断提高，水果采摘过程中，使用机器人代替人工已经成为现代农业发展的趋势。果园生产季节性强，人工抓取采收果实的传统收获方式劳动强度大、生产效率低、劳动力密集，是制约果品市场竞争力提高的瓶颈因素。当前，果实收获自动化、机械化仍是果园生产机械化的薄弱环节，广大果农迫切需求先进的果实采摘机械。而“中国农业机器人大赛”的目的是鼓励在果实收获机器人方面的创新，以实现高效、智能、自主收获为目标，关键点在于路径规划、自主导航、果实识别以及机构设计等。

果园果实收获机器人项目是中国农业机器人大赛的重要项目，比赛场地布局如图1所示，场地最外圈2400mm*2400mm的矩形为场地围栏，场地的四个直角处的400mm*400mm的矩形为果实收获机器人出发返回区，场地中的六个148mm*148mm的矩形为模拟果树放置区。

模拟果树为商品拼接模型，树枝与树干相互插接，要求以强力胶固定，参考形状及尺寸如图 2 所示，共计 6 棵。模拟果树底座以双面布基胶带固定于比赛场地指定位置。每棵模拟果树上吊挂六个同色的模拟果实，一个树枝吊挂一个模拟果实。模拟果实的颜色有红色和绿色两种，红色表明该棵模拟果树的果实成熟，可以采摘，绿色表明该棵模拟果树的果实未成熟，不能采摘。场地围栏中的三条竖线和两条横线为机器人行走参考线10。

发明内容

本发明设计了一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统，旨在满足比赛要求、实现果实采摘，进一步促进果实采摘机器人的研发，为果实采摘机器人的研发提供依据。

为了实现上述目的，本发明公开了：

一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统，包括主控制器，以及与所述主控制器连接的行走底盘驱动模块、升降机构驱动模块、电源模块、循迹模块、果实检测模块、姿态检测模块、收集模块、采摘模块；所述采摘模块通过升降机构设置在行走底盘上，且位于所述收集模块的上方。

进一步，所述行走底盘驱动模块包括多个车轮电机，所述车轮电机与所述行走底盘上的车轮一一对应；所述车轮电机通过相对应的车轮电机驱动器与所述主控制器连接，所述车轮电机上均设置有编码器。

进一步，所述行走底盘包括底板和设置在所述底板四角的车轮，所述底板呈“凹”形，所述收集模块的收集爪位于所述“凹”形底板的缺口上方。

进一步，所述升降机构驱动模块包括步进电机，所述步进电机与所述主控制器连接。

进一步，所述升降机构是同步带升降机构。

进一步，所述循迹模块包括循迹传感器，所述循迹传感器与所述主控制器连接；所述循迹传感器设置在所述行走底盘底板的下部表面。

进一步，所述循迹传感器是灰度传感器。具体采用型号为KXCT3LED的数字灰度传感器。

进一步，所述果实检测模块包括光电传感器和视觉模块；所述光电传感器设置在所述行走底盘的底板上，且与所述主控制器连接；所述视觉模块设置在所述采摘模块的固定杆上，且与所述主控制器连接。

进一步，所述光电传感器是型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器；所述视觉模块采用星瞳OpenMV3 CamM7。

进一步，所述姿态检测模块包括九轴姿态传感器；所述九轴姿态传感器设置在所述行走底盘底板的下部表面，且与所述主控制器连接。

进一步，所述收集模块包括收集箱、相对设置的两个收集爪以及相对应的收集爪驱动舵机，所述收集爪驱动舵机与所述主控制器连接；所述收集箱是顶部和前侧敞开的半包围结构，所述两个收集爪通过相对应的收集爪驱动舵机左右对称地设置在所述收集箱的前端，且可相对所述收集箱在水平面内转动；所述收集爪的底部高于所述收集箱底部，且前高后低形成倾斜面。

进一步，所述收集爪的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端底部向所述收集爪内侧延伸出圆弧形底板，所述圆弧底形板周边均布有若干塑料片；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部还设置有向所述收集爪内侧延伸的锯齿形塑料挡片；所述板结构的另一端通过相对应的收集爪驱动舵机与所述收集箱转动连接。

进一步，所述采摘模块包括固定杆和转动杆，所述固定杆与所述升降机构的升降台固连；所述固定杆和所述转动杆均呈U形或V形或半圆环形，所述固定杆和所述转动杆的空腔内分别设置有毛刷板，所述毛刷板上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；所述固定杆和所述转动杆可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔；所述固定杆和所述转动杆的对接连接处设置有舵机，所述舵机与所述主控制器连接。

进一步，所述电源模块包括电池组，所述电池组通过稳压模块与所述主控制器连接。

进一步，所述主控制器设置在行走底盘的底板上。

进一步，所述主控制器为七星虫 M3S开发板 stm32f103zet6 核心板。

工作时，机器人由出发区出发，在主控制器的指令下运行；循迹模块检测运行参考线，并将信息发送给主控制器，主控制器控制机器人沿参考线前进；当光电传感器检测到模拟果树时，光电传感器返回信息给主控制器，主控制器使机器人停止，再由视觉模块检测果实颜色，若果实颜色为深绿色非成熟果实，则主控制器控制机器人继续沿运行参考线前进；若果实颜色为红色成熟果实，则主控制器发出命令给收集爪驱动舵机，控制收集爪从合拢状态到张开状态，同时机器人在姿态检测模块的信息检测下横移固定距离至模拟果树前；主控制器发出命令给收集爪驱动舵机，控制收集爪从张开状态到合拢状态，环抱住模拟果树下部树干；然后，主控制器发出命令给舵机控制采摘模块的转动杆旋转至水平位置，采摘模块上的圆孔正好对准模拟果树；在步进电机的带动下，采摘模块整体随升降机构向下移动，将果实刷进收集框中；随后，在步进电机的驱动下，采摘模块整体随升降机构向上移动，然后，主控制器控制舵机旋转使转动杆旋转至与固定杆垂直的位置；之后，机器人开始后退，后退时，模拟树干从两只收集爪的间隙蹭出（因为收集爪上的塑料片、挡板、塑料挡片具有弹性），主控制器控制收集爪驱动舵机进一步合拢收集爪（再往里合拢，收紧一点）使收集箱中的果实不掉落；最后，主控制器控制机器人返回机器人运行参考线，继续沿机器人运行参考线前进，循环上述过程直至回到机器人返回区。

该用于竞赛的果实收获机器人控制系统具有以下有益效果：

（1）发明结构简单，可操作性强，能识别果实颜色，使机器人平稳运行并顺利收获果实。

（2）本发明可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别行走引导线，在没有导引线的部分路段，进行路径规划，完成收获果实任务。

（3）本发明实现了一种全新的采摘方式，特别适合一些树形或植株较小、果实不怕摔的农业果实采摘，效率高；同时，本发明为促进果实采摘机器人的研发做出了贡献，为果实采摘机器人的研发提供了实验依据。

附图说明

图1：本发明实施方式中比赛场地布局图；

图2：本发明实施方式中模拟果树的结构示意图；

图3：本发明实施方式中用于竞赛的果实收获机器人控制系统的结构框图；

图4：本发明实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的结构示意图；

图5：本发明实施方式中行走底盘的结构示意图；

图6：本发明实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的运行流程图。

附图标记说明：

1—主控制器；2—行走底盘驱动模块；21—车轮电机驱动器；22—车轮电机；23—编码器；3—升降机构驱动模块；31—步进电机；4—电源模块；41—稳压模块；42—电池组；5—循迹模块；51—循迹传感器；6—果实检测模块；61—光电传感器；62—视觉模块；7—姿态检测模块；71—九轴姿态传感器；8—收集模块；81—收集箱；82—收集爪；83—收集爪驱动舵机；9—采摘模块；91—舵机；92—固定杆；93—转动杆；94—毛刷板；10—机器人行走参考线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

图3至图6示出了本发明用于竞赛的果实收获机器人控制系统的具体实施方式。图3是本实施方式中用于竞赛的果实收获机器人控制系统的结构框图；图4是本实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的结构示意图；图5是本实施方式中行走底盘的结构示意图；图6是本实施方式中用于竞赛的果实收获机器人的运行流程图。

如图3和图4所示，本实施方式中的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，包括主控制器1，以及与主控制器1连接的行走底盘驱动模块2、升降机构驱动模块3、电源模块4、循迹模块5、果实检测模块6、姿态检测模块7、收集模块8、采摘模块9；采摘模块9通过升降机构设置在行走底盘上，且位于收集模块8的上方。采摘时收集模块8的收集爪82与果树下部树干配合工作。

优选地，行走底盘驱动模块2包括多个车轮电机22，车轮电机22与行走底盘上的车轮一一对应；车轮电机22通过相对应的车轮电机驱动器21与主控制器1连接，车轮电机22上均设置有编码器23，如图3、图4、图5所示。

优选地，行走底盘包括底板和设置在所述底板四角的车轮，所述底板呈“凹”形，收集模块8的收集爪82位于所述“凹”形底板的缺口上方，如图4所示。

优选地，升降机构驱动模块3包括步进电机31，步进电机31与主控制器1连接，如图3、图4所示。

优选地，所述升降机构是同步带升降机构。

优选地，循迹模块5包括循迹传感器51，循迹传感器51与主控制器1连接；循迹传感器51设置在行走底盘底板的下部表面，如图3、图4所示。循迹传感器51保证果实收获机器人沿机器人运行参考线行走。

优选地，循迹传感器51是灰度传感器。本实施例中，循迹传感器51采用型号为KXCT3LED的数字灰度传感器。

优选地，果实检测模块6包括光电传感器61和视觉模块62；光电传感器61设置在行走底盘的底板上，且与主控制器1连接；视觉模块62设置在采摘模块9的固定杆92上，且与主控制器1连接，如图3、图4所示。当果实收获机器人遇到比赛场地中的模拟果树时，光电传感器61向主控制器1发送信号，使果实收获机器人停止运行；同时视觉模块62检测模拟果树上悬挂的模拟果实的颜色，如果模拟果实是红色，则视觉模块62向主控制器1发送使果实收获机器人向模拟树横移的信号，如果模拟果实是绿色，则视觉模块62向主控制器1发送使果实收获机器人继续沿机器人运行参考线前进的信号。

本实施例中，光电传感器61采用型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器；视觉模块62采用星瞳OpenMV3 CamM7。

优选地，姿态检测模块7包括九轴姿态传感器71；九轴姿态传感器71设置在行走底盘底板的下部表面，且与主控制器1连接，如图3、图4所示。本实施例中，九轴姿态传感器71采用型号为MPU9250的九轴姿态传感器。当果实收获机器人向模拟树横移时，姿态检测模块保证果实收获机器人姿态，使果实收获机器人的横移路线与机器人运行参考线垂直。

优选地，收集模块8包括收集箱81、相对设置的两个收集爪82以及相对应的收集爪驱动舵机83，收集爪驱动舵机83与主控制器1连接；收集箱81是顶部和前侧敞开的半包围结构，两个收集爪82通过相对应的收集爪驱动舵机83左右对称地设置在收集箱81的前端，且可相对收集箱81在水平面内转动；收集爪82的底部高于收集箱81底部，且前高后低形成倾斜面，以便于落入收集爪82空间内的果实滚落到收集箱81，如图4所示。采摘时，收集爪82与果树下部树干配合工作。

优选地，收集爪82的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端底部向收集爪82内侧（即两个收集爪82相对的侧面为内侧）延伸出圆弧形底板，所述圆弧形底板周边均布有若干塑料片；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部还设置有向收集爪82内侧延伸的锯齿形塑料挡片；所述板结构的另一端通过相对应的收集爪驱动舵机83与收集箱81转动连接，如图4所示。

优选地，采摘模块9包括固定杆92和转动杆93，固定杆92与升降机构的升降台固连；固定杆92和转动杆93均呈U形或V形或半圆环形，固定杆92和转动杆93的空腔内分别设置有毛刷板94，毛刷板94上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；固定杆92和转动杆93可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔；固定杆92和转动杆93的对接连接处设置有舵机91，舵机91与主控制器1连接，如图4和图5所示。

优选地，电源模块4包括电池组42，电池组42通过稳压模块41与主控制器1连接，如图3所示。本实施例中，稳压模块为24V/12V转5V IN(9-35V)。

本实施例中，电池组42为两块独立的12V锂电池，其中一块锂电池通过稳压模块41将电压转化为5V，为主控制器1、寻迹模块5、果实检测模块6、姿态检测模块7、收集模块8、采摘模块9、编码器23供电，另外一块锂电池为4个车轮电机驱动器21供电。

优选地，主控制器1设置在行走底盘的底板上。本实施例中，主控制器1为七星虫M3S开发板 stm32f103zet6 核心板。

工作时，如图6所示，机器人由出发区出发，在主控制器1的指令下运行；循迹模块5检测运行参考线，并将信息发送给主控制器1，主控制器1控制机器人沿参考线前进；当光电传感器61检测到模拟果树时，光电传感器61返回信息给主控制器1，主控制器1使机器人停止，再由视觉模块62检测果实颜色，若果实颜色为深绿色非成熟果实，则主控制器1控制机器人继续沿运行参考线前进；若果实颜色为红色成熟果实，则主控制器1发出命令给收集爪驱动舵机83，控制收集爪82从合拢状态到张开状态，同时机器人在姿态检测模块7的信息检测下横移固定距离至模拟果树前；主控制器1发出命令给收集爪驱动舵机83，控制收集爪82从张开状态到合拢状态，环抱住模拟果树下部树干；然后，主控制器1发出命令给舵机91控制采摘模块9的转动杆93旋转至水平位置，采摘模块9上的圆孔正好对准模拟果树；在步进电机31的带动下，采摘模块9整体向下移动，将果实刷进收集框81中；随后，在步进电机31的驱动下，采摘模块9整体向上移动，然后，主控制器1控制舵机91旋转使转动杆93旋转至与固定杆92垂直的位置；之后，机器人开始后退，后退时，模拟树干从两只收集爪82的间隙蹭出（因为收集爪上的塑料片、挡板、塑料挡片具有弹性），主控制器1控制收集爪驱动舵机83进一步合拢收集爪82（再往里合拢，收紧一点）使收集箱中的果实不掉落；最后，主控制器1控制机器人返回机器人运行参考线，继续沿机器人运行参考线前进，循环上述过程直至回到机器人返回区。

本发明可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别行走引导线，在没有导引线的部分路段，进行路径规划，完成收获果实任务。

本发明结构简单，可操作性强，能识别果实颜色，使机器人平稳运行并顺利收获果实。

本发明采用了一种全新的采摘方式，特别适合一些树形或植株较小、果实不怕摔的农业果实采摘，效率高，进一步促进了果实采摘机器人的研发，为果实采摘机器人的研发提供了实验依据。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，包括主控制器，以及与所述主控制器连接的行走底盘驱动模块、升降机构驱动模块、电源模块、循迹模块、果实检测模块、姿态检测模块、收集模块、采摘模块；所述采摘模块通过升降机构设置在行走底盘上，且位于所述收集模块的上方；

所述收集模块包括收集箱、相对设置的两个收集爪以及相对应的收集爪驱动舵机，所述收集爪驱动舵机与所述主控制器连接；所述收集箱是顶部和前侧敞开的半包围结构，所述两个收集爪通过相对应的收集爪驱动舵机左右对称地设置在所述收集箱的前端，且可相对所述收集箱在水平面内转动；所述收集爪的底部高于所述收集箱底部，且前高后低形成倾斜面；

所述采摘模块包括固定杆和转动杆，所述固定杆与所述升降机构的升降台固连；所述固定杆和所述转动杆均呈U形或V形或半圆环形，所述固定杆和所述转动杆的空腔内分别设置有毛刷板，所述毛刷板上的半圆形缺口边缘均布有毛刷；所述固定杆和所述转动杆可相对转动地对接连接在一起，所述两半圆形缺口在同一平面内时对接形成圆孔；所述固定杆和所述转动杆的对接连接处设置有舵机，所述舵机与所述主控制器连接；

所述行走底盘包括底板和设置在所述底板四角的车轮，所述底板呈“凹”形，所述收集模块的收集爪位于所述“凹”形底板的缺口上方。

2.根据权利要求1所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述收集爪的本体是一块竖直设置的板结构，所述板结构的一端底部向所述收集爪内侧延伸出圆弧形底板，所述圆弧形底板周边均布有若干塑料片；所述板结构的上端纵向地设置有两块锯齿形挡板，其中一块锯齿形挡板竖直向上，另一块锯齿形挡板倾斜向上；所述板结构的一端端部还设置有向所述收集爪内侧延伸的锯齿形塑料挡片；所述板结构的另一端通过相对应的收集爪驱动舵机与所述收集箱转动连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述行走底盘驱动模块包括多个车轮电机，所述车轮电机与所述行走底盘上的车轮一一对应；所述车轮电机通过相对应的车轮电机驱动器与所述主控制器连接，所述车轮电机上均设置有编码器。

4.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述升降机构是同步带升降机构；所述升降机构驱动模块包括步进电机，所述步进电机与所述主控制器连接。

5.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述循迹模块包括循迹传感器，所述循迹传感器与所述主控制器连接；所述循迹传感器设置在所述行走底盘底板的下部表面。

6.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述果实检测模块包括光电传感器和视觉模块；所述光电传感器设置在所述行走底盘的底板上，且与所述主控制器连接；所述视觉模块设置在所述采摘模块的固定杆上，且与所述主控制器连接。

7.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述姿态检测模块包括九轴姿态传感器；所述九轴姿态传感器设置在所述行走底盘底板的下部表面，且与所述主控制器连接。

8.根据权利要求1或2所述的用于竞赛的果实收获机器人控制系统，其特征在于，所述电源模块包括电池组，所述电池组通过稳压模块与所述主控制器连接。