[發明專利]一種視覺定位的仿生蛇嘴采摘機構、無人機采收裝置及其采收方法

在審

• 申請號: 201911085095.0
• 申請日: 2019-11-08
• 公開（公告）號: CN110754219A
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 唐昀超;鄒湘軍;何建華;朱立學;陳明猷;高一華;黃釗豐;黃礦裕
• 申請（專利權）人: 仲愷農業工程學院;華南農業大學
• 主分類號: A01D46/30
• 分類號: A01D46/30;G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 44245 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 陳燕嫻

1.一種視覺定位的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：包括蛇嘴上部、蛇嘴下部和蛇頸；所述蛇嘴上部包括上圓形帽、蛇嘴上沿和雙目相機，蛇嘴上部的前方為蛇嘴上沿，蛇嘴上沿與上圓形帽固定連接，蛇嘴上沿的上方裝有雙目相機；蛇嘴上沿的兩側裝有距離傳感器；蛇嘴下部的前方為蛇嘴下沿，蛇嘴下部的底部設有圓形傾斜軌道；蛇嘴上部與蛇嘴下部都裝有刀片；光桿與蛇嘴上部固連，蛇嘴下部設有光桿孔，光桿通過光桿孔豎直穿過蛇嘴下部，光桿的底部裝有節環，光桿的中部套有彈簧，蛇嘴下部與蛇嘴上部之間通過光桿進行相對移動；蛇頸位于上圓形帽的下方。

2.根據權利要求1所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：所述蛇頸包括下圓形帽和尼龍網，下圓形帽的內部設有圓形傾斜軌道，下圓形帽的圓形傾斜軌道與蛇嘴下部的圓形傾斜軌道相連通；下圓形帽的外部套接有尼龍網；尼龍網的底部設置有鐵圈。

3.根據權利要求1所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：所述刀片分別安裝在蛇嘴上沿的底部邊緣和蛇嘴下沿的上部邊緣，刀片的安裝呈上下對稱。

4.根據權利要求3所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：蛇嘴上沿安裝有7塊刀片，包括前方安裝有一塊刀片、左方安裝有兩塊刀片、右方安裝有兩塊刀片、前方刀片和左方刀片之間有一塊過渡刀片、前方刀片和右方刀片之間有一塊過渡刀片；蛇嘴下沿在相對應的位置也安裝有7塊刀片。

5.根據權利要求1所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：蛇頸通過齒輪齒條與蛇嘴上部相連接。

6.根據權利要求1所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：蛇嘴上沿的外側呈圓斜坡狀，角度范圍為15～30°；蛇嘴下沿的外側也呈圓斜坡狀，角度范圍為10～15°。

7.根據權利要求1所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：光桿孔的周圍布置有環形鐵環，蛇嘴上部對應環形鐵環所在的豎直方向上設置有電磁鐵，通過電磁鐵的通電和斷電，實現環形鐵環的吸附與釋放，從而帶動蛇嘴下部的上下移動；旋轉電機安裝在齒輪齒條的上方，當旋轉電機通電時，使齒輪齒條運動，通過旋轉電機的正反轉，帶動蛇頸的上下移動。

8.根據權利要求2所述的仿生蛇嘴采摘機構，其特征在于：蛇嘴下部的圓形傾斜軌道的角度范圍為15～30°；下圓形帽的圓形傾斜軌道的角度范圍為45～65°。

9.一種視覺定位的無人機采收裝置，其特征在于：包括無人機主體，權利要求1～8中任一項所述的仿生蛇嘴采摘機構；仿生蛇嘴采摘機構通過支架安裝在無人機主體上。

10.一種視覺定位的無人機采收方法，其特征在于：是采用權利要求9所述的視覺定位的無人機采收裝置，包括下述步驟：

(1)雙目相機標定：先進行單目標定，得到相機的內參數矩陣與畸變系數矩陣；然后進行雙目標定，得到雙目校正的重投影矩陣，以及相機像素距離和真實距離的轉換關系；

(2)圖像采集與校正：無人機通過雙目相機獲取果實圖像，然后進行雙目校正，得到校正后的果實圖像；

(3)圖像處理：對校正后的果實圖像先進行灰度化、平滑處理，然后采用Otus法來確定分割閾值，將校正后的果實圖像中的果實分割出來，得到分割后的圖像，并依次對果實進行編號，計算每個果實的位置；

(4)形態學處理：通過數學形態學濾波的開運算對分割后的圖像進一步處理，平滑果實輪廓、斷開較窄的狹頸并消除細的突起物；

(5)輪廓檢測與篩選：通過調用OpenCV函數庫中的函數，輔助提取圖像中所有可能是果實輪廓的信息，并進行輪廓的篩選，得到目標果實的位置；

(6)視覺跟蹤：采用CamShift算法對目標果實特征標志進行跟蹤，達到實時動態鎖定果實，進行跟隨；

(7)驅動無人機靠近：在獲取目標果實位置后，返回果實O₁的位置，計算仿生蛇嘴采摘機構與目標果實位置的距離，將O₁投影到相機坐標系平面上得到投影O₁’；計算投影O₁’到相機坐標系原點O的實際物理距離在仿生蛇嘴采摘機構靠近目標果實的時候，如果(w為安全距離，w的取值范圍30cm～40cm)，打開旋轉電機，讓蛇頸下移；如果(e為采摘距離，e的取值范圍為10cm～15cm)，表示可以準備摘取果實，讓電磁鐵失電，蛇嘴下部下移；若無人機根據距離值和方向調整無人機的位置，直至

(8)距離傳感器返回實時距離：距離傳感器返回實時直線距離，將實時直線距離與雙目相機計算的的距離進行對比，由于距離傳感器在近距離測算時，所測距離為直線距離，故其測得距離更加精確，所以當相機與距離傳感器所測距離都小于e時，可以只通過距離傳感器所測距離進行判斷，當距離傳感器返回實時直線距離為0時，表示可以進行采摘；

(9)采摘果實：通過控制電磁鐵通電和斷電，進而控制仿生蛇嘴采摘機構的蛇嘴上部與蛇嘴下部進行張開與閉合的動作以咬住果實，然后采用刀片對果實進行多角度采摘，咬斷果枝或擰下果實；

(10)收集果實：采摘到果實后，通過旋轉電機控制齒輪齒條，使得果實從圓形傾斜軌道進入蛇頸，最后從鐵圈滑入收集筐中。