基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置的制作方法

本实用新型涉及一种果实成熟检测采摘装置，特别是涉及一种基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置。

背景技术：

由于拉曼光谱检测技术与常规化学分析技术相比,具有无损、快速、环保、无需制备试样、无需消耗化学试剂和所需样品量少等特点,并且随着激光光源的出现,其方向性强、单色性好、亮度高、相干性好等优点使得拉曼光谱检测技术已广泛应用于石油化工、生物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定等诸多领域。在过程分析方面,现代拉曼光谱技术已不仅仅局限于物质的静态研究,可实现动态过程的在线观察,比如高温高压状态下物质的分子间、分子内结构变化及晶形的转变,药物生产过程中的在线监测等。随着科学技术的进一步发展,拉曼技术的科研前景将越来越广阔。

机器视觉技术是20世纪70年代在遥感图像处理和医学图像处理技术成功应用的基础上,随着图像处理技术的专业化、计算机成本的下降和速度的提高逐渐兴起的,并已经广泛应用于各种领域,如医学辅助诊断,气象、资源调查,灾害监测中的航拍和卫星图像的解释,工业机器人的手眼系统,工业产品外观检测与筛选及军事上的精确制导等。目前机器视觉在工业上的应用已经相当普遍与成熟,而在农业上的应用相对滞后一些随着自动控制技术的发展,工况过程监控是制造业必不可少的环节,在现代机械制造行业,20%的停工检修都是由于机械故障造成的,从而导致生产能力下降和经济损失。尽管机器视觉检测技术经过了多年发展,然而采用机器视觉技术实现全自动控制系统仍然面临很多问题—如何实现高分辨率图像的实时处理以及图像特征快速提取算法的编制。随着计算技术的发展,机器视觉检测技术正逐步发展为一种准确、实时、高效的检测技术。

近年来，随着科技的发展人民生活水平的提高，对提高中国农业机械化程度的需求日益强烈。国家十三五明确指出，到2020年农业机械化率要达到百分之七十。但是，在果实采摘方面却突出存在如下问题：1.与工厂日益加快的自动化进程相比，我国农业果实采摘机械化自动化程度还很低，绝大部分果实采摘依然依赖人工；2.随着人工成本日益提高，采摘在果实成本的比重日益增加，虽然现代化种植技术突飞猛进，但是，由于高昂采摘成本,仍然使得我国采摘类果实农产品产业的发展受到很大制约。3.我国自动控制及机械制造已经得到很好发展，但是，现有果实采摘类农业装备研发仍然没能很好地利用和发挥这一优势，仍然缺少实用的果实成熟检测采摘装备。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置。

为实现上述目的，本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置，包括果实采摘装置及用于指导采摘的果实成熟度检测装置，其特征在于果实成熟度检测装置包括用于照射和采集果实拉曼光谱的镜头，拉曼光谱激光源通过双瑞利滤光片将激光投向所述镜头，镜头采集到的果实反射光再通过双瑞利滤光片及凸透镜配狭缝和光栅的拉曼光谱整形光路传给ccd检测器。所述镜头为显微镜镜头。或者所述镜头自双瑞利滤光片端到果实端的光路上依次设置反射镜和凸透镜。所述指导就是指示导引。近年来，随着科技的发展人民生活水平的提高，对提高中国农业机械化程度的需求日益强烈。国家十三五明确指出，到2020年农业机械化率要达到百分之七十。为了响应国家号召，提高国家农业自动化水平，我们从农业产品作物成熟度的分辨及采摘入手，解决如何通过全自动化的系统代替人民来对成熟果蔬进行无损探测与采摘。其是以图像采集、拉曼光谱技术为依托，打造自动化智能采摘。我们将从成熟前后颜色发生明显变化的果实以及成熟前后某种有机物含量进行检测，这样基本涵盖了所有果实。主要解决了三大社会问题：该项目将传统人工采摘转化为机械自动化采摘，节省人力物力，降低成本；摆脱了传统采摘耗时长，利用新兴技术提高采摘效率；其次，该项目也可以用于日常市场上果实成熟度检测。该设备简单易操作，我们将制作手机app、电脑软件等方式来实现此过程。在农产品标准化的过程中发挥着重要作用，目前在国内有很大的市场潜力。其能通过拉曼光谱无损探测技术对农作物产品成熟度检测并采摘，具有减少劳动力浪费，显著提高农业采摘生产率的优点。

作为优化，ccd检测器对反射回来的拉曼光谱信息进行收集，并与信息库的光谱图进行对比，得到处理后的信息进而指引果实采摘装置的采摘动作。

作为优化，从双瑞利滤光片至ccd检测器之间的所述拉曼光谱整形光路上依次配置前凸透镜、狭缝、凸透镜、光栅和凸透镜。

作为优化，所述拉曼光谱激光源包括激光源和由激光源到双瑞利滤光片的拉曼光谱激光源整理光路。

作为优化，从激光源至双瑞利滤光片之间的所述拉曼光谱激光源整理光路上依次配置近位反射镜、远位反射镜、扩束器和衰减片及滤光片。所述衰减片也就是偏振片。

作为优化，所述果实采摘装置包括控制铰接在行走座上的大臂，大臂上端控制铰接上端配爪舵机的小臂，爪舵机通过连臂杆配置带引导装置的机械手，用于指导采摘的果实成熟度检测装置配置在机械手上，具体是配置在机械手手掌心处；用于指导采摘的果实成熟度检测装置也可以配置在连臂杆上，引导装置的微型摄像头也可以同步改配到连臂杆上，这时，光电传感器仍然配置在机械手上，不变。

作为优化，所述引导装置是机械手上配置的光电传感器和微型摄像头。具体是光电传感器设置在掌心正中央的凹槽内部。安装完成时掌心的内部是平滑的。例如利用平滑的面罩或顶盖遮护光电传感器和果实成熟度检测装置。微型摄像头用于搜索果实，当光电传感器感知到某个果实时，就启动果实成熟度检测装置对这个果实进行可否采摘检测判断，判断得出可以采摘结果时，就启动机械手进行采摘，当判断得出的结论为不能采摘时，就由微型摄像头再进行下一步的果实搜索。行走底盘配置采摘控制器，采摘控制器通过数控线电连果实成熟度检测装置及光电传感器、微型摄像头、爪舵机，和行走座、大臂及小臂的控制装置。

作为优化，行走座包括配置采摘控制器的采摘座，采摘座向下通过连杆或采摘控制器控制的竖向伸缩机构配置行走底盘。

作为优化，竖向伸缩机构为采摘控制器控制的多个并列液压缸或电推杆。

作为优化，行走底盘配置有临时铺就的环绕果实树棵的运动轨道或者行走底盘由机械手上配置的微型摄像头引导环绕果实树棵运动。

果实成熟度检测是近几年新兴起的一种技术，我们以西红柿为例，本装置可以采用两种方案对其成熟度进行检测。第一种将利用ccd光学系统和图像采集、对象识别、不变特征提取、不变特征比对、无线通信接口以及采摘手，这种方法主要基于不同成熟度西红柿的颜色特征,对成熟度分级,用一定的算法挑选出成熟的西红柿。第二种将利用便携式拉曼光谱仪、无线通信接口以及采摘手，这种方法主要基于拉曼光谱仪能非破坏性地通过在物体上照射激光来确定物体的组成，分析该西红柿分子拉曼散射光谱的方式，西红柿成熟时，番茄红素（红色类胡萝卜素）将处于最高水平。

本装置的研发过程：1.对实验对象在闪光灯的条件下进行拍摄，以便于将实验条件控制在标准光线环境下，选择不同成熟程度的果实，对照片进行图像处理。2.获取照片中成熟果实的颜色并进行色度学编码，以数学及数据库方法确定成熟果实的平均编码范围。3.由拉曼效应对有机物的敏感特性，拉曼光谱原理是分子对激发光的散射，适合同原子的非极性键的振动，由此我们采用激光拉曼仪器来识别有机物并测定果实的含糖量、叶绿素、番茄红素、类胡萝卜素等的含量从而判断其成熟度。4.设计仪器的外型并在后期引用机械手对成熟果实进行采摘。5.设计相关应用数据库程序来操控机械手。

本装置利用色度学颜色比对无损伤检测：1.利用仪器采集信息不受主观臆想和外界环境的干扰，使数据更加准确。2.利于农业进行批量化采摘，节省大量时间，使得效率相比以前更高效。3.社会发展潜力巨大，前景良好，为社会将逐步向工业自动化过渡打下基础，将会也会大量使用智能器械。4.在判断与采摘过程中毫不损坏果实本身的结构和营养物质，使消费者更加愿意购买自动化批量产品。

本装置利用拉曼光谱无损光电器检测技术：1.利用激光拉曼光谱准确测量的含糖量、叶绿素、番茄红素、类胡萝卜素等的含量的多少，对应消费者的个人口味需求来进行个性化采摘。2.两种方法的结合运用，可以提高成熟度判断的准确度。3.可以在每次应用完对仪器进行评分，利用机器学习对数据库进行更新、程序改进。

本装置是：利用无损光谱检测技术或者拉曼效应对物体进行测量，对反射回来的信息进行收集，并与信息库的光谱图进行对比，得到处理后的信息并通过相应设备从而转化为相应的一系列活动。大多数有机化合物和高聚物都有红外响应，对于组成复杂的有机化合物化合物进行定性定量分析时，需要解决多组的红外光谱如何分离，一定程度上影响分析精度；如何增加可测波长范围以及真正无损的透过果皮去检查内部的成分；对反射的光波进行收集和处理，并且将处理好的信息转换为实际的各种行为也是一个需要处理的问题。

采用激光拉曼光谱无损检测技术和色度学的检测技术，把果实的图像以及光谱信息读取、处理，分析农业成果是否成熟，并且根据此次分析决定是否可以采摘，与机械化手段联合，从而在将来达到解放劳动力的目的。对于采摘部分我们采用机械化手段，理想状态为建立数据库，将不同农作物的颜色色度，以及面对拉曼光谱照射时反射的颜色编号并进行保存。在果园将果树分区域管理，每棵果树所占的区域一定，且果树之间间隔一定，果树附近安装指定性轨道，将机械臂安装在轨道上，致其能够沿轨道移动，在机械手臂上安装摄像机和传感器，当机械臂移动到一棵之前时，对此棵果树进行数据收集，然后对果实进行成熟度检测，首先我们通过摄像机来识别图片，通过传感器来识别果实并进行大体上的定位。将摄像机以及传感器采集到的信息传至我们的数据库内，若成熟度达到要求，再将将信号传至机械臂的控制系统，采摘成熟度符合的果实，若成熟度不达到要求，则机械臂移植下一处。采集完此棵果树之后，机械臂沿着轨道运动，移动固定的距离到下一棵果树前重复进行成熟度检测。运动描述：机械臂结构运动到树中央处，微型摄像头和光电传感器正对果树，进行数据采集，并将采集到的数据传到控制处的计算机中，由计算机的数据库进行分析，获得符合条件的果实位置，将位置信息传回机械臂处，由支架在轨道的位置调整决定横向位置，由大臂，小臂确定纵向位置，确定位置后，机械手在爪舵机的控制下向前抓取果实，将果实摘下后放入果框中，重复运动，直到果树该面无符合条件的果实，支架移动到果树的其他面，重复上述运动。当果树无符合条件的果实时，移动到下一刻果树，重复运动。

总体结构采摘过程：机械臂设置为顺时针运动，当其工作时，先沿着轨道顺时针运动，在运动的过程中采摘果实，当其运动一周后，且经图像识别后发现无符合田间的果实，则运动到下一棵果树处。

采用上述技术方案后，本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置具有减少劳动力浪费，显著提高农业采摘生产率的优点。

附图说明

图1是本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置成熟度检测部分的光路结构示意图；图2是本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置的采摘部分机械臂的结构示意图；图3是本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置的采摘部分机械臂采摘现场的俯视结构示意图。

具体实施方式

如图所示，本实用新型基于拉曼光谱的果实成熟度检测与采摘装置包括果实采摘装置及用于指导采摘的果实成熟度检测装置，果实成熟度检测装置包括用于照射和采集果实拉曼光谱的镜头1，拉曼光谱激光源通过双瑞利滤光片2将激光投向所述镜头1，镜头1采集到的果实反射光再通过双瑞利滤光片2及凸透镜3配狭缝4和光栅5的拉曼光谱整形光路传给ccd检测器6。所述镜头1为显微镜镜头。或者所述镜头自双瑞利滤光片端到果实端的光路上依次设置反射镜7和凸透镜3。ccd检测器6对反射回来的拉曼光谱信息进行收集，并与信息库的光谱图进行对比，得到处理后的信息进而指导果实采摘装置的采摘动作。所述指导就是指示导引。近年来，随着科技的发展人民生活水平的提高，对提高中国农业机械化程度的需求日益强烈。国家十三五明确指出，到2020年农业机械化率要达到百分之七十。为了响应国家号召，提高国家农业自动化水平，我们从农业产品作物成熟度的分辨及采摘入手，解决如何通过全自动化的系统代替人民来对成熟果蔬进行无损探测与采摘。其是以图像采集、拉曼光谱技术为依托，打造自动化智能采摘。我们将从成熟前后颜色发生明显变化的果实以及成熟前后某种有机物含量进行检测，这样基本涵盖了所有果实。主要解决了三大社会问题：该项目将传统人工采摘转化为机械自动化采摘，节省人力物力，降低成本；摆脱了传统采摘耗时长，利用新兴技术提高采摘效率；其次，该项目也可以用于日常市场上果实成熟度检测。该设备简单易操作，我们将制作手机app、电脑软件等方式来实现此过程。在农产品标准化的过程中发挥着重要作用，目前在国内有很大的市场潜力。其能通过拉曼光谱无损探测技术对农作物产品成熟度检测并采摘，具有减少劳动力浪费，显著提高农业采摘生产率的优点。

从双瑞利滤光片2至ccd检测器6之间的所述拉曼光谱整形光路上依次配置前凸透镜3、狭缝4、中凸透镜3、光栅5和后凸透镜3。所述拉曼光谱激光源包括激光源8和由激光源8到双瑞利滤光片2的拉曼光谱激光源整理光路。从激光源8至双瑞利滤光片2之间的所述拉曼光谱激光源整理光路上依次配置近位反射镜7、远位反射镜7、扩束器9和衰减片10及滤光片11。所述衰减片10也就是偏振片。

所述果实采摘装置包括控制铰接在行走座上的大臂12，大臂12上端控制铰接上端配爪舵机14的小臂13，爪舵机14通过连臂杆15配置带采摘引导装置的机械手16，用于指导采摘的果实成熟度检测装置配置在机械手16上，具体配置在机械手16手掌心处；用于指导采摘的果实成熟度检测装置也可以配置在连臂杆上，引导装置的微型摄像头也可以同步改配到连臂杆上，这时，光电传感器仍然配置在机械手上，不变。

所述引导装置是机械手16上配置的光电传感器和微型摄像头。具体是光电传感器设置在掌心正中央的凹槽内部。安装完成时掌心的内部是平滑的。例如利用平滑的面罩或顶盖遮护光电传感器和果实成熟度检测装置。微型摄像头用于搜索果实，当光电传感器感知到某个果实时，就启动果实成熟度检测装置对这个果实进行可否采摘检测判断，判断得出可以采摘结果时，就启动机械手进行采摘，当判断得出的结论为不能采摘时，就由微型摄像头再进行下一步的果实搜索。行走座配置采摘控制器，采摘控制器通过数控线电连果实成熟度检测装置及光电传感器、微型摄像头、爪舵机14，和行走座、大臂12及小臂13的控制装置。

行走座包括配置采摘控制器的采摘座17，采摘座17向下通过竖撑18配置行走底盘19。所述竖撑17为连杆或采摘控制器控制的竖向伸缩机构。竖向伸缩机构为采摘控制器控制的多个并列液压缸或电推杆。行走底盘19配置有临时铺就的环绕果实树棵的运动轨道20或者行走底盘由机械手上配置的微型摄像头引导环绕果实树棵运动。图3中的标号21为果树。

本装置新型是把果实的图像以及光谱信息读取、处理，分析农业成果是否成熟，并且根据此次分析决定是否可以采摘，与机械化手段联合，从而在将来达到解放劳动力的目的。对于采摘部分我们采用机械化手段，理想状态为建立数据库，将不同农作物的颜色色度，以及面对拉曼光谱照射时反射的颜色编号并进行保存。在果园将果树分区域管理，每棵果树所占的区域一定，且果树之间间隔一定，果树附近安装指定性轨道，将机械臂安装在轨道上，致其能够沿轨道移动，在机械手臂上安装摄像机和传感器，当机械臂移动到一棵之前时，对此棵果树进行数据收集，然后对果实进行成熟度检测，首先我们通过摄像机来识别图片，通过传感器来识别果实并进行大体上的定位。将摄像机以及传感器采集到的信息传至我们的数据库内，若成熟度达到要求，再将将信号传至机械臂的控制系统，采摘成熟度符合的果实，若成熟度不达到要求，则机械臂移植下一处。采集完此棵果树之后，机械臂沿着轨道运动，移动固定的距离到下一棵果树前重复进行成熟度检测。运动描述：机械臂结构运动到树中央处，微型摄像头和光电传感器正对果树，进行数据采集，并将采集到的数据传到控制处的计算机中，由计算机的数据库进行分析，获得符合条件的果实位置，将位置信息传回机械臂处，由支架在轨道的位置调整决定横向位置，由大臂，小臂确定纵向位置，确定位置后，机械手在爪舵机的控制下向前抓取果实，将果实摘下后放入果框中，重复运动，直到果树该面无符合条件的果实，支架移动到果树的其他面，重复上述运动。当果树无符合条件的果实时，移动到下一刻果树，重复运动。总体结构采摘过程：机械臂设置为顺时针运动，当其工作时，先沿着轨道顺时针运动，在运动的过程中采摘果实，当其运动一周后，且经图像识别后发现无符合田间的果实，则运动到下一棵果树处。其能通过拉曼光谱无损探测技术对农作物产品成熟度检测并采摘，具有减少劳动力浪费，显著提高农业采摘生产率的优点。