一种采棉机器人的制作方法

本发明涉及一种采棉机器人，特别涉及一种基于视觉信息的采棉装置，属于农业机械技术领域。

背景技术：

中国的棉花种植占世界种植面积的30％，棉花采摘有着重要的经济价值。棉花采收期一般在9月至10月，大约60天，采摘要求是：同一块棉田的棉花成熟期有先后，一般5到7天采一次；好花、僵瓣棉、落地棉分开采收，分级出售；减少杂质混入，提高籽棉质量。

采棉方式分为人工采棉和机器采棉两种方式。人工采棉的优点是采净率高、含杂率低，对棉株种植没有特殊要求，即使棉田形状不规则或是不平整也能采摘，不需要对棉田进行采摘前喷药落叶处理，但是劳动强度大、用工量多、效率低、成本高。

机器采棉可分为选收式和统收式采棉机。选收式采棉机分为垂直摘锭式采棉机和水平摘锭式采棉机，前者摘锭垂直放置，主要是原属苏联的乌兹别克斯坦等国采用，由于采净率低，目前在国内不普及；后者摘锭水平放置，该类型采棉机的主要生产厂家为美国的凯斯公司、约翰迪尔公司，采净率高，在国内比较普及。统收式采棉机分为指杆式和梳齿式，由于含杂率高，目前不普及。文献“我国大中型采棉机及采棉头技术分析”(杨东山等，拖拉机与农用运输车，2013，40(2)，8-12)对采棉机现状进行了分析；专利“自走复指式采棉机”(专利号cn102577753b)提出了一种统收式采棉机，用指杆排进行采摘，通过清分装置和清杂装置将棉花选出。专利“采棉头及具有该采棉头的梳齿选收式采棉机”(专利号cn104718885b)提出了一种梳齿式采棉机，通过安装在链轮上的梳齿将棉花采下。

机器采棉的优点是效率高，缺点是：对棉株种植间距有严格要求；采净率不如人工采摘，据统计每亩地浪费在30kg左右；含杂率高，选收式采棉机含杂率在10％以上，统收式采棉机含杂率在30％以上；采摘前需要用药水先脱叶，采摘后的棉花要清洁处理后才能采用。因此，目前机器采棉在中国推广率比较低。

技术实现要素：

本发明的首要目的是：克服目前人工采棉和机器采棉的不足，既可以达到人工采摘的高采净率和低含杂率，又可以达到机器采棉的高效率，但没有目前机器采棉的局限性，诸如对棉株种植间距有严格要求、进行采棉操作前要进行药水脱叶等等。

本发明进一步的目的在于：实现采棉过程的无人化，一个操作工可以同时控制多台采棉机器人进行操作，可以设置采摘棉花的成熟标准，根据同一块棉田的棉花成熟周期，对棉花进行分批次采摘。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于棉花采摘的机器人，优选的，所述系统包括自主移动平台、视觉采棉头、棉花收集仓。自主移动平台根据棉田地理位置信息和棉花分布信息、棉株边界信息在棉田移动，视觉采棉头在自主平台移动过程中，在采棉摄像头产生的视觉信息引导下进行采棉，并引导自主移动平台的移动速度。视觉采棉头采集下的棉花通过气流输送通道输送到棉花收集仓。当预设的采棉任务完成后，或根据电池管理系统的电量信息判断剩余电量到阀值后，或是根据棉花采集重量传感器的采集棉花重量信息判断到阀值后，或是根据移动平台控制模块的故障分析模块提示故障发生后，自主移动平台返回，完成采棉过程。

上述自主移动平台，优选的，所述移动平台的车身上安装有移动平台控制模块，gps模块，车顶上安装有前向摄像头，在视觉采棉头的扶禾器的内、外侧挡板安装有超声波传感器，做为自动对行传感器，在车身上安装有角加速度传感器和加速度传感器，在置放棉花收集仓的车梁上安装有重量传感器，在车底盘部位安装有行走电机驱动系统和行走电机，转向电机驱动系统和转向电机，电池管理系统和电池组。各主模块间通信通过can总线。视觉采棉头控制模块通过can总线与移动平台控制模块通信。移动平台内的软件功能模块包括：gps路径跟踪模块、棉花密度分布跟踪模块、棉株对行跟踪模块、车身姿态跟踪模块、车身速度跟踪模块、路径规划模块、运动规划模块、采棉信息模块、运动控制模块、故障分析模块、工作逻辑模块、前进/后退控制模块、加/减速控制模块、转向控制模块。

上述自主移动平台，优选的，所述移动平台控制模块包括：路径规划模块根据用户输入界面输入的棉田gps地理信息进行路径规划，路径跟踪模块跟据gps模块产生的实时gps信息与规划路径进行比较，产生路径跟踪信息，棉花密度分布跟踪模块根据前向摄像头采集到的棉田白色棉花信息在图像中的分布比例，产生棉花密度分布信息，棉株对行跟踪模块跟据安装在采棉头两侧的超声波器的能量强度信息，产生棉株对行跟踪信息，运动规划模块跟据路径跟踪信息、棉花密度分布信息、棉株对行跟踪信息进行移动平台运动规划。

上述自主移动平台，优选的，所述平台控制模块根据运动规划模块产生的目标轨迹，以及角加速度传感器产生的车身姿态信息及加速度传感器产生的车身速度跟踪信息，以及视觉采棉头控制模块产生的采棉完成信息，运动控制模块产生运动控制指令，控制移动平的前进/后退、加/减速、转向。

上述自主移动平台，优选的，所述移动平台控制模块中的故障分析模块根据各模块的通信中断或模块发送的信息超出限定值，故障分析模块判断故障发生；根据故障发生的信息，以及判断路径规划模块的任务是否完成，以及判断棉花重量传感器产生的重量信息是否超过限值，以及电池管理系统产生的剩余电量信息是否超限值，移动平台控制模块中的工作逻辑模块产生采棉机器人结束采棉返回指令。

上述的视觉采棉头，优选的，所述采集系统由扶禾器、采集箱组成，采集箱安装有多组采集杆及安装有多组采棉摄像头，对应地在在采集箱内侧有采集孔和观测窗；不工作时采集杆的采棉锭位于采集孔内，工作时旋转伸出；采棉摄像头安装在摄像头筒内，位于观测窗后；采集箱内对应每个采集杆的位置有一个刷棉片；采棉时，随着移动平台的移动，扶禾器将棉株导入采集区域，采棉摄像头组采集图像，系统分析出棉花的空间坐标信息及色泽、大小信息，当达到采摘标准的棉花处于某个采集杆的采集区域时，对应的采棉锭从采集孔旋转伸出，通过采棉锭上的齿将棉花拧下，再反向旋转缩回采集孔，采集箱内刷棉片将棉花刮下，通过气流输送通道到棉花收集仓。

上述的视觉采棉头，优选的，所述的采集杆包括采集杆电机和电机转轴，安装在采集杆壳体上，转轴安装有电机转罩；运动机构为螺杆螺母结构，螺母可绕螺杆转动，螺母上固定有滑杆，其可沿电机转罩上平行于螺杆轴线的滑槽移动；采棉锭固定在螺母上，可沿壳体上的轴承转动；工作时，电机驱动电机转轴，带动电机转罩转动，使滑杆随转罩转动和沿滑槽移动，螺母做相同运动，带动固定在其上的采棉锭旋转伸出或旋转缩回。

上述的视觉采棉头，优选的，所述的视觉采棉头的采集箱的观测窗外侧有摄像头清洁喷嘴，通过吹气对观测窗进行清洁，气体来自清洁喷嘴供气通道。

上述的视觉采棉头，优选的，所述的视觉采棉头的控制系统包括视觉采棉控制模块、视觉信息处理模块、电机组驱动模块，模块间通过can总线通信；视觉信息处理模块将处理后的棉花色泽、大小、位置信息发到总线上；电机组驱动实现电机正转和反转；视觉采棉控制模块的软件功能模块包括棉花成熟度识别、棉花位置识别、棉花采摘控制、电机控制，所述棉花成熟度识别模块根据用户界面输入的成熟棉花的大小、色泽标准，与摄像头检测到的棉花信息进行比对，识别是否合采摘标准，棉花位置识别模块判断棉花对应位置是否有对应采棉杆，若有，采摘控制模块产生采摘指令，电机控制模块驱动相应采棉杆电机的正转和反转。

本发明的有益效果，主要表现在：采用视觉引导进行采棉，可以选择达到用户设定标准的成熟棉花进行采摘；采棉头采用多组摄像头和多组采棉杆，可同时对进入采棉区域的多朵棉花进行采摘；采棉杆采用旋转伸缩机构，结构紧凑，同时实现采棉杆的伸缩和采摘；采用吹气清洁，保证了采棉头视觉观察窗的清洁；采用了gps信息、棉田的棉花分布密度信息、棉株对行信息、棉花采摘信息对自主移动平台的移动进行运动规划和运动控制，保证了采棉头进行采棉的效果；采用了故障信息、路径规划信息、电池电量信息、棉花重量信息来自主确定采棉机器人是否结束采棉返回。

本发明的优点是：选择成熟的棉花进行采摘，可以根据棉花分批成熟的特点，对同一块棉田进行分批采摘；多组采集杆，采集效率接近于大型采棉机；视觉引导进行采摘，采净率和含杂率接近人工采摘；无人化操作，节约人工成本，可以由操作员进行设置后，实现多台机器人对棉田自主采棉。

附图说明

图1为采棉机器人侧视示意图；

图2为采棉机器人俯视示意图；

图3为采棉头俯视示意图；

图4为图3采棉头的a向示意图；

图5为图3采棉头的局部放大图b；

图6为采棉杆结构示意图；

图7为采棉头软件功能模块图；

图8为移动平台软件功能模块图；

图9为采棉实例流程

图中主要部件说明：

1、自主移动平台；10、移动平台控制模块；1110、外侧超声波传感器；1111、内侧超声波传感器；12、前向摄像头；13、风机；131、气流输送通道；14、底盘；2、视觉采棉头；20、采棉头控制模块；21、扶禾器；211、扶禾器内侧挡板；212、扶禾器外侧挡板；22、采集箱；23、采棉摄像头；231、观测窗；232、摄像头筒；24、采集杆；241、采集孔；242、采棉锭；243、采集螺杆；244、采集螺母；245、采集杆电机；2451、采集杆电机转轴；2452、采集杆电机转罩；2453、电机转罩滑槽；246、采集杆壳体；247、采集杆轴承；248、滑杆；25、刷棉片；26、气流输送通道；27、摄像头清洁喷嘴；28、清洁喷嘴供气通道；29、电器箱；3、棉花收集仓

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、优点更加详细明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步的详细说明。

如图1所示，采棉机器人由自主移动平台1、视觉采棉头2、棉花收集仓3组成。

如图2和图8所示，自主移动平台的车身上安装有移动平台控制模块10，gps模块11，车顶上安装有前向摄像头12，在扶禾器21外侧安装有超声波传感器111，在车身上安装有角加速度传感器151和加速度传感器152，在置放棉花收集仓3的车梁上安装有重量传感器17，在车底盘14部位安装有行走电机驱动系统18和行走电机181，转向电机驱动系统19和转向电机191，其中电机采用伺服电机，驱动采用伺服电机驱动，底盘上还安装有电池管理系统16和电池组161。车身底盘高度为850mm左右。

如图3所示，视觉采棉头的采集系统由扶禾器21、采集箱22组成，采集箱22安装有多组采集杆24，共3列，每列20个。不工作时采集杆端部的采棉锭242位于采集孔241内，箱内对应每个采集杆的位置有一个刷棉片25。扶禾器挡板的厚度约为10mm，采集箱与挡板间隙约为80mm，采集箱空间厚度约为160mm，采集杆的直径约为15mm，采集锭的外径约为20mm，采集孔直径约30mm，采集孔最低处距地面高度约为45mm，最高处距地面高度约为100mm。采集杆的驱动电机采用步进电机。

采棉机器人可安装一个视觉采棉头，也可安装两个视觉采棉头。当采用一个采棉头时，安装在扶禾器挡板上的超声波传感器1110和1111作为自动对行传感器；当采用两个采棉头时，安装在两个扶禾器挡板外侧的超声波传感器作为自动对行传感器。当进行自动对行信息采集时，两侧的超声波传感器采集反馈信号的能量强度，取0.5秒长的时间进行统计，比较两侧能量强度的差值，做为输入参数进行模糊识别，计算置信度，输出分为位置偏左、偏右和中间三类，当置信度超出0.8时，认为棉株偏右，当置信度小于0.2时，认为棉株偏左，否则认为棉株位于采棉区域中间。

视觉采棉头的采棉摄像头有二列，安装在采集箱的摄像头筒内，位于观测窗后。观测窗直径约50mm，材质为玻璃，摄像头与观测窗的距离约为30mm。安装时用黑白色板标定各摄像头空间位置，及摄像头与采棉锭的相对位置。采摘前，操作人员将棉花的合格采摘标准，包括棉花的色泽、面积大小等输入视觉采棉控制模块。工作时，棉株进入采棉区域，各摄像头采集图像信息，当一朵棉花的图像被相邻两个摄像头采集到时，依据两摄像头相互间空间位置，对图像进行空间变换计算，得到棉花的实际空间坐标值，及棉花的实际大小值。通过对棉花色泽和面积大小的识别，系统判断棉花是否达到采摘标准；若达到采摘标准，系统选择距离最近的采集杆，电机转动，采棉锭旋转伸出，通过采棉锭上的齿，将棉花挂住，同时通过旋转将棉花拧下，然后旋转缩回采集箱；采集箱内的采集孔侧，有刷棉片，其形状与采棉锭的齿形相配合，当采棉锭旋转时，与刷棉片相对运动，将棉花刷下；采集箱内有气流输送通道，通过风机13产生的负压，将棉花吸入棉花收集仓3。摄像头的观测窗外侧安装有清洁喷嘴，在工作过程中，吹气清洁观测窗，防止窗口因污染而影响摄像头采集图像。清洁喷嘴的气体来自自主移动平台的风机，通过清洁喷嘴的供气通道28导入。

工作时，操作工需要预先将棉田的gps地理信息通过用户输入界面101输入自主移动平台的控制模块10，见图8，并预设采棉的面积。棉田的gps地理信息可用多种方式采集，比如在棉花种植时安装在耕种机上的gps模块，也可以由操作工用手持式gps定位装置进行gps地理信息采集。采棉机上安装有gps模块，可定义移动平台自身的gps位置。系统根据移动平台的位置及棉田的位置，按路径最短原则规划到棉田的路径。在移动过程中，根据车身的移动轨迹和安装在移动平台上角加速度传感器151的信息，可以确定车身的姿态；根据车身的姿态和棉田的地理形状信息，移动平台在运动过程中控制转向电机，使采棉机器人到达棉由时，前进方向对正地理坐标的棉田边缘。到达棉田后，前向摄像头采集棉田图像，通过色差分析，对棉花分布密度进行统计，产生棉花分布密度的二维信息，与棉田形状的gps地理信息进行比较，据此移动平台调整自身的姿态，使移动采集方向正对棉田的边缘。采棉时，安装在扶禾器挡板上超声波传感器，实现自动对行传感器的功能，通过检测反馈的超声波信号能量强度，将采棉头对行的程度信息发送到总线上，系统根据对行信息调节移动平台的姿态。视觉采棉头控制模块20将采棉信息发到总线上，提示棉花图像采集是否清晰，及采摘棉花的进度，移动平台控制模块10根据此信息，及安装在车身上的加速度传感器152的车身加减速信息，控制车身移动速度。根据gps信息，及前向视觉信息，系统检测采棉机器人是否到达棉田尽头，若到达，移动平台控制模块10发送转向指令，控制转向电机转动，使采棉机器人转弯，继续采摘。

如图8所示，移动平台控制模块10内有故障分析模块，根据各模块在设定时间长度内是否有信息传输，及传输的信息是否超出限值，来判断是否有故障发生。当故障发生时，模块内的工作逻辑模块产生返回指令。在移动平台内，对应安装采棉收集仓下边的梁上，安装有棉花重量传感器17，当棉花重量超出限定值时，模块内的工作逻辑模块产生返回指令。移动平台底盘内的电池管理系统16，监测电池组的电量，当电量剩余值小于限定值时，模块内的工作逻辑模块产生返回指令。此外，当预设的采棉面积完成时，模块内的工作逻辑模块产生返回指令。

操作流程如图9所示，包括如下步骤：

步骤es1：操作员将棉花采集标准(色泽、面积大小)输入采棉机器人；

步骤es2：操作员持手持式gps定位装置采集棉田地理位置信息；

步骤es3：操作员将采集的棉田地理信息输入机器人；

步骤es4：机器人到棉田边，若发现棉花，采棉，前行；

步骤es5：机器人若到棉田尽头，转弯，否则回步骤es4；

步骤es6：若机器人采集任务完成，或采棉料仓库满，或电量少，或发生故障，机器人返回预设的目的地。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。