本发明涉及农业设备技术领域，尤其涉及一种菠萝采摘机器人的控制方法及控制系统。
背景技术：
菠萝作为著名的热带水果，因营养丰富、品质优异、香气诱人而深受人们喜爱。其需求量在不断增大。然而菠萝的采摘却是一项繁重的工作。
菠萝主要种植地区为广东、海南、广西、云南、福建和台湾等省份，菠萝产业发展前景良好，菠萝种植面积大幅度提高。菠萝的采集具有较强的季节性，只有半个月左右的收获高峰期。我国采摘自动化程度仍然很低，国内水果主要以人工采收为主；整个采收作业短期内需要的人力，劳动工作量大，占到了整个菠萝生产成本的40％以上，而且菠萝叶坚硬，菠萝果实上带有芒刺，容易对手掌造成伤害，严重影响采摘效率。
在成本日益上升的背景下以及在工业4.0的发展大潮下，我国的菠萝种植产业若想取得长足发展，在自动化管理方面必须有所突出表现。
技术实现要素：
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种对菠萝进行快速识别以及自动剪切的菠萝采摘机器人的控制方法。
本发明还提供一种基于上述菠萝采摘机器人的控制方法的控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种菠萝采摘机器人的控制方法，具体包括以下步骤：
s1、接收用户端发送预设采摘菠萝的个数的数据，识别菠萝植株的排布并自主规划路径；
s2、执行行走指令，同时执行对菠萝的图像识别指令；
s3、判断是否识别到所述菠萝，若识别到所述菠萝，执行步骤s4，若无识别到所述菠萝，则返回执行步骤s2；
s4、停止执行行走指令，通过图像识别模块对待采摘菠萝的图像进行处理，并根据处理后的分析得到所述待采摘菠萝的采摘坐标；
s5、根据所述采摘坐标的数据，控制驱动电机在行走方向的位置执行微调动作，通过滑轨模块对剪切模块执行横向调整动作以及通过升降模块对所述剪切模块执行下降调整动作，使得所述剪切模块移动至所述待采摘菠萝梗部采摘；
s6、控制所述剪切模块执行收拢动作，剪切所述待采摘菠萝的梗部，完成对菠萝的采集，复原所述剪切模块的位置；
s7、对当前采摘菠萝的个数与所述预设采摘菠萝的个数进行比较，判断所述当前采摘菠萝的个数是否达到所述预设采摘菠萝的个数，若未达到所述预设采摘菠萝的个数，返回执行步骤s2，若达到所述预设采摘菠萝的个数，执行步骤s8；
s8、返回停靠点。
作为优选方案，在所述步骤s2中，具体还包括以下步骤：
s201、监测获取不同的所述驱动电机的行驶速度数据，得出每个所述驱动电机的速度曲线；
s202、获取多个方向的当前角加速度值，再将所述当前角加速度值与预设角加速度值进行判断比较，若所述当前角加速度值小于预设角加速度值，定义为平稳状态，执行步骤s203，若所述当前角加速度值大于预设角加速度值，定义为侧翻状态，执行步骤s204；
s203、继续执行行走指令，返回执行步骤201
s204、主控制模块自动进入低消耗状态，发送侧翻信号至用户端。
作为优选方案，在所述步骤s203中，根据所述速度曲线与所述当前角加速度预测下一采样周期的状态，提前执行平衡控制指令。
作为优选方案，所述平衡控制指令为根据所述速度曲线的变化量和所述当前角加速度的变化量，控制对应的所述驱动电机的行驶速度用于保持平衡。
作为优选方案，在所述步骤s5中，具体还包括以下步骤，
s501、在所述剪切模块下降到所述待采摘菠萝的梗部后，获取剪切的采摘坐标，判断所述剪切的采摘坐标与分析得到的采摘坐标之间的误差是否在预设误差范围内，若在所述预设误差范围内，则执行步骤s6，若不在所述预设误差范围内，返回执行步骤s5进行调整。
作为优选方案，在所述步骤s6中，还包括获取所述剪切模块的当前收拢幅度值，若所述当前收拢幅度值未达到预设收拢幅度值，则重复执行收拢动作，直至所述当前收拢幅度值达到所述预设收拢幅度值。
作为优选方案，在所述步骤s6中，还包括将剪切后的菠萝通过所述滑轨模块转移至两侧的存储模块。
一种基于上述菠萝采摘机器人的控制方法的控制系统，包括：
行走模块，包括多个驱动电机，用于执行行走动作；
通讯模块，用于接收或者发送控制指令以及数据；
图像识别模块，用于对待采摘菠萝的识别；
剪切模块，用于对所述待采摘菠萝的梗部执行收拢动作，从而完成对菠萝的剪切采摘；
滑轨模块，用于调整所述剪切模块的水平方向位置；
升降模块，用于调整所述剪切模块可上升或者下降的竖直方向位置；
主控制模块，用于判断各类当前数据以及预设数据之间的大小，从而执行相对应的指令。
作为优选方案，还包括多个监测所述驱动电机的行驶速度的编码器以及用于检测角速度的陀螺仪传感器。
作为优选方案，还包括设于所述行走模块位于行走方向的两侧的存储模块。
本发明所提供的菠萝采摘机器人的控制方法，与现有技术相比，其有益效果是：本发明所述菠萝采摘机器人的控制方法，适用于在田间对菠萝进行自动化采摘，先获取采摘菠萝的数量任务，自主识别菠萝植株的排布并规划路径，通过图像识别对菠萝进行识别以及获取采摘坐标，对所述采摘坐标进行数据分析，对所述剪切模块进行水平位置以及竖直位置的进行调整，使得所述剪切模块移动至所述待采摘菠萝的梗部，便于对菠萝执行收拢剪切动作，充分利用菠萝果实的独特生长形态，实现对菠萝进行自动化采摘，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的菠萝采摘机器人的控制系统流程示意图。
图2为图1步骤s2中执行行走指令的流程示意图。
图3为本发明实施例的菠萝采摘机器人的立体结构示意图。
图4为本发明实施例的菠萝采摘机器人的剪切模块结构示意图。
图5为图4另一视角结构示意图。
图6为本发明实施例的菠萝采摘机器人的开合机构结构示意图。
图7为本发明实施例的菠萝采摘机器人的开合机构工作状态结构示意图。
图中：1.主框架；2.底座；3.驱动轮；4.驱动电机；5.储存框；6.旋转板；7.第一驱动件；8.导向槽；9.开合叶片；10.导向轴；11.连接轴；12.连接板；13.第二驱动件；14.第一丝杆；15.滑块；16.避震弹簧；17.第三驱动件；18.第二丝杆；19.同步带；20.控制装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定及限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1及图2所示，本发明优选的实施例提供了一种菠萝采摘机器人的控制方法，具体包括以下步骤：
s1、接收用户端发送预设采摘菠萝的个数的数据，识别菠萝植株的排布并自主规划路径；
s2、执行行走指令，同时执行对菠萝的图像识别指令；
s3、判断是否识别到所述菠萝，若识别到所述菠萝，执行步骤s4，若无识别到所述菠萝，则返回执行步骤s2；
s4、停止执行行走指令，通过图像识别模块对待采摘菠萝的图像进行处理，并根据处理后的分析得到所述待采摘菠萝的采摘坐标；
s5、根据所述采摘坐标的数据，控制驱动电机在行走方向的位置执行微调动作，通过滑轨模块对剪切模块执行横向调整动作以及通过升降模块对所述剪切模块执行下降调整动作，使得所述剪切模块移动至所述待采摘菠萝的梗部；
s6、控制所述剪切模块执行收拢动作，剪切所述待采摘菠萝的梗部，完成对菠萝的采集，复原所述剪切模块的位置；
s7、对当前采摘菠萝的个数与所述预设采摘菠萝的个数进行比较，判断所述当前采摘菠萝的个数是否达到所述预设采摘菠萝的个数，若未达到所述预设采摘菠萝的个数，返回执行步骤s2，若达到所述预设采摘菠萝的个数，执行步骤s8；
s8、返回停靠点。
基于上述技术特征的菠萝采摘机器人的控制方法，本发明所述菠萝采摘机器人的控制方法，适用于在田间对菠萝进行自动化采摘，先获取采摘菠萝的数量任务，通过图像识别或者导航系统识别菠萝植株的排布并规划路径，通过图像识别对菠萝进行识别以及获取采摘坐标，对所述采摘坐标进行数据分析，将所述剪切模块进行水平位置以及竖直位置的进行调整，使得所述剪切模块移动至所述待采摘菠萝的梗部，便于对菠萝执行收拢剪切动作，直至行走完规划路径，充分利用菠萝果实的独特生长形态，实现对菠萝进行自动化采摘，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。
另外，当所述菠萝采摘机器人的电量少于一定的电量值后，提前结束采摘任务，按照行驶路径的记录返回停靠点。
进一步的，如图2所示，在所述步骤s2中的执行行走指令还具体包括以下步骤，
s201、监测获取不同的所述驱动电机的行驶速度数据，得出每个所述驱动电机的速度曲线；
s202、获取多个方向的当前角加速度值，再将所述当前角加速度值与预设角加速度值进行判断比较，若所述当前角加速度值小于预设角加速度值，定义为平稳状态，执行步骤s203，若所述当前角加速度值大于预设角加速度值，定义为侧翻状态，执行步骤s204；
s203、继续执行行走指令，返回执行步骤201
s204、主控制模块自动进入低消耗状态，发送侧翻信号至用户端。
为了适应田间地形变化大的情况，通过所述驱动电机的速度曲线的微分以及角加速度的变化量判断所述机器人是处于什么状态，当处于平稳行走状态时，则所述机器人继续执行行走指令，若因地形变化太大，超出控制范围而导致侧翻时，则主控制模块自动进入低消耗状态，减少电能的损耗，控制电机停止转动，防止对所述菠萝采摘机器人造成二次伤害，对机器人自身的器件进行保护，同时发送侧翻信号至用户端，令用户得知侧翻以做出相应的补救措施。
进一步的，在所述步骤s203中，还包括根据所述速度曲线与所述当前角加速度预测下一采样周期的状态，提前执行平衡控制指令，监测所述速度曲线的数据变化是否突变，以及所述当前角加速度的前后状态是否突变，可以提前预判出趋向侧翻状态，控制所述采摘菠萝机器人底部的驱动电机做出相对应规划的动作，实现对机器人行驶状态的规划控制。
进一步的，所述平衡控制指令为所述速度曲线的变化量的积分以及所述角加速度的变化量作为输入量，控制对应的所述驱动电机行驶速度作为输出量，消除所述速度曲线的稳态误差，运用积分微分数学工具预测机器人下一检测周期可能的状态，提前对机器人的状态进行控制，具体通过预测的机器人状态，控制四个所述驱动电机的各自的转动方向和转动速度，保持采摘菠萝机器人一直处于平稳状态进行工作，实现尽量避免机器人进入侧翻状态。
进一步的，在所述步骤s5中，具体还包括以下步骤，s501、在所述剪切机构下降到所述待采摘菠萝的梗部后，获取剪切的采摘坐标，判断所述剪切的采摘坐标与分析得到的采摘坐标之间的误差是否在预设误差范围内，若在所述预设误差范围内，则执行步骤s6，若不在所述预设误差范围内，返回执行步骤s5进行调整，为了避免剪切菠萝时位置偏差过大，对所述剪切模块造成损害。
进一步的，在所述步骤s6中，还包括获取剪切模块的当前收拢幅度值，若所述当前收拢幅度值未达到预设收拢幅度值，则重复执行收拢动作，直至所述当前收拢幅度值达到所述预设收拢幅度值，因为所述剪切模块中的开合机构必须有较快的转速和力矩，才能彻底切除菠萝植株底部的梗，所以一般的收拢动作可能会产生的运动相对误差，需进行多次收拢动作才能彻底剪切断所述菠萝的梗部，直至到达预设的收拢幅度值才完成菠萝的采摘。
进一步的，在所述步骤s6中，还包括将剪切后的菠萝通过所述滑轨模块转移至两侧的存储模块，便于对剪切后的菠萝进行集中的运送。
如图3至图7所示，一种基于上述菠萝采摘机器人的控制方法的控制系统，具体包括：
行走模块，用于执行行走动作，如图3所示，主要包括主框架1、底座2、驱动轮3以及驱动电机4，所述驱动电机4与所述驱动轮3相连接，所述驱动轮3和所述驱动电机4设于所述底座2上，所述底座2与所述主框架1之间设有缓冲机构，所述车轮分设与两侧的所述储存框5的底部，实现所述行走模块在菠萝植株的两侧行走的功能，可以理解的是，所述主框架1可以采用本领域常用的结构，本发明对此没有特殊限定。例如，所述主框架1可以为由铝型材以及连接件搭建而成的框架结构，也可以为由板材搭建而成；所述缓冲机构为若干条避震弹簧16，一方面为了保护采摘后的菠萝发生碰撞损害，另一方面因为田间行走环境复杂，行走路面不平，所述避障弹簧可对所述行走模块的保持平衡起到一定作用。
通讯模块，用于接收或者发送控制指令以及数据，实现所述菠萝采摘机器人与用户端之间的通讯联系。
图像识别模块，用于对待采摘菠萝的识别，实现自动化识别菠萝以及对菠萝的自动化剪切
剪切模块，用于对所述待采摘菠萝的梗部执行收拢动作，从而完成对菠萝的剪切采摘，具体包括开合机构、连接板12以及连接轴11，如图6及图7所示，所述开合机构包括设有若干导向槽8的旋转板6、开合叶片9、设于所述开合叶片9上的导向轴10以及与所述旋转板6相连接的第一驱动件7，所述旋转板6的中心设有通孔，所述导向轴10设于所述导向槽8内，使得所述导向轴10可带动所述开合叶片9在所述通孔内做收拢运动或者展开运动；所述连接板12平行设于所述旋转板6的上方，所述连接轴11用于连接所述连接板12与所述连接轴11之间，所述第一驱动件7与所述连接板12相连接，所述第一驱动件7带动所述连接板12进行转动，从而实现带动所述旋转板6转动，所述剪切模块结构更加紧凑，更加有利于对实现对菠萝的剪切，另外，所述开合叶片9优先为三角形形状，便于所述开合叶片9的切削面对菠萝的梗部进行切削。
滑轨模块，用于调整所述剪切模块的水平方向位置，如图1所示，具体包括第二驱动件13，第一丝杆14以及滑块15，所述第二驱动件13与所述第一丝杆14相连接，所述滑块15与所述第一丝杆14之间为螺纹连接，所述剪切模块与所述滑块15相连接，所述二驱动件与所述第一丝杆14通过支架设于所述主框架1上，通过第二驱动件13的驱动，带动所述第一丝杆14进行转动，因为所述第一丝杆14与所述滑块15之间为螺纹连接，所以将所述第一丝杆14的转动转化为所述滑块15的直线运动，从而实现对所述剪切模块的水平方向上的移动。
升降模块，用于调整所述剪切模块可上升或者下降的竖直方向位置，如图4及图5所示，具体包括第三驱动件17以及第二丝杆18，所述第三驱动件17与所述第二丝杆18相连接，所述第二丝杆18与所述剪切模块之间为螺纹连接，所述第三驱动件17带动所述第二丝杆18，通过所述螺纹连接，将所述第二丝杆18的转动转化为所述剪切模块的下降或者上升运动，便于对所述剪切模块位置的精确调整，所述升降机构还可以包括用于限位的光轴，辅助的所述剪切模块的平稳地上升与下降；所述第二丝杆18的数量为两根或者两根以上，保证所述剪切模块在调整位置的平衡度，不同的所述第二丝杆18之间的传动为同步带19传动，实现不同丝杆之间的同步运动，当然，可以理解的是，不同的所述第二丝杆18之间的传动还可以是齿轮传动等其他同步传动方式。
主控制模块，用于判断各类当前数据以及预设数据之间的大小，从而执行相对应的指令，所述行走模块、所述通讯模块、所述图像识别模块、所述剪切模块、所述滑轨模块、所述升降模块分别与所述主控制模块电性连接。
可以理解的是，本实施例中所述的第一驱动件7、第二驱动件13、第三驱动件17以及驱动电机4可以采用本领域各种常用的电机，如步进电机、直流电机等电机等等，本发明对此没有特殊限制。
进一步的，还包括多个监测所述驱动电机的行驶速度的编码器以及用于判断检测角加速度的陀螺仪传感器，可使得所述机器人适用地形变化复杂的田间，时刻返回机器人的行驶速度和行驶状态，通过对所述编码器返回的脉冲数实时进行处理，以达到精确控制机器人行驶的目标，以达到感知机器人所处行驶状态的目的，便于对菠萝采摘机器人进行控制，所述陀螺仪传感器不断返回实时数据，通过对角加速度的监测，提前对所述机器人的状态进行控制，脉冲数和陀螺仪返回数据作为反馈值，尽量控制所述行走模块具备平衡状态进行行驶。
进一步的，还包括设于所述行走模块位于行走方向的两侧的存储模块，所述储存模块设于所述主框架1的两侧，所述剪切模块具有在两侧的所述储存装置之间移动的自由度，所述储存装置为储存框5，便于菠萝植株可从中间穿过，同时可扩大所述储存框5的储存量。
综上所述，本发明实施例所述的菠萝采摘机器人适用于在田间对菠萝进行自动化采摘，自主规划路线进行行走，达到合适的采摘位置之后，控制所述第三驱动件17下降到菠萝的梗部，此时，控制所述第三驱动件17停止转动并控制所述第一驱动件7转动规划角度，快门机构随之向内旋转，切断菠萝底部的梗，将其移至到所述储存框5中，接着采摘下个一个菠萝，直至行走完规划路径，充分利用菠萝果实的独特生长形态，实现对菠萝进行自动化采摘，在行走过程中，通过编码器和陀螺仪返回数据作为反馈值，尽量控制所述菠萝采摘机器人保持平衡，并保持所述菠萝采摘机器人一直处于平稳状态进行工作，大大减小人力投入，提高生产效率，具有目标定位准确、采摘简单便捷、解放劳动力等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。