一种用于茶叶的采摘装置及其采摘方法

本发明涉及茶叶自动化采摘，特别是涉及一种用于茶叶的采摘装置及其采摘方法。

背景技术：

1、随着农业技术的不断进步，自动化技术在农业领域的应用已经成为了一种趋势。茶叶作为我国重要的农产品之一，在其传统的采摘过程中，人工采摘一直是主要的方式，但由于人工劳动成本高、劳动强度大以及难以应对大规模茶园的需求等问题，因而近年来，自动化茶叶采摘技术逐渐受到关注。一种高效、精准的茶叶采摘装置及其相应的采摘方法的研发对于提高茶叶产量、降低生产成本具有重要意义。

2、目前，自动化茶叶采摘装置的研究主要集中在机器视觉、机器学习和机器人技术等领域。通过在采摘装置上搭载高精度深度相机和图像识别算法，可以完成芽叶的识别和定位。将最终获取的芽叶采摘点的三维坐标信息发送给机械臂完成采摘操作。但是在真实的茶园环境中，这种方法会出现三维信息中的深度信息缺失的情况，导致采摘点失效无法完成采摘。

3、因此亟需提供一种新型的用于茶叶的采摘装置及其采摘方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种用于茶叶的采摘装置及其采摘方法，能够提高茶叶的自动化采摘效率并且解决对于传统的茶叶采摘方法在真实的茶叶环境下会出现采摘点无效的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于茶叶的采摘装置，包括围成框架结构的滑杆装置、架设滑杆装置的可移动架构、基座、识别装置、采摘执行器，基座安装在滑杆装置上，识别装置与采摘执行器安装在基座下部；

3、所述识别装置包括相机支架、rgb相机，rgb相机通过相机支架安装在基座下部；

4、所述采摘执行器包括电动伸缩杆、套筒、红外传感器、末端执行器，套筒安装在电动伸缩杆的下方，套筒内固定位置安装红外传感器，套筒的末端安装末端执行器。

5、在本发明一个较佳实施例中，所述滑杆装置包括四根滑杆轨道、四根单轴心导轨和四个电动滑块，四根单轴心导轨组成一个矩形滑轨安装在可移动架构的上方，四根滑杆轨道两两一组排列成十字穿过基座后安装在单轴心导轨的电动滑块上。

6、在本发明一个较佳实施例中，所述末端执行器包括滑轮组、滑轮组牵拉装置、两个切割刀片牵拉装置和两个末端切割刀片，滑轮组由若干滑轮组成，顶部滑轮通过滑轮组牵拉装置与电动伸缩杆连接进行上下移动，每个切割刀片牵拉装置的一端固定在一个末端切割刀片中部的刀柄上、另一端放置在滑轮组的顶部滑轮上。

7、为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种如上任一项所述的用于茶叶采摘装置的采摘方法，包括以下步骤：

8、s1：使用所述采摘装置将茶树完全框住，启动采摘装置，所述滑杆装置、基座和采摘执行器恢复到初始位置，同时所述rgb相机在茶树上方开始获取茶叶的图像信息；

9、s2：所述rgb相机获取的图像信息，进行预处理后输入到训练完成的顶部识别模型中进行图像识别，判断目标区域内是否检测到芽叶，若未检测到芽叶，则返回至步骤s1，若检测到芽叶，则执行步骤s3；

10、s3：根据图像识别结果获取茶叶顶部采摘点的二维坐标信息，并通过坐标转化生成采摘坐标系下的坐标信息，获取采摘目标点的坐标信息后利用排序算法对坐标信息进行排序，排序后根据顺序依次将采摘目标点的坐标信息发送给所述采摘执行器；

11、s4：当所述采摘执行器获取到目标位置的坐标信息后，电动滑块带动所述基座将采摘执行器移动到所对应采摘坐标系下的位置，当采摘执行器到达对应采摘位置时，所述电动伸缩杆向下移动，套筒将芽叶完全套住，当红外传感器检测到套筒内的芽叶到达指定位置时，电动伸缩杆停止移动；

12、s5：当电动伸缩杆停止移动时，末端执行器的顶部滑轮向上移动同时会带动两副末端半圆形切割刀片向中间聚拢切断茶叶的茎，完成采摘工作。

13、在本发明一个较佳实施例中，所述采摘坐标系是一种二维坐标系，该坐标系将基座的中心点作为采摘坐标系的原点，与两组滑杆滑轨平行并且过原点的两条直线分别作为坐标系的x轴和y轴。

14、在本发明一个较佳实施例中，在步骤s2中，判断目标区域内是否检测到芽叶的方法是在所述顶部识别模型识别到茶叶之后会返回检测目标框的顶部边界的垂直坐标top、检测目标框的右侧边界的水平坐标right、检测目标框的左侧边界的水平坐标left和检测目标框的底部边界的垂直坐标bottom，通过公式求得检测目标框的中心坐标（cx，cy），公式如下：

15、。

16、进一步的，在步骤s3中，通过坐标转化生成采摘坐标系下的坐标信息的方法是从像素坐标系转换到采摘坐标系，首先获取检测目标框的中心坐标（cx，cy）；然后获取图像的中心坐标，图像的宽度为img_width,高度为img_height，那么图像的中心坐标为（img_width/2，img_height/2）；再从像素坐标系转化到以相机中心为原点的坐标系，设转换后的坐标为（x1，y1），那么通过以下公式进行计算：

17、；

18、最后转换到采摘坐标系，采摘坐标下的采摘点的坐标为（x1-a，y1），其中a为相机中点距离顶部基座中心的水平距离。

19、在本发明一个较佳实施例中，所述排序算法是根据采摘坐标系下该坐标距离采摘执行器位置的远近进行排序，通过获取到芽叶的采摘坐标信息有（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc）、……、（xn，yn），采摘执行器的初始位置坐标为（x0，y0），设采摘目标点距离采摘执行器的距离为la、lb、lc、……、ln，那么通过以下公式进行计算：

20、；

21、根据计算所得的各个采摘点距离采摘执行器的距离，对该距离按照数值大小进行排序，筛选出数值最小的距离，将该距离所对应的位置坐标信息发送给采摘执行器。

22、本发明的有益效果是：本发明通过在顶部对茶叶的芽叶进行识别，并且采用二维图像处理的方式获取芽叶采摘点的二维坐标信息，利用芽叶采摘点的二维坐标信息结合传感器获取的其它信息完成对芽叶的采摘工作，从而避免了传统自动化采摘过程中在自然环境下使用深度相机获取深度信息不完整导致采摘点无效的问题，提高了自动化采摘在茶叶领域的可行性。

技术特征：

1.一种用于茶叶的采摘装置，其特征在于，包括围成框架结构的滑杆装置、架设滑杆装置的可移动架构、基座、识别装置、采摘执行器，基座安装在滑杆装置上，识别装置与采摘执行器安装在基座下部；

2.根据权利要求1所述的用于茶叶的采摘装置，其特征在于，所述滑杆装置包括四根滑杆轨道、四根单轴心导轨和四个电动滑块，四根单轴心导轨组成一个矩形滑轨安装在可移动架构的上方，四根滑杆轨道两两一组排列成十字穿过基座后安装在单轴心导轨的电动滑块上。

3.根据权利要求1所述的用于茶叶的采摘装置，其特征在于，所述末端执行器包括滑轮组、滑轮组牵拉装置、两个切割刀片牵拉装置和两个末端切割刀片，滑轮组由若干滑轮组成，顶部滑轮通过滑轮组牵拉装置与电动伸缩杆连接进行上下移动，每个切割刀片牵拉装置的一端固定在一个末端切割刀片中部的刀柄上、另一端放置在滑轮组的顶部滑轮上。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的用于茶叶采摘装置的采摘方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的采摘方法，其特征在于，所述采摘坐标系是一种二维坐标系，该坐标系将基座的中心点作为采摘坐标系的原点，与两组滑杆滑轨平行并且过原点的两条直线分别作为坐标系的x轴和y轴。

6.根据权利要求4所述的采摘方法，其特征在于，在步骤s2中，判断目标区域内是否检测到芽叶的方法是在所述顶部识别模型识别到茶叶之后会返回检测目标框的顶部边界的垂直坐标top、检测目标框的右侧边界的水平坐标right、检测目标框的左侧边界的水平坐标left和检测目标框的底部边界的垂直坐标bottom，通过公式求得检测目标框的中心坐标（cx，cy），公式如下：

7.根据权利要求6所述的采摘方法，其特征在于，在步骤s3中，通过坐标转化生成采摘坐标系下的坐标信息的方法是从像素坐标系转换到采摘坐标系，首先获取检测目标框的中心坐标（cx，cy）；然后获取图像的中心坐标，图像的宽度为img_width,高度为img_height，那么图像的中心坐标为（img_width/2，img_height/2）；再从像素坐标系转化到以相机中心为原点的坐标系，设转换后的坐标为（x1，y1），那么通过以下公式进行计算：

8.根据权利要求4所述的采摘方法，其特征在于，在步骤s3中，所述排序算法是根据采摘坐标系下该坐标距离采摘执行器位置的远近进行排序，通过获取到芽叶的采摘坐标信息有（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc）、……、（xn，yn），采摘执行器的初始位置坐标为（x0，y0），设采摘目标点距离采摘执行器的距离为la、lb、lc、……、ln，那么通过以下公式进行计算：

技术总结本发明公开了一种用于茶叶的采摘装置，包括围成框架结构的滑杆装置、架设滑杆装置的可移动架构、基座、识别装置、采摘执行器，基座安装在滑杆装置上，识别装置与采摘执行器安装在基座下部；所述识别装置包括相机支架、RGB相机，RGB相机通过相机支架安装在基座下部；所述采摘执行器包括电动伸缩杆、套筒、红外传感器、末端执行器，套筒安装在电动伸缩杆的下方，套筒内固定位置安装红外传感器，套筒的末端安装末端执行器。还公开了一种利用该采摘装置的采摘方法。通过上述方式，本发明能够提高茶叶的自动化采摘效率并且解决对于传统的茶叶采摘方法在真实的茶叶环境下会出现采摘点无效的问题。技术研发人员：王志强,张武,王权,郭龙,左冠鹏,张静,池震祥,刘俊受保护的技术使用者：安徽农业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5