ES2253135B2 - ARTIFICIAL VISION SYSTEM TO COLLECT SMALL FRUITS CULTIVATED IN ROWS. - Google Patents
ARTIFICIAL VISION SYSTEM TO COLLECT SMALL FRUITS CULTIVATED IN ROWS.Info
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Abstract
Sistema de visión artificial para recolectar pequeños frutos cultivados en hileras. Esta invención consiste en un sistema de visión que permite el guiado preciso de un dispositivo robótico (6) para la aprehensión, corte y depósito del fruto en el lugar deseado. El sistema designa con precisión el punto 3-D exacto al que dirigir el mecanismo terminal (7) que asirá el pedúnculo de una fruta madura y lo cortará por encima a la distancia prefijada, distinguiéndolo de los pedúnculos de otras frutas próximas que no se deben cortar. El sistema de visión básico está compuesto por: dos cámaras de color (1), una matriz de diodos láser ópticos puntuales (tipo spot) de bajo coste (2), montada sobre una plataforma (3) orientable en acimut y elevación, que se utilizará para orientar la matriz al ángulo deseado; y un diodo láser adicional (4), capaz de proyectar un haz óptico plano o en abanico.Artificial vision system to collect small fruits grown in rows. This invention consists of a vision system that allows the precise guidance of a robotic device (6) for the apprehension, cutting and deposition of the fruit in the desired place. The system accurately designates the exact 3-D point to which to direct the terminal mechanism (7) that will grab the peduncle of a ripe fruit and cut it over the predetermined distance, distinguishing it from the peduncles of other nearby fruits that are not due cut. The basic vision system is composed of: two color cameras (1), an array of low-cost spot laser diodes (spot type) (2), mounted on a platform (3) adjustable in azimuth and elevation, which is use to orient the matrix to the desired angle; and an additional laser diode (4), capable of projecting a flat or fan optical beam.
Description
Sistema de visión artificial para recolectar pequeños frutos cultivados en hileras.Artificial vision system to collect Small fruits grown in rows.
La invención se enmarca en el sector de los sistemas automatizados para uso en agricultura, y en concreto en el de sistemas robotizados, basados en visión artificial, para tareas de manipulación y recolección en horticultura.The invention is part of the sector of automated systems for use in agriculture, and specifically in the of robotic systems, based on artificial vision, for tasks of handling and harvesting in horticulture.
Es conocido el interés del sector de producción agraria por disponer de sistemas robotizados, automatizados o semiautomatizados, de recolección de frutos para diferentes modalidades de cultivo, incluyendo frutos en árbol, frutos cultivados en suelo o frutos cultivados en alto, como en los cultivos hidropónicos. Esta invención se refiere a la recolección de pequeños frutos delicados cultivados en alto, como, por ejemplo, fresas en cultivos hidropónicos de invernadero. En este tipo de cultivos, las plantas de fruto crecen en hileras, plantadas sobre un soporte físico, como por ejemplo canaletas plásticas, que se disponen longitudinalmente, a una altura variable sobre el suelo del invernadero. Los frutos crecen y maduran con el pedúnculo colgando hacia fuera del soporte de cultivo. En algunas instalaciones, las hileras se pueden subir o bajar a diferentes alturas, individualmente o por grupos, para facilitar el acceso a las plantas en las tareas de cultivo y recolección.The interest of the production sector is known agrarian for having automated, automated or robotic systems semi-automated, fruit collection for different cultivation modalities, including tree fruits, fruits grown in soil or fruits grown high, as in the hydroponic crops This invention relates to the collection of small delicate fruits grown high, such as Strawberries in hydroponic greenhouse crops. In this kind of crops, fruit plants grow in rows, planted on a physical support, such as plastic gutters, which disposed longitudinally, at a variable height above the floor of the greenhouse. The fruits grow and ripen with the hanging peduncle out of the culture support. In some facilities, the rows can be raised or lowered to different heights, individually or in groups, to facilitate access to plants in cultivation and harvesting tasks.
El problema tecnológico general a resolver es el de la concepción de un vehículo autónomo, dotado de los sistemas de visión y manipulación necesarios para efectuar una recolección cuidadosa de frutos delicados, con mínima asistencia humana. Para ser viable, el sistema ha de satisfacer al menos los siguientes tres requisitos:The general technological problem to solve is the of the conception of an autonomous vehicle, equipped with the systems of vision and manipulation necessary to carry out a collection careful of delicate fruits, with minimal human assistance. For To be viable, the system must satisfy at least the following three requirements:
Primero, ha de ser capaz de recolectar los frutos con extrema delicadeza, para garantizar su máxima duración y calidad. En particular, debe recolectar sin aprehender el fruto, y depositarlo en el recipiente de almacenado sin someterlo a ningún proceso que implique golpeos o rozamientos.First, it must be able to collect the fruits with extreme delicacy, to ensure maximum durability and quality. In particular, you should collect without apprehending the fruit, and deposit it in the storage container without subjecting it to any process that involves knocks or friction.
Segundo, para asegurar la eficiencia y rentabilidad de la labor, el sistema debe ser capaz de recoger todos los frutos maduros y no sólo los que son fácilmente identificables por estar aislados. Por ello, debe ser capaz de reconocer y aislar los frutos que crecen en racimos, debiéndose entender por racimo, a estos efectos, la concentración espacial de varios frutos. Asimismo, debe ser capaz de resolver el problema de las oclusiones, muy especialmente las que se producen por la ocultación parcial de frutos maduros recolectables por otros no maduros.Second, to ensure efficiency and profitability of the work, the system must be able to collect all ripe fruits and not only those that are easily Identifiable for being isolated. Therefore, you must be able to recognize and isolate fruits that grow in clusters, being understand by cluster, for these purposes, the spatial concentration of Various fruits It must also be able to solve the problem of occlusions, especially those produced by the partial concealment of ripe fruits harvested by others not mature.
Tercero, por la misma razón de eficiencia ha de ser capaz de recolectar los frutos a una velocidad razonablemente alta. En este contexto, debe entenderse por velocidad razonablemente alta aquélla que está limitada sólo por la capacidad de movimiento del dispositivo robótico seleccionado y no por las limitaciones de tiempo de adquisición, operación y procesado de los sistemas de detección y localización de frutos. Esta circunstancia impone unos requerimientos explícitos sobre el sistema de detección y localización.Third, for the same efficiency reason it has to be able to collect the fruits at a reasonable speed high. In this context, speed should be understood reasonably high one that is limited only by capacity of movement of the selected robotic device and not by limitations on acquisition, operation and processing time of fruit detection and location systems. This circumstance imposes explicit requirements on the detection system and location.
Pues bien, no existen dispositivos prácticos capaces de satisfacer estos tres requisitos simultáneamente en el grado deseado. La limitación principal se encuentra, hasta ahora, en el propio sistema de visión, entendiendo por tal el conjunto de medios y algoritmos cuya misión es la de detectar y localizar, con la precisión requerida, la posición del fruto maduro y, singularmente, de su pedúnculo en disposiciones de frutos en racimo. Las soluciones para frutas u hortalizas que crecen siempre aisladamente (pepino, berenjena, etc.) son inadecuadas para la recolección de frutos delicados que pueden crecer agrupados.Well, there are no practical devices capable of satisfying these three requirements simultaneously in the desired grade The main limitation is, so far, in the vision system itself, understanding as such the set of means and algorithms whose mission is to detect and locate, with the required precision, the position of the ripe fruit and, singularly, of his peduncle in provisions of fruits in cluster. The solutions for fruits or vegetables that always grow in isolation (cucumber, eggplant, etc.) are unsuitable for collection of delicate fruits that can grow together.
Los sistemas de visión propuestos para aplicaciones de recolección están preferentemente basados en el uso de una cámara, cuya salida se procesa para detectar por color, curvatura o forma la presencia del fruto y efectuar una primera localización en el plano de la imagen 2-D. Para determinar la tercera coordenada (profundidad o distancia del fruto al sistema de visión), la información 2-D de la cámara se complementa con la información de la tercera coordenada de rango (distancia), que suministra un dispositivo de medida de distancia. Este puede ser un dispositivo emisor-receptor de ultrasonidos o una pareja de dispositivos (emisor y receptor) de tipo láser operando en el infrarrojo o en el visible. Este es el fundamento, por ejemplo de los sistemas propuestos en las patentes JP8112021, JP2004180554, JP5174131, JP5168334, JP5168333. En la mayoría de los casos, la determinación de la distancia o el cálculo del mapa de distancias se realiza por triangulación, estimando el retardo o la diferencia de fase entre la señal emitida por el dispositivo emisor y la recibida en el receptor. Así, en la patente JP5168334 la radiación emitida por el emisor se deflecta con un espejo controlado mecánicamente, que enfoca la radiación hacia la zona a explorar, donde se refleja para ser captada por el dispositivo receptor u ojo electrónico. Conocida la geometría de la disposición, para cada ángulo de deflexión, una simple triangulación trigonométrica permite calcular la distancia del punto de reflexión. Lamentablemente, estos sistemas tienen una resolución espacial limitada, suficiente probablemente para algunas aplicaciones pero insuficiente para discriminar con la precisión requerida la posición de un pequeño fruto en un racimo y en especial la posición 3-D del pedúnculo. Cualquier aumento de resolución posible exige un proceso de deflexión más lento y en consecuencia una velocidad de operación más reducida en la recolección.The vision systems proposed for collection applications are preferably based on use of a camera, whose output is processed to detect by color, curvature or shape the presence of the fruit and make a first location in the plane of the 2-D image. For determine the third coordinate (depth or distance of the fruit to the vision system), the 2-D information of the camera is complemented with information from the third coordinate range (distance), which supplies a measuring device for distance. This can be a device. ultrasonic emitter-receiver or a couple of laser-type devices (transmitter and receiver) operating in the infrared or visible. This is the foundation, for example of the systems proposed in patents JP8112021, JP2004180554, JP5174131, JP5168334, JP5168333. In most cases, the distance determination or distance map calculation it is done by triangulation, estimating the delay or the difference phase between the signal emitted by the sending device and the Received at the receiver. Thus, in JP5168334 the radiation emitted by the emitter is deflected with a controlled mirror mechanically, which focuses the radiation towards the area to be explored, where it is reflected to be captured by the receiving device or eye electronic. Known layout geometry, for each deflection angle, a simple trigonometric triangulation It allows to calculate the distance of the reflection point. Unfortunately, these systems have a spatial resolution limited, probably enough for some applications but insufficient to discriminate with the required accuracy the position of a small fruit in a cluster and especially the position 3-D peduncle. Any increase in resolution possible demands a slower deflection process and consequently a lower operating speed in the collection.
En estos sistemas, la cámara y/o el medidor de distancia pueden estar fijos sobre el vehículo o ir montados en el extremo del brazo robótico recolector.In these systems, the camera and / or the meter distance can be fixed on the vehicle or mounted on the robotic arm end picker.
En otras propuestas ideadas específicamente para la recolección de frutos de tamaño medio o grande que crecen aislados (ver por ejemplo JP2001095348), el sistema de visión está constituido por dos cámaras que operan secuencialmente, una fija que analiza globalmente la escena completa y localiza el fruto en el plano 2-D y otra, montada en el extremo del manipulador, que guía al brazo a medida que éste se aproxima a su objetivo.In other proposals specifically designed for harvesting medium or large sized fruits that grow isolated (see for example JP2001095348), the vision system is constituted by two cameras that operate sequentially, a fixed one that analyze the whole scene globally and locate the fruit in the 2-D plane and another, mounted on the end of the manipulator, which guides the arm as it approaches its objective.
Otra solución teóricamente posible para resolver el problema podría pensarse que fuera la largamente conocida de la visión estereoscópica, consistente en disponer dos cámaras con visión solapada y con perspectivas ligeramente dispares de la escena. La posición 3-D desconocida de un punto dado en la escena se puede determinar a partir de sus posiciones 2-D en las imágenes captadas por las cámaras (proyecciones). Estos sistemas no parecen tener por el momento uso práctico en el tipo de recolección de nuestro interés, a pesar de permitir teóricamente una localización precisa en el espacio mediante una simple triangulación. Ello es debido a la dificultad práctica de identificar en las dos imágenes puntos correspondientes (asociados), es decir, sendos puntos 2-D que realmente corresponden al mismo punto 3-D de la escena.Another theoretically possible solution to solve the problem could be thought to be the long known of the stereoscopic vision, consisting of having two cameras with overlapping vision and with slightly different perspectives of the scene. The unknown 3-D position of a given point in the scene can be determined from their positions 2-D in the images captured by the cameras (projections). These systems do not seem to have at the moment use practical in the type of collection of our interest, despite theoretically allow precise location in space by a simple triangulation. This is due to the difficulty practice of identifying in the two images corresponding points (associated), that is, two 2-D points that really correspond to the same 3-D point of the scene.
Se insiste en que la etapa crítica de un sistema de recolección de frutos delicados, como la fresa, es la determinación tridimensional precisa del punto al que se ha de guiar el elemento terminal de corte del brazo manipulador, de manera que éste pueda operar con la máxima limpieza sólo en el punto designado sin necesidad de tocar los frutos y a la máxima velocidad posible. Esto implica la detección precisa de un punto dado del pedúnculo de cada una de las frutas maduras en la hilera recolectada. En la solicitud de patente P200501586/5 se propone un método basado en un láser óptico de línea para la designación y localización precisa de un punto de un pedúnculo aislado, una vez localizado el fruto. En esta invención, se resuelve el problema completo combinando el uso de láseres de spot para determinar la posición del fruto en un racimo con el de un láser de línea, que se apunta en sucesivas elevaciones para identificar y posicionar el pedúnculo deseado.It is insisted that the critical stage of a system The collection of delicate fruits, such as strawberry, is the precise three-dimensional determination of the point to be guided the terminal cutting element of the manipulator arm, so that it can operate with maximum cleaning only at the designated point no need to touch the fruits and at the maximum possible speed. This implies the precise detection of a given point of the peduncle of each of the ripe fruits in the row collected. In the Patent application P200501586 / 5 proposes a method based on a optical line laser for the precise designation and location of a point of an isolated peduncle, once located the fruit. In This invention, the whole problem is solved by combining the use of spot lasers to determine the position of the fruit in a cluster with that of a line laser, which is pointed in successive elevations to identify and position the desired peduncle.
El elemento terminal necesario para la recolección es uno del tipo prensil-cortador, constituido por un elemento en forma de pinza que agarra el pedúnculo en el punto designado y otro en forma de tijera que lo corta por encima a la distancia prefijada (como el mencionado, por ejemplo, en JP2004180554). Se hace notar que, para este tipo de recolección delicada, no son apropiados otros mecanismos cuya operación implique una agresión al fruto en cualquiera de las fases (como succión o tracción).The terminal element necessary for the collection is one of the prehensile-cutter type, constituted by a clamp-shaped element that grabs the peduncle at the designated point and another in the form of scissors that cut above the preset distance (as mentioned, by example, in JP2004180554). It is noted that, for this type of delicate collection, other mechanisms whose operation involves an aggression to the fruit in any of the phases (such as suction or traction).
Finalmente, la recolección en un invernadero en el que las plantas se cultivan en hileras paralelas dispuestas en alto requiere instalar los elementos de visión y recolección sobre un vehículo controlado por el propio sistema de visión, capaz de desplazarse longitudinalmente a lo largo del cultivo, de modo que el sistema de visión acceda sucesivamente a las escenas de recolección. El sistema podría desplazarse con tracción independiente sobre raíles dispuestos sobre el suelo o ir montado en una plataforma deslizante, que a su vez permita el acceso al conjunto de hileras del invernadero.Finally, harvesting in a greenhouse in which plants are grown in parallel rows arranged in high requires installing the vision and collection elements on a vehicle controlled by the vision system itself, capable of move longitudinally throughout the crop, so that the vision system successively access the scenes of harvest. The system could move with traction independent on rails arranged on the ground or be mounted on a sliding platform, which in turn allows access to set of rows of the greenhouse.
El núcleo de la invención se basa en un sistema de visión que permite el guiado preciso de un brazo robótico para la aprehensión, corte y posterior traslado y depósito delicado de cada pequeño fruto maduro en la posición designada de una bandeja o recipiente. El problema que permite resolver es el de designar con precisión el punto 3-D exacto al que dirigir el mecanismo terminal prensil-cortador que asirá el pedúnculo de una fruta madura y lo cortará por encima a la distancia prefijada. Las dos dificultades prácticas que resuelve esta invención son: primero, la de la detección y localización del fruto que se ha de recolectar, cuando éste se presenta en una agrupación espacial con otros frutos (racimo), y, por tanto, es difícilmente distinguible por métodos tradicionales basados sólo en color o forma; y, segundo, la de la determinación de un punto exacto de su pedúnculo, distinguiéndolo de los pedúnculos de otras frutas próximas que no se deben cortar. El sistema de control y procesado puede operar sobre un PC comercial y permite gestionar el brazo robótico aprovechando su máxima capacidad de movimiento. Tres ventajas con respecto a cualquier otra solución ideada hasta la fecha para este tipo de recolección precisa son:The core of the invention is based on a system of vision that allows precise guidance of a robotic arm to the apprehension, cutting and subsequent transfer and delicate deposit of each small ripe fruit in the designated position of a tray or container. The problem that allows solving is to designate with precision the exact 3-D point to which to direct the terminal mechanism prehensile-cutter that will grab the peduncle of a ripe fruit and cut it over to the preset distance The two practical difficulties it solves This invention is: first, the detection and location of the fruit to be collected, when it is presented in a spatial grouping with other fruits (cluster), and therefore is hardly distinguishable by traditional methods based only on color or shape; and, second, that of determining an exact point of your peduncle, distinguishing it from the peduncles of other fruits next not to be cut. The control and processing system It can operate on a commercial PC and allows you to manage your arm robotic taking advantage of its maximum movement capacity. Three advantages over any other solution devised until the Date for this type of accurate collection are:
1) Es capaz de designar con precisión del orden de 1 mm. la posición del punto de corte del pedúnculo de un fruto recolectable, incluso y especialmente en el caso de frutos que maduran en agrupaciones (por ejemplo, fresas), distinguiéndolo de los pedúnculos de otros frutos, maduros o no, en el mismo racimo. Por tanto, el sistema presenta una eficiencia de recolección óptima, en la medida en que es capaz de recolectar la mayoría de los frutos de las hileras (y no sólo los que crecen aislados).1) It is capable of accurately designating the order 1 mm the position of the cut point of the peduncle of a fruit collectible, even and especially in the case of fruits that ripen in clusters (for example, strawberries), distinguishing it from the peduncles of other fruits, ripe or not, in the same cluster. Therefore, the system has a collection efficiency optimal, to the extent that it is able to collect most of the fruits of the rows (and not only those that grow isolated).
2) Por otro lado, esta precisión permite utilizar un dispositivo de corte de tipo tijera; el fruto, por tanto, se puede asir y cortar por el pedúnculo, y transportarlo sin rozarlo a su punto de destino en la bandeja recolectora, lo que asegura una calidad única del fruto recolectado porque no es tocado o sometido a ninguna agresión en el proceso.2) On the other hand, this precision allows use a scissor cutting device; the fruit, for Therefore, it can be grasped and cut by the peduncle, and transported without brush it to its destination point in the collection tray, which ensures a unique quality of the fruit collected because it is not touched or subjected to any aggression in the process.
3) Finalmente, la velocidad de operación del sistema de visión y procesado es tal que el brazo robótico no tiene ningún tiempo de espera muerto, lo que supone la máxima velocidad de recolección (lo que no es posible con otros sistemas de visión).3) Finally, the operating speed of the vision and processing system is such that the robotic arm does not have no dead timeout, which means maximum speed collection (which is not possible with other systems of view).
El sistema de visión básico (Fig. 1) está compuesto por: dos cámaras CCD (1) en color dispuestas preferiblemente con los ejes paralelos apuntando a la región en la que están los frutos (5), una matriz (2) de diodos láser ópticos puntuales (tipo spot) de bajo coste (por ejemplo, lápices o punteros láser comerciales en una longitud de onda próxima a 650 nm.) montada sobre una plataforma orientable (3) del tipo pan-tilt (esto es, orientable en acimut y elevación), que se utilizará para orientar la matriz al ángulo deseado; y un diodo láser adicional (4), también sobre la plataforma, que proyecta un haz óptico plano en el instante y lugar designado. Este diodo comercial no es más que un diodo de spot, como los que constituyen la matriz, con una lente que esparce horizontalmente la luz para proyectar un haz en forma de abanico en vez de un punto o spot.The basic vision system (Fig. 1) is composed of: two color CCD cameras (1) arranged preferably with parallel axes pointing to the region in the that are the fruits (5), a matrix (2) of optical laser diodes punctual (spot type) of low cost (for example, pencils or commercial laser pointers at a wavelength close to 650 nm.) mounted on an adjustable platform (3) of the type pan-tilt (that is, orientable in azimuth and elevation), which will be used to orient the matrix to the angle wanted; and an additional laser diode (4), also on the platform, which projects a flat optical beam in the instant and place designated. This commercial diode is nothing more than a spot diode, like the ones that make up the matrix, with a lens that spreads horizontally the light to project a fan-shaped beam in instead of a point or spot.
La invención, como se muestra en la Fig. 2, junto con el manipulador robótico (6) dotado de un elemento terminal prensil-cortador (7), va instalada sobre un vehículo (8), que lleva adosado un remolque con bandejas (9) en las que se depositarán los frutos recolectados. El vehículo, como se muestra en la Fig. 3, se desliza sobre sendos rieles (10) en el suelo o montados en una plataforma (11) dispuesta en la misma dirección que las hileras de plantas (5a) y (5b) de las que penden los frutos que se desea recolectar.The invention, as shown in Fig. 2, together with the robotic manipulator (6) equipped with an element prehensile-cutter terminal (7), is installed on a vehicle (8), which carries a trailer with trays (9) attached to the that the collected fruits will be deposited. The vehicle, as is shown in Fig. 3, it slides on two rails (10) in the ground or mounted on a platform (11) arranged on it direction that the rows of plants (5a) and (5b) of which hang the fruits that you want to collect.
Con la plataforma fija en una determinada posición centrada entre dos hileras, el vehículo se va desplazando, a pasos sobre los rieles, de un lado al otro del invernadero, recogiendo en su camino de ida las frutas de una de las hileras (5a) y en su camino de vuelta las de la hilera simétrica (5b), o bien alternadamente en las dos hileras sólo en su camino de ida.With the platform fixed in a given centered position between two rows, the vehicle is moving, steps on the rails, from one side of the greenhouse to the other, picking the fruits of one of the rows on your way out (5th) and on its way back those of the symmetrical row (5b), or alternately in the two rows only on your way out.
Los sistemas auxiliares de alimentación, tracción y control de dispositivos y el ordenador de procesado y control se alojan en el interior del vehículo, así como el panel de selección de parámetros desde el que se prefijan los parámetros relacionados con el grado de madurez requerido para el corte, los calibres de clasificación, etc., de acuerdo con el tipo y variedad de fruto, las preferencias según la época, etc.Auxiliary feeding systems, traction and control of devices and the computer processing and control are housed inside the vehicle, as well as the panel of parameter selection from which the parameters are preferred related to the degree of maturity required for the cut, the classification gauges, etc., according to the type and variety fruit, preferences according to the time, etc.
En un modo de realización, el sistema lleva cuatro cámaras dispuestas en dos parejas estereoscópicas, utilizándose independientemente la pareja izquierda en la visión de la correspondiente hilera izquierda y la pareja de la derecha en la hilera simétrica de la derecha. En otro modo de realización, una única pareja de cámaras realiza la visión de ambas hileras, girando 180º solidariamente en el momento que se requiera, comandadas por el sistema de control.In one embodiment, the system carries four cameras arranged in two stereoscopic couples, independently using the left partner in the vision of the corresponding left row and the right partner in the symmetrical row on the right. In another embodiment, a only camera couple performs the vision of both rows, turning 180º in solidarity at the time required, commanded by The control system.
Las operaciones que se realizan en cada posición de recolección (vehículo estático) son las que se describen a continuación:The operations that are performed in each position of collection (static vehicle) are those described to continuation:
En primer lugar, el par de cámaras toma sendas imágenes de la escena; éstas se digitalizan y se almacenan en tiempo real. A continuación, se convierten las imágenes desde el formato RGB, en el que capturan las cámaras, al formato HSV, que es apropiado para realizar una segmentación eficiente de la escena.First, the pair of cameras takes paths scene images; these are digitized and stored in real time. Then, the images are converted from the RGB format, in which the cameras are captured, to the HSV format, which is appropriate for efficient segmentation of the scene.
La operación de segmentación consiste en identificar y aislar en las imágenes los píxeles que corresponden a las características del fruto, distinguiéndolos de aquellos otros que corresponden al resto (fondo, hojas, tallos, bolsas de plantación, etc). En general, es apropiado realizar una pre-segmentación basándose en el color y la tonalidad o saturación, trabajando sobre las coordenadas H y S. En cada píxel se determina si los valores de las coordenadas H y S corresponden a los que tiene el fruto maduro (por ejemplo, determinado rojo en el caso de la fresa), comprobando si se encuentran en los márgenes de valores especificados. Los valores de estos márgenes, que se pueden introducir y variar a través del panel de control, dependen de la variedad de la fruta y del grado de madurez especificado para la recolección. Este primer procesado elimina los píxeles cuyo color y saturación no se corresponden con los del fruto maduro.The segmentation operation consists of identify and isolate in the images the pixels that correspond to the characteristics of the fruit, distinguishing them from those others that correspond to the rest (bottom, leaves, stems, bags of plantation, etc.) In general, it is appropriate to perform a pre-segmentation based on color and hue or saturation, working on the coordinates H and S. In Each pixel determines whether the values of the H and S coordinates correspond to those with the ripe fruit (for example, determined red in the case of the strawberry), checking if found in the margins of specified values. The values of these margins, which can be entered and varied through the control panel, depend on the variety of fruit and grade of maturity specified for collection. This first processed removes pixels whose color and saturation do not correspond to those of the ripe fruit.
Una vez realizada esta pre-segmentación, cuyo resultado es una clasificación binaria de los píxeles de la escena en píxeles del color de la fruta y píxeles de otro color, se realiza un post-procesado, consistente en eliminar los píxeles que aparecen aislados (ruido), para quedarse sólo con aquellos píxeles agrupados en manchas o "blobs", es decir, grupos de píxeles conectados (vecinos) entre sí, que corresponden al fruto o a una agrupación de frutos en racimo.Once this is done pre-segmentation, whose result is a binary classification of the scene pixels in pixels of the fruit color and pixels of another color, a post-processing, consisting of eliminating pixels that appear isolated (noise), to stay only with those pixels grouped in spots or "blobs", that is, groups of connected pixels (neighbors) to each other, which correspond to the fruit or to a cluster of fruits in cluster.
El siguiente paso es calcular las coordenadas 3-D de determinados puntos singulares de la escena, con el objetivo último de determinar si los "blobs" corresponden a un fruto aislado o a un grupo. Para ello, primero se marcan puntos singulares en cada uno de los "blobs" 2-D de las dos imágenes estereoscópicas segmentadas, con el objeto de realizar el proceso de correspondencia (proceso de identificar, en cada una de las dos imágenes, los puntos 2-D que se corresponden con un mismo y único punto espacial de la escena 3-D). En el sistema de visión de esta invención, según muestra la Fig. 4, para cada "blob" (12) de cada una de las dos imágenes, se calcula la posición 2-D de su centroide (13) (centro geométrico en 2-D) y, trazando virtualmente sendas líneas horizontal y vertical que pasan por las coordenadas del centroide, se marcan también los cuatro puntos extremos del "blob": superior (14), inferior (15), derecho (16) e izquierdo (17), que servirán para determinar el tamaño del "blob" y si éste corresponde a una fruta aislada (y, en este caso, determinar su calibre) o a un racimo.The next step is to calculate the coordinates 3-D of certain singular points of the scene, with the ultimate goal of determining if the "blobs" They correspond to an isolated fruit or a group. To do this, first you mark singular points in each of the "blobs" 2-D of the two segmented stereoscopic images, in order to carry out the correspondence process ( identify, in each of the two images, the points 2-D that correspond to the same and single point space scene 3-D). In the vision system of this invention, as shown in Fig. 4, for each "blob" (12) of each of the two images, the position is calculated 2-D of its centroid (13) (geometric center in 2-D) and, drawing virtually two lines horizontal and vertical that pass through the centroid coordinates, the four extreme points of the "blob" are also marked: upper (14), lower (15), right (16) and left (17), which they will be used to determine the size of the "blob" and if it corresponds to an isolated fruit (and, in this case, determine its caliber) or to a cluster.
A continuación se realiza la correspondencia entre los centroides 2-D de todos los "blobs" de las dos imágenes, es decir, se determinan las parejas de centroides correspondientes al mismo punto espacial (aproximado). Para realizar la correspondencia de los centroides se puede utilizar cualquier método conocido. En nuestra invención, al punto centroide de una imagen se hace corresponder en la otra aquél que está a la misma altura (coordenada Y) y cuya disparidad en X (diferencia de sus coordenadas X) es compatible con la geometría de las cámaras para la distancia de visión media. Establecida la correspondencia entre los centroides, y por tanto entre los "blobs", se calculan las coordenadas reales en el espacio 3-D del centro aparente del "blob" (centroide). También se calculan, en el espacio 3-D, los puntos correspondientes a los puntos extremos del "blob" antes marcados (superior, inferior, etc.). La reconstrucción 3-D de un punto a partir de sus proyecciones estereoscópicas es un problema trivial de solución conocida, que en el caso real requiere únicamente conocer la matriz de transformación correspondiente a las cámaras del sistema estéreo, que se calcula en un proceso previo de calibración.Then the correspondence is made between the 2-D centroids of all the "blobs" of the two images, that is, the pairs of centroids corresponding to the same spatial point (approximate). To make the correspondence of the centroids you can Use any known method. In our invention, to the point centroid of one image is matched in the other one that is at the same height (coordinate Y) and whose disparity in X (difference of its X coordinates) is compatible with the geometry of the cameras for the average viewing distance. Established the correspondence between the centroids, and therefore between "blobs", the actual coordinates in space are calculated 3-D of the apparent center of the "blob" (centroid). They are also calculated, in the 3-D space, the points corresponding to the extreme points of the "blob" before marked (upper, lower, etc.). Reconstruction 3-D of a point from its projections Stereoscopic is a trivial problem of known solution, which in the real case requires only knowing the matrix of transformation corresponding to the stereo system cameras, which is calculated in a previous calibration process.
Obviamente, las posiciones 3-D calculadas se han de referir a un origen de coordenadas fijo, que se puede tomar en cualquier punto del sistema robótico o del vehículo. En un prototipo de esta invención se ha tomado como origen de coordenadas el punto medio central entre las cámaras, en el plano en el que se fijan mecánicamente (sobre el vehículo). Este punto se habrá de fijar en el proceso de calibración y será asimismo el origen de coordenadas al que se referirá el movimiento del brazo robótico y de la plataforma pan-tilt.Obviously, 3-D positions calculated must refer to a fixed coordinate origin, which it can be taken anywhere in the robotic system or the vehicle. In a prototype of this invention it has been taken as coordinate origin the central midpoint between the cameras, in the plane in which they are fixed mechanically (on the vehicle). This point will be set in the calibration process and will also be the origin of coordinates to which the arm movement will refer robotic and pan-tilt platform.
Una vez determinadas las posiciones 3-D de los puntos característicos de cada "blob" de la escena (centroide y extremos), se analiza cada uno de los "blobs" de forma secuencial de izquierda a derecha (o de derecha a izquierda), del modo que se describe a continuación.Once the positions have been determined 3-D of the characteristic points of each "blob" of the scene (centroid and extremes), each one of the "blobs" sequentially from left to right (or from right to left), as described in continuation.
Primeramente se determina si el "blob" corresponde a una sola fruta aislada o a varias agrupadas. Para ello se comparan las distancias en 3-D entre el punto superior y el punto inferior y entre el punto derecho y el punto izquierdo del "blob", respectivamente con los valores de referencia diametrales del tipo de fruto que se recolecta (que previamente se han introducido en el panel de control y que dependen del tipo de variedad del fruto).First it is determined if the "blob" corresponds to a single isolated fruit or several grouped. For this compares the distances in 3-D between the upper point and lower point and between the right point and the left point of the "blob", respectively with the values of diametral reference of the type of fruit that is collected (which previously they have been introduced in the control panel and that they depend on the type of variety of the fruit).
Si la comparación es consistente con la hipótesis de que el "blob" corresponde a un único fruto aislado, las medidas tomadas se utilizan directamente para estimar el calibre de la fruta para su posterior clasificación, y se procede a determinar si su grado de madurez es el deseado para su recolección; para ello se calcula el porcentaje de píxeles para los que las coordenadas H y S toman valores entre los prefijados para la fruta madura.If the comparison is consistent with the hypothesis that the "blob" corresponds to a single fruit isolated, the measures taken are used directly to estimate the caliber of the fruit for later classification, and it it proceeds to determine if its degree of maturity is the one desired for its harvest; for this the percentage of pixels for the that the coordinates H and S take values between the preset ones for the mature fruit.
Si el porcentaje es inferior al especificado (seleccionable en el panel de control), la fruta se clasifica como no madura y se pasa a analizar otro "blob".If the percentage is lower than specified (selectable in the control panel), the fruit is classified as does not mature and goes on to analyze another "blob".
Si el porcentaje es superior al especificado, la fruta se clasifica como madura y se ha de ordenar al brazo dirigir su dispositivo prensil-cortador a un punto del pedúnculo de la fruta. La pinza agarrará el pedúnculo, el dispositivo en tijera lo cortará por encima y trasladará el fruto a la bandeja designada donde la depositará en el receptáculo que corresponda, de acuerdo con su calibre.If the percentage is higher than specified, the fruit is classified as ripe and has to be ordered to direct the arm your pre-cutter device to a point of Fruit peduncle. The clamp will grab the peduncle, the scissor device will cut it over and transfer the fruit to the designated tray where you will deposit it in the receptacle that correspond, according to your caliber.
Para ello, en general, es imprescindible detectar antes con precisión la posición del pedúnculo. Esto es cierto incluso cuando el fruto maduro está aislado porque puede haber en las proximidades pedúnculos de otros frutos (no maduros y, por tanto, no detectados) que no se han de cortar. La detección precisa de pedúnculo se describe más abajo.For this, in general, it is essential detect with precision the position of the peduncle. This is true even when the ripe fruit is isolated because it can be in the vicinity peduncles of other fruits (immature and, therefore, not detected) that should not be cut. The detection Precise peduncle is described below.
Si se determinara que el "blob" no corresponde a una única fruta madura aislada, pasa a tratarse como una agrupación de varias en racimo. En tal caso, se inicia el procedimiento para individualizar en el racimo las frutas una a una sucesivamente, empezando por aquélla que está más próxima al sistema de visión.If it is determined that the "blob" does not corresponds to a single isolated ripe fruit, it is treated as a grouping of several in cluster. In that case, the procedure to individualize the fruits one by one in the cluster successively, starting with the one that is closest to the vision system
Para ello, comandando la plataforma pan-tilt, se orienta la matriz de diodos láser hacia la agrupación de frutos, usando como referencia de orientación del eje de la matriz las coordenadas 3-D del centroide del "blob" calculado previamente. La lógica de control de encendido/apagado de los láseres hace que éstos generen una retícula de puntos de luz láser (marcas o spots) sobre el "blob" de frutos, como muestra la Fig. 5, durante un breve espacio de tiempo, durante el que la escena es captada por el sistema estereoscópico de cámaras. El siguiente paso es el de determinar con precisión la posición 3-D de cada uno de los puntos de luz (18) de la retícula en el grupo de frutos (19). Las marcas de luz tienen un diámetro a la distancia de recolección típica de entre un milímetro y milímetro y medio. En cada una de las dos imágenes bidimensionales tomadas por las cámaras, se aíslan las marcas, usando por ejemplo un algoritmo de segmentación similar al descrito para la pre-segmentación de "blobs". En aquel caso se comparaban las coordenadas H y S con los umbrales deseados. En este caso, los píxeles que corresponden a la marca en cada proyección se pueden detectar comparando sus valores de V con un umbral mínimo, aprovechando que la marca tiene una luminosidad considerablemente más alta que el resto de la escena. Otra opción, aún más simple, es realizar una operación de sustracción en la coordenada V de la imagen iluminada por los láseres y la imagen sin iluminar. El resultado es una imagen en la que sólo quedan las marcas de los láseres, directamente segmentadas.To do this, commanding the platform pan-tilt, the laser diode array is oriented towards the grouping of fruits, using as reference guidance of the matrix axis the 3-D coordinates of the centroid of the "blob" calculated previously. The control logic of turning on / off lasers causes them to generate a grid of laser light points (marks or spots) on the "blob" of fruits, as shown in Fig. 5, for a short time, during which the scene is captured by the stereoscopic system of cameras. The next step is to accurately determine the 3-D position of each of the light points (18) of the reticle in the group of fruits (19). The light marks have a typical collection distance diameter between millimeter and millimeter and a half. In each of the two images two-dimensional taken by the cameras, the marks are isolated, using for example a segmentation algorithm similar to that described for pre-segmentation of "blobs". In that In this case, the H and S coordinates were compared with the desired thresholds. In this case, the pixels that correspond to the brand in each projection can be detected by comparing its V values with a minimum threshold, taking advantage of the fact that the brand has a luminosity considerably higher than the rest of the scene. Another option, even simpler, is to perform a subtraction operation in the V coordinate of the image illuminated by lasers and the image without to illuminate. The result is an image in which only the Lasers marks, directly segmented.
Segmentadas las marcas, se calculan sus centroides 2-D en ambas imágenes por el procedimiento descrito más arriba, se realiza la correspondencia entre ellos en las dos imágenes por el procedimiento también descrito y se realiza la reconstrucción 3-D de la marca sobre el grupo de frutos. Se tiene así un mapa de puntos tridimensionales sobre la superficie de la agrupación de frutos.Segmented brands, their 2-D centroids in both images by the procedure described above, correspondence is made between them in the two images by the procedure also described and the 3-D reconstruction of the mark on the group of fruits. There is a point map three-dimensional on the surface of the grouping of fruits.
Cuantas más marcas láser haya en una agrupación, mejor será la representación 3-D de la misma. Sin embargo, a mayor número de marcas, más difícil será el proceso de correspondencia entre las dos imágenes. Para facilitar el proceso de correspondencia entre las dos imágenes sin renunciar a una buena representación 3-D de la agrupación, se pueden utilizar láseres de diferente color (longitud de onda) intercalados: de este modo, utilizando, además de la coordenada V, la coordenada de color H, sólo habrá que realizar la correspondencia de aquellas marcas que tengan el mismo color.The more laser marks in a group, the 3-D representation of it will be better. Without However, the greater the number of brands, the more difficult the process of correspondence between the two images. To facilitate the process of correspondence between the two images without giving up a good 3-D representation of the grouping, can be use different color lasers (wavelength) interspersed: in this way, using, in addition to the V coordinate, the coordinate of color H, only the correspondence of those brands that have the same color.
Sobre el mapa de puntos tridimensionales obtenido se realiza el siguiente procesado para estimar la posición de cada uno de los frutos a recolectar: primero, se toma aquel mas próximo al sistema de visión. A continuación se determina cuáles de los puntos 3-D adyacentes a aquel en la retícula corresponden al mismo fruto, sin más que calcular las distancias tridimensionales entre ellos y descartando aquéllos cuya distancia sea superior a un número relacionado con el calibre del fruto.About the map of three-dimensional points obtained the following processing is performed to estimate the position of each of the fruits to be collected: first, that more is taken next to the vision system. Next, determine which of 3-D points adjacent to that in the grid correspond to the same fruit, without calculating the distances three-dimensional between them and discarding those whose distance is greater than a number related to the size of the fruit.
Determinados los puntos 3-D de la retícula que pertenecen al mismo fruto, se tiene localizada, con precisión del orden del cm., la posición del fruto en el racimo. En concreto, se puede determinar la posición 3-D aproximada del punto superior del fruto, promediando la coordenada x (lateral) de todos los puntos que pertenecen a ese fruto y tomando las coordenadas y (altura) y z (profundidad) del punto de la fruta que tenga una coordenada y (altura) mayor. Este punto se corresponderá aproximadamente con el lugar donde nace el pedúnculo del fruto. Se procede entonces a localizar su pedúnculo con precisión del orden del milímetro.Determined the 3-D points of the grid that belong to the same fruit, is located, with precision of the order of cm., the position of the fruit in the cluster. In concrete, the 3-D position can be determined approximate of the top point of the fruit, averaging the coordinate x (lateral) of all points belonging to that fruit and taking the y (height) and z (depth) coordinates of the point of the fruit that has a coordinate and (height) greater. This point is will correspond approximately to the place where the peduncle is born of the fruit Then proceed to locate your peduncle with millimeter order accuracy.
Para detectar con precisión el pedúnculo, esta invención extiende el método descrito en P200501586/5 para detección de pedúnculos aislados. Para ello, de nuevo controlando la plataforma de pan-tilt sobre la que se ubica también el láser de línea (4), se dirige éste para que proyecte la línea láser (20) aproximadamente a 1 cm. por encima de la parte superior de la fruta, usando como referencia la posición 3-D del punto superior del fruto calculada como se describe más arriba, de forma que la línea intercepte un punto (21) del pedúnculo (22), como muestra la Fig. 6. Una vez orientado según el eje deseado, la lógica de control del diodo de línea lo alimenta, éste proyecta el haz (23) y aparece explícitamente un spot (21) aislado en el punto iluminado del pedúnculo. Si el pedúnculo estuviera aislado (no hubiera pedúnculos próximos) se adquiriría la escena con las cámaras, este spot único se segmentaría, se correspondería en las dos imágenes y se reconstruiría su posición 3-D, teniendo así las coordenadas casi exactas del punto del pedúnculo al que se ha de dirigir el mecanismo prensil-cortador.To accurately detect the peduncle, this invention extends the method described in P200501586 / 5 to Detection of isolated peduncles. To do this, again controlling the pan-tilt platform on which it is also located the line laser (4), this one is directed to project the line laser (20) approximately 1 cm. above the top of the fruit, using the 3-D position as a reference from the top point of the fruit calculated as described above, so that the line intercepts a point (21) of the peduncle (22), as shown in Fig. 6. Once oriented along the desired axis, the Line diode control logic feeds it, it projects the beam (23) and a spot (21) isolated explicitly appears at the point Illuminated peduncle. If the peduncle were isolated (no there would be peduncles next) the scene would be acquired with the cameras, this unique spot would be segmented, would correspond in the two images and its 3-D position would be rebuilt, thus having the almost exact coordinates of the point of the peduncle to which the mechanism is to be directed prehensile cutter.
En la práctica, el pedúnculo objetivo está o puede estar próximo a otros de otras frutas (del racimo o de otras no maduras no detectadas) y, por tanto, la iluminación con el láser de línea genera varias marcas (una por pedúnculo). Para determinar cuál es el pedúnculo objetivo se repite la iluminación en sucesivos ángulos de elevación, como se ilustra en la Fig. 7, de forma que se genera una traza de marcas (24) por cada uno de los pedúnculos presentes. El pedúnculo que se ha de cortar es aquél para el que una extrapolación simple de la traza de marcas pase más cerca del punto superior del fruto a recolectar, cuya posición 3-D se había calculado previamente.In practice, the target peduncle is or it may be close to others of other fruits (of the cluster or of other immature not detected) and, therefore, laser lighting Line generates several brands (one per peduncle). To determine what is the target peduncle the illumination is repeated in successive elevation angles, as illustrated in Fig. 7, so that generates a trace of marks (24) for each peduncle present. The peduncle to be cut is the one for which a simple extrapolation of the trace marks pass closer to the point superior of the fruit to be collected, whose 3-D position It had been previously calculated.
Al punto deseado del pedúnculo, precisamente determinado por el procedimiento anterior, se dirige la pinza, que agarra el pedúnculo suavemente y separa fraccionalmente el fruto del racimo para aislarlo del resto de frutos. No queda sino tratarlo como un fruto aislado del modo descrito más arriba para frutos aislados: se determina su grado de madurez y su calibre y, en caso de que proceda cortarlo, se corta y se deposita en la correspondiente bandeja receptora. Caso contrario, se suelta suavemente y se repite la operación completa en otra región del "blob".To the desired point of the peduncle, precisely determined by the previous procedure, the clamp is directed, which grab the peduncle gently and divide the fruit fractionally from the cluster to isolate it from the rest of the fruits. There is nothing left treat it as an isolated fruit as described above to isolated fruits: its degree of maturity and its size are determined and, in case it is necessary to cut it, it is cut and deposited in the corresponding receiving tray. Otherwise, it is released smoothly and the entire operation is repeated in another region of the "blob."
Después de cada corte de fruto, se repite la operación sobre el "blob" desde el principio, identificando, localizando, clasificando y cortando, en su caso, las otras frutas del racimo, posiblemente ocluidas en las imágenes tomadas previamente. El proceso se continúa hasta que no queden frutos en el racimo o hasta que las que queden no se hayan de recolectar porque no han alcanzado el punto de madurez deseado.After each cut of fruit, the operation on the "blob" from the beginning, identifying, locating, classifying and cutting, where appropriate, the other fruits of the cluster, possibly occluded in the images taken previously. The process continues until there are no fruits left in the cluster or until the remaining ones are not collected because they have not reached the desired maturity point.
Una vez recolectados todos los frutos en todos los "blobs" de la escena, el vehículo se desplaza longitudinalmente sobre la plataforma la distancia necesaria para que las cámaras capten una escena adyacente sobre la hilera en recolección.Once collected all the fruits in all the "blobs" of the scene, the vehicle moves longitudinally on the platform the distance necessary to that the cameras capture an adjacent scene on the row in harvest.
El modo de realizar el patrón de iluminación de los láseres de la matriz admite diversas variantes, todas ellas viables. A modo de ejemplo, esta parte de la invención se puede realizar:How to perform the lighting pattern of the lasers of the matrix admits several variants, all of them viable. By way of example, this part of the invention can be perform:
- utilizando un único lápiz láser que, instalado sobre la plataforma orientable, se deflecta mecánicamente de forma sucesiva, y se ilumina de forma sincronizada con el sistema de visión-captación. En cada posición se ilumina la marca correspondiente y la pareja de cámaras toma las proyecciones de la escena, permitiendo una correspondencia unívoca de los puntos de cada imagen.- using a single laser pen that, installed on the adjustable platform, it is mechanically deflected successively, and lights up synchronously with the system vision-capture. In each position the corresponding mark and the camera couple takes the projections of the scene, allowing a unique correspondence of the points of each image
A pesar de la simplificación en la correspondencia de los spots, este modo de operación no es el recomendado, porque ralentiza innecesariamente el proceso de reticulación al requerir una deflexión mecánica, suponiendo a cambio una ligera ventaja económica.Despite the simplification in the Correspondence of the spots, this mode of operation is not the recommended, because it unnecessarily slows the process of crosslinking by requiring mechanical deflection, assuming I change a slight economic advantage.
- utilizando una matriz de láseres que se iluminan secuencialmente a la misma velocidad 0 que la de captación de las cámaras que toman las sucesivas imágenes de los spots proyectados sobre el racimo. La correspondencia entre los puntos de las dos proyecciones es también directa porque en cada par de imágenes solamente aparece una marca cada vez.- using a matrix of lasers that light sequentially at the same speed 0 as the pickup of the cameras that take the successive images of the spots projected on the cluster. The correspondence between the points of the two projections is also direct because in each pair of images only one mark appears at a time.
- utilizando, como se ha descrito, una matriz de láseres con la misma disposición, pero iluminando todos ellos simultáneamente y realizando una correspondencia multipunto. En este caso, si se desea facilitar los algoritmos de correspondencia e identificar rápidamente cada par, los láseres pueden alternar de color (rojo, verde, azul, etc.), o bien ser del mismo color pero de diferente potencia, para que el diferente brillo de cada spot permita discriminarlos por intensidad.- using, as described, a matrix of lasers with the same arrangement, but illuminating all of them simultaneously and making a multipoint correspondence. In In this case, if you wish to provide the correspondence algorithms and quickly identify each pair, lasers can alternate from color (red, green, blue, etc.), or be the same color but of different power, so that the different brightness of each spot allow discrimination by intensity.
Finalmente, el láser de línea puede ir instalado en la mano del brazo robótico en lugar de integrado en la plataforma pan-tilt. En ese caso el apuntamiento se controla orientando adecuadamente el brazo. El encendido puede realizarse en el momento que se desee (por ejemplo, se puede guiar primero el brazo hacia los frutos y encender el láser cuando la mano esté próxima).Finally, the line laser can be installed in the hand of the robotic arm instead of integrated into the pan-tilt platform. In that case the aim is control by properly orientating the arm. The ignition can be performed at the time you want (for example, you can guide first arm towards the fruits and turn on the laser when the hand be next).
Fig.1 Elementos principales del sistema de visión. Las dos cámaras CCD (1) apuntan a la zona donde están los frutos (5) para captar la escena y la matriz de láseres puntuales (2) y el láser de línea (4), montados sobre la plataforma orientable (3), se apuntarán hacia la zona indicada en cada caso.Fig. 1 Main elements of the system view. The two CCD cameras (1) point to the area where the fruits (5) to capture the scene and the matrix of point lasers (2) and the line laser (4), mounted on the adjustable platform (3), they will point to the area indicated in each case.
Fig.2 Vista esquemática del vehículo (8) sobre el que se colocará el sistema de visión (compuesto por las cámaras (1), la plataforma orientable (3), la matriz de láseres puntuales (2) y el láser de línea (4)) y el brazo robótico (6) dotado de un terminal prensil-cortador (7), que se encargará de recolectar los frutos que indique el sistema de visión. El vehículo lleva adosado un remolque con bandejas (9) donde se depositarán los frutos recolectados.Fig. 2 Schematic view of the vehicle (8) on which will be placed the vision system (composed of cameras (1), the adjustable platform (3), the matrix of point lasers (2) and the line laser (4)) and the robotic arm (6) equipped with a prehensile-cutter terminal (7), which will handle collect the fruits indicated by the vision system. The vehicle it has attached a trailer with trays (9) where the harvested fruits
Fig.3 Vista esquemática en perspectiva del movimiento del vehículo (8) sobre los raíles (10) de la plataforma (11) en relación a la disposición de los frutos a recolectar (5a) y (5b).Fig. 3 Schematic perspective view of the movement of the vehicle (8) on the rails (10) of the platform (11) in relation to the disposition of the fruits to be collected (5th) and (5b).
Fig.4 Ejemplo de imagen obtenida tras la pre-segmentación y post-procesado en la que se observan varios "blobs" (12) de distinto tamaño. Se indican los puntos centroide (13), superior (14), inferior (15), derecho (16) e izquierdo (17) de cada uno de ellos, a partir de los cuales se estima su tamaño.Fig. 4 Example image obtained after pre-segmentation and post-processing in which shows several "blobs" (12) of different sizes. Be indicate the centroid points (13), upper (14), lower (15), right (16) and left (17) of each of them, from the which is estimated its size.
Fig.5 Ejemplo de la retícula de puntos (18) que proyecta la matriz de láseres sobre una agrupación (19) de frutos en racimo.Fig. 5 Example of the grid of points (18) that projects the matrix of lasers on a group (19) of fruits in cluster.
Fig.6 Vista esquemática en perspectiva del fundamento de operación del láser de línea. La luz en abanico (23) emitida por el láser de línea (4) que es interceptada por el pedúnculo (22) genera un punto aislado (21) sobre éste.Fig. 6 Schematic perspective view of the Basis of operation of the line laser. Fan light (23) emitted by the line laser (4) that is intercepted by the Peduncle (22) generates an isolated point (21) on it.
Fig.7 Perfil (a) y alzado (b) de la iluminación en sucesivos ángulos de elevación que realiza el láser de línea (4). Se indica la traza de puntos (24) que produce en cada pedúnculo este procedimiento.Fig. 7 Profile (a) and elevation (b) of the lighting in successive elevation angles that the line laser performs (4). The trace of points (24) produced in each peduncle this procedure.
Fig.8 Esquema de la caja (25) en la que se coloca la matriz de láseres (2) y el láser de línea (4) en un modo de realización.Fig. 8 Diagram of the box (25) in which place the laser array (2) and the line laser (4) in a mode of realization.
Fig.9 Esquema del brazo robótico (6) en el que se muestran los accesorios terminales de agarre (26) y corte (27).Fig. 9 Schematic of the robotic arm (6) in which the grip terminal accessories (26) and cut are shown (27).
Fig.10 Ejemplo de disposición posible en el interior del vehículo (8). En él se sitúan la unidad controladora del brazo (28), los alimentadores de las cámaras (29), las controladoras de las plataformas (30), el PC de control (31) con el panel de selección de parámetros, compuesto por el propio teclado (32) del ordenador y una pantalla TFT plana abatible convencional (33), y el cableado (34).Fig. 10 Example of possible arrangement in the vehicle interior (8). The controller unit is located there of the arm (28), the feeders of the cameras (29), the platform controllers (30), the control PC (31) with the Parameter selection panel, consisting of the keyboard itself (32) of the computer and a conventional flip-up flat TFT screen (33), and wiring (34).
Fig.11 Esquema de interconexiones e intercambio de señales entre los distintos bloques del sistema.Fig. 11 Interconnection and exchange scheme of signals between the different blocks of the system.
Todos los elementos necesarios para realizar esta invención están disponibles, comercialmente listos para ser integrados; los algoritmos necesarios para realizar las operaciones de visión pueden codificarse siguiendo las instrucciones detalladas en la sección anterior. Los algoritmos para controlar los movimientos del brazo robótico están disponibles en la literatura abierta como métodos de cinemática inversa para controlar robots de varios grados de libertad y es común además que los suministre el propio fabricante.All the necessary elements to perform this invention are available, commercially ready to be integrated; the algorithms necessary to perform the operations of vision can be encoded following detailed instructions in the previous section. The algorithms to control robotic arm movements are available in the literature open as reverse kinematics methods to control robots from various degrees of freedom and it is also common to be provided by the own manufacturer.
Como ejemplo de modo de realización concreta de la invención se tomará el caso de sistema de visión compuesto sólo por dos cámaras dispuestas para realizar la visión lateral con respecto a la línea de movimiento del vehículo y montadas sobre una plataforma giratoria con capacidad de girar sobre sí misma 180º para que las cámaras puedan realizar la visión lateral en la línea opuesta. En esta realización, la recolección se realiza primero en una línea de cultivo desde un lado del invernadero (principio) al otro (final). Luego, girando las cámaras, en el camino de vuelta (de final a principio), se realiza la recolección en la línea opuesta.As an example of a concrete embodiment of the invention will take the case of compound vision system only by two cameras arranged to perform lateral vision with with respect to the line of movement of the vehicle and mounted on a turntable with 180º capacity to turn on itself that the cameras can realize the lateral vision in the line opposite. In this embodiment, the collection is done first in a crop line from one side of the greenhouse (beginning) to other (final). Then, turning the cameras, on the way back (from end to beginning), collection is done on the line opposite.
Los láseres (los puntuales y el de línea) se pueden elegir entre los abundantes disponibles comercialmente. Una opción recomendable es seleccionarlos en una longitud de onda próxima a 650 nm, por su bajo coste. Los láseres, encapsulados con su lente en un dispositivo cilíndrico, se disponen en forma de matriz como se indica a modo de ilustración en la Fig. 8, en la que aparecen dispuestos en una geometría de 3 filas y 7 columnas (21 láseres de spot). Se hace notar que la configuración de láseres debe elegirse en función de las características de cultivo y en especial en función del tamaño máximo de los racimos de frutos. La matriz de láseres (2) se dispone en una caja (25), en la que se puede alojar también el láser de línea (4). Los láseres se controlan individualmente con la lógica de encendido/apagado, que no es más que una lógica que alimenta o no a cada uno de los láseres, según indique el control central del PC.Lasers (punctual and line) are They can choose from the abundant commercially available. A Recommended option is to select them at a wavelength close to 650 nm, due to its low cost. Lasers, encapsulated with its lens in a cylindrical device, are arranged in the form of matrix as indicated by way of illustration in Fig. 8, in which they appear arranged in a geometry of 3 rows and 7 columns (21 spot lasers). It is noted that the laser configuration should be chosen based on the characteristics of the crop and in special depending on the maximum size of the fruit clusters. The matrix of lasers (2) is arranged in a box (25), in which It can also accommodate the line laser (4). Lasers are controlled individually with the logic on / off, which is no more that a logic that feeds or not to each of the lasers, according to indicate the central control of the PC.
La caja con la matriz de láseres va fijada sobre una plataforma pan-tilt controlada mediante interfaz RS232 desde el PC de control sincronizadamente con el resto del sistema de visión.The box with the matrix of lasers is fixed on a pan-tilt platform controlled by RS232 interface from the control PC synchronously with the rest of the vision system.
El vehículo, con el remolque adosado que transporta el sistema de bandejas, se dispone sobre los rieles de la plataforma. El vehículo se desplaza longitudinalmente, recolectando los frutos sobre la plataforma, del modo indicado más arriba.The vehicle, with the attached trailer that transports the tray system, is arranged on the rails of the platform. The vehicle travels longitudinally, gathering the fruits on the platform, as indicated more above.
El movimiento se realiza por la acción de un servomotor que actúa de forma convencional sobre el sistema de tracción del vehículo y cuyo desplazamiento en cada paso se determina por el campo de visión de las cámaras elegidas, de manera que en la posición siguiente la visión de las cámaras sea adyacente a la anterior. La orden de movimiento la da el PC de control, a través de la controladora del servomotor, en el momento en que se termina la recolección de cada escena. Al final del pasillo de recolección, se dispone un simple interruptor que se activa al ser alcanzado por una de las ruedas del vehículo, indicando que ha alcanzado el final del pasillo e invirtiendo el sentido del movimiento del vehículo y girando 180º la plataforma de las cámaras. La operación de recolección se realiza entonces en la línea de cultivo gemela en la dirección contraria hasta que el vehículo alcanza el principio del invernadero.The movement is performed by the action of a servo motor acting conventionally on the system vehicle traction and whose displacement at each step is determined by the field of vision of the cameras chosen, so that in the next position the vision of the cameras is adjacent to the previous one. The movement order is given by the control PC, to through the servomotor controller, at the moment when The collection of each scene ends. At the end of the hall collection, there is a simple switch that activates when reached by one of the wheels of the vehicle, indicating that it has reached the end of the hall and reversing the sense of vehicle movement and rotating the camera platform 180º. The collection operation is then performed on the line of twin crop in the opposite direction until the vehicle It reaches the beginning of the greenhouse.
Es evidente que la filosofía de movimiento entre las hileras puede ejecutarse de varias formas dependiendo de la geometría del invernadero.It is clear that the philosophy of movement between the rows can be executed in several ways depending on the greenhouse geometry
En la parte superior del vehículo se dispone la plataforma giratoria con las cámaras paralelas, y con el ángulo de elevación necesario para que capten las escenas de recolección. La plataforma pan-tilt sobre la que va fijada la matriz de láseres y el láser de línea se dispone de forma que sea capaz de ser dirigida a un lado o al otro.In the upper part of the vehicle the turntable with parallel cameras, and with the angle of elevation necessary to capture the collection scenes. The pan-tilt platform on which the matrix is fixed of lasers and the line laser is arranged so that it is capable of be directed to one side or the other.
Puesto que las plataformas pan-tilt comerciales suelen tener una capacidad de giro acimutal limitada (por ejemplo, de +-160º), se ha de disponer de manera que el sector angular ciego, al que no se pueden dirigir los láseres, no coincida con las zonas de recolección.Since the platforms commercial pan-tilt usually have a capacity to limited azimuth turn (for example, +160 °), must be provided so that the blind angular sector, which cannot be addressed Lasers, does not match the collection areas.
De la misma manera, el brazo o dispositivo robótico debe disponerse de manera que la región accesible por el extremo (mano con elementos terminales) incluya las zonas de recolección a ambos lados del vehículo y la zona de la bandeja receptora de frutos en el vehículo portabandejas.In the same way, the arm or device robotics should be arranged so that the region accessible by the end (hand with terminal elements) include the areas of collection on both sides of the vehicle and the tray area Fruit receiver in the tray carrier vehicle.
El brazo (6), como muestra la Fig. 9, lleva en su extremo los accesorios de agarre (26) y 15 corte (27), que se controlan independientemente. El dispositivo prensil agarra primero el pedúnculo de la fruta en el punto indicado por el sistema de visión, a 10-15 mm de la fruta aproximadamente. El dispositivo de corte corta inmediatamente el pedúnculo a 10 mm. por encima. La fruta es transportada por el dispositivo prensil del brazo y depositada en la bandeja o cesta receptora.The arm (6), as shown in Fig. 9, bears in its end the grip accessories (26) and 15 cut (27), which They control independently. The prehensile device grabs first the peduncle of the fruit at the point indicated by the system of vision, approximately 10-15 mm from the fruit. He cutting device immediately cuts the peduncle to 10 mm. by over. The fruit is transported by the prehensile device of the arm and deposited in the tray or receiving basket.
En el interior del vehículo se disponen del modo que mejor convenga a su geometría (ver una posible disposición en Fig. 10): la unidad controladora del brazo (28), los alimentadores de las cámaras (29), las controladoras de las plataformas (30), el PC de control (31) con el panel de selección de parámetros, que en esta realización se elige que sea el propio teclado (32) del ordenador y una pantalla TFT plana abatible convencional (33), y el cableado (34).Inside the vehicle they have the mode that best suits your geometry (see a possible arrangement in Fig. 10): the arm control unit (28), the feeders of the cameras (29), the platform controllers (30), the Control PC (31) with the parameter selection panel, which in this embodiment is chosen to be the keyboard (32) of the computer and a conventional flip-up flat TFT screen (33), and the wiring (34).
Las interconexiones e intercambio de señales entre los bloques de la realización se realizan como se indica a continuación (ver Fig. 11):Interconnections and signal exchange between the blocks of the embodiment are performed as indicated by continued (see Fig. 11):
Cada una de las cámaras se conecta, a través de un cable coaxial RG-58-U a la correspondiente tarjeta capturadora de imágenes comercial (tipo frame-grabber), encargada de digitalizar las imágenes y transferirlas a la memoria del PC a través del bus PCI, comandada por el programa principal.Each of the cameras is connected, through a coaxial cable RG-58-U to the corresponding commercial image capture card (type frame-grabber), in charge of digitizing images and transfer them to PC memory through the PCI bus, commanded by the main program.
La plataforma encargada de orientar los láseres es una pan-tilt (azimut-elevación) comercial con precisión mejor que una décima de grado, capacidad de giro en elevación de entre -45 y +30º y en azimut de +-160º, lo que permite orientarla a ambos lados de visión. El control de movimiento se realiza desde el PC a través de interfaz RS232, comunicando las coordenadas del movimiento deseado a la controladora de la unidad.The platform responsible for orienting lasers it's a pan-tilt (azimuth-lift) commercial with precision better than a tenth grade, ability to turn in elevation of between -45 and + 30º and in azimuth of + -160º, which it allows to orientate it to both sides of vision. The control of movement is done from the PC through RS232 interface, communicating the coordinates of the desired movement to the controller of the unit.
El manipulador puede ser un brazo articulado vertical de cinco grados de libertad, con repetibilidad de movimientos mejor que +-0.02 mm. Sus movimientos se determinan por la unidad controladora, para acceder a las coordenadas indicadas por el PC a través de ethernet TCP/IP o a través del puerto serie. El brazo se monta con una base de elementos terminales standard ISO 9409, sobre la que se fijan los dos elementos terminales, que se pueden actuar eléctricamente o neumáticamente a través del propio brazo, por la controladora que ejecuta las órdenes dadas desde el programa de control en el PC. Los elementos terminales son: una pinza con dedos paralelos y un dispositivo de corte comerciales compatibles con ISO 9409.The manipulator can be an articulated arm vertical five degrees of freedom, with repeatability of movements better than + -0.02 mm. Your movements are determined by the controlling unit, to access the coordinates indicated by the PC through TCP / IP ethernet or through the serial port. He arm is mounted with a base of ISO standard terminal elements 9409, on which the two terminal elements are fixed, which are they can act electrically or pneumatically through their own arm, by the controller that executes the orders given from the control program on the PC. The terminal elements are: a Caliper with parallel fingers and a commercial cutting device compatible with ISO 9409.
Los láseres se controlan desde el programa principal a través del puerto paralelo o de una tarjeta PCI generadora de señales (tantas como láseres), que se encarga de alimentar individualmente a los láseres en el momento preciso.Lasers are controlled from the program main through the parallel port or a PCI card signal generator (as many as lasers), which is responsible for feed lasers individually at the right time.
La invención tiene aplicación industrial inmediata usada como sistema de recolección de frutos pequeños cultivados en hileras. Es especialmente adecuado para la recolección automatizada en invernaderos de frutos cultivados en estructuras regulares, en los que un sistema de visión guía al sistema robótico, que realiza las tareas de aprehensión, corte y depósito del fruto en el lugar deseado. La invención permite designar eficazmente la posición 3-D precisa del punto al que guiar el mecanismo terminal, que asirá el pedúnculo de una fruta madura y lo cortará por encima a la distancia prefijada, distinguiéndolo de los pedúnculos de otras frutas próximas que no se deben cortar.The invention has industrial application immediate used as a small fruit collection system grown in rows. It is especially suitable for collection automated in fruit greenhouses grown in structures regular, in which a vision system guides the system robotic, which performs the tasks of apprehension, cutting and deposit of the fruit in the desired place. The invention allows to designate effectively 3-D position requires the point at which guide the terminal mechanism, which will grab the peduncle of a fruit mature and cut it over at the preset distance, distinguishing it from the peduncles of other nearby fruits that are not They must cut.
Claims (4)
- \bullet?
- diferenciar y localizar los frutos individuales en los racimos o grupos a partir de la reconstrucción tridimensional de los spots o marcas proyectadas en el racimo por un conjunto de láseres ópticos puntuales dispuestos en matriz, ydifferentiate and locate individual fruits in clusters or groups from the three-dimensional reconstruction of the spots or brands projected in the cluster by a set of arranged optical lasers in matrix, and
- \bullet?
- detectar con precisión los pedúnculos a partir de las marcas generadas sobre ellos por los haces en abanico proyectados por un láser óptico de línea orientado en sucesivos ángulos de elevación.accurately detect peduncles from the marks generated on them by the fan beams projected by a line oriented optical laser in successive elevation angles.
cia.3. System according to claim 1, characterized in that the spots are generated with lasers of different wavelengths or with lasers of different powers.
Inc.
te.4. System according to claims 1, 2 or 3, for use in the collection of strawberries or other delicate delicate fruits grown in rows high, as in hydroponic crops in greenhouses, equipped with a robotic device with grip and cut tweezers, installed on a sliding vehicle, with container attached with trays to deposit the fruit, which performs, in each aisle, the collection in both directions of longitudinal movement, using either two pairs of cameras or only one pair with the ability to rotate 180º azimuthalm -
tea.
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