采摘机器人定位导航系统设计

　　摘要:采摘机器人作为一种典型的农业机器人，一直未得到普及，其主要受限于果实空间分布的不规律性，以及存在视觉定位及采摘方式等技术难题。为此，将机载三维激光成像电力巡线技术引入到采摘机器人的定位导航系统的设计过程中，通过果实的圆形检测和三维重构来确定果实的质心坐标，以提高采摘机器人导航视觉的精度和效率。为了验证方案的可行性，对果实图像采集和处理的准确性进行了测试，结果表明:视觉导航系统可以成功得到标准的圆形图像，通过三维重构后，质心坐标的计算结果和测量结果基本吻合，且对果实的成功识别率较高，从而验证了方案的可靠性。

　　关键词:采摘机器人;三维激光成像;电力巡线;定位导航;三维重构

　　引言

　　近年来，随着国家经济水平的增长，劳动力价格不断提高，劳动密集型企业的生产成本上升，尤其是农业生产领域，果蔬的采摘往往需要耗费大量的人力资源。据数据统计，我国农业生产过程中采摘工作所需的劳动力约占整体的40%，采用机器人代替人力劳动是未来农业生产的趋势。目前，我国的采摘机器人设计技术还未成熟，特别是在果实识别率和采摘效率方面技术还不够先进，本次拟将机载三维激光成像电力巡线技术引入到采摘机器人的定位导航系统的设计过程中，以提高采摘机器人定位导航的准确率和效率，对于现代采摘机器人技术的革新具有一定的借鉴意义。

　　1三维激光电力巡线技术在采摘机器人导航系统中的应用

　　采用机载三维激光进行电力巡线过程主要是对电力线的提取和重构。目前，我国三维激光电力巡线技术还处于初始阶段，国内的研究还比较少，在电力线提取时一般都是采用的Hough变换原理，通过将激光点云转换到二维空间后进行Hough变换。采用Hough变换对电力线进行提取会损失一些三维信息，如高程收稿日期:2018－12－12基金项目:内蒙古自治区教育厅项目(NJZY18272);内蒙古机电职业技术学院院级课题(NJDZJZＲ1808)作者简介:阮娟娟(1985－)，女，山西大同人，讲师，硕士，(E－mail)rjj1985nmgjdzyjsxy@sina．com。信息，对于多层电力线，也不能够快速地提取和识别单条电力线，因此有必要利用三维重构技术构造电力线的三维模型。其流程如图1所示。

　　2果实模型重构和识别及准确采摘控制方法

　　对于大部分待采摘果实而言，球形结构占70%以上，因此可以以球形目标参照物为主进行设计。为了使待采摘果实目标定位更加准确，根据激光电力巡线的原理，对三维模型进行重构，利用果实目标上的多个坐标点重构出球形模型，最后利用最小二乘法得到果实的质心位置，则有(x－a)2+(y－b)2+(z－c)2=Ｒ2(1)其中，a、b、c分别表示球心在相机坐标系中的坐标，式(1)也可以写成2ax+2bx+2cz+Ｒ2－(a2+b2+c2)=x2+y2+z2(2)如果采用n个点进行重构，则可以利用矩阵来进行求解。其表达式为2x12y12z112x22y22z212xn2yn2zn1abca2+b2+c2=x12+y12+z12x22+y22+z22…xn2+yn2+zn2[]T(3)式(3)可以简写成Am=B(4)利用最小二乘法，可以解得m=(ATA)－1ATB(5)首先对采集的图像进行处理，得到果实图像上的8个位置点，然后用近似圆形来代替果实形状，通过Hough变换得到圆心的坐标(i，j)和圆的半径Ｒ，根据圆形得到圆的外接矩形，该矩形左上点(xmin，ymin)，右下点坐标为(xmax，ymax)，则矩形内任意坐标点(x，y)的表达式为x=xmin+rand()%(xmax－xmin)y=ymin+rand()%(ymax－ymin{)(6)其中，rand()表示随机数，返回0～32767间均匀分布的伪随机整数;%表示求余数。通过随机数可以将点进行分散化，从而提高最小二乘的计算机准确性，其流程如图3所示。

　　3采摘机器人视觉定位导航系统测试

　　为了验证方案的可行性，以苹果的采摘为例，对采摘机器人视觉定位系统的可行性进行验证。因为苹果是圆形的，通过圆形检测和三维重构可以得到苹果的质心坐标。如图6所示，为了保证测试的顺利进行，选取了3个球形比较规则的苹果作为研究对象，首先对采集得到的苹果图像进行处理，通过去掉背景图像对苹果进行提取，得到了如图7所示的结果。

　　4结论

　　为了提高采摘机器人定位导航的准确率和效率，将机载三维激光成像电力巡线技术引入到采摘机器人的定位导航系统的设计过程中，通过对果实圆形检测和三维重构，得到果实的准确质心坐标位置。为了验证方案的可行性，对果实质心的测量精度进行了测试，结果表明:采用机器人导航定位系统计算得到的质心位置和测量得到的结果基本吻合。对不同工况采摘机器人的成功识别率进行了测试，结果表明:采摘机器人对果实的成功识别率加高，可以满足导航定位系统的设计需求。

　　参考文献:

　　［1］陈钢，叶佩昌，贾庆轩，等．基于速度修正项的机械臂避障路径规划［J］．控制与决策，2015(1):156－160．

　　［2］雷伟伟，张锋，王元波．GPS技术在现代精准农业中的应用研究［J］．农技服务，2008(3):113－115．

　　［3］杨为民，李天石，贾鸿社．农业机械机器视觉导航研究［J］．农业工程学报，2004，20(1):160－165．

　　［4］张卫，杜尚丰．Hough变换在农田机械视觉导航中的应用［J］．仪器仪表学报，2005，26(8):706－707．

　　［5］张磊，王书茂，陈兵旗，等．基于机器视觉的麦田边界检测［J］．农业机械学报，2007，38(2):111－114．

　　［6］赵匀，武传宁，胡旭东，等．农业机器人的研究进展及存在的问题［J］．农业工程学报，2003，19(1):20－24．

《采摘机器人定位导航系统设计》

上一篇：成熟期马铃薯秧的单位直径最大剪切力试验研究

下一篇：采棉机体积流量灰色预测模糊PID控制方法