苹果采摘机器人视觉系统研究进展

分类：论文范文 发表时间：2021-04-09 09:40

　　摘要：视觉系统是苹果采摘机器人最重要的组成部分之一，它在一定程度上决定了苹果采摘机器人完成采摘任务的质量及速度。为明确苹果采摘机器人视觉系统所面临的挑战及未来研究方向，该文首先对世界各国现有苹果采摘机器人的研究情况从视觉传感器类型、视觉系统硬件组成、采摘成功率及作业时间等方面进行了概述，然后分别对现有苹果采摘机器人视觉系统中苹果图像分割方法、受着色度、光照、表面阴影、振荡、重叠及遮挡等影响下的苹果目标的识别与定位方法、苹果采摘机器人视觉系统对枝干等障碍物的识别方法以及视觉系统中双目视觉技术立体匹配问题进行了综述，进一步分析了苹果采摘机器人视觉系统中存在的问题，指出视觉系统结构的优化、视觉系统中智能算法的优化、提高视觉系统的实时性、振荡苹果目标的识别与定位、视觉系统受振动影响时苹果目标的识别与定位及提高视觉系统的性价比等方面将成为未来重点研究方向，为深入研究苹果采摘机器人视觉系统提供参考。

　　关键词：机器人；图像识别；机械化；苹果；果实识别；目标定位；视觉系统

　　0引言

　　苹果是中国第一大经济水果，也是中国为数不多的几种具有国际竞争力的果品之一。据统计，2015年中国苹果种植面积达233万hm2，总产量约4000万t，约占世界苹果总产量的55%。在整个苹果生产作业中，成熟果实的及时、无损、高效采收是关键，直接影响苹果的储藏、运输、加工以及销售等后续环节[1]，然而由于采摘作业进行时所处生态环境的复杂性，导致迄今尚无可用于生产实际的苹果采摘智能装备。目前中国苹果采摘依然依靠人工作业，随着中国城镇化的快速发展，农业从业人口急剧减少，人工成本大大增加，给苹果产业的快速发展带来了不利影响。实现苹果的自动化采摘，对于解决苹果产业中的劳动力不足、人工劳动强度大、生产成本高、生产效率低等问题以及保证苹果的适时采收、保证采摘品质、提高苹果的市场竞争力等方面均具有重要的意义[2-6]。

　　1苹果采摘机器人研究现状

　　苹果采摘机器人一般由移动机构、机械手、控制系统、视觉系统、末端执行器等组成，主要用于采摘成熟苹果。图1为Zhao等[8]设计的苹果采摘机器人，主要由机械手、末端执行器、视觉系统及由工业计算机和交流伺服电机组成的控制系统等构成，其视觉传感器和光电位置传感器安装于末端执行器上。部分国家开发的苹果采摘机器人现状如表1所示。

　　2苹果采摘机器人中的视觉系统

　　苹果采摘机器人视觉系统一般由图像获取部分、图像处理分析部分以及输出或显示部分组成，其主要任务是获取苹果的数字化图像、对获取的图像进行图像处理、苹果目标的识别与定位及枝干等障碍物的识别与定位等。

　　苹果采摘机器人的机器视觉技术可以分为一维成像视觉技术、二维成像视觉技术和三维成像视觉技术[17]。视觉系统中根据所使用图像传感器个数的不同可分为单目视觉技术、双目视觉技术和多目视觉技术[18]。视觉检测技术往往结合人工光源或光学滤波器一起使用，以避免自然光在果实目标表面产生阴影而导致的目标识别不准确等问题。

　　3现有视觉系统中存在的问题

　　国内外众多学者对苹果采摘机器人视觉系统进行了研究，并取得了大量的研究成果，但视觉系统仍处于研究阶段，尚不能广泛应用，主要存在以下几方面的问题：

　　3.1识别定位算法的准确性与实时性

　　目前，苹果目标的识别方法主要依据苹果目标的颜色、形状、纹理等特征，但由于苹果生长环境的复杂性，导致采集的图像中存在各种干扰信息和噪声，为了准确地识别出苹果目标，一些算法增加引入的参数，因此算法的复杂度也会相应的提高，现有的算法不能在识别精度、参数的自适应选取以及运行时间3者之间取得很好的平衡。此外，自然环境中障碍物的存在具有随机性和复杂性，障碍物的准确识别是采摘机器人避免与障碍物发生碰撞的关键，障碍物的识别与定位的准确性与稳定性尚需进一步提高。

　　3.2识别定位算法的有效性

　　苹果生长的自然环境十分复杂，光照条件的不确定性、生长环境中与果实颜色相近的背景因素、果实被遮挡以及果实重叠均增加了果实目标的识别和定位难度，现有的各种影响下苹果实目标识别定位算法实用性、实时性和算法的稳定性等均亟待提高，尤其对于多个果实重叠、遮挡面积过大及被枝叶遮挡的重叠果实等，其识别与定位精度尚需提高。

　　[参考文献]

　　[1]宋健，张铁中，徐丽明，等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报，2006，37(5)：158－162.SongJian,ZhangTiezhong,XuLiming,etal.Researchactualityandprospectofpickingrobotforfruitsandvegetables[J].TransactionsoftheCSAM,2006,37(5):158－162.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]徐丽明，张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策[J].农业工程学报，2004，20(5)：38－42.XuLiming,ZhangTiezhong.Presentsituationoffruitandvegetableharvestingrobotanditskeyproblemsandmeasuresinapplication[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2004,20(5):38－42.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[3]张铁中，杨丽，陈兵旗，等.农业机器人技术研究进展[J].中国科学：信息科学(中国科学F辑)，2010，40(增刊)：71－87.ZhangTiezhong,YangLi,ChenBingqi,etal.Researchprogressofagriculturalrobottechnology[J].ChineseScience:InformationScience(F),2010,40(S):71－87.(inChinesewithEnglishabstract)

　　王丹丹，宋怀波，何东健

上一篇：苹果采摘机器人快速跟踪识别重叠果实 下一篇：果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制