基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法

分类：论文范文 发表时间：2021-04-09 09:44

　　摘要：为解决基于手眼系统的视觉伺服方法在草莓采摘机器人应用中存在的视觉信息反馈延迟大、频率低以及深度信息无法确定等带来的定位耗时长、精度低的问题，采用摄像机曝光信号触发控制卡进行高速位置锁存，结合位置传感器的反馈信息，来减少定位耗时；采用基于运动恢复结构的方法，提高果实采摘参数的精度。在垄坡和摄像机像平面的夹角为±10°范围内的情况下，针对包含1～3粒成熟草莓的果实域，采用直角坐标式机械臂草莓采摘机器人样机进行了定位试验。试验结果表明：定位时间在0.633～0.886s之间；草莓深度信息的相对误差在?4.34%～0.95%范围内。

　　关键词：机器人；视觉伺服；采摘；定位；草莓

　　0引言

　　选择性果实采摘是农业上最为耗时费力的作业环节之一，30a来人类一直试图采用机器人从事该类作业。但由于果实采摘机器人作业环境复杂，采摘对象的物理参数非结构化，因此果实采摘机器人的软硬件系统与工业机器人相比更加复杂，需要专用的视觉系统对目标果实进行识别定位，并需要专用的末端执行器（即采摘手爪）对果实进行精准、无损采摘，这些成为采摘机器人领域主要的研究课题[1-5]。

　　1草莓采摘机器人结构及其运动学方程

　　本文所针对的草莓种植环境为垄作栽培，其特点为草莓植株种植在垄顶，果实贴在垄坡，并且在垂直垄坡方向上没有重叠；采摘作业过程中除了少许的叶子遮挡外基本没有别的障碍物[16]。

　　2草莓果实视觉定位原理

　　在采摘过程中，末端执行器夹指末端贴垄坡沿X方向运动，当到达目标草莓域正下方时，停止X方向的运动，夹指张开一定的宽度，然后沿垄坡向上（即Y方向）运动，接着机械臂带动末端执行器向-Z方向运动，将草莓拉离垄坡平面，进行剪切[18]。因此，在X方向对准目标草莓域后，只需获得末端执行器到草莓采摘点之间的Y方向上的距离和草莓域宽度，即可实现对目标草莓的采摘。

　　3试验与结果分析

　　3.1试验装置及参数

　　搭建的草莓采摘机器人试验平台如图6，各组成部分参数如表1。试验中使用仿真草莓模型替代真实草莓，用塑料板模拟垄坡面。采用文献[21]中的采摘执行机构，文献[18]中的末端执行器和采摘方法，进行草莓定位试验。

　　3.2定位精度评价指标

　　设定式（9）中zC为定位完成时实际测量的摄像机光心到垄面的距离，mm。zC的相对误差为

　　4结论

　　1）针对垄作草莓栽培模式，采用基于手眼系统的视觉伺服方法实现了对草莓果实在水平方向的精确定位。在视觉伺服过程中，采用摄像机曝光信号触发控制卡高速锁存位置信息的方法，解决了视觉信息滞后所造成的和位置信息在时间上不一致的问题；采用融合位置信息的方法，解决了视觉位置信息反馈频率低的问题。

　　2）在视觉伺服过程中，采用运动恢复结构的方法，利用在不同位置所采集的图像中草莓域的形心，推导出了目标草莓域的深度信息的精确计算方法，进而得到精确的果实采摘参数。

　　3）通过对实际作业环境的特点和定位精度评价指标进行分析，设计了草莓采摘机器人的果实定位试验。试验结果表明：在垄坡和摄像机像平面的夹角为?10°～10°的情况下，对包含1～3粒成熟草莓的果实域，本研究的定位时间为0.633～0.886s；草莓域深度信息的相对误差在4.34%～0.95%范围内。

　　[参考文献]

　　[1]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)

　　[2]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].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2006,37(5):158－162.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[3]李秦川，胡挺，武传宇，等.果蔬采摘机器人末端执行器研究综述[J].农业机械学报，2008，39(3)：175－179，186.LiQinchuan,HuTing,WuChuanyu,etal.Reviewofend-effectorsinfruitandvegetableharvestingrobot[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2008,39(3):175－179,186.(inChinesewithEnglishabstract)

　　王粮局1，张立博1，段运红2，张铁中1

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