采摘機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要:采摘機(jī)器人作為一種典型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，一直未得到普及，其主要受限于果實(shí)空間分布的不規(guī)律性，以及存在視覺(jué)定位及采摘方式等技術(shù)難題。為此，將機(jī)載三維激光成像電力巡線技術(shù)引入到采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)果實(shí)的圓形檢測(cè)和三維重構(gòu)來(lái)確定果實(shí)的質(zhì)心坐標(biāo)，以提高采摘機(jī)器人導(dǎo)航視覺(jué)的精度和效率。為了驗(yàn)證方案的可行性，對(duì)果實(shí)圖像采集和處理的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明:視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)可以成功得到標(biāo)準(zhǔn)的圓形圖像，通過(guò)三維重構(gòu)后，質(zhì)心坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果基本吻合，且對(duì)果實(shí)的成功識(shí)別率較高，從而驗(yàn)證了方案的可靠性。

　　關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人;三維激光成像;電力巡線;定位導(dǎo)航;三維重構(gòu)

　　引言

　　近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的增長(zhǎng)，勞動(dòng)力價(jià)格不斷提高，勞動(dòng)密集型企業(yè)的生產(chǎn)成本上升，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，果蔬的采摘往往需要耗費(fèi)大量的人力資源。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采摘工作所需的勞動(dòng)力約占整體的40%，采用機(jī)器人代替人力勞動(dòng)是未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的趨勢(shì)。目前，我國(guó)的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)還未成熟，特別是在果實(shí)識(shí)別率和采摘效率方面技術(shù)還不夠先進(jìn)，本次擬將機(jī)載三維激光成像電力巡線技術(shù)引入到采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，以提高采摘機(jī)器人定位導(dǎo)航的準(zhǔn)確率和效率，對(duì)于現(xiàn)代采摘機(jī)器人技術(shù)的革新具有一定的借鑒意義。

　　1三維激光電力巡線技術(shù)在采摘機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　采用機(jī)載三維激光進(jìn)行電力巡線過(guò)程主要是對(duì)電力線的提取和重構(gòu)。目前，我國(guó)三維激光電力巡線技術(shù)還處于初始階段，國(guó)內(nèi)的研究還比較少，在電力線提取時(shí)一般都是采用的Hough變換原理，通過(guò)將激光點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到二維空間后進(jìn)行Hough變換。采用Hough變換對(duì)電力線進(jìn)行提取會(huì)損失一些三維信息，如高程收稿日期:2018－12－12基金項(xiàng)目:內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳項(xiàng)目(NJZY18272);內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題(NJDZJZＲ1808)作者簡(jiǎn)介:阮娟娟(1985－)，女，山西大同人，講師，碩士，(E－mail)rjj1985nmgjdzyjsxy@sina．com。信息，對(duì)于多層電力線，也不能夠快速地提取和識(shí)別單條電力線，因此有必要利用三維重構(gòu)技術(shù)構(gòu)造電力線的三維模型。其流程如圖1所示。

　　2果實(shí)模型重構(gòu)和識(shí)別及準(zhǔn)確采摘控制方法

　　對(duì)于大部分待采摘果實(shí)而言，球形結(jié)構(gòu)占70%以上，因此可以以球形目標(biāo)參照物為主進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使待采摘果實(shí)目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確，根據(jù)激光電力巡線的原理，對(duì)三維模型進(jìn)行重構(gòu)，利用果實(shí)目標(biāo)上的多個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)重構(gòu)出球形模型，最后利用最小二乘法得到果實(shí)的質(zhì)心位置，則有(x－a)2+(y－b)2+(z－c)2=Ｒ2(1)其中，a、b、c分別表示球心在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，式(1)也可以寫成2ax+2bx+2cz+Ｒ2－(a2+b2+c2)=x2+y2+z2(2)如果采用n個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，則可以利用矩陣來(lái)進(jìn)行求解。其表達(dá)式為2x12y12z112x22y22z212xn2yn2zn1abca2+b2+c2=x12+y12+z12x22+y22+z22…xn2+yn2+zn2[]T(3)式(3)可以簡(jiǎn)寫成Am=B(4)利用最小二乘法，可以解得m=(ATA)－1ATB(5)首先對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，得到果實(shí)圖像上的8個(gè)位置點(diǎn)，然后用近似圓形來(lái)代替果實(shí)形狀，通過(guò)Hough變換得到圓心的坐標(biāo)(i，j)和圓的半徑Ｒ，根據(jù)圓形得到圓的外接矩形，該矩形左上點(diǎn)(xmin，ymin)，右下點(diǎn)坐標(biāo)為(xmax，ymax)，則矩形內(nèi)任意坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)的表達(dá)式為x=xmin+rand()%(xmax－xmin)y=ymin+rand()%(ymax－ymin{)(6)其中，rand()表示隨機(jī)數(shù)，返回0～32767間均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù);%表示求余數(shù)。通過(guò)隨機(jī)數(shù)可以將點(diǎn)進(jìn)行分散化，從而提高最小二乘的計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確性，其流程如圖3所示。

　　3采摘機(jī)器人視覺(jué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試

　　為了驗(yàn)證方案的可行性，以蘋果的采摘為例，對(duì)采摘機(jī)器人視覺(jué)定位系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。因?yàn)樘O果是圓形的，通過(guò)圓形檢測(cè)和三維重構(gòu)可以得到蘋果的質(zhì)心坐標(biāo)。如圖6所示，為了保證測(cè)試的順利進(jìn)行，選取了3個(gè)球形比較規(guī)則的蘋果作為研究對(duì)象，首先對(duì)采集得到的蘋果圖像進(jìn)行處理，通過(guò)去掉背景圖像對(duì)蘋果進(jìn)行提取，得到了如圖7所示的結(jié)果。

　　4結(jié)論

　　為了提高采摘機(jī)器人定位導(dǎo)航的準(zhǔn)確率和效率，將機(jī)載三維激光成像電力巡線技術(shù)引入到采摘機(jī)器人的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)果實(shí)圓形檢測(cè)和三維重構(gòu)，得到果實(shí)的準(zhǔn)確質(zhì)心坐標(biāo)位置。為了驗(yàn)證方案的可行性，對(duì)果實(shí)質(zhì)心的測(cè)量精度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明:采用機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)算得到的質(zhì)心位置和測(cè)量得到的結(jié)果基本吻合。對(duì)不同工況采摘機(jī)器人的成功識(shí)別率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明:采摘機(jī)器人對(duì)果實(shí)的成功識(shí)別率加高，可以滿足導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

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