【摘要】：果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)于溫室非結(jié)構(gòu)環(huán)境中,在多變的光線條件下,避讓植株莖葉準(zhǔn)確定位目標(biāo),完成果實無損傷抓取與切割。果蔬采摘信息獲取是采摘機(jī)器人研究的難點(diǎn)與關(guān)鍵,根據(jù)果實與背景顏色差異,采摘對象可分為顯著色差系果蔬與近色系果蔬,本文分別選取草莓和小型西瓜作為兩類果蔬的典型代表,研究了采摘對象視覺信息獲取方法,構(gòu)建了果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)。應(yīng)用機(jī)器視覺、圖像處理、光譜分析等技術(shù),探索了果實識別、空間匹配及三維坐標(biāo)定位方法,研制了采摘機(jī)器人模塊化系統(tǒng),并進(jìn)行了溫室采摘作業(yè)試驗。主要研究內(nèi)容和成果如下： (1)研究了基于顏色和形態(tài)特征的草莓采摘信息獲取方法。根據(jù)果實與背景在4種常用色彩空間下的顏色分布特征,選擇色差最為顯著的R、G通道進(jìn)行圖像分割,通過輪廓補(bǔ)償法補(bǔ)全果萼遮擋區(qū)域,獲得完整果實區(qū)域圖像。利用圖像蒙版濾除近色系背景干擾,提取非全熟果實的青色區(qū)域,完成草莓成熟度判定。根據(jù)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與草莓果�？臻g位姿特征,設(shè)置采摘高度線與采摘點(diǎn)疑似矩形興趣區(qū),提取了采摘點(diǎn)圖像坐標(biāo)。對草莓果實采摘信息獲取方法進(jìn)行試驗,結(jié)果表明草莓識別成功率為94.2%,采摘點(diǎn)定位準(zhǔn)確率為93.0%。 (2)研究了基于近紅外圖像的小型西瓜采摘信息獲取方法。通過比較立體種植模式下小型西瓜果實、莖、葉片的光譜反射特性差異,選擇在850nm附近波段下采集西瓜近紅外灰度圖像。根據(jù)果實與背景灰度分布特征,利用改進(jìn)的Otsu算法完成了圖像分割。采用“米”字型匹配模板識別獲得“濃縮版”西瓜果實區(qū)域,有效降低閾值分割后果實粘連與小面積干擾影響。根據(jù)果實與果梗的空間姿態(tài)及相對位置特征,采用分塊定位法獲得切割點(diǎn)圖像坐標(biāo)。對小型西瓜采摘信息獲取方法進(jìn)行試驗,結(jié)果表明：不同光照條件下,小型西瓜平均識別成功率為86%,采摘點(diǎn)與切割點(diǎn)定位準(zhǔn)確率分別為93.0%和88.4%,為近色系果蔬采摘信息獲取提供了一種技術(shù)思路。 (3)研究了基于雙層約束的采摘點(diǎn)空間匹配策略,探索了基于雙目立體視覺的采摘點(diǎn)三維信息獲取方法。根據(jù)草莓形態(tài)特征,利用果實區(qū)域與采摘點(diǎn)唯一對應(yīng)關(guān)系,提出了基于全局特征與關(guān)系特征的草莓區(qū)域匹配方法,完成采摘點(diǎn)初次遴選；利用基于極線約束的采摘點(diǎn)空間匹配方法,完成匹配對象二次遴選。搭建了交叉式雙目立體視覺硬件系統(tǒng),完成了攝像機(jī)內(nèi)、外部參數(shù)及手眼相對位置參數(shù)標(biāo)定,建立了圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系及機(jī)械臂坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,獲得了草莓采摘點(diǎn)三維坐標(biāo)計算流程。 (4)搭建了采摘機(jī)器人模塊化樣機(jī)系統(tǒng),該機(jī)器人主要由雙目立體視覺系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、中央控制器、導(dǎo)航行走平臺、能源系統(tǒng)及其他附件組成。通過歸一化色差2r-g-b分割圖像并獲取了導(dǎo)航線偏移信息,對四自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆解分析,獲得目標(biāo)位姿下各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)。規(guī)劃了機(jī)器人采摘動作流程,對采摘機(jī)器人進(jìn)行了溫室作業(yè)試驗,機(jī)器人采摘成功率為86%,單次采摘循環(huán)耗時28s,機(jī)器人各功能模塊運(yùn)行良好,能夠較好的適應(yīng)溫室作業(yè)環(huán)境。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S225

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉長林;張鐵中;楊麗;;果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展[J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué);2008年13期

2 任永新;李偉;陳曉;李吉;楊會華;譚豫之;楊慶華;;非結(jié)構(gòu)環(huán)境下基于機(jī)器視覺的機(jī)器人路徑跟蹤方法[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2008年10期

3 孫學(xué)巖;;采摘機(jī)器人單攝像機(jī)測距系統(tǒng)設(shè)計與實驗[J];傳感器與微系統(tǒng);2010年03期

4 袁挺;許晨光;任永新;馮青春;譚豫之;李偉;;基于近紅外圖像的溫室環(huán)境下黃瓜果實信息獲取[J];光譜學(xué)與光譜分析;2009年08期

5 劉波;方俊永;劉學(xué);張立福;張兵;童慶禧;;基于成像光譜技術(shù)的作物雜草識別研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2010年07期

6 朱大洲;王坤;周光華;侯瑞鋒;王成;;單粒大豆的近紅外光譜特征及品種鑒別研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2010年12期

7 張亞靜;李民贊;喬軍;劉剛;;一種基于圖像特征和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蘋果圖像分割算法[J];光學(xué)學(xué)報;2008年11期

8 蔡健榮;王建黑;陳全勝;王鋒;呂強(qiáng);;光譜圖像技術(shù)結(jié)合SAM算法識別自然場景下的成熟柑橘[J];光子學(xué)報;2009年12期

9 燕學(xué)智;王樹勛;馬中勝;李辛;;基于超聲紅外定位導(dǎo)航研制自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)[J];吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2006年02期

10 蔣煥煜;彭永石;應(yīng)義斌;;雙目立體視覺技術(shù)在果蔬采摘機(jī)器人中的應(yīng)用[J];江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年05期

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本文編號：2704553