趙 龍，劉曉野

（1.黑龍江東方學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與電氣工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150066；2.哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150016；3.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

目前，我國(guó)雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 工廠化生產(chǎn)正處于一個(gè)快速發(fā)展的階段，床架式栽培方法為其主要生產(chǎn)模式[1]。在雙孢蘑菇的生產(chǎn)過(guò)程中，其成熟子實(shí)體的采摘收獲是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)工作量較大，需要采用先進(jìn)的自動(dòng)化、機(jī)械化設(shè)備來(lái)完成，以解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，然而目前我國(guó)相關(guān)設(shè)備研發(fā)尚處于初級(jí)階段。

近年來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)等高新技術(shù)的不斷引入，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備在人機(jī)工程和控制精度等方面具備了很大的提升空間，局部控制它們的自動(dòng)化甚至整機(jī)的完全自動(dòng)化、智能化的實(shí)現(xiàn)已成為可能[2-3]。加上計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的視覺(jué)系統(tǒng)有了很大的提升。這為食用菌自動(dòng)采摘系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)，因此，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)等競(jìng)相投入人力、財(cái)力及物力，進(jìn)行有關(guān)食用菌無(wú)損化采摘系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)[4-5]。

由于食用菌生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境條件限制，如陰暗、潮濕等，機(jī)器成像質(zhì)量普遍不高，加上成像背景的菌床、菌絲等干擾因素，使得圖像背景十分復(fù)雜，難以補(bǔ)機(jī)器辨識(shí)，圖像處理難度較大。

在食用菌無(wú)損化采摘技術(shù)的研究中，人們希望得到一個(gè)智能化和自動(dòng)化的食用菌采摘機(jī)器[6]，能夠自主識(shí)別食用菌作業(yè)對(duì)象物并完成采摘任務(wù)。利用先進(jìn)的食用菌圖像處理識(shí)別技術(shù)[7]，設(shè)計(jì)一種雙孢蘑菇無(wú)損化采摘的智能控制系統(tǒng)，可以提高雙孢蘑菇無(wú)損采摘效率，提升商品品質(zhì)。

1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙孢蘑菇采摘需要有一套機(jī)械機(jī)構(gòu)行使控制指令，這就需要研究雙孢蘑菇采摘機(jī)器的行走驅(qū)動(dòng)原理和方法，設(shè)計(jì)整套的行走控制系統(tǒng)，安全可靠地執(zhí)行無(wú)損采摘任務(wù)。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能地縮短傳動(dòng)，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)以便減少誤差提高精度，以適應(yīng)雙孢蘑菇采摘栽培時(shí)的小空間移動(dòng)需求。

整機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制，上位機(jī)主要用來(lái)對(duì)采摘任務(wù)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，下位機(jī)的主要任務(wù)是把上位機(jī)的命令轉(zhuǎn)化為控制電液閥的電信號(hào)，再由電液閥驅(qū)動(dòng)工作裝置完成采摘后的裝載等任務(wù)。采用電氣控制增加了采摘?jiǎng)幼鞯娜嵝裕苊饬藱C(jī)械剛性運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的損傷。

1.2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙孢蘑菇采摘重點(diǎn)改進(jìn)了傳動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)裝置，采用了更加柔性的機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)雙孢蘑菇采摘無(wú)損傷采摘需求。

回轉(zhuǎn)裝置是雙孢蘑菇采摘機(jī)器關(guān)鍵部件之一，支撐著采摘裝置的上部運(yùn)動(dòng)，因此必須得承受一定的傾覆力矩以及扭矩。所以綜合考慮選擇采用回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)作為本機(jī)器回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)形式。

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)是一種新型的回轉(zhuǎn)類(lèi)產(chǎn)品，由于其核心部件采用的回轉(zhuǎn)支承是在蝸輪蝸桿的基礎(chǔ)上集成了蝸輪蝸桿安裝時(shí)所需的支撐軸承，安裝架等部件，所以結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)可以承受較大的徑向力、軸向力以及傾翻力矩。

1.2.2 料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免雙孢蘑菇采摘后的損傷，裝載時(shí)也需要對(duì)料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，減少雙孢蘑菇相互積壓造成破損，保持原有品相。

裝載采摘雙孢蘑菇的料斗的功能和自卸車(chē)車(chē)廂的功能類(lèi)似，為了避免雙孢蘑菇在傾倒時(shí)被料斗內(nèi)卡住，不便傾卸，設(shè)計(jì)了簸箕形內(nèi)部形狀，底板前窄后寬，單邊角度（18±1.58） °，橫斷面下窄上寬，單邊角度也是（18±1.58） °。料斗在傾倒時(shí)的角度設(shè)計(jì)要小，以采摘后的雙孢蘑菇可以在料斗中以自重進(jìn)行滑動(dòng)為準(zhǔn)，避免傾倒角度過(guò)大造成雙孢蘑菇的互相擠壓。

2 雙孢蘑菇圖像采集與識(shí)別算法

雙孢蘑菇對(duì)象的識(shí)別是雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

識(shí)別雙孢蘑菇對(duì)象的目的是通過(guò)獲取場(chǎng)景中雙孢蘑菇子實(shí)體與攝像機(jī)的相對(duì)距離，進(jìn)而確定對(duì)象物與雙孢蘑菇采摘機(jī)器之間的距離和方位，以便進(jìn)行采摘機(jī)器的行走控制。利用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別作業(yè)對(duì)象物，通過(guò)圖像采集設(shè)備配合圖像識(shí)別算法來(lái)發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)，需要首先進(jìn)行雙孢蘑菇圖像采集方案和定位識(shí)別算法等方面的設(shè)計(jì)。

2.1 雙孢蘑菇株體相對(duì)位置識(shí)別算法

通常雙孢蘑菇采摘機(jī)器的作業(yè)對(duì)象物是子實(shí)體，外形會(huì)有一定的差異，需要逐一識(shí)別成熟菌體進(jìn)行采摘，即需要利用頂點(diǎn)的唯一性來(lái)準(zhǔn)確匹配兩臺(tái)攝像機(jī)所成像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

假設(shè)在某個(gè)豎直面上突出一個(gè)底部大頭頂小的形狀不規(guī)則部分（近似以錐體表示），假設(shè)該部分的底面和背面分別與背景的水平面、豎直面重合，這是因?yàn)檫@兩面 CCD（charge coupled device，CCD）拍攝不到。在雙孢蘑菇采摘機(jī)器的機(jī)身上安裝兩臺(tái)空間平行且各性能參數(shù)均相等的CCD攝像機(jī)，見(jiàn)圖1a；兩臺(tái)攝像機(jī)間的距離見(jiàn)圖1b。

由圖1a、圖1b可知，右CCD的投影面中心在基坐標(biāo)中的坐標(biāo)值為（b，0，0），左CCD的投影面中心在基坐標(biāo)中的坐標(biāo)值為（0，0，0），基坐標(biāo)系就是圖中的空間坐標(biāo)系。

假設(shè)對(duì)象物在z軸上的最大值點(diǎn)為P，基坐標(biāo)系中P點(diǎn)的坐標(biāo)值為（XP，YP，ZP），2個(gè)CCD同時(shí)拍攝P點(diǎn)，并且P點(diǎn)在這兩個(gè)投影面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值分別為PL(XL，ZL)，PR(XR，ZR)。攝像機(jī)焦距均為f且根據(jù)已知有ZL=ZR。

利用P點(diǎn)的坐標(biāo)值（XL，ZL）和（XR，ZR）計(jì)算其在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即XP=dXL/（XL-XR），YP=df/（XL-XR），ZP=dZL/（XL-XR）。把P（XP，YP，ZP）投影到基坐標(biāo)系的xoy平面（即ZP=0） 得P’=（XP，YP），用極坐標(biāo)表示為θP=arctan（XP/YP），lP=（XP2/YP2）1/2。

θP就是對(duì)象物相對(duì)于左CCD的方位角，在xoy坐標(biāo)系中也就是指對(duì)象物與左CCD中心連線與y軸的夾角（這是因?yàn)榛鴺?biāo)原點(diǎn)與左CCD中心重合），lp也就是相對(duì)距離。這樣就得到了作業(yè)對(duì)象物相對(duì)于雙孢蘑菇采摘機(jī)器的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)對(duì)象物的識(shí)別。

2.2 雙孢蘑菇子實(shí)體體積計(jì)算

針對(duì)雙孢蘑菇子實(shí)體外形不規(guī)則且生長(zhǎng)復(fù)雜的特點(diǎn)，本視覺(jué)系統(tǒng)使用先對(duì)整體進(jìn)行分割，計(jì)算各分割體的體積，然后將各分割體積相加求得整體體積的近似算法，計(jì)算的詳細(xì)步驟見(jiàn)圖2。

由圖2所示，經(jīng)過(guò)去噪點(diǎn)、二值化、邊緣跟蹤等過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)左右圖像的邊緣檢測(cè)。搜尋邊緣上的4個(gè)特殊點(diǎn)，包括x坐標(biāo)上的最大、最小值點(diǎn)和z坐標(biāo)的最大、最小值點(diǎn)，最高點(diǎn)、最右點(diǎn)和最左點(diǎn)。此過(guò)程中因?yàn)閮蓚€(gè)CCD平行放置，所以在兩投影面上同一點(diǎn)所成像的z坐標(biāo)值都相等。

計(jì)算出一般點(diǎn)與各個(gè)特殊點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將它們還原到基坐標(biāo)系空間。把背面邊界上的各點(diǎn)投影到背面與底面的交線上（即令這些點(diǎn)的z坐標(biāo)為0），利用這些點(diǎn)和前幾步中選的點(diǎn)把整體分割成如圖2b所示小多面體。

3 總結(jié)

為適應(yīng)雙孢蘑菇采摘工作環(huán)境，針對(duì)子實(shí)體采摘質(zhì)地脆弱、采摘易損傷等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙孢蘑菇采摘機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；制定了智能控制系統(tǒng)的總體方案和控制方法；依據(jù)圖像識(shí)別原理設(shè)計(jì)了適合食用菌采摘機(jī)器的識(shí)別算法，給出了對(duì)象物的相對(duì)方位及體積計(jì)算方法，為基于智能圖象識(shí)別的雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)了。