阮娟娟

(內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,呼和浩特 010070)

0 引言

近年來,隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的增長,勞動力價格不斷提高,勞動密集型企業(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大量的人力資源。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中采摘工作所需的勞動力約占整體的40%,采用機(jī)器人代替人力勞動是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的趨勢。目前,我國的采摘機(jī)器人設(shè)計技術(shù)還未成熟,特別是在果實識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)計過程中,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)行電力巡線過程主要是對電力線的提取和重構(gòu)。目前,我國三維激光電力巡線技術(shù)還處于初始階段,國內(nèi)的研究還比較少,在電力線提取時一般都是采用的Hough變換原理,通過將激光點云轉(zhuǎn)換到二維空間后進(jìn)行Hough變換。采用Hough變換對電力線進(jìn)行提取會損失一些三維信息,如高程信息,對于多層電力線,也不能夠快速地提取和識別單條電力線,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。

圖1 三維激光電力巡線過程

基于局部各根電力線互相平行與同一線路電力線數(shù)目、線路寬度、相鄰檔電力線走向基本一致等先驗特征,可以采用三維重構(gòu)的方法重新構(gòu)造三維電力線模型。采摘機(jī)器人在進(jìn)行定位導(dǎo)航時,為了準(zhǔn)確計算待采摘果實的位置坐標(biāo),需要對采集到的果實圖像信息進(jìn)行投影線,確定方位坐標(biāo),也可以采用電力巡線三維模型重構(gòu)原理確定果實的具體位置信息。其流程如圖2所示。

在采摘機(jī)器人視覺定位過程中,由于無法直接得到果實相對于采摘機(jī)器人的具體位置坐標(biāo),可采用基于激光巡線原理的三維模型重構(gòu)方法,通過準(zhǔn)確識別果實的球形形狀,提取出果實的質(zhì)心位置,最終確定果實的相對位置坐標(biāo)。

圖2 采摘機(jī)器人視覺定位導(dǎo)航過程

2 果實模型重構(gòu)和識別及準(zhǔn)確采摘控制方法

對于大部分待采摘果實而言,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。為了使待采摘果實目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確,根據(jù)激光電力巡線的原理,對三維模型進(jìn)行重構(gòu),利用果實目標(biāo)上的多個坐標(biāo)點重構(gòu)出球形模型,最后利用最小二乘法得到果實的質(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

(2)

如果采用n個點進(jìn)行重構(gòu),則可以利用矩陣來進(jìn)行求解。其表達(dá)式為

(3)

式(3)可以簡寫成

Am=B

(4)

利用最小二乘法,可以解得

m=(ATA)-1ATB

(5)

首先對采集的圖像進(jìn)行處理,得到果實圖像上的8個位置點,然后用近似圓形來代替果實形狀,通過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(xmin,ymin),右下點坐標(biāo)為(xmax,ymax),則矩形內(nèi)任意坐標(biāo)點(x,y)的表達(dá)式為

(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)。通過隨機(jī)數(shù)可以將點進(jìn)行分散化,從而提高最小二乘的計算機(jī)準(zhǔn)確性,其流程如圖3所示。

圖3 果實位置坐標(biāo)求解流程

根據(jù)果實位置坐標(biāo)的求解流程,通過采集得到的圖像點(i,j)可以求出其在采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)中的三維坐標(biāo)(x,y,z)。采摘機(jī)器人根據(jù)定位坐標(biāo)可以自主實現(xiàn)導(dǎo)航功能,其采摘機(jī)械手的移動可以利用分段控制的方法,原理如圖4所示。

圖4 采摘機(jī)器人執(zhí)行末端移動示意圖

根據(jù)果實目標(biāo)G在導(dǎo)航視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系xoy平面內(nèi)的投影G′,控制采摘機(jī)器人執(zhí)行末端旋轉(zhuǎn)與軸夾角α的位置。其中,α的表達(dá)式為

α=arctan(Y/X)

(7)

在采摘過程中,采摘機(jī)器人的執(zhí)行末端將在直線OG′與z軸組成的平面內(nèi)運動,從A到B的移動可以利用圓弧插補(bǔ)的方式,其中B點的坐標(biāo)為

(8)

利用B點的坐標(biāo)值,通過曲線插補(bǔ)的形式可以將采摘機(jī)械手執(zhí)行末端移動至G點位置,定位后利用執(zhí)行末端的手指將果實夾緊,然后通過將果柄分離果實實現(xiàn)自動采摘。

如圖5所示,采摘機(jī)器人的視覺傳感器和關(guān)節(jié)角度編碼器直接采用RS232通信的方式和主控PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋,執(zhí)行末端傳感器較多,采用數(shù)據(jù)采集卡的形式將數(shù)據(jù)信息傳送給PC機(jī)。PC機(jī)端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和指令的發(fā)送,指令發(fā)送是通過將數(shù)字指令轉(zhuǎn)換為模擬指令的方式,控制執(zhí)行末端的各種氣動閥工作,實現(xiàn)采摘機(jī)器人的自動作業(yè)。

圖5 采摘機(jī)械手末端控制硬件結(jié)構(gòu)

3 采摘機(jī)器人視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)測試

為了驗證方案的可行性,以蘋果的采摘為例,對采摘機(jī)器人視覺定位系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗證。因為蘋果是圓形的,通過圓形檢測和三維重構(gòu)可以得到蘋果的質(zhì)心坐標(biāo)。

如圖6所示,為了保證測試的順利進(jìn)行,選取了3個球形比較規(guī)則的蘋果作為研究對象,首先對采集得到的蘋果圖像進(jìn)行處理,通過去掉背景圖像對蘋果進(jìn)行提取,得到了如圖7所示的結(jié)果。

圖6 待采摘蘋果圖像

圖7 初步圖像處理后結(jié)果

通過對采集得到的蘋果圖像進(jìn)行初步處理,成功提取了蘋果的圖像,為了使三維重構(gòu)能夠更加準(zhǔn)確,需要對初步處理后的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,進(jìn)一步增強(qiáng)處理得到了如圖8所示的結(jié)果。

圖8 增強(qiáng)圖像處理后結(jié)果

通過圖像進(jìn)一步增強(qiáng)處理,包括圖像的膨脹腐蝕等,得到了完整的圓形蘋果圖像;然后,對得到的圖像進(jìn)行圓形檢測和三維重構(gòu),可以得到質(zhì)心的位置,并對多次計算的位置坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計,得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 質(zhì)心計算值和測量值統(tǒng)計表

為了驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,將計算得到的質(zhì)心位置Z坐標(biāo)和測量得到的實際結(jié)果進(jìn)行了對比,對比結(jié)果表明:通過計算得到的Z坐標(biāo)值點和測量得到的結(jié)果基本吻合,從而驗證了計算的可靠性。

為了進(jìn)一步驗證方案的可行性,在不同工況測試條件下,對采摘機(jī)器人導(dǎo)航視覺的成功識別率進(jìn)行了測試,如表2所示。由測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在較暗、暗、較亮和明亮4種工況條件下,其準(zhǔn)確識別率都在90%以上,從而進(jìn)一步驗證了方案的可靠性。

表2 不同工況成功識別率統(tǒng)計

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)計過程中,通過對果實圓形檢測和三維重構(gòu),得到果實的準(zhǔn)確質(zhì)心坐標(biāo)位置。為了驗證方案的可行性,對果實質(zhì)心的測量精度進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:采用機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)計算得到的質(zhì)心位置和測量得到的結(jié)果基本吻合。對不同工況采摘機(jī)器人的成功識別率進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:采摘機(jī)器人對果實的成功識別率加高,可以滿足導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計需求。