admin管理员组文章数量:1566982
2024年6月18日发(作者:)
总754期第二十期
2021年7月
河南科技
HenanScienceandTechnology
信息技术
基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计与试验
赵君爱
(江苏海事职业技术学院,江苏南京211100)
摘要:未来农业向着自动化和智能化发展。基于机器视觉的苹果采摘机器人系统克服了苹果生长的不规
律性、视觉定位及采摘方式等技术难题,提出了一套性能稳定的硬件及软件设计方案。因此,概述苹果采摘
机器人的整体设计思路,介绍机器视觉系统的工作原理、工作流程以及系统设计。试验结果证明,该机器人
采摘表现优良。
关键词:机器视觉;苹果采摘机器人;系统设计
中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1003-5168(2021)20-0027-03
DesignandExperimentofApplePickingRobotBasedonMachineVision
(JiangsuMaritimeVocationalandTechnicalCollege,NanjingJiangsu211100)
ZHAOJun’ai
Abstract:ignprocessofapplepickingrobot
systembasedonmachinevisionovercomesthetechnicalproblemssuchasirregularapplegrowth,visualpositioning
erimentalresultsshowthattherobothasexcellentpickingperformance.
Keywords
:machinevision;applepickingrobot;systemdesign
我国各行各业用工成本不断上升,特别是农业生产
领域,农产品采摘耗费人力成本较高,约占整体生产成本
的40%。自动化采摘机器人代替人工采摘符合现代化农
业的发展趋势。现有苹果采摘机器人由于工作效率低、
制造维护成本高以及采摘成功率低等缺点,难以大规模
推广应用。因此,本文克服现有采摘机器人的缺点,研制
了一款具有高精度视觉能力的快速采摘机器人,具有重
要的应用价值。
1
1.1
苹果采摘机器人系统整体设计方案
苹果采摘机器人组成部分
andpickingmode,putsforwardasetofhardwareandsoftwaredesignschemewithstableperformance,andsummariz⁃
estheoveralldesignschemeofapplepickingrobot,Theworkingprinciple,workingprocessandsystemdesignofma⁃
人的设计方案。该系统分为机器人主体、远程个人计算
机(PersonalComputer,PC)端和无线便携式遥控端3部
分。机器人主体由移动平台、机器视觉系统、机械臂以及
采摘手4个部分组成;远程PC端通过无线网通信模式控
制和调整机器人的工作,其网络构建简单便捷、稳定可
靠;无线便携式遥控端可以实时控制机器人进行采摘
[1]
。
1.2
系统采用2台摄像机,通过视频采集卡连接远程PC
端。机器视觉系统功能可以精确识别成熟的苹果,并准
确获取其三维位置。系统先采集图像对其进行预处理和
校对,根据成熟苹果的特点(如红色圆球)设计机器人视
觉识别方案、识别机制以及定位程序。机器视觉系统包
括图像预处理和完成校对功能,校对成功则可确定苹果
的三维坐标,校对失败则应重新采集图像再次进行校对。
摄像机采集图片后,先进行图像预处理,区分成熟红
苹果、灰色枝干和绿色叶子;通过外形校对采集图像红色
区域块的轮廓,当采集图像信息中存在多个苹果时,可获
得多个苹果轮廓;确定苹果的目标位置,将上一步得到的
机器视觉系统的工作原理
实地考察苹果果园种植模式和基本情况,发现多数
苹果生长高度在100~180cm,存在苹果空间分布无规
律、果树间隔小、地面不平整且树下杂草多等问题。根据
苹果果园实际情况,新型采摘机器人需要克服树叶和果
实遮挡影响机器人获取采摘目标的三维位置、苹果之间
距离过近影响采摘以及苹果采摘速度过慢等问题。根据
苹果采摘需求,基于机器视觉系统提出了苹果采摘机器
收稿日期:2021-06-20
作者简介:赵君爱(1980—),女,博士,讲师,研究方向:图像处理、机器视觉。
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
·28·
基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计与试验
第20期
每个苹果轮廓拟合为一个圆,求其圆心和半径,其中圆心
是确定苹果位置和距离的参考点。机器人图像预处理
后,得到苹果位置和苹果轮廓的不规则形状,对苹果图像
做拟合运算。在所得图像出现多个苹果定位时,优先采
摘距离最近的苹果。
[2]
电机
编
码
器
编
码
器
电机
电源处理
电池
嵌入式
控制中心
电机
前方
编
编
码
码
器
器
激光避障
电机
2工作流程
在苹果采摘机器人初始化后,视觉系统的2台摄像
机同时对成熟苹果进行图像采集,然后系统对采集的图
像信息进行分析处理,计算并确定红苹果所处的位置,得
到其三维坐标,继而控制机械手执行采摘任务。对机械
手无法采摘的位置,远程PC端可根据苹果的实际位置适
当调整机械手的运动,确保苹果坐标在机械手的工作范
围。机械手调整是一个闭环控制环节,需要连续进行视
觉判断、调整移动平台,保证目标苹果的坐标满足机械手
的采摘条件。通过前进、后退等操作控制机器人仍无法
完成采摘任务时,可放弃采摘此目标苹果。为保证机器
人沿磁导航带完成采摘任务,在调整控制苹果采摘机器
人的过程中,注意不要改变机器人的横向位置。当机器
视觉系统采集图像存在多个苹果都满足采摘条件时,优
先采摘距离最近的苹果,再按距离远近依次采摘剩下的
苹果。苹果采摘机器人每次采摘1列苹果树,移动步伐
距离为每次100cm。完成预设路程后,机器人进入待机
状态。在苹果采摘机器人工作期间,工作人员利用远程
人的工作参数。
3
3.1
PC端控制机器人的工作状态,根据情况设置或调整机器
苹果采摘机器人系统设计
硬件系统设计要点
3.1.2
图1四轮驱动移动平台设计
运动性能,苹果采摘机器人采用灵活的四维柔性机械
手。机械臂末端为气动铡刀。采摘时利用气动铡刀先剪
断果柄并夹住苹果,再把苹果放入前面的果篮。机械臂
设计总长度为120cm,底座距地面80cm。机械臂采摘
机械臂设计。为保证机械臂具有自由伸缩的
半径约1m,采摘高度和作业半径均满足苹果采摘要
求。采摘苹果的坐标允许误差为1cm,高精度柔性设计
机械臂可以大大提高苹果采摘的成功率。机械臂的关
节传动器为谐波减速器,机械臂的第1、2关节的电机、
减速器以及编码器相同,第3、4关节的电机、减速器以
及编码器相同。
3.2软件系统设计
苹果采摘机器人的软件系统设计包括远程PC端控制
系统设计、移动平台控制器系统设计、机械臂程序设计以
及遥控器程序设计。其中最核心的控制系统是远程PC端
控制系统,控制系统的主要算法均在远程PC端控制中心
完成,因此主要介绍远程PC端控制系统的软件设计。
远程人机控制流程如下:人工控制苹果采摘机器人
开机、初始化;确保机械臂初始状态应为复位状态,检测
相关控制器的初始化参数,保证机械臂正常运行;通过视
觉系统的2台摄像机获取苹果图像信息并对其进行预处
理,如图2所示;判断获取图像信息,确定成熟苹果位置;
当未发现成熟苹果时,继续前行100cm,重新获取图像并
进行处理、校对;通过处理图片信息获得的成熟苹果的三
维坐标和距离,开始进行采摘;机械臂按照规划路径执行
采摘任务,将果实放至果篮;机器人采摘完毕进入待机模
式,发出停止采摘的提示
[4]
。
4
4.1
苹果采摘机器人应用试验
试验目的
苹果采摘机器人硬件为复杂的电气机械一体化系
统。机器人硬件系统由远程PC端、机械手及多个下位机
组成。下位机包括移动平台控制器、机械手控制器以及
远程控制接口等设备。
3.1.1四轮驱动移动平台设计。根据苹果果园地形
复杂、崎岖的特点,为保证苹果采摘机器人移动平台优良
的越野性能,采取比履带式更便于操作和维护的四轮驱
动模式,如图1所示。机器人的每个轮子设计了单独的
伺服电机,每个电机设置了减速比为1∶35的减速器,并
配置了线数为2000的编码器。机器人转弯采用差速模
式,利用编码器控制移动平台并对其状态进行反馈。为
了解决移动平台前进时难以躲避障碍的问题,在移动平
台前面设计安装1台激光测距仪。当移动平台前50cm
范围内出现障碍物时,激光测距仪可及时向PC端发出遇
障警报。移动平台能源采用锂电池,通过不同的电源处
理器实施供电。移动平台的嵌入式控制器和激光避障模
块采用5V电源,而轮子采用48V直流电源,机器臂采用
24V电源
[3]
。
对苹果采摘机器人进行试验的目的是测试其移动平
台的越野性能、视觉系统以及机械臂的采摘效果。移动
平台的越野性能测试是考核机器人越过一定障碍物的运
动能力;机器视觉系统测试是通过采集的图像信息进行
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
第20期
基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计与试验
·29·
图2采摘机器人视觉图像分析
多次识别、定位,能否确定成熟苹果位置;机械臂采摘测试
是基于机器视觉系统精确识别成熟苹果位置的基础上,能
否成功完成采摘任务。机器视觉系统和机械臂性能应在
不同光环境下进行多次测试,分析测试结果得出结论。
4.2
为测试采摘机器人越野性能,通过在采摘机器人行
走路径前每间隔20cm设置3块15cm厚木板,模拟苹果
栽植场地实际环境。经测试验证,由于机器人采用四驱
驱动模式和激光测距仪,可顺利通过障碍物。苹果采摘
时,遇枝叶等障碍物时,机器人机械臂为探入式采摘,采
摘半径为1m。机械臂采用四维柔性设计,可绕过障碍物
采摘苹果,避开障碍物效果良好。当苹果被绿叶遮挡面
积较大但2台摄像机同时获取的图像信息遮挡面积小于
苹果横截面积的1/3时,机器视觉系统可以快速获取成熟
苹果的三维信息;当其中1台摄像机采集不到红色苹果
图像时,则无法识别成熟苹果。
在不同光环境下对机器人进行实时采摘测试,结
果表明,苹果采摘机器人识别成熟苹果的速度平均约
为1s,单个苹果采摘速度约为25s。苹果采摘机器人
的识别速度、采摘速度和光环境无关,但是成熟苹果的
识别成功率受光环境影响较大。环境越亮,成熟苹果
识别成功率越高,在阴暗环境的识别成功率仅为
85%。果园在白天基本不会出现光线较暗的情况,所
以苹果采摘机器人的识别成功率非常理想,采摘作业运
试验结果
行稳定,采摘成功率在95%以上
[5]
。
5结语
基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计,创新性地
整合了各项技术,设计了实用性强的全套系统方案,克服
了成熟苹果识别难度较大和采摘成功率低等问题。经试
验证明,设计方案具有可行性,采摘结果较为理想,解决
了现有机器人的常见问题,具有重要的现实意义。在苹
果果园进行采摘试验,该机器人采用机器视觉系统确定
成熟苹果的位置,可以满足成熟苹果识别需求。此外,柔
性机械臂可以避开障碍物,成功执行采摘苹果任务。机
器人测试效果比较理想,可以投入苹果采摘作业进行实
际应用。
参考文献:
[1]王丹丹,宋怀波,何东健.苹果采摘机器人视觉系统研
究进展[J].农业工程学报,2017(10):59-69.
[2]贾伟宽.基于智能优化的苹果采摘机器人目标识别研
究[D].镇江:江苏大学,2016:35.
[3]吕继东.苹果采摘机器人视觉测量与避障控制研究
[D].镇江:江苏大学,2012:47.
[4]刘鹏莉.苹果采摘机器人的设计与研究[D].西安:西安
理工大学,2018:42.
[5]陈鸥.苹果采摘机器人视觉系统识别基础方法的研究
[D].秦皇岛:燕山大学,2016:53.
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
版权声明:本文标题:基于机器视觉的苹果采摘机器人的设计与试验 内容由热心网友自发贡献,该文观点仅代表作者本人, 转载请联系作者并注明出处:https://www.elefans.com/shuma/1718663085a708896.html, 本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容,一经查实,本站将立刻删除。
发表评论