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智能移动式水果采摘机器人系统的研究

作　者: 顾宝兴
导　师: 姬长英
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 采摘机器人果实识别路径检测运动学分析果园导航远程监控
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

水果采摘机器人对减轻果农劳动强度,保证果实及时采收,保证果品质量,提高我国果园自动化作业水平等方面具有非常重要的意义。本研究在国家“863计划一移动式果树采摘机器人关键技术研究”项目资助下,综合运用机械电子、图像处理、数据通信、计算机网络及智能控制等技术对智能移动式水果采摘机器人的关键技术进行了研究。主要研究内容及研究成果总结如下：(1)在对标准矮化苹果果园进行实地调研的基础上,确定了采摘机器人基本设计参数。通过对现有四轮电动车底盘和履带底盘的分析比较,发现现有底盘很难满足设计要求。为此,自主设计了适用于果园作业的轻型履带式智能移动平台,并在智能移动平台上集成了采摘机械臂及其控制系统、末端执行器及其控制系统、智能移动平台驱动控制系统、DGPS、双目摄像机等设备,并以工业PC为主控制器构建了整个采摘机器人的运动控制系统。最终独立完成了水果采摘机器人样机的自主研制。(2)搭建了水果采摘机器人的视觉系统,开发了果实识别和定位的图像处理软件。在RGB、归一化rgb、HIS、Lab、YIQ和Ⅰ1Ⅰ2Ⅰ3颜色空间下对多幅苹果、树叶、树枝的图像进行分析,通过比较多种色差模型的灰度图像,找出果实与枝叶图像差异较为明显的色差模型,并对可用色差模型的灰度图像进行了图像处理的实时性和实际分割效果的对比分析,结果表明,利用RGB颜色空间中的R-G色差分量并采用自适应阈值分割算法能获得理想的分割效果。最后对分割后的图像采用圆形Hough变换与质心标记相结合的方法检测果实中心点坐标,试验表明该方法的果实识别率比单用圆形Hough变换的果实识别率能够提高8.5%。(3)提取了视觉导航和DGPS导航的控制参数,开发了基于机器视觉和DGPS的智能移动平台导航控制系统。在进行视觉导航参数提取时,采用直线Hough变换与最小二乘法相结合的方法检测导航路径,该方法能够融合Hough变换检测出的直线附近的近距离点集来拟合导航路径,试验表明该方法比单用Hough变换检测导航路径的误检率降低约30%。(4)对采摘机械臂和智能移动平台进行了运动学分析和求解,提出了基于“最短行程”和“最低能耗”为准则的采摘机械臂最优逆解求取算法。另外,还对采摘机械臂和智能移动平台的轨迹规划进行了研究。(5)搭建了水果采摘机器人远程视频监控系统。远程视频监控系统主要功能有以下几个方面：第一,能够实时观测到采摘机器人果园现场作业状况和周围工作环境；第二,当采摘机器人遇到突发状况时监控者可通过远程监控客户端向采摘机器人发出远程控制指令来实时控制各个运动模块动作,以保证采摘机器人作业的安全性；第三,采摘机器人能够对其自身周围环境进行监测,一旦有人或者障碍物接近机器人,采摘机器人主控制器便会在现场和向远程监控客户端同时发出警报。(6)通过校内试验和果园综合试验对采摘机器人的作业性能进行了验证。试验表明：采摘机器人能够实现智能移动平台导航、采摘机械臂运动、末端执行器果实抓取及水果自动装箱等关键动作的智能协调控制,各种算法的实时性和鲁棒性能够满足采摘机器人的作业需要。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-34
  1.1 课题研究背景和意义  12
  1.2 国内外采摘机器人研究进展  12-19
    1.2.1 国外研究进展  13-17
    1.2.2 国内研究进展  17-19
  1.3 采摘机器人关键技术研究现状  19-23
    1.3.1 果实识别与定位系统研究现状  19-21
    1.3.2 移动平台自主导航研究现状  21-23
  1.4 采摘机器人特点、存在问题及对策  23-25
    1.4.1 采摘机器人特点  23
    1.4.2 存在问题  23-24
    1.4.3 问题解决思路  24-25
  1.5 主要研究内容与研究方法  25-27
  参考文献  27-34
第二章采摘机器人总体方案设计  34-44
  2.1 采摘机器人设计原则  34
  2.2 设计目标及主要技术参数确定  34-35
  2.3 总体设计方案一  35-37
    2.3.1 总体结构  35
    2.3.2 控制系统  35-36
    2.3.3 工作原理  36-37
  2.4 总体设计方案二  37-39
    2.4.1 总体结构  37
    2.4.2 控制系统  37-38
    2.4.3 工作原理  38-39
  2.5 总体设计方案比较与分析  39-41
    2.5.1 智能移动平台  39-40
    2.5.2 采摘机械臂  40
    2.5.3 末端执行器  40-41
    2.5.4 控制系统方案确定  41
  2.6 本章小结  41-42
  参考文献  42-44
第三章采摘机器人机械系统设计  44-54
  3.1 苹果树栽培模式  44-45
  3.2 机械系统主要工作部件设计  45-50
    3.2.1 履带式行走装置  46-48
    3.2.2 采摘机械臂  48
    3.2.3 横向滑移机构  48-49
    3.2.4 末端执行器  49-50
  3.3 移动平台驱动电机参数计算  50-51
  3.4 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第四章采摘机器人控制系统设计  54-68
  4.1 采摘机器人控制系统硬件总体方案  54-55
  4.2 控制系统硬件结构设计  55-61
    4.2.1 硬件系统组成  55
    4.2.2 主要功能模块  55-61
  4.3 控制系统软件设计  61-65
    4.3.1 设计思路  61
    4.3.2 控制系统软件设计  61-64
    4.3.3 主控制器与末端执行器控制器串口通信  64-65
  4.4 本章小结  65-66
  参考文献  66-68
第五章采摘机械臂运动学分析与轨迹规划  68-80
  5.1 采摘机械臂运动学求解  68-73
    5.1.1 采摘机械臂正向运动学求解  68-70
    5.1.2 采摘机械臂逆向运动学求解  70-73
  5.2 采摘机械臂工作空间分析  73-74
    5.2.1 工作空间求解方法概述  73
    5.2.2 采摘机械臂工作空间  73-74
  5.3 最优逆解选取  74-77
  5.4 采摘机械臂路径规划  77-78
  5.5 本章小结  78-79
  参考文献  79-80
第六章采摘机器人果实识别与定位系统研究  80-122
  6.1 视觉系统标定  80-94
    6.1.1 视觉系统基础理论  81-84
    6.1.2 摄像机标定  84-94
  6.2 果实图像采集  94-95
  6.3 颜色空间分析与选取  95-101
    6.3.1 颜色空间分析  96-100
    6.3.2 颜色空间选取  100-101
  6.4 目标果实识别  101-112
    6.4.1 果实识别实现流程  101-102
    6.4.2 果实图像阈值分割  102-104
    6.4.3 二值图像形态学滤波  104-106
    6.4.4 区域标记  106-107
    6.4.5 目标区域边缘提取  107-111
    6.4.6 基于改进圆形Hough变换和质心标记的果实中心点坐标求解  111-112
    6.4.7 实验结果与分析  112
  6.5 目标果实定位与立体匹配  112-118
    6.5.1 双目立体视觉定位原理  112-113
    6.5.2 果实立体匹配  113
    6.5.3 采摘机械臂基坐标系下目标果实中心点三维坐标求解  113-117
    6.5.4 采摘机器人视觉系统定位精度测试  117-118
  6.6 本章小结  118-119
  参考文献  119-122
第七章采摘机器人果园导航系统研究  122-152
  7.1 导航软件设计流程图  122-124
  7.2 果园视觉导航路径识别  124-130
    7.2.1 Hough变换基本原理  124-126
    7.2.2 改进的Hough变换算法  126-127
    7.2.3 基于改进Hough变换和最小二乘法相结合的果园导航路径检测  127-130
  7.3 导航参数求解  130-136
    7.3.1 图像检测的横向和航向偏差与移动平台实际偏差对应关系推导  130-134
    7.3.2 横向偏差和航向偏差求解  134-136
    7.3.3 验证实验  136
  7.4 智能移动平台运动学分析  136-140
  7.5 视觉导航路径规划  140-142
  7.6 基于DGPS的果园导航与控制  142-146
    7.6.1 DGPS定位原理  142-143
    7.6.2 DGPS定位系统  143-144
    7.6.3 基于DGPS的果园导航与控制  144-146
  7.7 基于机器视觉与DGPS的组合导航试验  146-148
  7.8 本章小结  148-149
  参考文献  149-152
第八章采摘机器人试验结果与分析  152-164
  8.1 试验影响因素和主要测试指标  152
  8.2 试验工具及设备  152
  8.3 采摘机器人试验与分析  152-161
    8.3.1 力传感器标定试验  152-155
    8.3.2 末端执行器抓取试验  155-157
    8.3.3 智能移动平台行走测试  157
    8.3.4 采摘机器人作业性能综合试验  157-161
  8.4 本章小结  161-162
  参考文献  162-164
第九章研究结论与后续研究建议  164-168
  9.1 研究结论  164-165
  9.2 主要创新内容  165
  9.3 后续研究建议  165-168
攻读博士学位期间的研究成果  168-170
致谢  170-172
附录A  172-174

智能移动式水果采摘机器人系统的研究

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