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水果采摘机器人视觉控制及其轨迹规划研究

作　者: 刘锐
导　师: 周俊
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 采摘机器人 立体视觉 手眼标定 识别 视觉伺服 轨迹规划
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


农业机器人是21世纪精准农业的重要装备之一,是未来智能农业机械的发展方向。以实现移动采摘机器人自主采摘果实为目的,本文在充分了解国内外水果采摘机器人研究进展的基础之上,自行搭建了一个自主采摘系统,着重研究了果实的识别定位、手眼标定、视觉控制算法和轨迹规划等。主要研究成果如下：1.在图像空间中利用Hough变换检测出果实目标,并利用随机采样的目标上均匀分布的多个点的3维坐标信息重建果实球模型,进而获得目标重心的空间位置坐标。实验结果表明,目标定位误差小于8mm,该方法可以有效地消除遮挡以及立体视觉匹配失效等因素的影响。2.研究了一种通过最小二乘法求解采摘机器人手眼变换矩阵的手眼标定方法。实验结果表明,各坐标分量的标定误差都在10mm以内,该标定算法操作简单、无需昂贵的实验设备,适合现场标定。3.引入开闭环相结合的控制思想,采用多摄像机视觉伺服控制结构,减小了在视觉伺服中的视觉延时和图像雅克比深度信息估计对系统精度的影响。实验结果表明,图像误差收敛到5个像素之内。4.探讨了单目测距精度问题,当测量距离在300mm到600mm范围内,测量误差基本都在30mm之内,为求取雅克比矩阵时估计深度值提供一种途径。5.研究了采用遗传算法来解决多果采摘顺序问题,提高了工作效率和减少了做功量。在详细分析了采摘机器人运动学基础上,探讨了采用三次多项式插值多个中间点的轨迹规划,在视觉反馈控制下,使用启发式算法由控制系统自动地选择中间点速度实现两果实之间的实时轨迹规划。实验结果表明,各关节在任意时刻速度都是连续的。本文为水果采摘机器人的研究提供了一个可行的思路,自主采摘系统在水果抓取的精度和可靠性上均可以满足实际采摘要求。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
第一章 绪论  9-19
  1.1 研究的目的与意义  9
  1.2 果蔬采摘机器人的研究现状与进展  9-16
    1.2.1 国外的研究进展  10-13
    1.2.2 国内研究进展  13-16
  1.3 农业采摘机器人存在的问题和对策  16-17
    1.3.1 存在的问题  16
    1.3.2 问题的解决途径  16-17
  1.4 课题研究的主要内容和技术路线  17-19
    1.4.1 研究内容  17-18
    1.4.2 技术路线  18-19
第二章 基于立体视觉采摘机器人识别定位系统  19-33
  2.1 自主采摘系统的构建  19-20
  2.2 果实的识别定位  20-24
  2.3 手眼标定  24-31
    2.3.1 一般坐标系的映射关系  24-26
    2.3.2 手眼关系  26
    2.3.3 平移矩阵的获取  26
    2.3.4 旋转矩阵的求取  26-28
    2.3.5 标定实验  28-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章 水果采摘机器人视觉伺服控制策略  33-51
  3.1 视觉伺服控制方法的概述  33-36
  3.2 采摘机器人视觉伺服控制结构设计  36-37
  3.3 基于EYE-TO-HAND方式的位置开环视觉伺服控制  37
  3.4 基于EYE-IN-HAND方式的图像视觉伺服控制  37-41
    3.4.1 基于图像的视觉伺服控制的理论基础  37-39
    3.4.2 基于图像视觉伺服的控制策略  39-41
  3.5 图像处理及期望位置的获取  41-44
    3.5.1 图像处理  41-44
    3.5.2 目标期望图像位置的获取  44
  3.6 实验研究  44-45
  3.7 基于单目的测距方法  45-49
    3.7.1 单目测距的理论基础  46-47
    3.7.2 测距实验  47-49
  3.8 本章小结  49-51
第四章 基于视觉反馈的采摘机器人轨迹规划  51-79
  4.1 引言  51-52
  4.2 采摘机器人任务规划  52
  4.3 采摘顺序规划  52-56
    4.3.1 采摘机器人全局路径的描述  53
    4.3.2 遗传算法的数学模型  53-54
    4.3.3 遗传算法在果实采摘顺序规划的应用  54-56
  4.4 采摘机器人的求解  56-63
    4.4.1 采摘机器人正向运动学  56-59
    4.4.2 采摘机器人逆向运动学  59-62
    4.4.3 末端执行器位姿的求取  62-63
  4.5 轨迹规划一般性问题  63-64
  4.6 关节空间的插值运算  64-68
    4.6.1 三项式插值运算  64-66
    4.6.2 过路径点三次多项式插值  66-67
    4.6.3 中间点速度的确定方法  67-68
  4.7 采摘机器人轨迹规划  68-77
    4.7.1 算法描述  68-70
    4.7.2 基于多线程控制软件设计  70
    4.7.3 轨迹规划仿真  70-74
    4.7.4 轨迹规划实验  74-77
  4.8 本章总结  77-79
第五章 结论与展望  79-81
  5.1 工作结论  79
  5.2 主要创新内容  79-80
  5.3 可以进一步研究的问题  80-81
参考文献  81-87
研究生期间撰写发表的论文  87-89
致谢  89

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 智能机器人
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