智能枸杞采摘机器人枝条识别与定位关键技术研究

发布时间：2020-10-26 21:02

　　 枸杞是我国大规模种植的农作物之一,是农业经济发展的重要组成部分。枸杞不仅具有食用价值还具有药用价值。当前枸杞的采收工作主要依靠人力完成,采摘工人少、劳动强度大、采摘环境差、采摘成本高、采摘效率低等问题日渐凸显。因此,智能化采摘机器人的研发具有非常重要的意义。随着农业机器人技术和计算机技术的飞速发展,制造智能化枸杞采摘机器人已经成为可能。枸杞果实不仅体积小而且数量多,单果采摘效率低,按照枝条形状采摘不仅可以保证采摘效率还可以保护枸杞树。采摘机器人采用拟人化设计,视觉识别系统和双臂结构模拟人在采摘枸杞时的工作过程,保证枸杞的顺利采摘。随着农业采摘机器人的研发,双目视觉和机械臂控制技术得到广泛应用。传统的粗狂型采摘方案已经不能适应现代农业对采摘机器人的要求。智能化高精度的农业采摘机器人需求量巨大。振动式采摘机械装置已经在枸杞产业应用,但是存在损伤果实和果树的问题。枸杞一年可以采摘三次,对果树的损伤必然会导致减产和品质下降等问题。梳理式采摘装置能够有效保护果实和果树,但是现在都停留在手持便携式阶段,使用过程太依赖人的判断。计算机视觉识别系统可以准确识别和定位枸杞枝条位置,通过枸杞位置关系选定要采摘目标枝条的位置信息。本文针对智能枸杞采摘机器人的设计理念和枝条识别关键技术进行了以下几方面研究。(1)根据枸杞实际生长和采摘过程,介绍智能化枸杞采摘机器人的设计思路和工作过程。智能化采摘机器人采用拟人化设计,工作过程分为枝条识别过程、枝条抓取过程和枸杞采摘过程。智能化枸杞采摘机器人能保证枸杞采摘的成功率。对枸杞采摘机器人组成部分的设计理念和功能进行说明。介绍枝条抓取过程和枸杞采摘过程各组成部分的作用和工作流程。(2)针对自然环境下的枸杞枝条进行识别。根据RGB、Lab颜色空间特性,选取最佳的颜色空间。相机采集的原始图片存在噪声干扰等问题,可通过图像增强和滤波器对图像进行预处理,提高枝条识别成功率。针对枸杞枝条,对枸杞枝条进行识别。为采摘机器人提供目标枝条抓取位置和避障信息。(3)针对自然环境下枸杞枝条识别干扰因素多的问题,通过k-means聚类分割法对枝条进行处理,识别出枸杞枝条。识别枸杞枝条时需要去除枸杞果实、树叶、天空、土地等干扰因素。特别是枸杞树叶和枸杞枝条颜色相近,而且树叶多而密的伴随枸杞枝条生长。单一方法不能有效的去除干扰,利用k-means聚类分割法能有效分割个出枸杞枝条。采用细线化法提取树枝骨架,通过得到的树枝关键点坐标结合树枝半径的先验知识,重建枸杞枝条空间位置信息。(4)针对枸杞果实和树叶对枝条的遮挡问题,提出利用枸杞果实位置信息辅助定位枸杞枝条的方案。因为枸杞果实和树叶相伴枸杞枝条生长,特别是在枝条末端,枝条遮挡情况严重,相机无法有效读取枝条坐标信息。采摘机器人需要确定枝条末端抓取点的位置,可以通过枝条上的枸杞果实进行辅助定位。设计实验并验证了辅助定位实验的可行性。能为枸杞提供有效的枸杞枝条抓取点,保证枝条抓取工作的顺利完成。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242;TP391.41;S225.99
【部分图文】：

我国的农业正面临新的机遇和挑战。随确化方向发展，传统依靠人力的农业生产模的成本上升和劳动力不足的现象也日趋明显越来越重要。灌木枸杞的成熟果实。枸杞子药食同源衰老的功效。枸杞子中含有多种氨基酸功效，受到消费者的追捧。枸杞是茄科中华枸杞（Lycium chinense Mill.）和宁夏物种。枸杞属植物通常为有棘刺或无棘新疆、内蒙古等地均有大面积种植。随产基在普遍分布西北地区。采摘已经结束。据中药材天地网数据总结吨以上，青海地区总产量在 8 万吨以上地区 1.5 万吨以上，内蒙古地区 4000 吨估计全国产量在 22 万吨以上。

第一章 绪论3图1.2 荷兰农业环境工程研究所黄瓜收获机器人Fig 1.2 cucumber harvesting robot of the Netherlands institute of agricultural andenvironmental engineering2002 年，日本的 Bulanon 根据颜色和灰度的组合特征对苹果进行识别。通过摄像机拍摄苹果图像，并用电脑处理图像，以识别和定位水果。结果表明红色的颜色差异最大。可以通过红色特征将苹果识别出来，解决了苹果采摘机器人的识别定位问题。采用最优阈值的分割结果显示，成功率超过 88%[10]。2002 年，日本 Limsiroratana 将形状识别应用于木瓜采摘机器人中。提高了木瓜的识别采摘率[11]。2004 年，日本学者 Bulanon 研究了一个实时机器视觉系统的发展，为红富士苹果的机器人操作机器人提供指导。该机器视觉系统由一个彩色CCD摄像机组成

图 1.3甜椒采摘机器人Fig 1.3 Sweet pepper picking robottemah 等人设计了一种为家庭和温室中收集樱桃利用相机识别出成熟的樱桃番茄，然后机器人篮子里。机器人重复之前的步骤，直到树上没有其他的特点，比如挑选腐烂的樱桃番茄，把
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本文编号：2857523