自主采摘机器人竞赛平台系统研究

摘要

本课题通过中国机器人大赛自主采摘机器人比赛平台系统的研究，引导采摘机器人项目改进，推进机器人比赛项目向高技术、高层次发展，为大学生和机器人爱好者提供更好的交流平台，同时对促进机器人技术在农业领域的应用和推广具有重要实践意义。
　　课题以采摘机器人视觉定位和机械手视觉伺服控制为主要研究内容，结合竞赛平台采摘机器人目标果实识别和定位的实时性和准确性要求，搭建了自主采摘机器人平台样机，重点对三维空间位置果实快速识别定位和机械手关节运动控制进行了深入研究。论文具体研究工作如下：
　　首先，通过分析采摘任务要求，设计采摘机器人的整体结构，搭建了机器人硬件平台，针对机械手的结构建立运动学模型，并且进行正、逆运动学分析求解。确定了机器人系统整体控制方案、并完成了控制系统电路设计和电路板制作。
　　其次，对三维空间果实识别定位进行研究，在RGB颜色空间确定了阈值分割最优色差模型，实现对目标果实进行有效分割提取。采用游程编码法进行图像连通区域分析，选取最佳采摘对象。对于目标果实外形、纹理区分不明显，匹配时出现多候选匹配情况，先用基于由粗到精匹配法，先通过形心特征匹配锁定候选匹配点；再用邻域灰度互相关测度去除误匹配提高了匹配精度。并设计了采摘机器人果实双目定位系统。
　　最后，对视觉系统引导下机械手的运动控制进行研究。先利用双目视觉系统测出的目标果实的空间坐标，通过机械手运动模型逆运动学求解得出机械手目标姿态对应的关节角度值，并在关节空间对机械手的动作轨迹进行了轨迹插值；再对采摘机械手部分控制器进行设计；基于模糊 PID控制实现了机器人关节角度位置的伺服跟踪控制，并通过 simulink仿真对控制系统的性能进行了评估。最后，对机器人进行了联合调试与采摘实验，验证了采摘机器人系统的性能与精度。

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第一章 绪 论

1.1 课题来源，背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 课题主要研究内容

1.4 论文章节安排

第二章 自主采摘机器人系统总体组成

2.1 机器人本体结构介绍

2.2 系统控制方案设计

2.3 本章小结

第三章 机器人视觉采集系统设计

3.1 自主采摘机器人视觉系统设计要求

3.2 视觉定位方式选择

3.3 定位视觉系统构成

3.4 视频图像采集软件实现

3.5 视觉系统定位的模型与参数标定

3.6 本章小结

第四章 图像处理与目标果实定位

4.1 果实识别与特征提取

4.2 目标定位

4.3 本章小结

第五章 采摘机器人关节运动控制

5.1 采摘机器人机械手运动学模型分析

5.2 机械手运动轨迹插补

5.3 机器人关节位置伺服控制器设计

5.4 本章小结

第六章 采摘机器人控制系统软、硬件开发与调试

6.1 系统控制硬件设计

6.2 机器人主控计算机VC调试软件设计

6.3 下位机运动控制软件设计

6.4 采摘实验调试

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

附录A 系统模块原理图

附录B 采摘机器人部分程序代码

致谢

攻读学位期间的研究成果