樱桃小番茄腋芽摘除机器人关键技术研究

摘要

樱桃小番茄腋芽摘除是提高产量的关键，由于腋芽颜色特征和周围枝条、叶片相近，且容易被遮挡，本文以小番茄植株为对象，以成功摘除腋芽为目标，研究了图像采集、去除点定位，侧枝水平投影角测量等关键问题。主要研究内容与成果:
　　(1)研究了农艺技术，使用半剪的方式摘除樱桃小番茄的腋芽。测量了定植后的樱桃小番茄植株几何特性，还测定了其腋芽、侧枝的力学特性，获得了樱桃小番茄的株高、主茎直径、节距、侧枝朝向、倾角等特征参数。提出在温室大棚中应标准化种植，按照固定的行距、株距、畦距等要求，为机器人自动摘除腋芽提供一定基础。
　　(2)研制了蓝色LED光源染色系统，照射小番茄植株的侧枝基部，将其用蓝光染色，方便进行图像分割。建立了蓝色LED可调式染色系统，通过光照度传感器检测周围环境的照度，调节灯珠的亮度，防止发生高光反射或者染色不足。对RGB颜色空间的B分量进行图像分割，得到目标部位清晰完整的图像。
　　(3)通过快速傅里叶变换(FFT)，使用低通滤波器去除毛刺和噪声，保留基本轮廓特征;由形态学膨胀算法突出腋芽两侧特征点，通过Shi-Tomasi角点检测算法，找到目标图像角点，再经过特征点判别算法，找到特征点，由此判别腋芽存在与否，定位腋芽去除点，最后摘除腋芽。实验结果表明，腋芽识别的成功率为93.9％，腋芽摘除成功率为88.9％，能满足自动去除的要求。
　　(4)设计了光电式自动旋转测向机构。采用闭合环形机构环绕樱桃小番茄主茎，并通过旋转方式使固定在活动环上的光电传感器能水平360°扫描侧枝，得到侧枝的水平投影方向角。分析活动环的运动轨迹，得到其线速度与角速度的关系及比例系数。经试验表明:比例系数为1.5，角速度为1.875π/s，线速度为25mm/s时，检测成功率为97％，角度标准差为±8.6°。高度补偿设定为20mm，成功率为91％。对42株樱桃小番茄的153个侧枝进行测试，在1.8m高度内的成功率为88.2％。
　　(5)标定了工业摄像头，标定结果误差在2mm之内。分析了单目摄像头测距的不足，使用超声波测距传感器与摄像头组成定位系统，并对超声波测距传感器进行标定，根据其相对摄像机坐标系的波束向量。
　　(6)完成了腋芽摘除机器人末端执行机构的整体设计和装配。确定了基于导轨的机械导航方式，并使用二次定位法，使机器人准确定位樱桃小番茄植株位置。分析了机械臂的正逆运动。进行摘芽整体试验，总成功率为83％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 作业目标图像分割方法

1．2．2 采摘与去除点的定位研究

1．2．3 三维空间定位

1．2．4 机器人导航方式

1．2．5 视觉伺服与末端执行器研究

1．2．6 其他相关类型机器人

1．3 腋芽摘除机器人的难点

1．4 论文研究内容与技术路线

2 樱桃小番茄基本参数

2．1 几何参数测量与分析

2．2 腋芽的力学特性

2．3 本章小结

3 图像采集系统设计

3．1 引言

3．2 颜色空间模型

3．3 腋芽的颜色特征

3．4 LED蓝色光源染色与图像采集系统的组成

3．4．1 选取蓝色LED光源的理由

3．4．2 系统的组成材料

3．5 LED蓝色光源染色与图像采集系统的总体结构

3．6 LED蓝色光源染色子系统聚光透镜的选择

3．7 LED蓝色光源染色子系统的光照强度调节

3．7．1 反射光强对图像采集的影响

3．7．2 自动调节LED蓝色光源光强

3．8 图像分割

3．8．1 图像增强

3．8．2 阈值分割

3．9 本章小结

4 樱桃小番茄腋芽去除点定位与图像采集机构的设计

4．1 引言

4．2 快速傅立叶变换去除毛刺和噪声

4．3 区域标记

4．4 形态学膨胀

4．5 角点检测

4．5．1 角点定义

4．5．2 角点检测算法

4．6 腋芽与去除点判别

4．7 实验分析

4．8 本章小结

5 樱桃小番茄侧枝位置探测与机构的研制

5．1 引言

5．2 侧枝测向原理

5．3 测向机构的设计

5．3．1 活动环设计

5．3．2 开合机构的设计

5．3．3 侧枝生长方向检测机构的力学分析

5．3．4 测向机构与图像采集机构的装配及工作流程

5．4 光电传感器布置及侧枝水平投影角度计算

5．4．1 光电传感器布置

5．4．2 侧枝水平投影角度计算

5．5 测向机构的运动分析

5．6 试验结果与分析

5．6．1 试验目标

5．6．2 实验材料与方法

5．6．3 实验结果分析

5．7 本章小结

6 摄像头标定与单目-超声波测距立体视觉

6．1 立体视觉技术概述

6．2 单目摄像机标定

6．2．1 图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系

6．2．2 针孔模型

6．2．3 标定实验和定位实验

6．3 单摄像头与超声波测距传感器系统构建

6．3．1 单目摄像机测量的不足

6．3．2 超声波测距传感器原理

6．3．3 单摄像头—超声波测臣传感器系统的标定

6．4 本章小结

7 腋芽摘除机器人的总体设计与实验

7．1 导航与樱桃小番茄植株定位

7．1．1 导航方式

7．1．2 植株定位

7．2 机械臂运动分析

7．3 腋芽摘除机器人末端执行机构总体设计

7．3．1 设计要求

7．3．2 末端执行机构的设计与运行

7．4 腋芽摘除机器入整体试验研究

7．4．1 试验目的与方法

7．4．2 试验结果分析

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

博士期间的科研工作及学术成果