蘋果采摘機(jī)器人重疊果實(shí)快速動(dòng)態(tài)識(shí)別及定位研究.pdf

1、在我國(guó)，果蔬采摘作業(yè)很大程度上仍然依靠人工完成，然而，隨著農(nóng)村人口不斷減少，人口老齡化日益嚴(yán)重，此外部分果蔬采摘期短，需集中作業(yè)，使得農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力愈發(fā)不足。因此，開展果蔬采摘機(jī)器人研究，實(shí)現(xiàn)果蔬自動(dòng)化采摘迫在眉睫。視覺(jué)系統(tǒng)作為采摘機(jī)器人的核心部分，對(duì)機(jī)器人能否順利采摘果實(shí)有著至關(guān)重要的影響。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金“基于快速視覺(jué)伺服控制的多照度環(huán)境蘋果高效機(jī)器采摘方法研究（31571571）”項(xiàng)目和教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)基金“蘋果采摘

2、機(jī)器人常見(jiàn)生長(zhǎng)形態(tài)果實(shí)自適應(yīng)精確識(shí)別研究（20133227110024）”的資助下，以果園中的重疊蘋果為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究重疊蘋果的快速動(dòng)態(tài)識(shí)別以及定位，主要涵蓋如下內(nèi)容：
　　1、重疊蘋果圖像去噪與顏色特征分析。由于多種因素的存在，從果園中現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像通常會(huì)含有一定的噪聲，對(duì)后續(xù)圖像識(shí)別造成干擾，因此，圖像去噪是目標(biāo)果實(shí)識(shí)別的第一步。本文采用彩色圖像鄰域平均法以及中值濾波法去除圖像中的噪聲，然后對(duì)去噪之后的低噪圖像進(jìn)行顏色特征

3、分析，為圖像分割奠定基礎(chǔ)。
　　2、重疊蘋果圖像分割以及完善。分割是識(shí)別的基礎(chǔ)，本文對(duì)比了三種基于閾值的圖像分割方法，最后選用改進(jìn)的R-G色差分割算法分割去噪后的重疊蘋果圖像。該算法通過(guò)對(duì)RGB圖像中的紅色分量進(jìn)行伽馬變換，加大圖像中紅色分量和綠色分量的差，從而緩解當(dāng)蘋果果實(shí)與背景顏色的紅綠色差不明顯時(shí)，出現(xiàn)的過(guò)分割或者欠分割情況。針對(duì)分割后圖像中存在的噪聲以及孔洞，采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、孔洞填充與閾值面積保留法三者相結(jié)合的方法進(jìn)行處理

4、。
　　3、重疊蘋果圖像快速動(dòng)態(tài)識(shí)別。機(jī)器人采摘作業(yè)通常是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，因此本文嘗試采用動(dòng)態(tài)識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)圖像序列進(jìn)行分析，獲得蘋果果實(shí)的動(dòng)態(tài)特性。利用快速生成距離函數(shù)法求出分割后目標(biāo)果實(shí)輪廓內(nèi)的點(diǎn)到果實(shí)輪廓邊緣最小距離的極大值，極大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為果實(shí)的圓心；由圓心在不同方向上到輪廓邊緣的最大距離的極小值確定半徑；結(jié)合圓心以及半徑信息提取后續(xù)匹配所需模板；根據(jù)每幅圖像中圓心的位置擬合出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的路徑，并對(duì)后續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行估

5、計(jì)，縮小后續(xù)圖像處理的范圍，加快識(shí)別速度；最后采用快速歸一化互相關(guān)匹配算法對(duì)重疊蘋果進(jìn)行匹配識(shí)別。
　　4、雙目攝像機(jī)標(biāo)定與果實(shí)深度信息獲取。本文采用張正友平面標(biāo)定法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到其內(nèi)參以及外參，此時(shí)左、右相機(jī)的重投影誤差分別為[0.22115,0.21346]和[0.24535,0.27693]，基本可以滿足采摘要求。隨后對(duì)比分析基于區(qū)域與基于特征的兩種立體匹配算法，最終將左、右蘋果圖像的圓心作為匹配的特征點(diǎn)，進(jìn)行基于特

6、征的立體匹配，并根據(jù)三角測(cè)量原理得到果實(shí)的深度信息。
　　5、重疊蘋果快速動(dòng)態(tài)識(shí)別與定位算法的實(shí)驗(yàn)分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：對(duì)于一幅大小為320×240像素，蘋果果實(shí)面積占圖像面積的比例約為18.5％的圖像，若采用傳統(tǒng)算法，匹配時(shí)間為0.181秒，經(jīng)過(guò)本文算法優(yōu)化之后，僅需0.094秒，匹配速度提高了48.1%；且蘋果果實(shí)面積占圖像面積的比例越小，加速優(yōu)化效果越明顯，果實(shí)重疊部分的面積越大，匹配識(shí)別的時(shí)間越短；圖像采集的最佳距離為