基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法

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1、基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法第31卷第22期农业工程学报Vol.31No.222015年11月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringNov.201525王粮局1,张立博1,段运红2,张铁中1(1•中国农业大学工学院，北京100083；2•北京卓众出版有限公司农机事业部，北京100083)摘要：为解决基于手眼系统的视觉伺服方法在草莓采摘机器人应用中存在的视觉信息反馈延迟大、频率低以及深度信息无法确定等带来的定位耗时长

2、、精度低的问题，采用摄像机曝光信号触发控制卡进行高速位置锁存，结合位置传感器的反馈信息，來减少定位耗时；采用基于运动恢复结构的方法，提高果实采摘参数的精度。在垄坡和摄像机像平面的夹角为±10°范围内的情况下，针对包含1~3粒成熟草莓的果实域，采用直角坐标式机械臂草莓采摘机器人样机进行了定位试验。试验结果表明：定位时间在0.633—0.886s之间；草莓深度信息的相对误差在?4.34%〜0.95%范围内。关键词：机器人；视觉伺服；采摘；定位；草莓doi：10.11975/j.issn.1002-681

3、9.2015.22.004中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1002-6819(2015)-22-0025-07WangLiangju,ZhangLibo,DuanYunhong,ZhangTiezhong.Fruitlocalizationforstrawberryharvestingrobotbasedonvisualservoing［J］.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactionso

4、ftheCSAE),2015,31(22):25—31.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.22.004http://www.tcsae.org0引言选择性果实采摘是农业上最为耗时费力的作业环节之一，30a来人类一直试图采用机器人从事该类作业。但由于果实采摘机器人作业环境复杂,采摘对象的物理参数非结构化，因此果实采摘机器人的软硬件系统与工业机器人相比更加复杂，需耍专用的视觉系统对冃标果实进行识别定位，并需要

5、专用的末端执行器(即采摘手爪)对果实进行精准、无损采摘，这些成为采摘机器人领域主要的研究课题［1-5］o其中，对果实在世界坐标系内的定位，目前普遍采用的方法是双目立体视觉［6・7］和基于手眼系统的视觉伺服［8・10］方法。前者由2台摄像机分别同时采集果实图像，然后将2幅图像进行匹配，利用相匹配点的视差实现对目标果实的定位。但由于2幅图像对应点间的匹配算法复杂，并且对视觉传感器参数一致性和安装精度要求高，因此实际作业时耗费时间长，实施难度大［11］-后者结构相对简单，但存在信息反馈延时大、频率低以及采

6、摘目标深度信息无法确定等问题，为满足视觉反馈信息的实时性，需要增加运算量，对视觉系统硬件性能耍求高［1乙13］。此外，最近兴起的基于光编码技术［14］和飞行时间方法［15］的具有深度信息的摄像机也应用到了采摘机器人上，但是收稿日期：2015-05-04修订日期：2015-10-13基金项目：国家自然科学基金资助项目(61375089)作者简介：王粮局，男，河南商丘人，博士生，主耍研究方向：农业机器人。北京中国农业大学工学院，100083oEmail：wangliangju@gmail.com※通信作

7、者：张铁中，男，河北邢台人，教授，曲士生导师，主要研究方

8、nj：农业机器人，生物生产自动化。北京屮国农业大学工学院，100083cEmail：zhangtz56@163.com这些方法尚不成熟，精度也不够高。由于在草莓栽培中，草莓果实大致分布在一个平面内，因此草莓果实的深度信息变化不大，在这种情况下采用视觉伺服定位方法更具优越性。针对基于手眼系统视觉伺服定位方法存在的问题，本文提出一种改进的方法。结合草莓果实的牛长特点，采用摄像机曝光信号触发控制卡进行高速位置锁存，结合位置传感器的反馈信息，实现了在

9、不加大计算机运算量的前提下，降低视觉反馈信息延迟大、频率低的影响，减少定位耗时；在视觉伺服过程中，采用基于运动恢复结构的方法实现目标草莓域深度信息的精确计算，进而提高果实采摘参数的精度。1草莓采摘机器人结构及其运动学方程本文所针对的草莓种植环境为垄作栽培，其特点为草莓植株种植在垄顶，果实贴在垄坡，并且在垂直垄坡方向上没有重叠；采摘作业过程中除了少许的叶子遮挡外基本没有别的障碍物[16]o草莓采摘机器人采用直角坐标式机械臂[17](图1),主耍由精密运动定位机构、末端执