李志鵬，郭艷玲，王海濱

（1.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040;2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

藍(lán)莓果樹(shù)是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ臉?shù)種，藍(lán)莓果市場(chǎng)需求龐大，是近幾年世界發(fā)展最為迅速的、集營(yíng)養(yǎng)與保健于一身的第三代果樹(shù)。由于藍(lán)莓果實(shí)軟和果粒小，導(dǎo)致采摘困難，藍(lán)莓的種植受到限制，發(fā)展機(jī)械化采摘，成為我國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的迫切需求和必然趨勢(shì)。

藍(lán)莓采摘機(jī)的車架是門式結(jié)構(gòu)，在采摘過(guò)程中它橫跨在藍(lán)莓樹(shù)上，并按照藍(lán)莓樹(shù)列的方向前進(jìn)。要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘，就必須保證藍(lán)莓采摘車避免和藍(lán)莓樹(shù)干發(fā)生碰撞干涉，因此必須對(duì)藍(lán)莓采摘車的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃，確保采摘工作的完成。

1 采摘車行走軌跡規(guī)劃的研究

1.1 藍(lán)莓采摘車軌跡規(guī)劃的步驟

首先利用圖像識(shí)別技術(shù)得到藍(lán)莓植株的輪廓，估計(jì)輪廓尺寸，得出的藍(lán)莓植株中心位置并計(jì)算出藍(lán)莓植株的中心線，并據(jù)此調(diào)整藍(lán)莓采摘機(jī)車體的進(jìn)給朝向，為軌跡引導(dǎo)和規(guī)劃做準(zhǔn)備。

其次藍(lán)莓采摘機(jī)具有運(yùn)動(dòng)約束，只能前后運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，而不能橫向運(yùn)動(dòng)，而且在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求。

最后要考慮藍(lán)莓采摘車的實(shí)際尺寸，提前預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)方向，否則可能會(huì)造成藍(lán)莓采摘機(jī)與植株距離太近而使藍(lán)莓采摘機(jī)無(wú)法順利進(jìn)入采摘狀態(tài)。藍(lán)莓采摘車路徑規(guī)劃流程如圖1所示。

1.2 藍(lán)莓采摘車運(yùn)行軌跡要求

（1）藍(lán)莓樹(shù)的高度和寬度不應(yīng)超過(guò)門的高度和寬度太多。

（2）藍(lán)莓采摘機(jī)是按照藍(lán)莓樹(shù)列的中心線運(yùn)行。

圖1 采摘車路徑規(guī)劃流程圖Fig.1 Flowchart of the path planning of the picking cart

（3）藍(lán)莓采摘機(jī)在行進(jìn)過(guò)程中不能越過(guò)中心線，這就使藍(lán)莓采摘機(jī)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)非常有限，與周圍的環(huán)境障礙物必須保持最小的安全距離。

（4）在藍(lán)莓列頭轉(zhuǎn)彎時(shí)，要充分考慮藍(lán)莓采摘車最小轉(zhuǎn)彎半徑。

2 藍(lán)莓植株中心線的確定

2.1 基于Lab色彩模式的藍(lán)莓植株檢測(cè)

Lab模式是根據(jù) CommissionInternationale Eclairage（CIE）在1931年所制定的一種測(cè)定顏色的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建立的。它是CIE組織確定的一個(gè)理論上包括了人眼可以看見(jiàn)的所有色彩的色彩模式。Lab模式彌補(bǔ)了RGB和CMYK兩種色彩模式的不足。圖2為原始圖像，圖3是在Lab顏色空間的藍(lán)莓圖像［1］。

圖2 原始藍(lán)莓圖像Fig.2 Original blueberry image

圖3 Lab顏色空間的藍(lán)莓圖像Fig.3 Blueberry image lab color space

2.2 基于小波的藍(lán)莓植株圖像邊緣檢測(cè)

小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間—尺度分析方法［2］，它在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，對(duì)任意信號(hào)f（t）∈L（R）2，f（t），的連續(xù)小波變換定義是:

稱Ψ（t）小波，當(dāng)母小波成為小波時(shí)，可由Wf（a，b）恢復(fù)出原信號(hào)f（t）。

圖像f（x，y）為二維函數(shù)和不同尺度α上的光滑函數(shù)θσ（x，y）卷積將使圖像f（x，y）被光滑，以二進(jìn)制的小波變換表示，即取α=2j則有:

二進(jìn)小波變換分別是在尺度α=2j時(shí)所平滑圖像f（x，y）沿水平方向和垂直方向的部分導(dǎo)數(shù)，它對(duì)應(yīng)于圖像水平方向和垂直方向的邊緣信息，可被看作所平滑圖像后的梯度矢量的模和幅角，因此只需沿梯度矢量方向檢測(cè)模的極大值點(diǎn)的位置，就給出了圖像的一個(gè)多尺度邊緣［3］。

2.3 單株藍(lán)莓植株中心點(diǎn)的估算

藍(lán)莓采摘機(jī)行走軌跡的中心線即根據(jù)兩條隨意不相交的曲線，求解出一系列位于不同位置但在曲線之間的點(diǎn)，滿足點(diǎn)到兩條曲線的距離最短且距離相等，然后由這些點(diǎn)連接起來(lái)，就可成為兩條曲線間的中心線。例如設(shè)這兩側(cè)極限邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 （xi，yi）和 （xj，yj），則求出兩側(cè)極限邊緣點(diǎn)中心坐標(biāo)為 （xk，yk），并根據(jù)公式可以導(dǎo)出兩點(diǎn)連線的斜率T和中垂線的斜率k。

對(duì)于每一個(gè)直線方程，以所求的中心點(diǎn)為起點(diǎn)，由中垂線斜率判斷該小段曲線的方向性，并相繼對(duì)該點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的變量的橫坐標(biāo)累加或者累減一個(gè)步長(zhǎng)，用直線方程求解對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)，根據(jù)距離公式:

求出這對(duì)坐標(biāo)到中點(diǎn)的距離d，載入曲線下邊的數(shù)據(jù)，掃描數(shù)據(jù)得出變量對(duì)到曲線下邊點(diǎn)的距離l，設(shè)曲線下邊的點(diǎn)的坐標(biāo)用 （xi，yi）表示:

同時(shí)循環(huán)地將兩個(gè)距離的差的絕對(duì)值|l－d|與精度q作比較，當(dāng)滿足|l－d|＜q時(shí)，此時(shí)的變量對(duì)坐標(biāo)就是要求的曲線中心中的一點(diǎn)［4］。

2.3 中心線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用自主研發(fā)的藍(lán)莓自動(dòng)采摘機(jī)，單邊驅(qū)動(dòng)。圖片采集采用CCD攝像頭，安置在車架門楣處，此時(shí)若行走方向端正，可得到藍(lán)莓植株的正向圖片，但如行走方向偏轉(zhuǎn)，方向也會(huì)隨之變化，圖4是單株藍(lán)莓植株。

圖4 單株藍(lán)莓植株Fig.4 Single blueberry plant

地面長(zhǎng)期覆蓋黑色農(nóng)膜，起到防止雜草生長(zhǎng)、保持土壤水分及保溫的作用。黑色農(nóng)膜與藍(lán)莓顏色接近，故進(jìn)行圖像分割時(shí)，應(yīng)先對(duì)藍(lán)莓樹(shù)叢進(jìn)行分割識(shí)別，如圖5所示。

拍攝的圖像經(jīng)過(guò)去噪后，通過(guò)公式 （4）和公式 （5）求出藍(lán)莓植株中心線和實(shí)際的藍(lán)莓植株測(cè)量獲得表1，藍(lán)莓植株實(shí)際中心線與圖像中心相差100個(gè)像素，正數(shù)表示綠樹(shù)中心線在圖像中心線左側(cè)，負(fù)數(shù)表示在圖像中心線右側(cè)，因此藍(lán)莓采摘機(jī)應(yīng)按要求調(diào)整行進(jìn)方向［5］。

圖5 降噪后的藍(lán)莓植株Fig.5 The image of blueberry plants after denoise processing

表1 中心線實(shí)際測(cè)量 單位:pixTab.1 The actual measurement of the center line pix

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)藍(lán)莓植株現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和圖像分析測(cè)試對(duì)比，二者基本吻合，說(shuō)明通過(guò)圖像處理能夠真實(shí)地反映藍(lán)莓植株的中心位置，能引導(dǎo)藍(lán)莓采摘車按照藍(lán)莓植株中心位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為藍(lán)莓采摘機(jī)軌跡規(guī)劃做好了準(zhǔn)備。

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［1］張宏建.Lab色彩模式在圖像處理中的應(yīng)用［J］.福建電腦，2011（1）:146－147.

［2］梁亦強(qiáng)，李正明，孫 俊.一種新小波圖像降噪方法在農(nóng)業(yè)采摘中的應(yīng)用［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（4）:2061 －2063.

［3］蔡漢添.小波變換域中圖像噪聲平滑技術(shù)［J］.光學(xué)技術(shù)，1998（6）:6－9.

［4］司永勝，姜國(guó)權(quán)，劉 剛，等.基于最小二乘法的早期作物行中心線檢測(cè)方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（7）:163 －167.

［5］李志鵬，趙德金，郭艷玲.基于Matlab藍(lán)莓樹(shù)枝軸向有阻尼自由振動(dòng)仿真研究［J］.森林工程，2013，29（4）:53 －55.