李作山，付江龍

(綏化學(xué)院，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

隨著自動(dòng)化和智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)大，機(jī)器人成為智能農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展中最具潛力的一個(gè)方向[1]。采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，能夠幫助產(chǎn)業(yè)從業(yè)者提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，其與一般農(nóng)業(yè)機(jī)器人不同，面臨更加復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境、更加繁重的作業(yè)任務(wù)[2]。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)有助于節(jié)約采摘作業(yè)的人力、時(shí)間成本[3]。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的構(gòu)成部分有視覺(jué)系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器。目前影響蔬果果實(shí)的識(shí)別和定位精度的因素主要有環(huán)境光照、果實(shí)形狀、物體遮擋等自然因素，以及圖像噪聲、定位誤差等人為因素[4]。

1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)與路徑規(guī)劃研究

1.1 基于立體視覺(jué)的機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的自動(dòng)化檢測(cè)由視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，環(huán)境中的光信號(hào)經(jīng)由視覺(jué)傳感器轉(zhuǎn)換為圖像處理系統(tǒng)能夠接收的電信號(hào)，得到所要檢測(cè)的水果或蔬菜的大小、位置、成熟度等，最終將這些信息轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞給末端執(zhí)行器[5]。因此，研究在構(gòu)建農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)算法的優(yōu)化進(jìn)行基于立體視覺(jué)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究。

實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以識(shí)別和定位蔬果為基礎(chǔ)[6]。蔬果的采摘要求機(jī)器人末端執(zhí)行器確定果實(shí)重心，才能實(shí)現(xiàn)重合。研究在三維空間中重構(gòu)蔬果模型，通過(guò)最小二乘法確定其重心位置。果實(shí)識(shí)別順序可以描述為：先用圓形近似表示蔬果的形狀，由Hough變換得到其在平面上的圓心及半徑，以及該圓形的外接矩形，矩形左上坐標(biāo)為(xmin,ymin)，右下坐標(biāo)為(xmax,ymax)，在該矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)找出一個(gè)點(diǎn)(x,y)，直到8個(gè)點(diǎn)并通過(guò)其三維坐標(biāo)擬合出一個(gè)球。其中，點(diǎn)的坐標(biāo)可以描述為式(1)：

(1)

蔬果球模型可以表達(dá)為下式(2)：

(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=R2

(2)

其中(x,y,z)為三維坐標(biāo)軸，(a,b,c)為球心在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，R表示果實(shí)半徑。則對(duì)于n個(gè)點(diǎn)，用矩陣表示為式(3)：

(3)

(4)

將上式表示為等價(jià)齊次變換如下式(5)所示：

(5)

(6)

接下來(lái)進(jìn)行所獲得圖像噪聲的濾除，通過(guò)高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。第一步是對(duì)圖像進(jìn)行高斯模糊，第二步要對(duì)圖像中的像素進(jìn)行閾值化。先確定一個(gè)固定的閾值并以此為參數(shù)進(jìn)行分割，二進(jìn)制閾值化按照下式將圖像灰度值中大于參數(shù)值thresh的值設(shè)置為最大值，將小于等于參數(shù)值的設(shè)置為0，如式(7)。

(7)

得到平滑處理的圖像后，接著要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，必須在灰度圖中進(jìn)行，通過(guò)下式(8)得到物體的邊緣幅值與角度。

(8)

在式(8)中，N[x,y]是使M[x,y]得到局部最大值的取值，反映了圖像邊緣的方向。

1.2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃研究

為保證機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性和連續(xù)性，針對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人軌跡規(guī)劃中存在的問(wèn)題，研究首先對(duì)多果采摘的順序規(guī)劃進(jìn)行研究，再采用多線程技術(shù)、引入啟發(fā)式算法自動(dòng)獲取各中間點(diǎn)的速度，以消除視覺(jué)延時(shí)引起的無(wú)法連續(xù)進(jìn)行規(guī)劃的影響，最后采取分段路徑規(guī)劃來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)下的作物采摘，其工作任務(wù)可以規(guī)劃為：首先獲取視野內(nèi)的蔬果果實(shí)成熟度信息，篩選已成熟果實(shí)并得到其數(shù)目和位置信息，進(jìn)行采摘順序的規(guī)劃；然后控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)目標(biāo)作物附近執(zhí)行采摘，遵照所安排的順序完成采摘任務(wù)后機(jī)器人末端回到初始位置，而采摘機(jī)器人繼續(xù)向前完成下一階段的采摘任務(wù)。在這個(gè)過(guò)程中，采摘機(jī)器人全局路徑可以描述為：有n個(gè)坐標(biāo)為{g1,g2,…,gn}果實(shí)，機(jī)器人從g1出發(fā)完成采摘后再回到g1；設(shè)任意兩個(gè)采摘點(diǎn)gi和gj之間的距離為d；則在整數(shù)子集X={1,2,…,n}中使得采摘路徑最小的一個(gè)排列C={c1,c2,…,cn},ci∈X的求解如式(9)：

(9)

進(jìn)一步將軌跡規(guī)劃描述為工具坐標(biāo)系相對(duì)于工件坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)最短軌跡求解，這樣描述的好處在于可以使得位置變化轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)變換，使得機(jī)器人執(zhí)行采摘任務(wù)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)被描述出來(lái)，中間點(diǎn)也可以通過(guò)坐標(biāo)表示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要求機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行，則運(yùn)動(dòng)軌跡的描述函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)的，且速度和加速度也應(yīng)是連續(xù)的。因此研究在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃，在其中給每個(gè)關(guān)節(jié)分配一個(gè)經(jīng)過(guò)中間點(diǎn)且達(dá)到終點(diǎn)的光滑函數(shù)，且各關(guān)節(jié)經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)時(shí)間相同。設(shè)一個(gè)平滑函數(shù)θ(t)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)軌跡，該函數(shù)始于t0而終于tf，則約束條件描述為式(10)：

(10)

在(10)式中，θ0表示函數(shù)在t0處的取值，θf(wàn)表示函數(shù)在tf處的取值。中間點(diǎn)上關(guān)節(jié)速度的取值關(guān)系到關(guān)節(jié)各段路徑的連續(xù)和平滑，則研究引入啟發(fā)式方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于中點(diǎn)速度的自動(dòng)選擇。

綜上，通過(guò)各階段設(shè)計(jì)，研究所得到的分段路徑規(guī)劃可以分為三個(gè)階段。第一階段機(jī)器人末端執(zhí)行器從O出發(fā)抓取目標(biāo)果實(shí)P，存在一點(diǎn)Q使得機(jī)器人實(shí)現(xiàn)正面抓取。第二階段是當(dāng)攝像頭到達(dá)Q點(diǎn)后開(kāi)啟新一輪圖像采集與處理，捕捉新的果實(shí)位置P′，規(guī)劃新的一點(diǎn)Q′。第三階段描述為在完成視野內(nèi)所有果實(shí)的采摘后返回O點(diǎn)處，進(jìn)入下一個(gè)采摘范圍。

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、測(cè)距實(shí)驗(yàn)及軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人精度，首先進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和測(cè)距實(shí)驗(yàn)。將機(jī)器人置于相機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)原點(diǎn)記錄下機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)距離，再將末端置于目標(biāo)位置，記錄此時(shí)機(jī)器人的坐標(biāo)，并與標(biāo)定物的中心二維坐標(biāo)做對(duì)比。研究選取10個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，比較其在機(jī)器人坐標(biāo)系中的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差，得到標(biāo)定誤差示意圖如圖1(a)所示；再選取三個(gè)目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行測(cè)距，測(cè)試結(jié)果如下圖1(b)所示，圖中橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為測(cè)距與實(shí)際距離的偏差。

圖1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖1(a)可以看出，10個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中x,y,z坐標(biāo)軸的各個(gè)分量上的標(biāo)定誤差都在[-10,8]的范圍內(nèi)，最大標(biāo)定誤差小于8，且x,y,z坐標(biāo)軸的誤差較為相近，沒(méi)有出現(xiàn)明顯分散現(xiàn)象；分析造成誤差的原因可能是機(jī)器人末端中心與目標(biāo)中心很難重合，從而對(duì)測(cè)量精度造成影響。總體而言，該精度能夠滿足農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘任務(wù)的需求。從圖1(b)可以看出，測(cè)量距離在[300,550]mm的范圍內(nèi)，測(cè)量誤差在[-10,30]mm的范圍之內(nèi)；當(dāng)測(cè)量距離為250mm時(shí)，測(cè)量誤差最大，達(dá)到了40mm以上，說(shuō)明測(cè)量距離過(guò)短會(huì)使得鏡頭發(fā)生畸變，造成誤差增大，但是測(cè)量距離增加不會(huì)使得誤差變大；分析造成誤差的原因可能是圖像噪聲未濾除完全。研究進(jìn)一步進(jìn)行了軌跡規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)作物在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行假設(shè)，規(guī)劃由起始點(diǎn)到目標(biāo)作物的軌跡，再逆求解出個(gè)關(guān)節(jié)角的大小，得到關(guān)節(jié)的軌跡曲線。軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖2(a)可以看出，機(jī)器人的采樣頻率達(dá)到50Hz，角位移在中間點(diǎn)的過(guò)渡是平滑的，說(shuō)明機(jī)器人在執(zhí)行采摘任務(wù)的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平滑，沒(méi)有停頓和振動(dòng)現(xiàn)象；從圖2(b)可以看出，速度曲線整體走勢(shì)是平滑且連續(xù)的，且在中間點(diǎn)處連接也是連續(xù)的，滿足要求。以上結(jié)果說(shuō)明研究所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃方法在仿真實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，通過(guò)該方法進(jìn)行路徑規(guī)劃可以規(guī)避農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人視覺(jué)延時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題，并且可以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，說(shuō)明研究所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃的可行性。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著機(jī)器人在農(nóng)業(yè)日常生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人成為果蔬生產(chǎn)中的重要一環(huán)，在占果蔬生產(chǎn)過(guò)程中作業(yè)量40%的采摘作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。因此，研究提出設(shè)計(jì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行基于立體視覺(jué)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究。研究結(jié)果表明，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中10個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系上的標(biāo)定誤差都在[-10,8]的范圍內(nèi)，最大標(biāo)定誤差小于8，且x，y，z坐標(biāo)軸的誤差較為相近；測(cè)距實(shí)驗(yàn)中測(cè)量距離在[300,550]mm范圍內(nèi)，測(cè)量誤差在[-10,30]mm范圍內(nèi)；且機(jī)器人的采樣頻率達(dá)到50Hz，角位移和速度曲線整體走勢(shì)平滑，在中間點(diǎn)的過(guò)渡連續(xù)。以上結(jié)果說(shuō)明精度能夠滿足自動(dòng)化采摘的需求，研究設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃方法可以規(guī)避視覺(jué)延時(shí)的問(wèn)題，并且可以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。