外文翻譯-果樹采摘機(jī)器人及控制系統(tǒng)研制【文獻(xiàn)翻譯中英文】

外文翻譯-果樹采摘機(jī)器人及控制系統(tǒng)研制【文獻(xiàn)翻譯中英文】,文獻(xiàn)翻譯中英文,外文,翻譯,果樹,采摘,機(jī)器人,控制系統(tǒng),研制,文獻(xiàn),中英文 摘要 果樹采摘機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制 與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。研究果樹釆摘機(jī)器人關(guān)鍵技 術(shù)，不僅對(duì)于適應(yīng)市場(chǎng)需求、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效益有著一定 的實(shí)用價(jià)值，而且對(duì)于追蹤世界農(nóng)業(yè)新技術(shù)，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn) 程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題在國(guó)家“863”高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃基 金(2006AA10Z254)的支持下，以果樹釆摘機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)釆 摘機(jī)器人建模、控制方法與實(shí)時(shí)避障算法以及控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì) 等方面進(jìn)行了研究。主要工作包括： 1、 果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。通過(guò)對(duì)該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的分 析，建立了攝像機(jī)模型和移動(dòng)平臺(tái)模型，采用幾何結(jié)構(gòu)算法，建立了 果樹采摘機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，為機(jī)器人控制奠定理論基礎(chǔ)。 2、 基于果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)采摘機(jī)器人控制方 法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于圖像的視覺(jué)伺服控制器，采用小步長(zhǎng)逼近 的控制算法引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確定位。根據(jù) 伺服控制系統(tǒng)非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器并將其 應(yīng)用在果樹機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)的伺服運(yùn)動(dòng)控制中。 3、 釆摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)開放性和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì) 原則，構(gòu)建了開放式果樹采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)。硬件 方面主要對(duì)組成控制系統(tǒng)的工控機(jī)、串行通信接口轉(zhuǎn)換器、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了選型，為機(jī)器人選取了符合其工作特性的傳感 器并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路，這使機(jī)器人具備了圖像獲取、目標(biāo) 定位、對(duì)障礙物感知及限位保護(hù)的能力，提高了果樹采摘機(jī)器人的智 能水平和對(duì)外界環(huán)境信息的感知能力；軟件方面主要從實(shí)時(shí)性角度考 慮，應(yīng)用VFW技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)釆集，給出了實(shí)時(shí)避障搜索 算法，以VC++語(yǔ)言為開發(fā)平臺(tái)，釆用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有串行通 信、圖像采集與目標(biāo)識(shí)別、實(shí)時(shí)避障控制、限位保護(hù)等功能的果樹采 摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件。 4、對(duì)構(gòu)建的果樹采摘機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和 果園環(huán)境下的采摘作業(yè)試驗(yàn)。釆摘機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能完成自動(dòng) 連續(xù)釆摘，釆摘成功率較高，試驗(yàn)效果良好；在環(huán)境復(fù)雜的果園里能 完成釆摘作業(yè)，試驗(yàn)效果一般，離預(yù)期目標(biāo)有一定差距。這表明本課 題所研制的果樹采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)具有良好的可靠性和一定的適 應(yīng)性，如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在果園環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)采摘作業(yè)，還需要進(jìn) 一步地優(yōu)化果樹釆摘機(jī)器人控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：果樹采摘機(jī)器人，視覺(jué)伺服，模糊PID控制，控制系統(tǒng)，避 障，多線程技術(shù) ABSTRACT Fruit picking robot is an integrated system, which can implement environmental awareness, dynamic decision-making and planning, movement control. Researching on the key technology of fruit picking robot can not only meet the demand of the market and reduce labor intensity, but also keep up with the pace of the new developing agricultural technology in the modem world and improve economic efficiency.At the same time, it is important for improving Chinese agricultural modernization. Our study plan is supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863Program, No.2006AAl 0Z254). This work do some research on a prototype of the fruit picking robot, such as modeling of the picking robot, control method, real-time obstacle avoidance algorithm and the design of Control system software and hardware. The main work is as follows: 1. Kinematics simulation modeling of the fruit picking robot. Through analysing the robot's mechanical structure, we have finished building the camera model and the mobile platform model.In the meantime, we have adopted the geometric structure algorithm to establish forward and inverse kinematics equations of the fruit picking robot. Thus we have laid basic theoretical foundation fbr the robot control. 2. We have conducted research on control methods of the picking robot based on the characteristics of the robot's mechanical structure. Meanwhile, We have designed an image-based visual servoing controller and adopted controlling algorithms of small step approximation to guide the robot's end-effector to orientate the target fruit exactly. We have designed a fuzzy-PID controller according to the nonlinear and strong coupling characteristics of the servo control system and put it in use to the servo motion control of the robofs manipulator joints. 3. Design of picking robot's control system.In terms of openess and real-time principle, we finished building the open software and hardware platform for the fruit picking robot's control systems. In the hardware ill design, we have focused mostly on the selection for the following key modules that compose the control system, such as industrial personal computer, serial communication interface converter, joint drive motor.We have selected sensor in conformity with its working characteristics and designed corresponding signal acquisition circuit ,thereby equipping it with such abilities as image acquisition, target localization, perception of the obstacles, position limiting protection and so on.As a result, the robot get better in intelligence and perception of the environmental information on the external.As for the software design, mainly from the perspective of real-time, we applied the technology of VFW to achieve real-time image acquisition and worked out a real-time obstacle avoidance search algorithm.On the basis of VC ++ language, we utilized multi-threading technology to accomplish the whole control system software, which is capable of serial communications, image capture and target recognition, real-time obstacle avoidance control and limit protection. 4. Carry on experiments with the fruit picking robot platform in both laboratory and orchard environment. In the laboratory environment, the picking robot can finish the work automatically and continuously with a relatively high rate of successfully picking.Whereas, it could only preliminary complete picking operations in the complex orchard environment and showed general effect with a certain gap from the expected outcomes. These results demonstrate that the fruit picking robot's control system developed in our subject has relatively good reliability and a certain degree of adaptability. However, the picking robot's control system is necessary to be further optimized if we want to achieve the goal of continuous harvesting operations in orchard environment. KEY WORDS: fruit picking robot, visual servoing, fuzzy-PID control, control system, obstacle avoidance, multi-threading technology IV 第一章緒論 1.1課題研究的意義及來(lái)源 水果產(chǎn)業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，近幾十年來(lái)，我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)規(guī)模 和產(chǎn)量均有較大幅度的增長(zhǎng)，特別是加入WTO之后，增長(zhǎng)速度明顯加快。據(jù)來(lái) 自2000年全國(guó)果業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)的資料表明，我國(guó)目前的水果種植面積為840萬(wàn) 公頃，占世界果樹總面積的21%左右；水果年總產(chǎn)量達(dá)5900多萬(wàn)噸，占世界果 品總產(chǎn)量的13.4%,這兩項(xiàng)指標(biāo)均已躍居世界第一位⑴。2004年我國(guó)蘋果栽培面 積達(dá)187.7萬(wàn)公頃、產(chǎn)量2367.5萬(wàn)噸，分別占世界蘋果栽培面積41.5%和產(chǎn)量的 37.5%。近10年來(lái)，我國(guó)對(duì)世界蘋果產(chǎn)量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)84%[21o邁入二^一 世紀(jì)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于加入WTO, 一 方面，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨著來(lái)自世界各地的沖擊和挑戰(zhàn)；另一方面，也 給我國(guó)帶來(lái)了一次加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的好機(jī)遇。 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)模化、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的成本 必然迅速上升，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象也會(huì)日趨明顯，因此以機(jī)器人技術(shù)為代表的高 新技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是大勢(shì)所趨、人心所向。果園收獲作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化 成為廣大果農(nóng)們最為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。開展果樹釆摘機(jī)器人研究，不僅對(duì)于 適應(yīng)市場(chǎng)需求、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效率有著一定的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)于追 蹤世界農(nóng)業(yè)新技術(shù)、促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步、加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大的歷 史意義。 本課題來(lái)源于國(guó)家“863”高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA10Z254)《果 樹采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究》的一部分。 1.2果樹采摘機(jī)器人發(fā)展概況及特點(diǎn) 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和 體現(xiàn)⑶。機(jī)器人集成了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方 向囲。21世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要?dú)v史時(shí)期。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè) 大國(guó)，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著 計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。目前，國(guó) 內(nèi)漿果采摘作業(yè)基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，費(fèi)用占成本的比例約為 50%-70%o采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞 動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)釆收，因而具有 很大的發(fā)展?jié)摿伞? 1.2.1國(guó)外研究成果及現(xiàn)狀 自從20世紀(jì)60年代（1968年）美國(guó)人Schertz和Brown提出用機(jī)器人采摘 果實(shí)之后，對(duì)采摘機(jī)器人的研究便受到廣泛重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī) 器人在國(guó)外迅速發(fā)展起來(lái)。最早的機(jī)械采摘方法是機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式兩種 方法，但這兩種方法不僅容易損傷果實(shí)，采摘效率也不高，同時(shí)容易摘到未成熟 果實(shí)回。1983年，第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生，在以后20多年的時(shí)間里，日、 韓及歐美國(guó)家相繼研究了釆摘番茄、黃瓜、蘋果、蘑菇、柑橘、番茄和甜瓜等的 智能機(jī)器人。 1＞日本的番茄采摘機(jī)器人：日本的果蔬采摘機(jī)器人研究始于1984年，他們 利用紅色的番茄與背景（綠色）的差別，采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)果實(shí)進(jìn)行判別，研制了番 茄采摘機(jī)器人。該機(jī)器人有5個(gè)自由度，對(duì)果實(shí)實(shí)行三維定位。由于不是全自由 度的機(jī)械手，操作空間受到了限制，而且堅(jiān)硬的機(jī)械手爪容易損傷果實(shí)。 日本岡山大學(xué)的Kondo等人研制的番茄采摘機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行 器、行走裝置、視覺(jué)系統(tǒng)和控制部分組成，如圖1.1所示。 圖1.1番茄采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 S1—前后延伸棱柱關(guān)節(jié)；S2—上下延伸棱柱關(guān)節(jié)；3、4、5. 6. 7—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 該機(jī)器人釆用由彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)尋找和識(shí)別成 熟果實(shí)?？紤]到番茄的果實(shí)經(jīng)常被葉莖遮擋，為了能靈活避開障礙物，釆用具有 冗余度的7自由度機(jī)械手。為了不損傷果實(shí)，其末端執(zhí)行器配帶2個(gè)帶有橡膠的 手指和1個(gè)氣動(dòng)吸嘴，把果實(shí)吸住抓緊后，利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實(shí)擰下。行 走機(jī)構(gòu)有4個(gè)車輪，能在用間自動(dòng)行走，利用機(jī)器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭 土塊的反射板，可檢測(cè)是否到達(dá)土埋，到達(dá)后自動(dòng)停止，轉(zhuǎn)向后再繼續(xù)前進(jìn)。該 番茄采摘機(jī)器人從識(shí)別到采摘完成的速度大約是15s/個(gè)，成功率在70%左右。有 些成熟番茄未被采摘的主要原因是其位置處于葉莖相對(duì)茂密的地方，機(jī)器手無(wú)法 避開葉莖障礙物。因此需要在機(jī)器手的結(jié)構(gòu)、釆摘工作方式和避障規(guī)劃方面加以 改進(jìn)，以提高采摘速度和采摘成功率，降低機(jī)器人自動(dòng)化收獲的成本，才可能達(dá) 到實(shí)用化叫 2、 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人：1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制 出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人。該機(jī)器人利用近紅外視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)，并 探測(cè)它的位置；末端執(zhí)行器由手爪和切割器構(gòu)成，用來(lái)完成采摘作業(yè)。機(jī)械手安 裝在行走車上，機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位通過(guò)移動(dòng)行走車來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械 手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。該機(jī)械手有7個(gè)自山度，采用三 菱公司(Mitsubishi)RV-E2的6自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自 由度。收獲后黃瓜的運(yùn)輸由一個(gè)裝有可卸集裝箱的自動(dòng)行走的運(yùn)輸車來(lái)完成。整 個(gè)系統(tǒng)無(wú)人工干預(yù)就能在溫室工作，工作速度為54s/根，采摘率為80%。試驗(yàn)結(jié) 果表明：該機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室中的采摘效果良好，但由于制造成本和適應(yīng)性的制約， 還不能滿足商用的要求例。 3、 韓國(guó)的蘋果收獲機(jī)器人：韓國(guó)慶北大學(xué)的科研人員研制岀蘋果釆摘機(jī)器 人，它具有4個(gè)自由度，包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。釆用三指夾持器作 為末端執(zhí)行器，其手心裝有壓力傳感器，可以起到避免蘋果損傷的作用。它利用 CCD攝像機(jī)和光電傳感器識(shí)別果實(shí)，從樹冠外部識(shí)別蘋果的識(shí)別率達(dá)85%,速 度達(dá)5個(gè)/s。該機(jī)器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實(shí)收集袋，縮短了從釆摘到放置 的時(shí)間，提高了采摘速度。該機(jī)器人無(wú)法繞過(guò)障礙物摘取蘋果；對(duì)于葉莖完全遮 蓋的蘋果,也沒(méi)有給出識(shí)別和采摘的解決方法“氣 4、 英國(guó)的蘑菇釆摘機(jī)器人：英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇釆摘機(jī)器人，它 可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括2個(gè) 氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引 器；視覺(jué)傳感器釆用TV攝像頭，安裝在頂部用來(lái)確定蘑菇的位置和大小。釆摘 成功率在75%左右，釆摘速度為6.7s/個(gè)，生長(zhǎng)傾斜是釆摘失敗的主要原因。如 何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī)器手姿態(tài)動(dòng)作來(lái)提高成功率和采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高 生產(chǎn)率是亟待解決的問(wèn)題【山。 5、 西班牙的柑橘采摘機(jī)器人：西班牙科技人員發(fā)明的這種柑橘釆摘機(jī)器人 主體裝在拖拉機(jī)上，由摘果手、彩色視覺(jué)系統(tǒng)和超聲傳感定位器3部分組成。它 能依據(jù)柑桔的顏色、大小、形狀來(lái)判斷柑桔是否成熟，決定是否采摘。釆下的桔 子還可按色澤、大小分級(jí)裝箱。這種釆桔機(jī)器人釆摘速度為1個(gè)/s,比人工提高 效率6倍多問(wèn)。 6、 以色列和美國(guó)聯(lián)合研制的甜瓜收獲機(jī)器人：以色列和美國(guó)科技人員聯(lián)合 開發(fā)研制了一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人主體架設(shè)在以拖拉機(jī)牽引為動(dòng)力的移 動(dòng)平臺(tái)上，釆用黑白圖像處理的方法進(jìn)行甜瓜的識(shí)別和定位，并根據(jù)甜瓜的特殊 性來(lái)增加識(shí)別的成功率。在兩個(gè)季節(jié)和兩個(gè)品種的卅間試驗(yàn)證明，甜瓜釆摘機(jī)器 人可以完成85%以上的田間甜瓜的識(shí)別和采摘工作卩3）。 表1.1給出了國(guó)外部分國(guó)家果蔬收獲機(jī)器人同期研究進(jìn)展統(tǒng)計(jì)。 表L 1部分國(guó)家果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展統(tǒng)計(jì)表 國(guó)別 研究階段 樣機(jī)階段 商業(yè)化階段 日本 番茄、茄子、 西瓜、草莓 葡萄、番茄、 黃瓜、西紅柿 無(wú)相關(guān)成果披露 荷蘭 黃瓜、葡萄 番茄、蘆筍 蘿卜、蘑菇 法國(guó) 無(wú)相關(guān)成果披露 無(wú)相關(guān)成果披露 葡萄、橄欖、 蘋果、甜橙 英國(guó) 收獲水果機(jī)器人 蘑菇 無(wú)相關(guān)成果披露 美國(guó) 無(wú)相關(guān)成果披露 無(wú)相關(guān)成果披露 椰菜、甜橙 1.2.2國(guó)內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，雖 然起步較晚，但不少大專院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械方面 的研究，已有很多研究成果披露，簡(jiǎn)介如下： 1、林木球果釆摘機(jī)器人：東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果釆摘機(jī)器 人，主要由5自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成， 如圖1.2所示。釆摘時(shí)，機(jī)器人停在距離母樹3-5m處，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)準(zhǔn) 母樹。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度， 釆摘爪張開并擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使采摘爪沿著樹枝生 4 長(zhǎng)方向趨近l.5-2m,然后釆摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后 返回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。這種機(jī)器人效率是500kg/天，是人工的 30-5怫。而且，采摘時(shí)對(duì)母樹的破壞較小，采凈率高I'， 圖1.2林木球果采摘機(jī)器人原理圖 9 2、 磨菇采摘機(jī)器人：吉林工業(yè)大學(xué)的周云山等人研究了蘑菇采摘機(jī)器人。 該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機(jī)、采摘機(jī)器手、三自由度氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)器 手抓取控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)為蘑菇采摘機(jī)器提供分類所需 的尺寸、面積信息，并且引導(dǎo)機(jī)器手準(zhǔn)確抵達(dá)待釆摘蘑菇的中心位置，防止因?qū)?不準(zhǔn)造成抓取失敗或損傷蘑菇卩組 3、 草莓采摘機(jī)器人：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對(duì)我國(guó)常見(jiàn)的溫室里壟 作栽培的草莓設(shè)計(jì)了3種采摘機(jī)器人。分別采用橋架式、4自由度龍門式和3自 由度直角坐標(biāo)形式的機(jī)械手進(jìn)行跨行收獲，通過(guò)彩色CCD傳感系統(tǒng)獲取彩色圖 像，經(jīng)過(guò)圖像處理進(jìn)行目標(biāo)草莓的識(shí)別和定位，進(jìn)而控制末端執(zhí)行器進(jìn)行收獲。 同時(shí)，對(duì)草莓的生物特性、成熟度、多個(gè)草莓遮擋等実際問(wèn)題進(jìn)行了研究，為草 莓采摘提供設(shè)計(jì)依據(jù)和理論基礎(chǔ)3】。 4、 番茄采摘機(jī)器人：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長(zhǎng)英等人在番茄采摘中運(yùn) 用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位，將圖像進(jìn)行灰度變換，而后對(duì)圖像的 二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹以去除小團(tuán)塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實(shí) 現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離岀來(lái)。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定后，用面積匹配 實(shí)現(xiàn)共輛圖像中目標(biāo)的配準(zhǔn)，運(yùn)用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復(fù)目標(biāo)的 三維坐標(biāo)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論為，當(dāng)目標(biāo)與攝像機(jī)的距離為 300mm-400mm時(shí)，深度誤差可控制在3%-4%(,71. 5、 黃瓜采摘機(jī)器人：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)湯修映等人研制了 6自由度黃瓜采摘機(jī) 器人，采用基于RGB三基色模型的G分量來(lái)進(jìn)行圖像分割，在特征提取后確定 出黃瓜果實(shí)的釆摘點(diǎn)，末端執(zhí)行器的活動(dòng)刃口平移接近固定刃口，通過(guò)簡(jiǎn)單的開 合動(dòng)作剪切掉黃瓜。同時(shí)，提出了新的適合機(jī)器人自動(dòng)化采摘的斜柵網(wǎng)架式黃瓜 栽培模式。 6、 蘋果采摘機(jī)器人：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫明等人為蘋果采摘機(jī)器人開發(fā)了一 套果實(shí)識(shí)別機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，并成功研究了一種使二值圖像的像素分割正確率大于 80%的彩色圖像處理技術(shù)。通過(guò)對(duì)果實(shí)、葉、莖等的色澤信號(hào)濃度頻率譜圖的分 析，求出閾值，然后運(yùn)用此值對(duì)彩色圖像進(jìn)行二值化處理（岡。 1.2.3果樹采摘機(jī)器人的特點(diǎn) 1、 釆摘對(duì)象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性 果實(shí)的生長(zhǎng)是隨著時(shí)間和空間而變化的。生長(zhǎng)的環(huán)境是變化的，直接受土地、 季節(jié)和天氣等自然條件的影響。這就要求果樹采摘機(jī)器人不但要具有與生物體柔 性相對(duì)應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)多變的自然環(huán)境，在視覺(jué)、知識(shí)推理和 判斷等方面具有很高的智能性。 2、 采摘對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性 果實(shí)具有軟弱易傷的特性，必須細(xì)心輕柔地對(duì)待和處理；并且其形狀復(fù)雜， 生長(zhǎng)發(fā)育程度不一，導(dǎo)致相互差異很大。果蔬采摘機(jī)器人一般是采摘、移動(dòng)協(xié)調(diào) 進(jìn)行，行走軌跡不是連接出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄的范圍、較長(zhǎng) 的距離以及遍及整個(gè)果園表面等特點(diǎn)。 3、 具備良好的通用性和可編程性 因?yàn)楣麡洳烧獧C(jī)器人的操作對(duì)象具有多樣性和可變性，這就要求采摘機(jī)器人 具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，就能進(jìn)行多種作業(yè)。 4、 操作對(duì)象的特殊性和價(jià)格的實(shí)惠性 農(nóng)民是果樹采摘機(jī)器人的主要操作者，他們不具有相關(guān)的機(jī)電理論知識(shí)，因 此要求果樹釆摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以 個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果價(jià)格太高，就很難普及。 13研究的方法與內(nèi)容 1、研究果樹釆摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。通過(guò)對(duì)該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，建 立攝像機(jī)模型和移動(dòng)平臺(tái)模型，采用幾何結(jié)構(gòu)算法，建立果樹采摘機(jī)器人正、逆 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 2、 基于果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)采摘機(jī)器人控制方法進(jìn)行研究, 設(shè)計(jì)基于圖像的視覺(jué)伺服控制器，采用小步長(zhǎng)逼近的控制算法引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí) 行器對(duì)目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確定位，根據(jù)視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線性 的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)模糊PID控制器并將其應(yīng)用在果樹機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)的伺服運(yùn)動(dòng)控 制中。 3、 根據(jù)開放性和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建開放式果樹采摘機(jī)器人控制系統(tǒng) 的軟、硬件平臺(tái)。硬件方面主要對(duì)組成控制系統(tǒng)的工控機(jī)、串行通信接口轉(zhuǎn)換器、 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵模塊進(jìn)行選型，并為機(jī)器人選取符合其工作特性的傳感器并 設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)采集電路；軟件方面主要從實(shí)時(shí)性考慮，應(yīng)用VFW技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì) 目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)避障搜索算法流程，以VC++語(yǔ)言為開發(fā)平臺(tái)， 釆用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有串行通信、圖像采集與目標(biāo)識(shí)別、實(shí)時(shí)避障控制、限位 保護(hù)等功能的果樹釆摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件。 4、 構(gòu)建果樹釆摘機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和自然環(huán)境下進(jìn)行 采摘作業(yè)試驗(yàn)。 第二章果樹采摘機(jī)器人建模與控制方法研究 本章主要對(duì)果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題及相關(guān)模型進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對(duì) 果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行理論研究，并為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的控制設(shè)計(jì)模 糊PID視覺(jué)伺服控制器。 2. 1果樹釆摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 本課題研究的果樹采摘機(jī)器人機(jī)械本體是由江蘇大學(xué)與中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科 學(xué)研究所聯(lián)合研制，主要由兩部分構(gòu)成，分別為兩自由度的移動(dòng)載體和五自由度 的機(jī)械臂。移動(dòng)載體的底盤為履帶式，且加裝了工控機(jī)、控制柜、電源箱、采摘 輔助裝置等；五自由度機(jī)械臂為自行設(shè)計(jì)，由相應(yīng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本機(jī) 器人為開鏈連桿式關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂被固定在履帶式移動(dòng)平臺(tái)上，釆摘作業(yè)時(shí) 直接與果實(shí)相接觸的末端執(zhí)行器固定連接在機(jī)器人機(jī)械臂的末端，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2.1所示。 1、履帶小車2、收集筐3、柔性帶4,末端執(zhí)行器5、收集裝置6、電動(dòng)推桿7、小臂電機(jī)8、 大臂9、大臂電機(jī)10、腰部電機(jī)11、腰部12、升降臺(tái)13、電源及動(dòng)力控制設(shè)備14、地面 圖2.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖 果樹釆摘機(jī)器人的機(jī)械臂為PRRRP結(jié)構(gòu)，第一個(gè)自由度為升降自由度，中間 三個(gè)自由度為旋轉(zhuǎn)自由度，第五個(gè)自由度為棱柱關(guān)節(jié)。機(jī)械臂各自由度的作用： 第一個(gè)自由度主要是為了抬升機(jī)械臂；第二個(gè)自由度可以使機(jī)械臂繞腰部旋轉(zhuǎn)； 第三、四個(gè)自由度是旋轉(zhuǎn)軸，起升降末端操作器的作用，中間二、三、四自由度 能夠?qū)崿F(xiàn)末端執(zhí)行器在工作空間中朝向于任意方向；第五個(gè)自由度是伸縮自由 度，根據(jù)機(jī)器人控制指令，將末端執(zhí)行器送到釆摘對(duì)象的位置，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的釆摘。 機(jī)械手的升降由氣泵驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)完成，能應(yīng)對(duì)采摘過(guò)程中遇到較高果樹作物的特 殊情況；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、棱柱關(guān)節(jié)釆用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。主要參數(shù)如表2. 1所示。 表2.1 機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)主要參數(shù) 關(guān)節(jié) 參數(shù) 升降臺(tái) 0-0.8m 腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 一】60?一160. 大皆旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) -80--80° 小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) -80?-80. 棱柱關(guān)廿 0-0.5m 其中棱柱關(guān)節(jié)的伸縮桿選用美國(guó)DANAHER電動(dòng)推桿，具體型號(hào)為： EC2-X-10-04A-400-ME2-MTM-23X,其伸縮行程為 400mni? 最高速度 =0.3由$。 額定推力：￡=】20N。 目前在農(nóng)業(yè)釆摘作業(yè)中出現(xiàn)許多新型的末端執(zhí)行器，為了實(shí)現(xiàn)釆摘、移栽、 噴霧等生物生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程，己經(jīng)開發(fā)出帶有手指、吸引器、桶狀、剪刀等樣式的 末端執(zhí)行器卩“叫本課題研究的采摘機(jī)器人采摘的對(duì)象主要以蘋果為主，根據(jù)蘋 果的物理屬性和實(shí)際采摘中采用掐斷果梗的方法收獲果實(shí)，設(shè)計(jì)了一種勺狀末端 操作器，實(shí)物圖如圖2.2所示。其中，前端的夾持裝置設(shè)計(jì)成勺狀的，并通過(guò)氣 缸驅(qū)動(dòng)其開合，在夾持裝置的一側(cè)裝有旋轉(zhuǎn)割刀，由末端執(zhí)行器后端的直流電機(jī) 帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，來(lái)達(dá)到切斷果柄的目的。收獲果實(shí)時(shí)，首先由夾持機(jī)構(gòu)夾住蘋果， 然后旋轉(zhuǎn)刀具切斷果柄。 圖2. 2末議執(zhí)行器實(shí)物困 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論無(wú) 2. 2視覺(jué)系統(tǒng)模型研究 視覺(jué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像信息的釆集及處理，是實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人自主釆 摘作業(yè)的基礎(chǔ)，因此在建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型前首先對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)模型進(jìn)行研究是 非常必要的，視覺(jué)系統(tǒng)一般采用攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器，對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)研究主要是 對(duì)攝像機(jī)模型及成像原理進(jìn)行理論研究。 2. 2.1針孔成像原理 15世紀(jì)初由Brunelleschi首先提出的針孔透視投影模型盡管模型簡(jiǎn)單，但是 它對(duì)成像過(guò)程的近似程度是可以接受的，投影成像如圖2. 3所示，它產(chǎn)生的是一 幅顛倒的圖像，有時(shí)為了分析方便設(shè)想了一個(gè)虛擬的像，這幅圖像落在一個(gè)處于 針孔前面的平面上，它到針孔的距離等于實(shí)際成像平面到針孔的距離，這幅虛擬 圖像除了圖像是倒立的以外，與實(shí)際圖像是完全等價(jià)的【可。攝像機(jī)是一種能夠攝 取連續(xù)視頻圖像的設(shè)備，比較簡(jiǎn)單、實(shí)用，已經(jīng)得到公認(rèn)并被普遍釆納，本文釆 用透視投影模型。一般情況下，可以將透視投影中的成像設(shè)備一攝像機(jī)線性化, 等效為針孔成像模型。從簡(jiǎn)化的幾何光學(xué)出發(fā)，同時(shí)人們?yōu)榱擞?jì)算上的方便，在 保持?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系不變的而提下，通常釆用與場(chǎng)景同向的正立虛像成像平面幾何模 型，在選取合適的坐標(biāo)系后，其計(jì)算模型如圖2.4所示。 圖2. 3針孔成像系統(tǒng)模型 圖2.4攝像機(jī)成像系統(tǒng)計(jì)算模型 圖2.4中的Q點(diǎn)為攝像機(jī)光心，QZ軸為攝像機(jī)的光軸，它與成像平面垂 直。X軸和Y軸分別與圖像平面的x軸和y軸平行，光軸與圖像平面的交點(diǎn)Q即 為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)。光心到焦平面的距離QQ稱為焦距_/，圖中F(x,*)為空 間點(diǎn)P(X,Y,Z)在圖像平面上的投影。 2. 2.2圖像平面坐標(biāo)系的建立 攝像機(jī)采集的圖像一般以標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)的形式輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ) 為MxN數(shù)組，即M行N列，其中數(shù)組中的每個(gè)元素(常稱為像素)的數(shù)值即是圖 像點(diǎn)的亮度(或稱為灰度)，例如320x240,表示該圖像是由320x240個(gè)像素點(diǎn)構(gòu) 成。如圖2. 5所示，在圖像上定義直角坐標(biāo)系u, v,每一個(gè)象素的坐標(biāo)(u, v)分 別是該象素在數(shù)組中的列數(shù)和行數(shù)，所以，(u,v)是以象素為單位的圖像坐標(biāo)系 坐標(biāo)。由于(u,v)只表示象素位于數(shù)組中的列數(shù)和行數(shù)，并沒(méi)有用物理單位表示 出該象素在圖像中的位置，因而，需要再建立以物理單位(mm)表示的圖像坐標(biāo)系 (x,y)。設(shè)圖像坐標(biāo)系的x,y軸分別同u, v平行，原點(diǎn)Q在攝像機(jī)光軸和圖像平 面的交點(diǎn)上，該點(diǎn)一般位于圖像中心處，但由于攝像機(jī)制作的原因，也會(huì)有些偏 離，若Q在u,v坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(?0,v0),每一個(gè)象素在x,y軸方向上的物理 尺寸為dx,dy,則圖像中任意一個(gè)象素在這兩個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)有如下關(guān)系： x U — u n dx ° (2.1) 為分析方便不妨取兩原點(diǎn)重合，則有： X y U — — , V =— dx dy u X V 0, ) (乃0，%) ,y 圖2. 5 攝像機(jī)圖像平面坐標(biāo)與物理尺寸坐標(biāo)變換關(guān)系圖 y V = vn dy 0 (2.2) 2. 2. 3攝像機(jī)模型 我們將攝像機(jī)線性化，等效為小孔成像模型，根據(jù)前面的成像系統(tǒng)計(jì)算模型 可知，若空間點(diǎn)坐標(biāo)為P(X,Y,Z),圖像平面投影點(diǎn)坐標(biāo)為p(x,y),則兩者存在如 下關(guān)系： x=y 乎， y 如* Q.3) 由式(2. 1)-(2. 3)可建立以像素為單位的圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的 關(guān)系，即： u = N亍 -， v = Nf (2.4) 其中N,代表像素與空間長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)換因子，單位為像素/mm。 2. 3履帶式移動(dòng)平臺(tái)模型研究 本課題所研究的移動(dòng)載體由剛性車體和剛性履帶兩部分組成，移動(dòng)載體的左 右兩邊的履帶模型可以簡(jiǎn)化為兩輪模型，為建立移動(dòng)平臺(tái)模型作如下假設(shè)： 1、 剛性載體一般在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)； 2、 車體的運(yùn)動(dòng)速度較低，一般低于10Km/A； 3、 理想狀態(tài)下載體無(wú)縱向滑動(dòng)； 4、 車胎受到的橫向力垂直于其縱向負(fù)載。 通過(guò)對(duì)果樹采摘機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0,>0r時(shí)，為移動(dòng)平臺(tái) 順時(shí)針轉(zhuǎn)彎；當(dāng)e,<0r時(shí)，則移動(dòng)平臺(tái)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)彎；當(dāng)o,=er時(shí)，移動(dòng)平臺(tái) 做直線運(yùn)動(dòng)。這里具體分析移動(dòng)載體以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)彎的情況： 移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題可以由三個(gè)參數(shù)來(lái)確定：移動(dòng)平臺(tái)中心的坐標(biāo)位置 (X,r)和移動(dòng)平臺(tái)的航向角移動(dòng)平臺(tái)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2. 6所示。 圖2. 6移動(dòng)平臺(tái)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)示意圖 R：車輪的半徑； L：中心點(diǎn)到下一點(diǎn)距離; d：左右兩輪間的距離； 作業(yè)輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度； 左右輪從Q到達(dá)Q點(diǎn)所走的距離; r：移動(dòng)平臺(tái)從Q到達(dá)Q點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑； 在圖2. 6中，左右輪走過(guò)的弧長(zhǎng)分別為： j S J = 0 f x R \ s r = e r x r 通過(guò)兒何關(guān)系我們可以得到： S/ = (r — d / 2)x 0 〈 (2. 5) (2-6) S「= (r + d/2)x0 其中刁為左右兩輪之間的距離，r,0,L,ar,如圖2-6所示。 由式(2-5)? (2-6) nJ得： ,=(們+?！?d_ (們*)w (2. 7) L = 2rsin(6T2) (2- 8) a=9O°-(18O°-0)/2 = 0/2 (2-9) 由如圖2-6所示的幾何關(guān)系可得: 0 = (0—Q)xR/d (2. 10) Ar=Zxcosa=2xrxsin(。/2)xcos(0/2)=rxsin(^)=^^^x?xsin((g-q)x7?/d) (2. 11) 頌=Z)x7?/j) (2. 15) (4 -Q) 2 &=Zx§na=2xrx§r(仞2)x血(0/2)=rx(l-aB0=*i^x?x(l-aB((q-q)x7?/4) (2. 16) (2.17) 當(dāng)O,-Or 時(shí)，&x = OrxR = 0lxRi Ay = 0 ； 0 = 0 2.4果樹采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題研究 果樹采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)問(wèn)題，它們之間 的關(guān)系如圖2. 7所示，本文根據(jù)自行設(shè)計(jì)的果樹釆摘機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 采用幾何算法求解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。 機(jī)器人機(jī)械譬 結(jié)構(gòu)參數(shù) 機(jī)器人芥關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度 8L 02……0n 正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題 a末端?執(zhí)彳了關(guān)位姿參數(shù) 17 機(jī)器人機(jī)械臂 I結(jié)構(gòu)參數(shù). 機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度01, 62……On V t t 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題 圖2. 7機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖 2. 4.1果樹采摘機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題研究 在采摘作業(yè)中，釆摘機(jī)器人首先要確定目標(biāo)果實(shí)位置信息與機(jī)器人各關(guān)節(jié)的 關(guān)系，這個(gè)環(huán)節(jié)有兩部分組成：首先確定目標(biāo)果實(shí)3D坐標(biāo)與其在攝像機(jī)平面上 的2D坐標(biāo)之間的關(guān)系；其次確定攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系。 釆摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖如圖2.8所示，采摘機(jī)器人的攝像機(jī)釆用 eye-in-hand方式安裝，攝像機(jī)坐標(biāo)系(虬,匕,Z,與機(jī)器人基座坐標(biāo)系(Xo,Yo,Zo) 的各坐標(biāo)軸相互平行，假設(shè)目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(Xmo,Ymo,Zmo),其在 攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(X“，K，Z“)。由攝像機(jī)成像基本原理得到目標(biāo)在攝像機(jī) 坐標(biāo)系內(nèi)的3D坐標(biāo)(Xn,Y?,Z?)與其在攝像機(jī)成像平面上的2D坐標(biāo)(X,,匕)之間 的關(guān)系可有式(2. 4)得出。 圖2.8采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖  假設(shè)采摘機(jī)器人在初期尋找目標(biāo)果實(shí)過(guò)程中棱柱關(guān)節(jié)是收縮在小臂內(nèi)的，因 此可以將釆摘機(jī)器人看做三關(guān)節(jié)機(jī)器人處理，對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐 標(biāo)系之間的變換關(guān)系可由圖2. 9所示的幾何解法求得"?I： 圖2. 9采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)幾何關(guān)系 (2.18) (2. 19) (2. 20) \l^ +厶2 -2x1^ xsing+厶 xsin(^ +^))Y = Xx ctgdl Z = Lt + Z2 x sin 02 + L3x sin(^2 +03) 式中4、h、A分別為腰部、大臂、小臂的長(zhǎng)度；4、%、％分別為機(jī)械 臂第二、三、四自由度的關(guān)節(jié)角度。 由式(2-18)、(2-19)、(2-20)可以得到目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系的坐^amo,Ymo,Zmo) 與果實(shí)在攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)(X?,Yn,Zn)之間的關(guān)系: X"=X“一X, Yn = Ymo~Y, Z" = Zm_Z (2.21) 4.2果樹采摘機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題研究 采摘機(jī)器人之所以廣泛釆用移動(dòng)平臺(tái)，很大的程度上是源自于它的靈活性 好，可以到達(dá)的空間范圍大，當(dāng)通過(guò)單獨(dú)的機(jī)械手臂調(diào)整不能到達(dá)指定的區(qū)域時(shí), 可以通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)向x, y方向的進(jìn)行復(fù)合移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端操作器的運(yùn)動(dòng)。因此 在知道了移動(dòng)平臺(tái)需要移動(dòng)的位移時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)偏移角就是已知的，在進(jìn) 行果樹采摘機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解時(shí)，只考慮機(jī)械手臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)即可。  根據(jù)式(2.19)變形可得: Y 湖=歹 由式(2. 22)求反余切可求得4 : (2. 22) 八 Y 0\ =arcctg~ Ji. 由式(2.20)得： (2. 23) Z - L} = L2 sin 02 + L3 sin (02 + 03) 將式(2.22),式(2.24)帶入式(2.18)并平方得： (2. 24) H=W+4+2x京厶乂宓伝非-仃 (2. 25) 整理式(2.25)得: X2 + Y2 + (Z-L.Y 2 x L2 x Z3 由式(2. 26)求反余弦可求得03: (2. 26) y2 + y2+(z-z,)2-^-z' 0. = arccos L 2 x Z2 x ￡3 由式(2. 24)分解整理得： (2. 27) Z - ￡]=(匕2 + L3 cos^3)sin 02 + L3 cos^2 sin 03 (2. 28) 即:(Z - Z,)- (Z2 + Z3 cos^3)sin^2 = Z3 cos^2 sin 03 將式(2.29)兩端平方整理可得關(guān)于sinR的二次方程： (2.29) (￡+Z^+2xA2xL5xcos6Qsin2q-2(Z-Z1)(/2+￡3cosq)sinq+(Z-Z1)2-%(l-cos0)=o (2. 30) 由式(2. 26)知：+ 2 x Z2 x ￡3 x cos6>3 = T2 + K2 + (Z - Z))2 (2. 31) 將式(2.31)式代入式(2.30)得： [x2 + r2+(Z-Z1)2]sin2^-2(Z-Ll)(Z,2 + A3cos6'3)sin6'2+(Z-Z,)2-4(l-cos2^) = 0(2. 32) 應(yīng)用二次方程的求根公式解式(2. 32)可得sing的解: sin旦 (Z-見(jiàn)仏 +400^)士 J(Z-U 仏 +4COS 町 - 3 +/ +(Z-U][(ZF)2 頊1 - cos/)] [%2+r2+(z-4)2] (2. 33) 對(duì)式(2.33)求反正弦可得0： _心0-歟弓+4宓鳥）士 J（z-4）U +4淄穿廿+尸形-"][0-頌-如孔切（2.34） * [孑+戶形-行] "- 其中 cos % = " +宀（Z?H 2 x L2 x ￡3 由式（2.23）, （2.34）, （2. 27）可求出機(jī)械臂二三四各關(guān)節(jié)的角度。 2.5果樹釆摘機(jī)器人控制方法研究 在機(jī)器人控制領(lǐng)域，視覺(jué)控制是當(dāng)前的一個(gè)重要研究方向，也是目前的研究 熱點(diǎn)之一。針對(duì)本課題中果實(shí)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)，釆用基于圖象的視覺(jué) 伺服控制，根據(jù)當(dāng)前圖像與期望圖像的特征差異，控制機(jī)器人以小步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)逼近 目標(biāo)的控制策略實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)將PID控制方法和模糊邏輯控制方法 相結(jié)合組成自適應(yīng)模糊PID控制器，應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制中'。機(jī)器人視覺(jué) 伺服系統(tǒng)采用模糊控制策略在線自適應(yīng)整定PID參數(shù)，可以增強(qiáng)模糊PID控制器 的自適應(yīng)能力，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。 果樹采摘機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)主要由視覺(jué)傳感器、圖像處理軟件、工控 機(jī)和機(jī)器人機(jī)械本體組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.10所示。 圖2. 10果樹采摘機(jī)器人視覺(jué)伺服組成結(jié)構(gòu)示意圖 其中攝像機(jī)固定在手爪的正中心，它可以隨機(jī)械臂一起運(yùn)動(dòng)，距離地面較遠(yuǎn), 獲取圖像面積小，分辨率較高。機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)能夠正常工作的關(guān)鍵取決于 是否能對(duì)采集的圖像進(jìn)行正確快速的處理，為后續(xù)的機(jī)器人控制提高準(zhǔn)確的位置 信息。視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)工作原理：首先通過(guò)攝像頭釆集圖像信息，并經(jīng)圖像處 理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)果實(shí)的位置信息，計(jì)算出當(dāng)前圖像與期望圖像 的偏差，并被映射為機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器的控制信號(hào)（如速度或關(guān)節(jié)角位移增量）， 將控制信號(hào)通過(guò)工控機(jī)發(fā)送給各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)釆摘機(jī)器人各關(guān)節(jié)做相應(yīng) 地運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺(jué)伺服功能。 2. 5.1采摘機(jī)器人控制方法 目前，機(jī)器人常用的視覺(jué)伺服控制按照反饋信息可分為基于位置的視覺(jué)伺服 （PBVS）和基于圖像的視覺(jué)伺服（IBVS）【26,27］。其中基于圖像的視覺(jué)伺服控制直接根 據(jù)圖像特征控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，完成圖像信息的閉環(huán)，把視覺(jué)重構(gòu)問(wèn)題從機(jī)器人 控制中分離出來(lái)，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的控制，并避免目標(biāo)脫離攝像機(jī)的視野，成為機(jī) 器人控制中常用的方法。 本文在設(shè)計(jì)機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)時(shí)，基于圖像的視覺(jué)伺服的系統(tǒng)框架， 采用文獻(xiàn)25提出的方法，將圖像特征變化轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，不必計(jì)算繁瑣地 圖像雅可比矩陣就可以實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)變化到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變化的映射，從而提 高了機(jī)器人實(shí)時(shí)處理的能力。 假設(shè)目標(biāo)果實(shí)為半徑3.5cm的蘋果（通過(guò)多處果園實(shí)地考察比較得出的蘋果 平均半徑），果樹位于機(jī)器人的右側(cè)，果樹上某一蘋果在攝像機(jī)所捕捉的圖像中 的投影為一個(gè)圓（如圖2.11所示）。圖2. 12為3-D空間中的果實(shí)在攝像機(jī)中形成的 透視投影，Oc為攝像機(jī)的光學(xué)中心，相應(yīng)的攝像機(jī)坐標(biāo)為｛0慶況，苛，這個(gè)透視 投影圖形描述了3-D坐標(biāo)中的目標(biāo)果實(shí)Gs （在空間坐標(biāo)系｛q,Xw，"zJ中的表示） 與其在圖像平面投影g,（在圖像平面（0?M,v｝中的表示）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個(gè)關(guān) 系式可以由式（2.1）-（2.4）描述。 V 圖2. 11采摘機(jī)器人與作業(yè)對(duì)象位置示意圖 攝像機(jī)坐標(biāo)系 圖2. 12果實(shí)在3-D空間中在攝像機(jī)坐標(biāo)系中透視投影示意圖 圖2. 12為目標(biāo)果實(shí)在圖像平面中的特征信息。攝像機(jī)捕捉的二維圖像中以左 上角為原點(diǎn)，以U、V表示其橫、縱坐標(biāo)，選定目標(biāo)果實(shí)在圖像中投影中心坐標(biāo) (%,，*&)與圖像中心坐標(biāo)(心，V。)之差々，以作為圖像的特征。由式(2.3), (2.18), (2.19), (2.20), (2. 21)以及圖2.13目標(biāo)果實(shí)的投影關(guān)系可以看出，目標(biāo)果實(shí)圖像 特征的次變化主要由采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中關(guān)節(jié)角&的變化引起，而目標(biāo)果實(shí) 圖像特征即的變化主要有關(guān)節(jié)角02, 03的改變引起。 圖2. 13目標(biāo)果實(shí)在圖像中的位置圖 果樹釆摘機(jī)器人釆摘一個(gè)目標(biāo)果實(shí)的工作過(guò)程: 首先，釆摘機(jī)器人各模塊初始化，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)履帶式平臺(tái)使機(jī)械手靠近果 樹，利用Eye-in-hand的安裝的攝像機(jī)捕捉環(huán)境信息，獲得目標(biāo)果實(shí)的圖像信息， 經(jīng)過(guò)自己設(shè)計(jì)編寫的圖像處理軟件識(shí)別定位，從圖像中得到目標(biāo)果實(shí)在圖像中的質(zhì)心坐標(biāo)仲。3靦）；并與圖像中心坐標(biāo)（婦V。）相比較，得出質(zhì)心坐標(biāo)相對(duì)于圖像 中心坐標(biāo)之差ex, ey （以像素為單位）； 其次，根據(jù)計(jì)算出的目標(biāo)質(zhì)心與圖像質(zhì)心的偏差ex, ey,控制釆摘機(jī)器人 以小步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，最終使偏差ex, ey同時(shí)等于0, 一般攝像機(jī)釆集的圖像模板為 MxN （以像素為單位）。由圖2.5所示，可知目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)之 差ex, ey （以像素為單位）的最大為I欲_蜘1=場(chǎng)，I ^.1= %。小步長(zhǎng)變換算 法流程圖如圖2.14所示。 開始 計(jì)算冃標(biāo)質(zhì)心與圖像 中心偏差ex, ey 圖2. 14小步長(zhǎng)變換算法流程圖 1Y 25 果樹釆摘機(jī)器人通過(guò)使腰部，大臂，小臂以小步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)最終使偏差為零，此 時(shí)目標(biāo)果實(shí)圖像質(zhì)心與圖像中心重合。式（2-35）給出了目標(biāo)定位控制過(guò)程中，腰 部、大臂和小臂關(guān)節(jié)角度變化量與經(jīng)小步長(zhǎng)變換處理后的目標(biāo)質(zhì)心與圖像中心的 偏差ex,"之間的換算關(guān)系。 △4 =exxk (2. 35) -=k}xeyxk △% =k2xeyxxk 其中，△%，△&分別為腰部、大臂、小臂需要調(diào)節(jié)的關(guān)節(jié)量；ex,ey為 經(jīng)小步長(zhǎng)變換處理后的目標(biāo)質(zhì)心與圖像中心的偏差，單位為：pixel ； 分別 為大臂和小臂的關(guān)節(jié)控制參數(shù)；左為運(yùn)動(dòng)一個(gè)像素點(diǎn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要移動(dòng)的角度,單位為：度J pixel。 再次，工控機(jī)下達(dá)棱柱關(guān)節(jié)伸長(zhǎng)命令，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡獲取的位置傳感器信 息，當(dāng)目標(biāo)果實(shí)進(jìn)入手爪有效采摘區(qū)域時(shí)，停止伸長(zhǎng)棱柱關(guān)節(jié)，閉合手爪，切割 果柄； 最后，收縮棱柱關(guān)節(jié)回到初始位置，張開手爪使目標(biāo)果實(shí)在自身重力作用下 通過(guò)軟皮管滑入果實(shí)收集筐里。 要實(shí)現(xiàn)連續(xù)采摘只需重復(fù)以上步驟即可。 2. 5. 2采摘機(jī)器人視覺(jué)伺服控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于果實(shí)采摘機(jī)器人工作環(huán)境是未知的、不確定的，并且視覺(jué)伺服控制系統(tǒng) 又具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線性的特點(diǎn)，采用基于精確數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制方法難 以達(dá)到滿意的控制效果。因此本文將PID控制和模糊邏輯控制相結(jié)合組成的自適 應(yīng)模糊PID控制器應(yīng)用在采摘機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)中【2829】,其控制結(jié)構(gòu)如圖 2. 15所示。采摘機(jī)器人釆用eye-in-hand方式安裝的攝像機(jī)捕捉目標(biāo)圖像，經(jīng)圖 像處理系統(tǒng)處理，得出目標(biāo)果實(shí)的位置信息，機(jī)器人各關(guān)節(jié)變化的角度可經(jīng)坐標(biāo) 變換得出。為提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制性能，采用自適應(yīng)模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器 人關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)控制。 模糊HFfT /dt 小144?| ；靄T啰 ?3 心〃 j 電機(jī) PJDF；' 制器 人鈣乂 電機(jī) ME PID^ 小竹K ■3 心動(dòng) 枇機(jī) ■9 ’em 電機(jī) 圖2. 15采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.5.3 Fuzzy-PID控制器設(shè)計(jì) PID控制方法算法簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的線性定常 系統(tǒng)。通常的PID控制器離散表達(dá)式為： w = K,,e(k) + Kj￡：=]e(i) + KD(e(k)(2. 36) 式中：K' = KpLTj, WK