基于双目立体视觉的番茄定位

为提高番茄采摘机器人视觉系统的定位精度,该文提出了一种基于组合匹配方法及深度校正模型的双目立体视觉测距方法。该方法在形心匹配的基础上,将形心匹配得到的视差值作为区域匹配时设定视差范围的参考值。这样可以减小区域匹配计算量及误匹配的概率。区域匹配后,利用三角测距原理得到番茄区域对应的深度图,并将区域的深度均值作为其深度维的坐标。试验发现定位误差与测量距离间具有很好的线性相关性。通过回归分析,建立了线性回归模型,并对深度测量结果进行校正。结果表明,工作距离小于650mm时,定位误差约为-7～5mm,工作距离小于1050mm时,定位误差约为±10mm,可满足番茄采摘机器人视觉系统在大多数采摘作业环境下的工作要求。     

基于双目立体视觉的机械手移栽穴盘定位方法

为了解决自动化机械手移栽过程中穴盘放置偏斜和底部局部"凸起"而引起的移栽效果不理想的问题,为机械手提供穴盘精准坐标,对穴盘准确定位方法进行研究。首先,根据机械手移栽特点提出穴盘定位总体方法及图像获取手段。其次,利用单目相机获取的图像采用像素标记法和Radon变换法计算穴盘中心坐标和角度,完成穴盘平面定位。再次,对双目相机获取的图像采用SIFT(scale invariant feature transform)特征匹配的算法获得匹配点对坐标,并提出区域整合匹配点的方法。最后,利用整合的区域双目匹配点坐标配合相机标定结果重建匹配点的三维世界坐标,并且与穴盘平面定位结果相结合完成穴盘空间位置重构。试验结果表明,提出的穴盘定位方法能够真实地恢复穴盘空间姿态,中心像素横纵坐标相对误差分别在(-7,+7)和(-6,+7)像素内,角度检测值与实测值相对误差值在(-0.51°,+0.53°)内,利用SIFT特征匹配算法匹配双目图像,在2×4区域内对8对整合匹配点进行三维世界坐标重建,其中7个坐标的三个维度与测量值相对误差在2 mm内,1个坐标与测量值相对误差为4.6 mm内。该方法所应用的算法成熟,可以满足机械手移栽实际应用处理要求。     

基于双目立体视觉技术的玉米叶片三维重建

玉米叶片的三维形态特征是衡量叶片生物学特性的重要指标,为了能够简捷、快速、准确的获得叶片的三维形态,该研究以两个位置相对固定的摄像机组成双目立体视觉系统,采用平面模板法标定摄像机内外参数,照射结构光测量玉米叶片边缘与叶脉点的三维坐标,对稀疏离散点进行Cardinal样条插值,三角面片化插值点重建出部分叶片三维曲面,旋转平移各部分三维曲面拼接成完整的叶片。试验结果表明该文所提出的方法不仅能够准确的重建玉米叶片三维结构,同时具有无损、非接触、自动化程度高等优势。     

基于计算机视觉的番茄催熟与正常熟识别

国内常有菜农采摘远离成熟期的番茄,采用乙烯利处理进行催熟,为了阻止催熟番茄进入瓜果市场危害食用者的身体健康,给出了催熟番茄识别系统的硬件组成,通过计算机视觉装置获取番茄透射光颜色参数（R、G、B）,并将RGB值转换成HIS值,采用遗传算法训练的多层前馈神经网络实现催熟番茄的自动识别。试验结果表明,系统正确识别率为91.7%,为进一步进行番茄催熟与正常熟识别的研究提供参考。     

基于双目立体视觉的葡萄采摘防碰空间包围体求解与定位

无损收获是采摘机器人的研究难点之一,葡萄采摘过程中容易因机械碰撞而损伤果实,为便于机器人规划出免碰撞路径,提出一种基于双目立体视觉的葡萄包围体求解与定位方法。首先通过图像分割获得葡萄图像质心及其外接矩形,确定果梗感兴趣区域并在该区域内进行霍夫直线检测,通过寻找与质心距离最小的直线来定位果梗上的采摘点,运用圆检测法获取外接矩形区域内果粒的圆心和半径。然后运用归一化互相关的立体匹配法求解采摘点和果粒圆心的视差,利用三角测量原理求出各点的空间坐标。最后以采摘点的空间坐标为原点构建葡萄空间坐标系,求解葡萄最大截面,再将该截面绕中心轴旋转360°得到葡萄空间包围体。试验结果表明:当深度距离在1 000 mm以内时,葡萄空间包围体定位误差小于5 mm,高度误差小于4.95%,最大直径误差小于5.64%,算法时间消耗小于0.69 s。该研究为葡萄采摘机器人的防损采摘提供一种自动定位方法。     

基于计算机视觉的番茄缺素神经网络识别

提出了采用不受植株叶片大小和背景影响的色调域平均百分率直方图来提取番茄叶片的颜色特征,用于识别番茄是否缺乏营养元素;提出了采用基于最大差分算子的色调域百分率直方图法、灰度－梯度共生矩阵法和小波分析法提取番茄缺素叶片的纹理特征,用于识别番茄缺何种营养元素;设计了番茄缺N、缺Fe、缺Mg的BP神经网络系统,综合识别结果为：正常中叶、正常新叶、缺铁新叶,缺氮中叶、缺镁中叶的识别准确率依次为95％、92.5％、92.5％、87％、87％。     

基于机器视觉的番茄多目标提取与匹配

果实的提取和匹配是番茄采摘机器人进行番茄定位和采摘的基础。为解决获取图像中多个成熟番茄粘连或被遮挡的情况下果实的提取和匹配问题,该文提出了使用局部极大值法和随机圆环变换检测圆算法结合进行目标提取,再使用SURF算法进行目标匹配的算法。该方法首先基于颜色对番茄进行分割提取,然后使用局部极大值法对番茄个数进行估计,结合番茄区域面积进行半径估计,之后通过随机圆环变换算法检测番茄中心和半径进行目标定位,再使用SURF算法进行双目目标匹配的算法。该方法在一定程度上解决了复杂自然环境下,多个番茄的提取和图像特征匹配的问题,并通过试验验证了其有效性和准确性,可为采摘机器人目标识别技术的研究提供参考。     

基于尺度不变特征转换算法的棉花双目视觉定位技术

为了给采棉机器人提供运动参数,设计了一套双目视觉测距装置以定位棉株。对获取的左右棉株图像进行经背景分割等预处理。求取其在8个尺度下的高斯图,通过尺度不变特征转换SIFT(scale-invariant feature transform)算法在相邻高斯差分图中提取出SIFT关键点;计算每个高斯图中关键点邻域内4×4个种子点的梯度模值,得到128维特征向量。分割右图关键点构成的128维空间,得到二叉树;利用最优节点优先BBF(best bin first)算法在二叉树中寻找到172个与左图对应的粗匹配点。由随机采样一致性RANSAC(random sample consensus)算法求出基础矩阵F,恢复极线约束,剔除误匹配,得到分布在11朵棉花上的151对精匹配。结合通过标定和F得到的相机内外参数,最终重建出棉花点云的三维坐标。结果表明,Z轴重建结果比较接近人工测量,平均误差为0.039 3 m,能够反映棉花间的相对位置。     

基于吊蔓绳的温室番茄主茎秆视觉识别

为了精确识别番茄植株以供精确对靶喷施,该文提出一种基于温室吊蔓绳对番茄主茎进行检测识别的算法。通过分析番茄作物图像在HSI颜色空间的分布特性,基于H分量应用Otsu分割算法对番茄作物图像进行二值化处理,以突出图像中吊蔓绳区域。利用细化算法提取出吊蔓绳区域离散特征点簇,并采用最小二乘法直线拟合特征点簇获取吊蔓绳位置。试验结果表明,处理分辨率640×480像素的图像平均用时0.16s,对100张图像进行识别试验,正确率达93%,该算法提取吊蔓绳和番茄主茎间的最大距离偏差为48像素单位,能够准确识别番茄主茎秆,具备较强的鲁棒性。     

基于计算机视觉的番茄损伤自动检测与分类研究

为了提高番茄损伤检测与分类的准确率和效率,综合运用计算机视觉技术、BP算法、人工神经网络技术,实现番茄损伤的自动检测与分类。首先,通过计算机视觉系统获取番茄图像,利用图像处理去除噪声、图像分割、图像增强等多种基本图像处理的方法对番茄损伤图像进行了处理,综合运用并行和串行区域分割技术进行番茄表面缺陷区域检测。其次,对番茄图像进行了特征分析,通过提取三种特征包括8个特征参数,采用改进的BP算法训练的多层前向人工神经网络对番茄的损伤进行分类。该文中缺陷检测方法和特征提取方法的采用,使该计算机视觉系统节省了时间,提高了精度。试验证明番茄损伤检测和分类的准确率不低于90%。     

基于改进YOLOv3的果树树干识别和定位

为提高果园机器人自主导航和果园作业的质量、效率,该研究提出一种基于改进YOLOv3算法对果树树干进行识别,并通过双目相机进行定位的方法。首先,该算法将SENet注意力机制模块融合至Darknet53特征提取网络的残差模块中,SENet模块可增强有用特征信息提取,压缩无用特征信息,进而得到改进后残差网络模块SE-Res模块;其次,通过K-means聚类算法将原始YOLOv3模型的锚框信息更新。果树树干定位通过双目相机的左、右相机对图像进行采集,分别传输至改进YOLOv3模型中进行果树树干检测,并输出检测框的信息,再通过输出的检测框信息对左、右相机采集到的果树树干进行匹配;最后,通过双目相机三角定位原理对果树树干进行定位。试验表明,该方法能较好地对果树树干进行识别和定位,改进YOLOv3模型平均精确率和平均召回率分别为97.54%和91.79%,耗时为0.046 s/帧。在果树树干定位试验中,横向和纵向的定位误差均值分别为0.039 和0.266 m,误差比均值为3.84%和2.08%;与原始YOLOv3和原始SSD模型相比,横向和纵向的定位误差比均值分别降低了15.44、14.17个百分点和21.58、20.43个百分点。研究结果表明,该方法能够在果园机器人自主导航、开沟施肥、割草和农药喷洒等作业中进行果树识别和定位,为提高作业效率、保障作业质量奠定理论基础。     

温室绿熟番茄机器视觉检测方法

针对基于可见光图像对绿色番茄进行识别过程中,光线不均造成的阴影等会影响果实的识别、枝干和叶片对果实的遮挡以及果实之间的遮挡对果实识别的影响等难题,该文对基于机器视觉的绿色番茄检测方法进行研究。首先通过快速归一化互相关函数(FNCC,fast normalized cross correlation)方法对果实的潜在区域进行检测,再通过基于直方图信息的区域分类器对果实潜在区域进行分类,判别该区域是否属于绿色果实,并对非果实区域进行滤除,估计果实区域的个数。与此同时,基于颜色分析对输入图像进行分割,并通过霍夫变换圆检测绿色果实的位置。最终对基于FNCC和霍夫变换圆检测方法的检测结果进行融合,实现对绿色番茄果实的检测。当绿色果实和红色果实同时存在时,将绿色果实检测结果与基于局部极大值法和随机圆环变换检测圆算法的红色番茄果实检测结果进行合并。算法通过有机结合纹理信息、颜色信息及番茄的形状信息,对绿色番茄果实进行了检测,解决了绿色番茄与叶子、茎秆等背景颜色接近等难题。文中共使用了70幅番茄图像,其中35幅图像作为训练集图像,35幅作为验证集图像。所提出算法对训练集图像中的83个果实的检测正确率为89.2%,对验证集图像中105个果实的检测正确率为86.7%,为番茄采摘机器人采摘红色和绿色成熟番茄奠定了基础。     

基于Niblack自适应修正系数的温室成熟番茄目标提取方法

番茄目标的准确提取是番茄采摘的基础,目前番茄目标提取方法都有一定的局限性,难以满足采摘需求。该研究在传统Niblack算法的基础上,结合图像全局灰度变化的估计信息与局部区域信息之间的关联性,提出了一种基于Niblack自适应修正系数的温室成熟番茄目标提取新方法。首先对R-G番茄灰度图像,采用基于自适应修正系数选取的Niblack算法进行阈值分割,从理论意义上确定修正系数的选取原则,归一化局部标准差,实现修正值的计算及二值化过程,然后对分割后的图像去噪,最后采用最小临界矩形法提取成熟番茄果实。试验结果表明,该方法对温室成熟番茄图像有较好的提取效果,识别正确率达到98.3%,与基于归一化红绿色差灰度化的Otsu算法和传统的Niblack算法相比有更高的识别率和更快的处理速度,噪声率也明显减少,能够满足后续成熟番茄定位的需要,有效地解决传统方法适应性低,易产生伪噪声块等问题。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾－辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾－辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾－辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

基于小波变换的番茄总糖近红外无损检测

分别采用小波消噪、常数偏移消除等11种光谱预处理方法,对番茄总糖含量（质量分数）的近红外光谱进行预处理,通过偏最小二乘法定量校正模型预测值比较得出,小波消噪是适合番茄近红外光谱的最佳预处理方法,小波消噪的总糖质量分数近红外光谱优选区域为11 998.9～6 097.8 cm-1和4 601.3～4 246.5 cm-1,在此光谱区内建立的番茄总糖质量分数偏最小二乘法模型预测值与实测值的相关系数为0.930,内部交叉验证均方差为0.466%,校正标准差为0.469%,预测标准差为0.260%。试验结果表明：小波消噪后建立的近红外光谱模型能准确地对番茄总糖含量进行快速无损检测。     

基于无线传感器网络的设施农业车辆定位系统设计与试验

为解决目前设施农业机械定位系统稳定性差、定位精度低和成本高等问题,该文设计了一套基于Nano PAN5375模块的无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)定位系统。该定位系统的3个信标节点负责和定位节点的无线测距,安装有定位节点的车辆构成的移动节点负责无线测距和定位坐标的计算。WSN节点采用的是基于Nano PAN5375的WD5032N模块。Nano PAN5375模块通过串行外设接口和微处理器进行通信,实现无线通信和无线测距的功能。设计了WD5032N模块的供电底板电路,满足其微处理器和Nano PAN5375模块的供电要求,以及通过串口和液晶显示屏模块通信实时显示定位坐标X和Y。节点软件以Keil MDK为开发环境,采用单片机C语言开发,实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。在定位节点上,采用基于线性调频扩频技术的对称双向双边测距算法来计算定位节点到各个信标节点之间的距离,并使用三边质心定位算法计算出未知节点的坐标位置信息,最后使用卡尔曼滤波算法对目标状态的观测值进行迭代,解决因为测量噪声对于定位精度造成的影响。在WD5032N上分别采用3DB天线和5DB天线进行室内和室外测距和定位试验,结果表明,基于Nano PAN5375的WSN定位系统稳定性好,定位精度高,在3个信标节点组成的合适的等边三角形3条边线范围内定位精度能达到1 m左右,而在接近三角形边线外侧的位置定位精度是1~2 m左右,可以满足一般设施农业车辆的定位精度要求。该文为农业机械精确定位的深入研究提供了参考。     

基于多源机器视觉信息融合的番茄目标匹配

在番茄自然生长条件下利用计算机双目视觉获取的二维图像其处理必然会涉及到特征匹配不确定问题。该文利用近红外光谱和可见光谱各自有效的生物信息,在双目匹配搜索中,提取多源视觉融合图像的番茄有效形心点,采用极线约束和唯一性约束进行区域相关双向匹配。试验结果表明,基于此匹配方法可以实现果实的唯一匹配,准确率较高。