基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法

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、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,来减少定位耗时;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0.633~0.886 s之间;草莓深度信息的相对误差在-4.34%~0.95%范围内。     

计算机视觉在蘑菇采摘机器人上的应用

介绍了蘑菇采摘机器人的工作过程,并重点讨论了它的计算机视觉系统的图象分析所采用的基本算法。主要内容为蘑菇和苗床图象信息的数字特征;提取蘑菇边界所用的算法;封闭曲线的周长、面积和闭曲线中心坐标的计算。对现场获取的图象信息进行分析,所得到的结果与实际情况吻合,表明所采用的算法是有效的。     

大视场下荔枝采摘机器人的视觉预定位方法

机器人采摘荔枝时需要获取多个目标荔枝串的空间位置信息,以指导机器人获得最佳运动轨迹,提高效率。该文研究了大视场下荔枝采摘机器人的视觉预定位方法。首先使用双目相机采集荔枝图像;然后改进原始的YOLOv3网络,设计YOLOv3-DenseNet34荔枝串检测网络;提出同行顺序一致性约束的荔枝串配对方法;最后基于双目立体视觉的三角测量原理计算荔枝串空间坐标。试验结果表明,YOLOv3-DenseNet34网络提高了荔枝串的检测精度与检测速度;平均精度均值(mean average precision,m AP)达到0.943,平均检测速度达到22.11帧/s。基于双目立体视觉的荔枝串预定位方法在3 m的检测距离下预定位的最大绝对误差为36.602 mm,平均绝对误差为23.007 mm,平均相对误差为0.836%,满足大视场下采摘机器人的视觉预定位要求,可为其他果蔬在大视场下采摘的视觉预定位提供参考。     

采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位

为了解决采摘机器人在自然环境中对扰动状态荔枝的视觉精确定位问题,该文分析机械手采摘过程中荔枝产生扰动的因素,设计制造了模拟荔枝振动的试验平台,该试验平台通过改变方向、振频、振幅等振动条件来模拟采摘过程中的扰动环境;结合振动平台运动参数,提出了双目立体视觉系统采集扰动状态的荔枝图像方法,在HSI颜色空间中对预处理后荔枝图像利用模糊C均值聚类法(FCM,fuzzyC-means)分割荔枝果实和果梗,然后利用Hough变换算法进行直线拟合确定有效的果梗采摘区域和采摘点,对多帧图像中采摘点坐标取平均值,然后进行三维重建确定空间采摘点坐标。荔枝扰动状态的视觉定位试验结果表明,空间定位深度值误差小于6cm,荔枝采摘机械手能实现有效采摘,该研究为机械手实际作业提供指导。     

基于视觉伺服的樱桃番茄果串对靶测量方法

针对鲜食番茄自动化采收实际需要,为了实现对樱桃番茄果串自动识别定位,基于激光测距和视觉伺服技术设计了果串自动对靶测量视觉系统。通过分析成熟番茄果串图像色彩特征,采用R-G色差模型凸显目标与背景差异,并根据色差灰度逐列统计锁定果串图像区域;基于Cognex Vision Pro图像处理类库Cog PMAlign Tool模板匹配工具,对果串区域内果粒进行分割;根据对边缘果粒空间坐标估算,同时对采摘机械臂进行视觉伺服控制,实现对边缘果粒对靶定位测量,并根据其空间坐标测算果串长宽特征,为采摘执行部件提供作业依据。试验结果表明,视觉系统对果串内果粒的平均识别率为83.5%,对果粒视觉对靶的平均偏差为8.38像素,果串长度测量平均误差为8.25 mm,果串宽度测量平均误差为5.25 mm。该研究结果为串形果实自动采收目标识别定位提供参考。     

苹果采摘机器人对振荡果实的快速定位采摘方法

为解决由于果实振荡影响采摘机器人采摘效率的问题,该文研究了苹果采摘机器人在果实振荡状况下的快速采摘方法。首先对振荡果实进行动态连续采集,其次对所采集的图像进行振荡果实识别并提取其二维质心坐标,然后由FFT建模,求取果实的振荡周期,在测得振荡果实的深度距离后,计算出采摘机器人直动关节的行程速度,随即开始采摘,抓取时果实正处于平衡位置。最后通过试验可知,采摘成功率达到84%,对于果实静态状况下采摘速度较快的采摘机器人来说,采摘振荡果实,该研究方法明显优于以往采摘方法,能够显著提高采摘机器人果实采摘的整体速度。此外,该采摘方法简单、通用性好,可满足苹果等类球状果实采摘机器人的需要,对实现其实用化和商品化提供参考。     

基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法

准确、可靠的位置信息是进行农业机械自动导航的前提。该文构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中,采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度;机器视觉通过图像处理获取导航基准线,并得到代表作物行特征的点;UKF（unscented kalman filter,无迹卡尔曼滤波）滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波,并以电瓶车为平台,对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明,使用UKF滤波后的定位精度和稳定性得到了改善,X方向和Y方向标准偏差分别为2.43、0.07 m,定位曲线得到了平滑,克服了使用单一传感器进行定位的弊端,能够满足自动导航系统的要求。     

农业机器人视觉导航的预测跟踪控制方法研究

农用拖拉机的视觉导航技术可以帮助人员远离某些高温、高湿以及有毒害的作业环境，提高作业的自动化智能化程度，还能实现精确定点作业以促进农业可持续发展等。该文首先分析了轮式拖拉机跟踪引导路径的行为特点，建立起相应的非线性随机数学模型。而后，基于卡尔曼滤波的思想融合了各传感器的观测值给出预测跟踪控制方法。避免了视觉系统为主的计算耗时导致状态反馈滞后而产生的不利影响，改善了导航控制的鲁棒性和精度。仿真和初步试验结果都表明了此方法的有效性。     

苹果采摘机器人激光视觉系统的构建

为了避免或减少自然光线的干扰,该文设计了一种用于苹果采摘机器人的激光视觉系统。基于飞行时间原理的LMS211激光测距仪可对目标距离进行测量,具有精度高、响应速度快等优点;研制的直线运动单元可自由调整其滑台的移动速度和行程,用来协助测距仪完成对目标场景的三维扫描。试验结果表明：在一定测量范围内,扫描数据能较理想地反映果实的曲面特性,选择合适的水平分辨率可提高数据的成像效果,生成的距离图像易于解析果实、枝叶的空间几何特性及相互间的层次关系,且效果不受光线变化的影响。该系统为后期果实的识别研究提供参考。     

基于Sylvester方程变形的荔枝采摘机器人手眼标定方法

针对视觉荔枝采摘机器人的Eye-in-Hand视觉与机器人关联方式的手眼标定问题,该文提出一种基于优化的求解齐次变换矩阵方程的手眼标定方法。该方法通过机器人带动其臂上的双目相机从多个位置观测标定板,使用Sylvester方程变形对手眼标定近似方程线性化,再对简单的初值进行优化计算,最终得到精确的标定结果。该方法的软件用C++/Open CV开发实现,并进行了多个试验。试验结果表明,视觉与机器人关联后,定位误差与机器人运动次数相关,当距目标1 m左右,静态时的视觉系统误差均值为0.55 mm;动态工作时,视觉关联机器人重复定位误差的均值为2.93 mm,标准差为0.45 mm,符合具有容错功能的视觉荔枝采摘机器人的实际使用需求。使用基于Sylvester方程变形的手眼标定方法标定的视觉荔枝采摘机器人,在野外环境下,总体采摘成功率达到76.5%,视觉系统成功识别、定位采摘点的情况下,采摘成功率达92.3%。     

基于自适应有限冲激响应-卡尔曼滤波算法的GPS/INS导航

导航定位系统一般采用卡尔曼滤波算法提高定位精度。传统卡尔曼滤波算法的性能很大程度上依赖观测噪声的先验统计信息,不精确的统计特性将会降低定位精度。针对此问题,该文提出一种基于FIR(finite impulse response)预测模型的卡尔曼滤波算法。将FIR预测模型与卡尔曼滤波结合,FIR预测模型的系数可以通过求解一个凸二次规划问题得到。该凸二次规划以目标的多项式运动规律为约束条件,以最小白噪声增益为目标函数,具有闭式解。仿真试验和实测结果均表明,在相同的参数设置条件下,基于FIR预测模型的卡尔曼滤波算法比传统的卡尔曼滤波算法具有更高的估计精度,仿真结果表明定位精度提高29.54%,实测结果表明X方向定位精度提高21.71%,Y方向定位精度提高22.62%。该算法可应用于GPS接收信号的降噪处理,提高目标状态的定位精度。     

基于时间序列分析的卡尔曼滤波组合导航算法

GPS广泛用于农业机械导航研究中,其定位误差信号一般存在明显的自相关性,不能满足组合导航中常用的卡尔曼滤波算法观测噪声为高斯白噪声的要求。为此,建立了GPS定位误差AR模型,结合卡尔曼估计结果来预测和修正GPS定位误差,再将修正后的GPS定位信息应用于组合导航中的卡尔曼滤波过程。试验结果表明,无论GPS接收机是在静止还是在运动条件下,处理后的定位误差信号自相关性都明显降低,近似为白噪声;目标路径直线时的最大跟踪误差约为0.15 m,为曲线时,最大跟踪误差约为0.3 m。该方法为低精度GPS应用于农业机械导航提供了可行途径。     

基于摆线运动的黄瓜采摘机器人终端滑模轨迹跟踪控制

黄瓜采摘机器人是机器人技术在农业中的具体应用,而快速稳定地到达目标采摘点的轨迹规划则是黄瓜采摘机器人研究的主要内容之一。根据摆线运动曲线光滑,并能在有限区间的端点产生零速度和零加速度的特点,将其应用于黄瓜采摘机器人关节空间的轨迹规划,该方法计算简单,实时性好。同时,为了实现对期望轨迹的精确跟踪,构造了一种快速非奇异的终端滑模控制器,采用指数和幂次结合的趋近率方法,引入非线性滑模面,突破了普通滑模控制器在线性滑模条件下渐进收敛的特点,并且不会出现传统终端滑模控制的奇异性和抖振问题。李亚普诺夫稳定性分析和仿真试验证明：它能够准确的跟踪期望轨迹,并能使位置跟踪误差在有限时间内收敛到零,响应时间短,跟踪效果好。     

采用双目视觉和自适应Kalman滤波的作物行识别与跟踪

针对传统作物行识别方法在相邻图像间的识别结果偏差较大,作物行的定位精度和稳定性低等问题,该研究提出一种基于双目视觉和自适应Kalman滤波技术的作物行识别与跟踪方法。对于作物行识别,首先建立图像预处理算法,基于改进的超绿-超红模型和最大类间方差法分割植被灰度特征;建立作物行特征提取算法,基于特征点检测技术和双目视差测距方法计算植被角点特征的三维坐标,根据三维阈值提取作物行特征点,进而建立作物行中心线检测算法,建立基于主成分分析的直线拟合模型,根据作物行特征点的频数统计规律检测作物行冠层中心线。对于作物行跟踪,建立跟踪目标规划模型,提取位于图像中央区域的作物行作为跟踪目标;建立目标状态方程,基于自适应Kalman滤波技术构建作物行中心线跟踪模型。以棉花图像开展试验研究,图像数据包括阴影、杂草、地头等田间场景。试验结果表明,该研究方法的作物行识别准确度、精度和速度均较高,识别正确率约为92.36%,平均航向偏差为0.31°、标准差为2.55°,平均识别速度约80.25 ms/帧;经目标跟踪后,航向角和横向位置估计的标准差分别为2.62°和0.043 m、较无跟踪状态分别减小22.94%和10.42%,作物行中心线的方位估计精度进一步提高。研究成果可为导航系统提供连续、稳定的作物行导引参数。     

基于改进UKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

基于传统卡尔曼滤波器的转速估计方法依赖于系统的精确数学模型,但目前通用的无轴承异步电机的数学模型是一个近似模型,针对该问题该文提出一种以实际转速为基准的改进的无轴承异步电机转速估算方案:首先,用残差归一化处理自动更新渐消因子并将其引入增益矩阵,以减小系统模型偏差对估算精度的影响,增强滤波器的稳定性;其次,用遗传算法自动更新噪声矩阵,使其具备补偿作用,再次优化转速估算精度,最终将估算精度控制在5 r/min左右,干扰误差控制在10 r/min左右,可有效应对建模误差和参数扰动对转速估算的影响,具备较高的鲁棒性和估算精度。最后,用d SPACE试验平台证明了所提方案的正确性和可行性,该研究为无轴承异步电机无速度传感器控制提供参考。     

番茄收获机械手轨迹跟踪模糊控制仿真与试验

针对番茄收获机械手动力学模型不精确和外界扰动问题,该文采用计算力矩-模糊补偿相结合的控制方法进行了番茄收获机械手轨迹跟踪控制研究。通过自适应模糊逻辑系统补偿机械手动力学模型中的不确定部分,模糊逻辑系统的参数基于Lynaponv稳定性理论自适应调节,并利用ADAMS与MATLAB进行仿真试验。结果表明,对比计算力矩法,计算力矩-模糊补偿控制算法中各关节轨迹跟踪误差明显减小且收敛趋势明显。关节1至关节7平均轨迹跟踪精度分别提高了70.29%、94.72%、0.61%、74.29%、89.75%、86.41%和67.14%。该控制方案中各关节控制力（矩）均呈规律性变化,增加扰动信号亦未使输出力（力矩）出现抖振和突变,启动力（矩）最大出现在移动关节2和转动关节4,分别为453N和98.33 N·m。研究结果可为番茄收获机械手轨迹跟踪控制系统的深入研究奠定基础。     

基于多项式卡尔曼滤波器的车辆定位试验

为了研究多项式卡尔曼滤波器在车辆定位中的应用特性,分析阶数对多项式卡尔曼滤波器估算精度的影响以及评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能,该文通过多项式拟合对非线性系统建模,构建多项式卡尔曼滤波器并进行车辆多传感器融合定位试验验证。首先分析了多项式的阶数对多项式卡尔曼滤波器的影响和多项式卡尔曼滤波器的工作性能评价方法;其次,在车辆定位常用的里程计航位推算公式的基础上分别使用0阶、1阶和2阶多项式对车辆纵向速度和航向角进行拟合,建立0阶、1阶和2阶多项式卡尔曼滤波器。在Pioneer 3-AT移动机器人平台上进行试验,多项式卡尔曼滤波器融合信息来源于里程计和AHRS传感器,RTK-GPS测量轨迹作为参考轨迹;同时将卡尔曼滤波理论误差和实际误差进行对比分析,验证了多项式卡尔曼滤波器的工作性能。试验结果显示,所建立的多项式卡尔曼滤波器的实际误差均在超过68%的滤波时间里处于理论误差范围内,验证了滤波器的工作性能正常。0阶多项式卡尔曼滤波器定位精度在X、Y轴方向上分别比里程计航位推算法提高63%和77%;1阶的定位精度优于0阶,2阶的定位精度优于0阶但劣于1阶,说明更高阶的多项式对里程计航位推算公式的车辆纵向速度和航向角拟合,对提高定位精度并无重要作用。该文研究对构建多项式卡尔曼滤波器,评估多项式卡尔曼滤波器的工作性能,以及多项式卡尔曼滤波器在车辆定位的实践应用提供参考。     

荔枝采摘机器人双目视觉的动态定位误差分析

扰动引起的随机误差成为采摘机器人视觉定位的难题。为了探索荔枝采摘机器人视觉定位误差,首先用双目视觉系统和模拟扰动的震动平台对荔枝结果母枝采摘点的三维坐标进行定位试验,检测其实际位置,获得误差数据;然后,提出了一种动态定位误差分析方法,根据误差变化规律将动态定位误差划分为系统误差和随机误差;最后,用统计方法对2类误差分别进行定量分析和评价。结果表明,定位距离为600~1 000 mm时,系统误差与动态定位误差的变化趋势基本一致,视觉深度方向、水平方向最大动态定位误差分别为58.8和17.3 mm。系统误差置信区间较窄,视觉深度方向系统误差与定位距离呈较强的线性相关性,水平方向则表现为非线性。扰动下的随机定位误差服从正态分布,视觉深度方向、水平方向间的随机误差相关性较弱。视觉深度方向受扰动的影响较大,随机误差远大于水平方向,且不确定度较高。研究结果为荔枝采摘机器人视觉定位系统校准和动态定位方案设计提供依据,为机构容错纠错提供理论依据和实践指导。