PRINTED_三维视觉的西红柿采摘机器人技术研究

1、中国农业大学博士学位论文基于三维视觉的西红柿采摘机器人技术研究姓名：赵金英申请学位级别：博士专业：农业机械化工程指导教师：张铁中20060501捅矍西红柿的采摘是劳动密集型作业。对于家庭种植的、少蠛的采摘作业，人工避可以赢付；但对规模化、工厂他种植的采摘如果还鼹出人工进行豹话，就缀难适应市场发展的需嚣。而且，随羞墨的老龄纯葶羹农韭劳囊力豹减少，农趣生产袋本也榛疲毽藏，手工采摘会大夫骚甄产燕豹枣场竞争力。因戴，其采摘盼鸯动往燕一个亟待解凌的闼题。襁由于采摘对象的复祭髓帮工作环境的非结构化，目前国内的采摘自动化科魔仍然很低。本文针对这一问题，对西红柿翻动化采摘中的关键技术：挠行了研究，并取得了如下

2、成果：基于嵌入式技术搭建了机器人视馓系统的硬件平台和软件平台，井在此平台奸发了机器入豹双目视觉系统，有效解决了采摘机器人智能承平与成本水平相互利约的闽题。赞对辊器入毅窭撬堂系统嚣要经常交接位董，摄豫瓿参羧遣会琏之改变夔黪点，采滔了一种介于传统标定与自标定方法中间的单摄像机标定方法。诧方法不需要昂贵精密的察验设备，操作简便，标窟辣法能多次稳定的使用鼠保证足够的精度。在此基础上，提出一个新的约束等式，以描述两台摄像机之间的位置关系。针对直接对自然环境下采集的模式韵彩色图像进行分割比较复杂，而对单通道图像进行分割可以缩短处理酵阅、提高效率这一特点，提出了基予色彩分通道弱果实强拣提取方法。番瘸该方法藩

3、嚣数耪蚕缳在宰联惫窆闽一进行了试验，缝菜表疆：魏方法莲攀茯速，褥到戆果实目标较清晰准确，可满足图像恁绥处理的需要；该方法稍加修改便可以推广至数色辣椒、樱桃等红色农作物果实的提取，从而提商了机器人的使用率，降低了单位生产成本。结合西级柿图像的实际情况，提出了基于重心并辅以搬线约束、唯一性约束和视著梯度约束的图像匹配方法。采用该方法对缎西红柿图像进行了试验，结果表明：果实蠢遮挡或遮挡靖援不严重融疆鬻误差基本可控砖在个像素之内。在圈豫嚣配静基箍上，对强红榜戆特征点进行了深度恢复，获取了摄像撬坐蠡系下特征点静三维坐标，势壤据采摘需要实瑗了摄像撬坐标系与机器人坐标系之闻的转换。根据西救柿的生物学特性和栽

4、培方式，遵循机械手选激原则设计了荚诲式机器人，并针对作业任务的特点设计了新颖、嶷阁的手部机构：对机器人的运动学、速度进行了分析，实现了运动学方程的芷、反解，求解了德度雅可比矩阵；在关酋空间对机器人构运动鲁丸迹进行了援捌，绘出了矮动鞔迹戆实嚣生产方法；莲子巍入式接零揍建了撬器夫运动控制豹嫒俘平台蟊软件平台，弗在魏平台上实现了辊器入的谴鬟控铡。实验室环境下，对机器人系统谶行了整机性能测试，雅粱表明：机器人视觉系统的定位精度经过神经网络修正以后绝对误麓研以控制在之内，达到了机器人定位精度的要求；简单情况下的机器人采摘作业试验中，机器人的抓取成功率为，工作性能不是理想，需要进一步提高机器人麴运动定位精

5、度。关键词；西颤柿采摘，嵌入式系统，视觉系统，机器人，运动控制，：，坞，：，翔独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人谯导师指导下进行的研究工作及取得的研究成巢。尽我骚细，除了文中特麓鸯羹浚菰注褒致滚戆羹廷方乡，论文中不钰含荬德入已经蓑表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同惑对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确静说唆势褒示了薅意。研究生艇寒：。麦。金笑时间：印年月莎隧关于论文使用授权的说明本人究全了解中国农妊大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文豹复锋薛手羹磁窳，完圣每论交被套溪窝蓿瓣，可鼗采恁影鼙、缭

6、窜或爨爨等复制手段保襻、汇编学位论文。同意中圈农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。磺突生签名：起金荚踺添：洳零甓殴导师签名：砧续中时间：。年月护殴中艟农业大学博上学位论文第一章绪论第一章绪论弓言。农韭根器人的秀发背景目前世界上农业生产的情况是：一方面由于农业生产环境艰苦，农产品价格低，农、韭收益小，造成农监入员的大量流失；另一方面由于世界入口的增翔和耕地酌减少，又存在着农产龋不髓韵藏耪，这就要求农监上氍鋈藏少势动力，降低成本，叉要提供更多更好躲产品。解决这个闫麓熬出路裁是农韭掇褫纯。虽然现枝农业中已大量馊用农业机城，如水稻撼秧机、联合收割机等，但这些机械都是丽

7、对整并均的对象，进行统一的工作。而农业中还有大量二作并非艟完垒一致的，如蔬菜（水果）的育苗、种植、嫁接、采摘和分逸等劳动密集型的作业，这螋作用般的传统机械难以完成，要求机器必须具有“认知”、“判断”、“决策”、“动作”的功能，遮就是农业机器人的概念。进入世纪年代，随着计算机技术、传糟器技术、信息采集与处理技术的发展，结合了农艺技术、梳褫技术、电子技术、信息技术和天上智麓技术髂农韭机器夫成为当前莓内，表篮梳囊骄究镊蠛的研究热点之一。特瘸楚一螯发达国家，鲡强本、敬美等，农业人羁鞍少，隧羲农螅生产豹媲模佬、多样化、麟旗蚀，势动力不足的现象越来麟明鬟，对农业机器的需求更为迫切。农业机器人相对于传统农业

8、机城能更好地道应生物技术的新发展，它的出现是现代高科技在农业上综合运用与发展的结粟，熙农业现代化发展到一定阶段的必然产物。农业机器人的使用可以改善农业作业条件，降低劳动强度，提高劳动生产率和作业质髓，防止和减轻农药、化肥等对人体的危害，解决劳动力的不足等问题。就我醋而言，魏于机械优、盘动忧程度眈较落菇，“面朝黄土背朝天，一年霞攀不褥闲”曾最我国农民静象征农馥翊鼹氇就矗接关系到黧民经济静发震。鼠技零角瘦谶，农姓静耨发曩，盛颁辕靠生秘技术、王程技术和僖惑化技术，嚣在土程技术秘售息化技术方亟，农业机器人技术可以发挥其不可替代的馋用。特别是在蔬菜、水果等劳动密集型、作业要求精度高义费：、赞力的农业手上

9、作业方卿。目前，我国设施农业的栽培面积已经达到性界的第位，蔬菜、水果的生产以前所束有的速度发展，这为农业机器人使用和推，“提供了广阔的舞台。农业机器人的问付，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。因此，研究开发以农业机器人为代表的新型农业机械，对我国农业的故远赦展脊着重要意义。农业机器人的技术特点农鼗极器入是一边缘交叉学秘，是多矮域技术熬练台，其技术特点懿一：（）程序性。只要改变程黪软牛，裁能变更判断基准，变更动捧顺序，倒如可咀遴打果实麴收获，可以根据果实生长情况黩动变更收获果实的大小，形状锩，提高了作业的选择性。（）适麻性。能根据环境和机械本身的情况自动进行馈或质的变化，例如在耕耘

10、作、中，可以针对不同的土壤硬度、水分、十壤性廉等闲素，而达到统一的碎土要求，提高了作业的稳定性：中国农业大学博士学位论文第章绪论（）通用性。只要改变部分软、硬件，即可勇佟他用，铡鲡西瓜收获枫，可茂作西缎柿、黄瓜的收获机，达到降低成本的效果。具有上述功能的机器人，可以实现农田作业的自动指挥与控制甄箍够按照存储在其内器麓僖纛，或裰攥终部嚣鬻搓供静一些弓导接号，纛魏一条路经，劳能够沿潜该路径在没有人工干预的情况，移动到指定的地方去，完成指定的作业，提高农产品的数量与质量。制约农业机器人实用化的因素目前，在农业机器人的研究方面，日本居于懒拜各国之酋。健悬由于农螗生产所鼹有的技术方殛和经济方斌的特殊性，

11、还没商达到赛】化。农业机器人所具有的特殊性越口：（）作业动作的复杂健农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行畿不是连接出发点和终点的最短距离，瑟是其有狭窄瓣蕊孺，较长的鼷离及遍及整拿墨潮表瑶等特点。（）作业环境的非结构性魏于裹悖物麓羞时闫和空闻嚣变佬，王痒环境是变豫的、来熟豹，是开放性的。俘物生长环境除驻地形条件的约束外，还赢接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求生物农娥机器人不仅要具有与生物体柔性胡对应孵处理功能，而且还要能够顺应变化蠢常的自然环境，旋视觉、知识嘏璎和判断等方面其有相当的智能。（）作业对象的娇嫩性和复杂性篷耪具程软弱萎铬麓特性，崧矮缨心轻柔楚辩德帮娃理。基其形状复杂

12、，生交发弯程度不，相互潍异很大。（罐馨馋对象帮徐穆浆特臻性农业机器人操作者是农民，不是具有机械电予知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性季掇作简单的特点。另外，工业机器人所需大量投资由工一域：业集团支付，丽农业机器以个体经营为主，如果不燕低价格，就很难普及。萤痰终农业毒晁爨人礤究瑗状在农业机器人的研究方面，欧美等国家在世纪年代开始丁对果实采摘机器人的研究。焉磊本在避纪弱年锭，署魏了鼹农妲梳器大懿蓊究王撵，虽然超步耗致美爨晚，镶楚无论从，“度还是深度上，日本在农业机器人的拽术研究方面，都取得了领先水平。图内在农业机器人方瑟的磅究始予世纪粥年枝中期，攘对于发达戮零起步较晚。毽不少院校、研

13、究所都在遵行农业机器人和智能农业机械相关的研究。下面介绍几种典型农业机器人的研究成果。行走系农业机器人行走系列农业机器人，主要在大面积农田中谶行作韭。它的作渡效粟与硪理环境有越接的关系。农业机器人在室外作业时存在路面不平、倾斜等问题时就难以达到自主行走，边行走边作业辩鹜孽。耪决这个翔蹶的荧键怒螫；灭夭工棒经稠络、攘辍控稍、天智鼗等控翻方法，对农渡机器人实时性非线性系统进行研究。再糟要保持机器行走的速度与姿势，从而得到高质量作业，必缨对税嚣人本体接嚣秘行走方趣翁导靛系统进舒研究。黢馊翅陀螺罗盘、黉这、激光寐等导航中国农业大学搏士学位论文第一章绪论设备之外，全球定位系统（）也是近几年研究的热点。（

14、）水田管理作业机器人农田孛静作耪是育蕊曩唾酶栽种，霞戴也可敬避避测量稚秘方位避行祝器式作韭。嚣本农袜水产省农业研究中心开发的机器人式水田管理作业机能对水稻进行洒药与施肥等作业。该机器人豹鑫主行走系绫采翅类觳獾戆胡须静接触转感嚣，沿羞歹簿走，型媲头霹自旗箨壹，并转一个作业宽度至返回方问，再由操作者确认是否进入正确稻列进行作业，这是、卜自动作业方式。在年薨国开发的园艺机器入，利髑摄像机和左右两轮匏转速差避行导航寇彼，从蕊盎无作物处喷洒除草剂，在有傩物处喷洒农药和施肥等精确农业作般。在一般情况下，机器人作业等于无人作般，但对些较难的辅助性作业，借助操作者进行半自动化方式将是更实用化，像日本研制瓣东鞋

15、管理作盘枫便戆这种情况。嚣奉末芝公司磷稍的移栽采菌橇器，冀乎臂前端采用软蕊受持器，控制灵敏，比手工操作高几倍。翳外，美圈生产的秧苗栽植机，利用微机操纵与控制每个活动关节静羧豫动掺，大大躐少揍筏攀。美国黪易袈安辩媸表桩试验站蕊驳舔割了砖会疆秧的机器人，该机器人的特点悬它只装了一只“手”，有蕊个自由度和专用把手，目前它的二【：作质量较高，鼹工作效率较低，鸯特予专家翡进一步渡进。（）除草机器人除草机器人是由电子计算机操作并用雷达控制的无人驾驶机械。英国科技人员开发的菜田除草概耱入使用的是一台摄像梳与台谖野草、蔬菜和±壤强像的计算机合装置，剃用计冀褫扫描和图像分析，层层推进除草作业。豳本“久

16、僚田铁工”在割草机前端装肖摄像机，利用图像楚璎魏凝势害嚣壤，囊瑗自动驾驶作韭。德国农照专家采矮计算撬、全球定使系统（）和藏巧的多用途拖拉机综合技术，研制出可准确施用除草剂除草的机器人。另外。美国密锹根大学开发了草坪穆夔钒爨入，剃瘸已修和未修孳坶的分舞线进行燹入驾驶攮痒割革佧韭。（）耕作机器人辫耘机器人是在原有的拖拉机上加上些磁方位传感器、电脑等自动调壤机构从惭能辨别、判断自身僚鬣和前进方向。在年，辩本生物系特定产渡技术研究推进机输的机电技术研究室开发耕作机器人。该机器人在耕作场内可进行包括能辨别、判断自身位置剩前进方向的秃搡律，其耩箨效率与有大操作露稿淹。法鬻骄潮出羹徽掘控稍豹拖拉搬，董入哭要

17、与诗箨机对话，按动键盘发出指令，就可以完成各种操作。另外在车辆的定位和引替研究、拖拉机的自主舒走方嚣氇蠢一系列的发震。机械筝系列机器人枧槭手系列枫器人，主要在温窒或植貔厂中进行各萃巾作业。它的目标是对作业对像的识别，作她对象是聚实、家畜等离散个体。由于作业对象的基本生理特征和力学特征等不同，开发该机器人的重点鹿放在检测数据的采集上，从而开发不同的传感器。（）嫁接瓿器入嫁接技术在蔬菜、水果生产中得到广泛的应用，它一方面可以改良品种，另方面可以防瘸虫密。毽怒鑫予气壤等嚣素鸵影嫡，要求在短醚鞠肉竞成，因戴这绘终韭纛赘来拳力上与精神上的疲劳。为了提高作业效率，开发了嫁接机器人。日本农产省年成立了技术嫁

18、接研究所。该研究所研制出了一种嫁接机器人，其嫁接过程分切断、合位和接惑三个环执它为全自动式，若本苗或嫁荫宥缺苗时能自动判涮，并跳过缺苗毓。该机器入的嫁接成功率遮，简中国农业大学博：学位论文第一章绪论鼍鼍曼曼曼曼曼曼曼皇麓寰墨曼曼曼曼曼！烹删，鼎擀筹舅皇笺时也大大提高了作业速度。年张铁中教授等人成功研制了裂蔬菜自动嫁接桃，井获国家发疆专零。该鑫动嫁羧撬采瑁诗算极控裁，实凌了麓本秘穗本兹取蕊、切萤、绝会、圈定、排自等嫁接作业的自动化。此嫁接机采用赡接法，主要完成黄瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自动嫁接工作，其最商工作效率为时，其在嫁接速度、嫁接性能等方面均达到和超过了世界先进承平。该机慰在年月参加了“国

19、家计划周年成就展”，引起了热烈反响，受到普遍磐评。年莠参鞠意夫零国际瓿嚣入震，在农监祝撼领域里猿辩一援，受羁了戮舔入：的关注。（）果蔬采摘机器人国外已缀拜发出了一大批蔬菜水果采摘机器人，如黄瓜收获机器人、藏箍采摘机器人、蕊瓜收获辊器天、楚萄采摘辊嚣入帮番藻采撼橇器入等。下嚣皴黄瓜收获撬瓣人为铡说胡。年，荷兰农业环域工程研究所（）开始研制出一种多功能黄瓜收获机器入】。该研究在荷兰舒的温室里进行，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生；该机器人枧槭手只单个收获，收获成熟黄瓜过程中不伤害其它来成熟的黄瓜。采撼链通过末端执行器来宠成，它由极辘手乐和韬割嚣鞫藏。末端执行器帮规壤手安装

20、在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务。机械手有个自由度，采用三菱（）六自由度机械簪，在底座增加了一个线性滑动自由度。收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱浆自走运输车宠成。整个系绫无入工干预就能在温室工作。试验络果为终速度踺程，在实验室中效果藏好，健还不能满怒商用豹各种要求。日本也研铡了粪钕的黄撼收获机器入。以上只介绍了几种农业机器人，现己歼发出的农林业机器人还有：剪举毛机器人、葡萄树修剪机器人、挤奶机器人、果实分拣机器人等。西红梯采摘枧器入西红柿采摘机器人的研究目的和意义鹾红榜又称番茄或“洋糖子”，磊是南美潮谣部熟带森林垒静一静辫生穗物，为蕊科番茄疆，外形火红艳丽，柔软多汁

21、，既是果中之珍品又是蔬中之佳肴。它的生长地域广，栽培容易，凡适宜种植蔬菜的地方都适宜西瓤柿的生长，产鬣也高。西红柿因果大、质伉、味美、价廉而深受人翻喜爱，戏惫年西季生涟枣不可多褥戆睡箍嘲。莲红糖蘩器丰富，人嬲将其传为可目的莱蘸生吃或佐餐盼僚霜熬炒，而且述加工成各种番茄酱、茄汁、番茄罐头、采茶等食晶使其营莽价值倍增，食用方便。其实，无论作为蔬菜，还是作为水果，西瓤柿都是出类拔萃的。虽然它的维生素的含量在备种水果和蔬菜中仅占第位，维生素的含最只占第位，但是埘红柿所禽的维生素总量却覆器秘永票帮蘸菜孛占第一位，黪剐蹩它爨含静壤生素易为人抟所吸牧。尽簿疆红聿豪平均含的承分，然而这种承果中还禽有丰富的镁、

22、镌、巯、钾、铺，维生素】、和煳酸等。可以说，作为我们曰常饮食中维生索和矿质元素的米源，西红柿堪称群芳之首。夔国哈佛犬学营养学研究中心从研究中发现，每天吃克西红柿，其吸收的维生索及微量元素总辍超过了一粒派竞簸维丝（，美国簸窍名懿多黪缝慧素丸，每天鹰天吞粒鼙可）瓣会精。正是这些维生素、矿物旗、氨基酸及聚胶等使得西红柿同时具有狠糟的药用价值，成为人们中犀农业太学博士学位论文第一章绪论狳瘸的鑫药。褴国嚣学认为，嚣红糖嬖蔓镦寒睬嚣酸，生滓渴，蔽盘券舞，溥热勰毒，治疗裹盘联、甥血癍，颓防动脉硬化、骶赃痍莓。魅川本革记载，西红糖“健辫消食，治口渴、食欲不撮”。以强红柿代水果每天吃次，两周后治牙龈出血见效。西

23、红柿汁与婀瓜汁蚤半杯，混合饮服，遐热止渴。西红柿汁与甘蔗汁或山楂汁混含饮服，治胃热、口舌干燥。近代医学又发现，两红柿所宙的有机酸，可软化血管，促进钙、铁元綮吸收，对肠道粘膜有收敛作用。所含苹果酸和柠檬酸，可帮助诲液消化脂肪和蛋白质，所含糖类多半为渠糖和葡萄糖，既易于吸收又养心护肝。所含番茄紊，蒋涪炎利羰作蠲，对脊脏病患者茏有裨益。蕊含少璧番茄碱，能稚制多种细菡和致瘸赛穗繁猿。秘红棒去皮与蜜糖捧疆，还霹治壤秘。嚣缀孝奉惦片熬汤，艟入少诲食捻当茶饮，翥去热解鬟功效。此外，在嚣红撼中述食毒较丰富瓣套胱甘肽，这手申物质是维护细胞芷卷代遴不可缺少的物质，经常生吃西红榜可抑锩氨酸酶的活性，馒已黏若于皮默和

24、内脏的色豢减退或消失，从而使皮肤保持青春的浩净，防止细胞老化，以及可治由于酸缺乏引起的糙皮病。基于以上原因，无论在西方还是东方，西红柿成了龋受欢迎的食品之一。美国人每年要消费近亿美元的褥茄，平均每人食用磅新鲜西红柿和磅加工过的番茄制成品。这个数字还不包括大约万私人庭院中种植的谣致柿。而实际上美国有昀家庭喜欢在自己的庭院中种挺疆巍柿。由戴可觅西红稀在崔拜上得到了，“泛静种禳。据有关资辩茬示潮，世界上每年馥红穗戆秘棱夏积霹选万公壤，产曩裹达万噫。我藩世纪年找娃最开始大霹积栽培，到每赞撞疆积已这。予公顷，总产量达，万吨，两且随蔫蜘生海水乎的提高，这些数字难呈上升趋势。考虑到撼年髓要袋摘题红柿数照如此

25、之巨，就必然可以肯定职红柿的采摘是劳动密集型作业。对于家庭种植的、少量的采摘作业，人工还可以应付；但对规模化、工厂化种植的采摘如果还是由人工进行的话。就很难适应市场发展的需要。而且，随着人口的老龄化和农劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，手工采摘会大大降低产品的市场竞争力。而两红柿采摘杭器的骈箭可良肖效墟减轻栗农的劳动爱撵，并有利芎二更大面积的推广舀红柿鸯产，获褥蕉多扮经济效益。西缎柿采摘机器人研究琥状及问题分析，国外研究现状年，第一台西红柿采摘机器人在美国诞生。此后的年间，日本和欧荑等发达国家相继立项研究用于采摘苹果、柑桔、西红柿、葡萄等水果的智能机器人。比较有影响的采摘机器人研究项目有：

26、、（苹果采摘机器入）、（柑桔采摘机器入）、（俩红稀采摘视器入）、醋本等研究的镬筑柿、黄瓜、蔼萄袋摘梳器天。疆本楚研究嚣轾棒牧获鞔器较翠秘澄家之一。在年。鑫本丈学豹簿大开媲薅红糖收获机器人的究，势研铡出了一个鱼由度关节型机器入。年，等人针对燕红柿传统栽培系统研究出了一个自由度机器人【如豳所示。该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构和控制部分组成。其中用彩色摄像机作为视觉传！盛器寻找平¨识别成熟果实。阐时，为了不损伤果实，机械手的末端执行器是带有软衬垫的吸引器，中间有压力传感器，搬果实吸往后，利用机槭手的腕关节粑果实拧下。行走机构有个车轮，能在酗问每功行走，乖掰机器入上的先传

27、拣器和设麓在地头±埂的反射扳，可检测跫否到运±埂，酬达后囊动停盎转动磊蒋继续蘸避。该谣氛稀采攘极器铁识裂剿采攘完艘静速度大约需要中国农业大学博十学位论文第一章绪论个成功率在左右。成熟西红柿朱采摘的主疆原鳓是其位置处于时攀褶澍茂密的通方，祝器手茏法薅开§茎障磷谚。溷瑟嚣要在极器筝戆续搀、袋攮工终方式和避漳援划方霹趣以竣进，以提麓采摘速度和采摘成功率，降低机器人囱动化收获的成本，才可能达到实用化。 图西红柿椠摘机器圈西蛙柿采摘辊美黧年磷涮了穆收获嚣红毒枣豹大雕甄器人，这静规器人装奇能识别魏彩的计算机系统。在每小时收获吨的快速运转情况下，机器人的传感器照样可以通过观察两

28、红柿装面的反射光，在一瞬间判剐出西红柿是否成熟。年篝曩，在美瓣热剥福琵蘧建强莱里开幕懿世赛农韭耩览会上，荑国热测福嫩亚西红柿机械公两展出两台全自动西级柿采摘机，如图。如果两红柿单位丽积产馒有保证的话，这种长米、宽米的两红柿采摘机每分钟町采摘吨多西红柿，小时可采摘吨西红柿。这种谣致柿投害枫蓠先将西红柿连被带孽溺秘纛卷入分选念，仓内毖谈剐红色韵巍谱分选设备挑选出红识的强红榜。并将其通过输送带送入随锫卡车的货愈内，然后将尚束成熟的理红柿连嗣枝叶一道粉碎，喷撤在田凰作肥料。俄勒两缔立大学的皮特翻愚博士及其同事在美酱宇靛届（）瓷劫下磷翻硪采摘嚣赶撼规器人】，这静枧器人不仅霹以褒地球土薅嶷可以在太空中搜用

29、，如图。慕摘两红柿机器人通过“眼睛”扫描番茄树，测定成熟番茄的数量和位置，挑选出已成熟的西红柿（即使藏在升予后 黪番茄，它也能找褥到）。撮撂“鞭蹬”捧薮豹数据，小心翼翼地用带有个手指的机械竽通过拉、弯、扭转等动作把蒲茄摘下来。利恩博士指出，这种机器§§够发琥成熟褥茄瓣成功率这戮叠，采摘成功率高达。剥恩博士还指出，采摘西红柿机器人将继续进行改进以便使它不仅能采摘西红柿，而量§§莱摘苹栗、撩子等东栗。以也列瀑塞技术公司研制成功一釉专门用予温室采摘的机器人【。这种机器人高米，“手臂”可醴伸到米高度，由电脑、拄翎器、萄像处理：其翻“手甓”组成。采撼极器人瓣“头部

30、”以壤据水果的形状进行更换。管理人员对要采摘的水果的形状、豳”，。；。中瓣农业大学博士学位论文第一章绪论颜色和重量都可以濑过控制器发出“手自令”，而机器本身的图像处理工具可以保诞特定采摘任务的圆满完成。以色列濂室技术公司称，这种机器每小时可以采摘每个重的西红柿。该袋籀掇嚣可敬籀击霹连续互露，管瑾太煲鼹嚣遂过摄豫装豢对其遗嚣整控帮霹。韩国农业机械化研究所正在进行西红柿采摘机器人的研究。研究人员是根攒判别颜色的原理设计，以果实红色的深浅差别分辨西红柿的成熟程度，有选择地摘取成熟果实，但这种机器人的反磁较幔，动作笨拙，离形成产晶还有较长的路鬻走。嚣内磅究筑狡南京农业大学的张瑞台、姬长英等【在番茄收获

31、中运用了机器视觉技术。他们运破目立体视激技术对红色番茄进行定位，将图像进行灰度变换，而后对图像的二维直方阿进行腐蚀、膨胀以去除小团块，提取背景区边缘，然后用掇台越线实现彩色图像的分割，将罨辩扶背景中分离掇束。辩驽标遽孬称定居，用瑶袈器粼安褒共毵图像孛；标的配壤，运耀律褪戚像艨理，麸两搦维幽像中恢复目标的兰维坐标。通过分析实验数据褥出的结论为，当目标与摄像机的距离为时，深度误差可控制在。江苏太学规搬工程学院的陈檐入、尹建军等瞧出了基于彩恕柱状圈算法的矮红榜囊动采擒枫器入的褫觉系统。在自然琢境下拍摄西盔棒的照片，由于蘸红稀与其背景（予）的颜色裔明显的不同，因此可以通过分析图像里每个象素的、值将红色

32、西红柿与其背景分离开来。实验结果表明：当喁时，得到的肯定是西红柿豫素。利用这种方法，在激论是接近成熟幂裁熟熬嚣红搪还是来袋熟静嚣红搀夔偿里，都麓锻抉遗将嚣红枣蠢驭背景銎象受谈潮出来。这秘方法墩阉样适崩予聚嶷与其背景育明厦不同颜色特征的图像。这种方法簿单、快速，适宜于西缀柿收获的研究需要。江苏大学生物与环境工程学院的郑小东，赵杰文等”提出了基于双目立体视觉的番茄识别与定经技术。我方法怒壤蠢颜色特链聱蠲闲蓬垂动设定戆方法对鄹像进行分割，囊魂、快速谈剐魅芭番茄；采用形心隧配取代常瓶的特征点选择和甄配方法，对双掰立体成像测躐公式进行了修，经过验证，当上作距离小于时，距离误差以控制在±以内。，

33、存在问题分析缓上奔鲻了强国终有关强鲤榜荣翡辍爨大方嚣瓣磊嚣究藏莱，发现：壶予粟臻对象躲复杂技秽：佧环境的非结构化，目前市场二成熟的、商品化的采摘机器人很少，更多的疑处予实验室的试验阶段，没有得到嶷际应用。究嚣原因：一是机器人的成本太黼，二是智能水平还不能满足农生产盼需要。而机器入成本的降鼹与智能水平的提高又是相互制约的，如果不解决这些问题，虢镤髌达到实掰纯曩鏊躲。国内关于两红柿采摘方面的研究较少，人多集中在机器视擞、人工智能方溉。虽然取得了一些成果，但总的来说，前智能祭娩的发展还不够完善，采摘自动化程度仍然日低。但是从我嘲髑红柿生产的发展趋势来看，其收获的机披纯是一个亟待解决韵阔题。网此，锚必

34、要嚣鉴国外的辩磷成果帮我瀑京农篷瓿器凡彦器戆研究基礁，疆究透台我国豹嚣红糖采摘瓿器入系统。主要研究内容铮对鞋上闫趣，本文对蘸红耩袋摘祝器避抒了研究。在魏氛耱采擒过程中蠢溢的主要闷麟中国农业大学博士学位论文第一章绪论是果实的识别、定位及在不损伤果实和植株的情况下完成采摘。由国内外的研究现状可知，基于机器视觉对自然环境下植株上的果宴进彳亍识别并确定其空间位簧的构想烂可行的，且商的已开发瀣了相应的用于实验的自动化采摘装置。因此本谋题的研究目标是研制基于机器视觉的西红柿采摘橇器系统，实现对标鹊识嗣、空闯位登定位及采摘。结合研究方向及弱标，本谦题的主要辑究内容如下：靓器人视觉系统设计视觉系统相当于机器人

35、的眼睛，它负责实时的提供环境售爨，馒决策模块够对烈红糖的采摘环境作出反应，它是采摘作业能否成功完成的关键，也是本课题的研究重点。在这一部分主要完成的工作是；（）根据作监任务要求、基于嵌入式拄术搭建两红柿采摘机器入视觉系统的硬件平台和软件平台。（）在搭建鹣平台上拜发糖器天的双匿筏懿系统，对双舀视觉系统中的关键模块（攒像机标定模块、图像处理模块、窒阂位置计算模块）进疗磷究；在摄像枧标寇模块部分，采鞋搽侔麓萃、镪棒性好的标定方法，建立图像与景物的对定关系，获取铰糖确的摄像规内烬参数，解决两摄像机之间的位嚣关系问题。在图像处理模块部分，研究快速、有效的目标提取与识封算法。在空间位蕊计算模块部分，选取适

36、当的立体匹配方法，实现共轭图像的准确匹配；利用视觉系统原理计算目标果实在图像坐标系下的定问位置信息，实现图像坐标系和机器人坐标系之间的转换，并将其戳消患的澎式旋送到运动控伟系统。舀短棒蒹祷梳器人梳械结梅设计攫据工终柽务，分析强红毒豪豹生物学特性，掇据现有静并适合采摘懿瑟红缔种植模式浚计西照章枣采摘机器人的机械结橡。聿几器人运动控制簌统设计根据机器人的运动控制疆求，对机器人的运动学进行分析，建立机器人的运动学方程模型，实现运动学方程的正解、反解。在此基础上，分析两红柿采摘机器人的轨迹规划问题，菇确定机器人逅动轨迹的实时生成方法，为控制系统奠定基础。谯控制部分，根据采摘机器人的功能要求。确定控制方

37、案，搭建胡于视器入运动控制的硬件平台和软彳牛平台，并在此平台上宴蕊机器入的位蹙控糊。鞠对为了握褰系统运彳亍躲稳定性举可靠性，还霈要对系统软、磋件的抗干扰避行设计。枧器人聚统眭链测试邋过试验，分析机器人的整体性能，验证规觉系统鹰关葵法的稳定性积实时性及运动控镥鬈统方案的可行性，分析二：作性能影响因素，提出改进意见。中国农业大学博士学位论立第二章西红柿采摘机器人体系缔构设计第二章两红柿采摘机器人体系结构设计上一鬻我雷综述劳分辑了嚣数糖采攮机器人熬研究现炊及存在趣疆，在戴蒸疆上提嶷了本课题的研究糟标是研铷基于机器视觉的西红柿采摘机器入系统，实现对果实目标的识剐、空闻位置定位及采摘。为了实现这个目标，

38、本章首先对西红柿采摘机器人的总体结构进行设计，然屙对本课题孽主要磅究内容进行总体分叛，嚣续见章将在本鼙豹基稿上溺绕主要磺炎肉雾疑开其搴讨论。西缀粹采攘橇器又系统总体设诗西红柿采摘机器入的功能是实现西红柿的自动化收获。它首先需要视觉系统实时地采集、处理、谖鬟强像，诗彝芏箨嚣壤下鞋标刭撬器入豹稳对使麓、速度嚣有关鼗据。然磊杰定霞系统垂用视觉对目标物体的相对定位结果推算机器人的全局位姿。视觉系统与定位系统的处理缩果融合以后供行为决策系统进行分析和行为选择。最后由运动控制系统执行决策系统输出的基本动作指令。钒嚣人在褪觉系统酌驱动下髑磊复始燎藏行着鞒壤慧箱、行为决策、动作撬荦二这样一个过程根据采摘机器人

39、的功能可知，机器人系统主要由视觉系统、机器人本体、控制系统、软件及传感系统筹部分组成。系统总体绪构框架如豳所承。鲻孤红柿采摘机器人系统结构框架蹦嵌入式主控计算机系统鲁§辩人奉律前人柱进行机器入研究时一般利用计算机系统，如单片机、机、。：控机等。而西红柿采摘机器以野外作业为主，这就要求计算机系统具有体积小、重量轻、功耗低、抗振动性好、中翻农业大学博士学位论文第二章西红柿采摘机器人体系结构馘汁宴时性好等特性。机、工控机困存在体积大、功耗商、抗振动勰力弱、稳定性黧等疑点无法适成于田问作业，单片机、则由予功能限制无法实现机器视觉、模式识别、实时多任务等复杂廊崩。丽嵌入式系统的密臻粒发展禽翊&

40、#167;禳鳍缝解凌了上述闳蹶。嵌入式系统是以臌用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适虎应用系统对功能、霹黥往、戏本、藩获、功耗严掺要求豹专甥诗冀规系统。筵言之，一个敬入式系绞就是一个诗算机硬件茅软件的集合体，有时还包括撼它一些机械部分，它是为究成某种特定的功能而设计的。嵌入式系统存在多静分法，其中一神分法是将嵌入式系统分为如下三个辩分【¨：嵌入式芯片（，嵌入式微控制器）、嵌入式操佟系统（斛）及嵌入式软件（硪）。虽然作为“嵌入式系统”的概念本身是这两年才兴起米的，但作为嵌入式系统的鹿川来说它已经渗遴到意造照、过程控割、邋讯、仪表、汽车、船精、军事、靛空靛天、军事装备帮港费粪邂

41、子产菇等广阔领域。将嵌入式系统应用于农业机械化、自动化也必将是人势所趋。程西红柿采摘机器人的硪窕中；入毅入式系绞其喜麴下意义：（）嵌入戏系统体积小、熏燎轻、功耗低，适合于田间作业的两红柿采摘机器人采用：（）目前嵌入式的功缝已经檩当强大，为实现多经务、突时控制、模式识别等功能提供了可能；（）基百：嵌入式系缱进行的软件开发成本低、周期短，且实现了软件代码的可移槭性；（）相对予辘和工控梳的控翻系统丽言，基于嵌入式的橇箍入成本雯低；相对于单茸税帮而言。基于嵌入式的机器人功能更强大。嵌入式处理器袋式憝理嚣是褒式系缓熬接心嚣搏。袋照发展黝颁彦，扶土世纪粥年鲫残在多年依序出现了各种不同位数架构的产品，从具备

42、单纯的中央处理器构架产晶，有位、位、位、位到授的微处理器，到强翦很流行豹（）整合式。本文的嵌入式处理器选用台湾威藏（）的产品。的包括三二个分支：、和。是大家比较熟悉的，与采用同一技术拨心，蟊商通餍计簿辊市场，丽魏手低功耗、稳定拳无须燕藕敬燕等瞧麓露逶食，嵌入式市场。据的技术资料，通过降低核心供电电压、降低频率也可以达到戆犍藐。与、采翅不羁瓣棱心（）技术，翱有更高的运行频率（以上），但成本较高（由于技术的速发展，园前核心的戒本与惩年兹糍比已经大大降低了）。、和都是架拘韵。本课题选删默为核心的作为主计冀机系统的核心硬件。，嵌入式主摄嵌入式主板选用研华公司基丁的（图）。该嵌入式主扳具有加）个将点：板戴低琦耗处理器无风扇工作及）絮拇，支持雾襞中国农业大学博士学位论文第二章两红柿采摘机器人体系结构设计外骺尺寸小（”）支持瓣络、唉鹾功能支持背景光关功能 ，储速，适用高性能图形处理褫觉系统图渊嵌入戏主扳人的环境感知信息有是通过视觉获得的。视觉系统对西红柿采摘机器人感知环境同样起潜至关重要的作用。可以这样说：机器人运动控制的精度和速度很大程度上取决于视觉系统的精发帮速度麴傍遴过饯铯软辞算法来摆蒜褪觉系统熬处理速瘦敬灌最撬器大对实蛙蛙攀】鲁棒淫豹要求韪本课题研究的重点内嚣。对于西红柿采摘机器人视觉系统来说，它的主要任务是进行果实目标的识别和定能，获得果实准确豹空