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《青岛理工大学》 2018年
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基于双目视觉的农业采摘机器人控制系统设计研究

周毛等  
【摘要】:番茄果实的采摘作业是整个生产过程中最费时费力的一个环节,假设在番茄生产过程中引进智能采摘机器人,实现机械化、智能化采摘,可以提高生产效率,不但具有现实意义,也将是农业现代化的必然趋势。果实识别与定位准确性决定了采摘机器人的作业效率。本文针对采摘机器人的特点,完成了机器人控制系统的硬件搭建,并对采摘机器人机械臂数学建模与逆解算法以及目标果实的识别与定位进行了研究,实现了果实的有效识别与三维空间定位,为采摘机器人自主采摘作业提供了重要的信息。主要的研究工作如下:(1)介绍采摘机器人研究的意义以及国内外研究现状,根据采摘机器人的作业特点,进行了采摘机器人控制系统的硬件搭建。(2)本文首先采用改进的D-H法对农业采摘机器人机械臂进行数学建模,并运用坐标变换等相关理论建立正运动学方程,然后采用代数法进行求逆解,接着利用MATLAB对正逆运动进行仿真验证,最后讨论了五次多项和直线与抛物线混合的轨迹规划方法。(3)对单一番茄目标果实进行识别,首先对原始图像进行中值滤波预处理,然后采用聚类分析法中的K-means方法进行分割,对分割后的图像进行形态学运算。对重叠番茄目标果实进行识别,首先对原始图像进行双边滤波处理,然后采用改进算子的最大类方差法(OTSU)来分割番茄目标,接着利用K-means聚类算法对重叠目标像素进行聚类得到单一目标位置,再通过连通域分析以及区域生长获得单个目标边界的大致区域,最后通过分水岭算法得到目标果实准确的边界。对绿色成熟番茄目标果实的识别,首先利用快速归一化互相关函数(FNCC,fast normalized cross correlation)对绿色番茄目标果实潜在区域进行识别,并估计绿色目标果实区域个数,然后通过霍夫圆变换识别果实的位置,最终通过FNCC与霍夫圆变换的识别方法相结合,实现对绿色成熟番茄果实的识别。(4)根据双目立体视觉原理,利用张正友标定法对双目摄像机的内参数和外参数进行标定。文中给出基于形心的特征点匹配算法,根据匹配约束条件对番茄目标果实图像对进行立体匹配。根据摄像机标定参数,采用基于视差的方法获取目标果实深度值,实现对番茄目标果实的三维空间定位。(5)通过对番茄目标果实进行多次采摘实验,实验结果表明末端执行器对番茄目标果实的定位准确,采摘轨迹平稳,从而验证该自主采摘作业方法的可行性以及逆解算法与识别定位算法正确性。
【学位授予单位】:青岛理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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