專利名稱：基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，尤其是一種葡萄冬剪作業(yè)裝置。
背景技術(shù)：
葡萄樹的修剪可以調(diào)節(jié)生長和結(jié)果的關(guān)系，以增加葡萄產(chǎn)量。每年葡萄種植需要進(jìn)行冬剪、更新修剪、夏剪等多次剪枝整枝。在葡萄樹種植過程中，剪枝環(huán)節(jié)工作量大，任務(wù)繁重。目前，剪枝環(huán)節(jié)仍然以人工作業(yè)為主，機(jī)械化水平很低，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，需要更加高效省力的設(shè)備，將果農(nóng)從繁重的手工勞動(dòng)中解救出來。
機(jī)器視覺是研究計(jì)算機(jī)模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)，是涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理以及模式識別等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科。機(jī)器視覺技術(shù)是20世紀(jì)70年代初期在遙感圖片和生物醫(yī)學(xué)圖片分析兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)取得卓有成效后開始興起的，其理論基礎(chǔ)是70年代中后期逐漸形成的Marr視覺計(jì)算理論。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的研究與應(yīng)用，始于20世紀(jì)70年代末期，主要研究集中與農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)械中利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品(如蘋果、桃、香蕉、西紅柿、黃瓜等)進(jìn)行品質(zhì)檢測和分級等，有些已取得了實(shí)用性成果。目前對于葡萄樹枝圖像處理的算法研究甚少。在應(yīng)用機(jī)器視覺于剪枝作業(yè)時(shí)我們會碰到以下問題鑒于葡萄樹屬于藤本植物，生長比較自由，樹枝間容易出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)；土壤顏色與冬季葡萄樹枝顏色相近；冬季枯葉遮擋樹枝，影響樹枝圖像采集等。這類問題使得在采集葡萄樹圖像時(shí)背景變得復(fù)雜，這給應(yīng)用機(jī)器視覺識別葡萄樹枝時(shí)增加了算法難度。同時(shí)由于圖像信息冗余，應(yīng)用基于機(jī)器視覺的剪枝作業(yè)實(shí)時(shí)性較差。這些問題迫切要求我們需要改進(jìn)基于機(jī)器視覺的葡萄樹剪枝系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有葡萄冬剪作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率較低的不足，本發(fā)明提供一種降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，包括自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺、圖像采集箱、整枝模塊和剪枝模塊，所述的圖像采集箱安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上，所述的圖像采集箱分作業(yè)區(qū)和設(shè)備區(qū)兩空間，整枝模塊安裝于工作區(qū)，剪枝模塊安裝于設(shè)備區(qū)；所述的自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺包括云臺攝像機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪，云臺攝像機(jī)安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺正前方，用于獲取路徑圖像信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)；所述的整枝模塊包括切割鋸和吹風(fēng)機(jī)，切割鋸用于切割過長的樹枝，吹風(fēng)機(jī)用于剪枝前吹落殘留枯葉，切割機(jī)和吹風(fēng)機(jī)均有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與切割電機(jī)和吹風(fēng)電機(jī)連接；
所述的剪枝模塊包括雙目攝像機(jī)、農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂和工控機(jī)，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂中自下而上依次連接基座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與末端修枝剪連接，雙目攝像機(jī)用于采集葡萄樹枝圖像，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂用于完成剪枝作業(yè)，工控機(jī)用于圖像分析處理和機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。進(jìn)一步，所述的圖像采集箱包括背景墻、頂蓋和設(shè)備間，所述的背景墻為一面單一純白色視覺采集背景墻，用于隔離復(fù)雜背景；吹風(fēng)機(jī)設(shè)置于頂蓋正中間；吹風(fēng)機(jī)兩側(cè)裝有兩只高頻熒光燈管作為頂光源；在設(shè)備間頂面正前方設(shè)有兩只高頻熒光燈作為正光源；設(shè)備間底面正前部設(shè)有農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂；在農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂兩側(cè)設(shè)有雙目攝像機(jī)；在設(shè)備間底面正后方設(shè)有工控機(jī)。背景墻、頂蓋和設(shè)備間兩側(cè)邊緣位置設(shè)有切割鋸安裝空間，所述切割鋸安裝空間由隔板隔開。一輛自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上裝載至少左右兩個(gè)圖像采集箱。
所述頂蓋與背景墻、設(shè)備間的連接采用螺栓固定。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在在基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)方法中，在圖像采集方面，能夠有效解決復(fù)雜背景對于目標(biāo)樹枝圖像采集時(shí)的干擾問題，簡化了圖像識別算法；在工作效率方面，減少了圖像信息數(shù)據(jù)量，增強(qiáng)了葡萄樹枝識別和修剪的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。


圖I為葡萄冬剪作業(yè)裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為葡萄冬剪作業(yè)裝置的背景墻示意圖；圖3為葡萄冬剪作業(yè)裝置的頂蓋仰視圖；圖4為葡萄冬剪作業(yè)裝置的設(shè)備間結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為葡萄冬剪作業(yè)裝置的工作流程圖。其中，I、自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺；2、圖像采集箱；3、整枝模塊；4、剪枝模塊；5、背景墻；6、頂蓋；7、設(shè)備間；8、云臺攝像機(jī)；9、驅(qū)動(dòng)輪；10、從動(dòng)輪；11、切割鋸；12、吹風(fēng)機(jī)；13、雙目攝像機(jī)；14、農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂；15、工控機(jī)；16、頂光源；17、正光源；18、基座；19、肩關(guān)節(jié)；20、大臂；21、肘關(guān)節(jié)；22、小臂；23、腕關(guān)節(jié)；24、末端修枝剪。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和本實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。參照圖I 圖5，一種基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，包括自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺I、圖像采集箱2、整枝模塊3、剪枝模塊4。本發(fā)明所述的圖像采集箱安裝于自導(dǎo)導(dǎo)航車載平臺上，分作業(yè)區(qū)和設(shè)備區(qū)兩空間，由背景墻5、頂蓋6、設(shè)備間7三部分組成。整枝模塊3安裝于工作區(qū)，剪枝模塊4安裝于設(shè)備區(qū)。所述的自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺I包括云臺攝像機(jī)8、驅(qū)動(dòng)輪9和從動(dòng)輪10，云臺控制器8安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺車頭正前方，用于獲取路徑圖像信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由工控機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制。所述的整枝模塊3包括切割鋸11和吹風(fēng)機(jī)12，切割鋸11用于切割過長的樹枝，吹風(fēng)機(jī)12用于剪枝前吹落殘留枯葉，切割機(jī)11和吹風(fēng)機(jī)12均有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與切割電機(jī)和吹風(fēng)電 機(jī)連接。所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由工控機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制。所述的剪枝模塊包括雙目攝像機(jī)13、農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14和工控機(jī)15，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14中自下而上依次連接基座18、肩關(guān)節(jié)19、大臂20、肘關(guān)節(jié)21、小臂22和腕關(guān)節(jié)23，所述腕關(guān)節(jié)與末端修枝剪連接，采用5自由度設(shè)計(jì)，即基座18旋轉(zhuǎn)、肩關(guān)節(jié)19俯仰、肘關(guān)節(jié)21俯仰、腕關(guān)節(jié)23俯仰、腕關(guān)節(jié)23旋轉(zhuǎn)。雙目攝像機(jī)13用于采集葡萄樹枝圖像，圖像采集卡用于傳送圖像信息，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14用于完成剪枝作業(yè)，工控機(jī)15用于圖像分析處理和機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。所述的圖像采集箱2包括背景墻5、頂蓋6和設(shè)備間7進(jìn)一步，所述的圖像采集箱2包括背景墻5、頂蓋6和設(shè)備間7，所述的背景墻5為一面單一純白色視覺采集背景墻，用于隔離復(fù)雜背景；吹風(fēng)機(jī)12設(shè)置于頂蓋6正中間；吹風(fēng)機(jī)12兩側(cè)裝有兩只高頻熒光燈管作為頂光源17 ;在設(shè)備間7頂面正前方設(shè)有兩只高頻熒光燈作為正光源16 ;設(shè)備間底面正前部設(shè)有農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14 ;在農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14兩側(cè)設(shè)有雙目攝像機(jī)13 ;在設(shè)備間底面正后方設(shè)有工控機(jī)15。背景墻5、頂蓋6和設(shè)備間7兩側(cè)邊緣位置設(shè)有切割鋸11安裝空間，所述切割鋸11安裝空間由隔板隔開。一輛自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上裝載至少左右兩個(gè)圖像采集箱。另外，頂蓋6與背景墻5、設(shè)備間7的連接采用螺栓固定本發(fā)明所述的剪枝作業(yè)方法為(1)，開啟自動(dòng)導(dǎo)航并整枝。自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺I沿著葡萄園單通道路移動(dòng)，葡萄冬剪作業(yè)裝置2也隨之移動(dòng)。切割鋸11切割過長的樹枝，使進(jìn)入工作區(qū)的樹枝長度合理，便于后續(xù)的剪枝作業(yè)；吹風(fēng)機(jī)12吹落枯葉，消除枯葉對于采集葡萄樹枝圖像時(shí)的遮擋干擾。(2)，葡萄冬剪作業(yè)裝置2移動(dòng)到合理空間位置(一般位移為一塊背景墻的寬度)，切割鋸11停止，吹風(fēng)機(jī)12停止。(3)，采集葡萄樹枝圖像。頂光源16和正光源17提供主動(dòng)光源(正光源17可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)角度、位置調(diào)整)，消除背景墻上的陰影，開啟雙目攝像機(jī)13。(4)，分析處理葡萄樹枝圖像。雙目攝像機(jī)13采集到的圖像信息通過圖像采集卡傳送到工控機(jī)15。工控機(jī)15對圖像信息進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像識別等處理步驟。根據(jù)葡萄樹枝枝干和主干在形態(tài)學(xué)上的差異來識別目標(biāo)，分析并確定剪枝點(diǎn)，提取剪枝點(diǎn)二維坐標(biāo)"[目息。(5)，規(guī)劃農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)剪枝點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，工控機(jī)15對農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，計(jì)算出各關(guān)節(jié)最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)。(6)，完成剪枝作業(yè)。工控機(jī)15發(fā)送控制指令，通過運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14各關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制，最終實(shí)現(xiàn)剪枝作業(yè)。(7)，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14恢復(fù)原始位姿。剪枝作業(yè)完畢后，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂14收回至設(shè)備間7，恢復(fù)原始位姿，并發(fā)送剪枝結(jié)束指令到工控機(jī)15。(8)，啟動(dòng)切割鋸11和吹風(fēng)機(jī)12。收到剪枝結(jié)束指令后，工控機(jī)15發(fā)送指令至運(yùn)動(dòng)控制卡，啟動(dòng)切割鋸11和吹風(fēng)機(jī)12，開始下一工作位置的整枝工作。(9)，啟動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺I。工控機(jī)15發(fā)送自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺啟動(dòng)指令，自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺I開始移動(dòng)到下一工作位置并剪枝。如此類推，重復(fù)作業(yè)。(10)，剪枝作業(yè)結(jié)束。待單排葡萄樹全部完成剪枝作業(yè)后，停機(jī)。本實(shí)施例中，切割鋸11采用1380W的木材切割鋸。頂光源16由兩只20W頻閃為30kHz的高頻熒光燈管組成，并排分布在頂蓋6上。正光源17主要采用兩只高頻熒光燈泡，兩燈照明角度可以人工調(diào)整，結(jié)合實(shí)際光照環(huán)境，消除陰影干擾。圖像采集卡采用Morphis圖像采集卡,雙目攝像機(jī)13采用44W像素的CXD工業(yè)攝像機(jī)。雙目攝像機(jī)13固定在設(shè)備間底面前部，圖像采集卡插入工控機(jī)15內(nèi)的PCI槽，工控機(jī)15固定在設(shè)備間7底面后部。 運(yùn)動(dòng)控制卡采用基于TMS320F2812的PCI總線通用運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡插入工控機(jī)14內(nèi)的PCI槽。本發(fā)明涉及的一種基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置能夠有效解決復(fù)雜背景對于目標(biāo)樹枝采集時(shí)的干擾問題，簡化了圖像識別算法，提高了工作效率，增強(qiáng)了葡萄樹枝識別和剪枝的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。上面所述的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)構(gòu)思的前提下，可對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，其特征在于包括自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺、圖像采集箱、整枝模塊和剪枝模塊，所述的圖像采集箱安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上，所述的圖像采集箱分作業(yè)區(qū)和設(shè)備區(qū)兩空間，整枝模塊安裝于工作區(qū)，剪枝模塊安裝于設(shè)備區(qū)； 所述的自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺包括云臺攝像機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪，云臺攝像機(jī)安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺正前方，用于獲取路徑圖像信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，所述行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)； 所述的整枝模塊包括切割鋸和吹風(fēng)機(jī)，切割鋸用于切割過長的樹枝吹風(fēng)機(jī)，用于剪枝前吹落殘留枯葉，切割機(jī)和吹風(fēng)機(jī)均有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與切割電機(jī)和吹風(fēng)電機(jī)連接； 所述的剪枝模塊包括雙目攝像機(jī)、農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂和工控機(jī)，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂中自下而上依次連接基座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與末端修枝剪連接，雙目攝像機(jī)用于采集葡萄樹枝圖像，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂用于完成剪枝作業(yè)，工控機(jī)用于圖像分析處理和機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。
2.如權(quán)利要求I所述的基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，其特征在于所述的圖像采集箱包括背景墻、頂蓋和設(shè)備間，所述的背景墻為一面單一純白色視覺采集背景墻，用于隔離復(fù)雜背；吹風(fēng)機(jī)設(shè)置于頂蓋正中間；吹風(fēng)機(jī)兩側(cè)裝有兩只高頻熒光燈管作為頂光源；在設(shè)備間頂面正前方設(shè)有兩只高頻熒光燈作為正光源；設(shè)備間底面正前部設(shè)有農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂；在農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂兩側(cè)設(shè)有雙目攝像機(jī)；在設(shè)備間底面正后方設(shè)有工控機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，其特征在于背景墻、頂蓋和設(shè)備間兩側(cè)邊緣位置設(shè)有切割鋸安裝空間，所述切割鋸安裝空間由隔板隔開。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，其特征在于一輛自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上裝載至少左右兩個(gè)圖像采集箱。
5.如權(quán)利要求2或3所述的基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，其特征在于所述頂蓋與背景墻、設(shè)備間的連接采用螺栓固定。
全文摘要
一種基于機(jī)器視覺的葡萄冬剪作業(yè)裝置，包括自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺、圖像采集箱、整枝模塊和剪枝模塊，所述的圖像采集箱安裝于自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺上，圖像采集箱分作業(yè)區(qū)和設(shè)備區(qū)兩空間，整枝模塊安裝于工作區(qū)，剪枝模塊安裝于設(shè)備區(qū)；自動(dòng)導(dǎo)航車載平臺包括云臺攝像機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪；整枝模塊包括切割鋸和吹風(fēng)機(jī)，剪枝模塊包括雙目攝像機(jī)、農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂和工控機(jī)，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂中自下而上依次連接基座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和腕關(guān)節(jié)，所述腕關(guān)節(jié)與末端修枝剪連接，雙目攝像機(jī)用于采集葡萄樹枝圖像，農(nóng)業(yè)剪枝機(jī)械臂用于完成剪枝作業(yè)，工控機(jī)用于圖像分析處理和機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。本發(fā)明能降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。
文檔編號A01G3/08GK102696411SQ20121011045
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者劉燦, 楊慶華, 荀一, 賈挺猛 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)