本發(fā)明屬于機械控制，尤其是一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，城市道路綠化作為城市生態(tài)建設(shè)中不可或缺的一環(huán)，正在不斷擴大其建設(shè)規(guī)模。城市的綠肺——道路中間的綠籬隔離帶，不僅起到了分隔交通、減少噪音和空氣污染的作用，還極大地美化了城市環(huán)境，提升了市民的生活質(zhì)量。

2、在綠籬隔離帶的維護與管理中，綠籬機作為一種專業(yè)的園林機械工具，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。相較于傳統(tǒng)的人工修剪方式，綠籬機在很大程度上減輕了人工作業(yè)的勞動強度，提高了勞動效率，并且顯著降低了維護成本。然而，盡管綠籬機帶來了諸多便利，但在實際應(yīng)用中，其存在的問題也不容忽視。比如，修剪精度不高，功能單一，沒法進行不同形狀綠籬的修剪，智能化程度低等。由于機械操作本身的限制，綠籬機在修剪綠籬時往往難以達到人工修剪的精細程度，這在一定程度上影響了綠籬的美觀度和整齊度。目前市場上的綠籬機大多只能進行簡單的直線修剪，對于不同形狀、不同高度的綠籬修剪需求，往往無法滿足。這不僅限制了綠籬機的使用范圍，也增加了綠籬維護的復(fù)雜性。此外，目前的綠籬機在智能化方面還存在很大的提升空間，比如無法實現(xiàn)自主導(dǎo)航、智能識別綠籬形狀等功能，這在一定程度上限制了綠籬機的使用效率和便捷性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有綠籬機智能化程度低，修剪精度不高的問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

3、一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，包括深度相機、pc機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，所述深度相機與pc機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)均通信連接；

4、所述深度相機用于采集存儲單棵樹木的三維點云，并將獲取的點云數(shù)據(jù)發(fā)送至pc機進行分析處理；

5、所述pc機用于對深度相機采集的三維點云進行分析及三維重建，并將分析及三維重建結(jié)果發(fā)送至控制編程機構(gòu)；

6、所述控制編程機構(gòu)用于根據(jù)分析及三維重建結(jié)果對綠植修剪軌跡進行編程，設(shè)置修剪參數(shù)，并將其發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)；

7、所述執(zhí)行機構(gòu)用于根據(jù)控制編程機構(gòu)發(fā)送的命令，沿著綠植修剪軌跡進行運動并修剪。

8、進一步的，所述三維重建過程包括：

9、根據(jù)深度相機獲取的樹木的三維點云數(shù)據(jù)信息，利用bundle?fusion算法對樹木的深度和顏色進行融合配準，實現(xiàn)實時三維重建。

10、進一步的，所述pc機包括三維重建模塊和樹冠中心可視化模塊；

11、所述三維重建模塊用于對深度相機采集的三維點云信息進行優(yōu)化處理，并通過泊松重建，生成目標樹木的三維模型；

12、樹冠中心可視化模塊用于對三維重建模塊生成的目標樹木的三維模型進行擬合分析。

13、進一步的，所述樹冠中心可視化模塊包括圓擬合單元和空間直線擬合單元；

14、所述圓擬合單元用于對目標樹木的三維模型進行分層擬合，采用最小二乘圓和ransac混合算法找到每層的圓心點；

15、空間直線擬合單元用于對圓擬合單元生成的圓心點進行空間直線擬合，得到一條誤差最小的擬合直線。

16、進一步的，所述目標樹木的三維模型進行點云降噪處理的過程為：

17、利用matlab平臺對目標樹木的三維模型中的噪聲點濾波和非必要背景進行分割，結(jié)合半徑濾波方法對目標樹木的三維模型進行點云降噪處理。

18、進一步的，所述控制編程機構(gòu)通過labview圖形化編程對綠植修剪軌跡進行編程，將空間直線擬合單元的中心線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茀?shù)端，對綠植修剪軌跡、速度、加速度和起始點參數(shù)進行設(shè)定。

19、進一步的，所述執(zhí)行機構(gòu)包括回原點模塊、定長加減速模塊、多軸直線插補模塊和兩軸圓弧插補模塊；

20、所述回原點模塊用于對直線模組進行回原點運動，接收控制編程機構(gòu)的復(fù)位命令，運行直線模組回到原點；

21、定長加減速模塊用于對直線模組進行定長運動，運行到控制編程機構(gòu)輸入的運行長度后停止運動；

22、多軸直線插補模塊用于對直線模組進行xyz方向的聯(lián)動直線運動；

23、兩軸圓弧插補模塊用于對直線模組進行任意兩軸的圓弧運動，接收控制編程機構(gòu)輸出的插補起始點和終止點坐標位置信息。

24、進一步的，所述深度相機安裝在執(zhí)行機構(gòu)上，所述深度相機通過l型連接板與直線模組連接，所述直線模組通過支撐架支撐，所述直線模組連接步進電機，所述步進電機帶動直線模組進行直線運動，深度相機動態(tài)掃描目標，從而帶動執(zhí)行機構(gòu)完成修剪。

25、進一步的，所述綠植修剪軌跡包括圓柱形修剪軌跡、圓錐形修剪軌跡和球形修剪軌跡。

26、一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制方法，包括：

27、采集存儲單棵樹木的三維點云；

28、對采集的三維點云進行分析及三維重建，得到分析及三維重建結(jié)果；

29、根據(jù)分析及三維重建結(jié)果對綠植修剪軌跡進行編程，設(shè)置修剪參數(shù)；

30、根據(jù)設(shè)置的修剪參數(shù)，沿著綠植修剪軌跡進行運動并修剪。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

32、本發(fā)明提供一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，利用深度相機掃描目標樹木，通過pc機對目標樹木進行環(huán)境模型重建，分析模型數(shù)據(jù)，擬合得到模型樹冠的中心線；然后，將中心線數(shù)據(jù)輸入到控制編程機構(gòu)，設(shè)置作業(yè)參數(shù)，直線模組工作臺接收到目標物位置信號后，產(chǎn)生pwm波信號，控制步進電機運動方向與速度，以設(shè)定參數(shù)運動控制執(zhí)行機構(gòu)回到中心線位置，開始按照預(yù)設(shè)軌跡運動，完成繞目標樹木的修剪作業(yè)后可復(fù)位，繼續(xù)重復(fù)上述修剪作業(yè)。本發(fā)明以深度相機為基礎(chǔ)，通過獲取目標點云信息并建模，可以幫助其精準識別作業(yè)對象，提高作業(yè)生產(chǎn)效率。同時，實現(xiàn)了機械設(shè)備的信息化、智能化與精準化，可以面向公路綠化帶，公園綠化修剪等，實現(xiàn)修剪裝置運動狀態(tài)調(diào)控的作業(yè)要求。

33、進一步的，pc機采用ransac和lsc混合算法對樹木的中心線進行可視化，降低噪聲點云對擬合精度的影響。

34、進一步的，控制編程機構(gòu)采用labview圖形化編程，開發(fā)了人機交互界面，簡單易懂，操作難度低。

35、進一步的，執(zhí)行機構(gòu)采用xyz空間工作臺，相較于傳統(tǒng)模式，大大減少了開發(fā)難度和成本，運行簡單可靠，提高了作業(yè)裝置的工作效率，通過對執(zhí)行機構(gòu)的軌跡進行控制，達到了實現(xiàn)精準作業(yè)的要求。

技術(shù)特征：

1.一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，包括深度相機、pc機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，所述深度相機與pc機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)均通信連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述三維重建過程包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述pc機包括三維重建模塊和樹冠中心可視化模塊；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述樹冠中心可視化模塊包括圓擬合單元和空間直線擬合單元；

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述目標樹木的三維模型進行點云降噪處理的過程為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制編程機構(gòu)通過labview圖形化編程對綠植修剪軌跡進行編程，將空間直線擬合單元的中心線數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茀?shù)端，對綠植修剪軌跡、速度、加速度和起始點參數(shù)進行設(shè)定。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行機構(gòu)包括回原點模塊、定長加減速模塊、多軸直線插補模塊和兩軸圓弧插補模塊；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述深度相機安裝在執(zhí)行機構(gòu)上，所述深度相機通過l型連接板與直線模組連接，所述直線模組通過支撐架支撐，所述直線模組連接步進電機，所述步進電機帶動直線模組進行直線運動，深度相機動態(tài)掃描目標，從而帶動執(zhí)行機構(gòu)完成修剪。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述綠植修剪軌跡包括圓柱形修剪軌跡、圓錐形修剪軌跡和球形修剪軌跡。

10.一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于深度相機的綠植修剪軌跡控制系統(tǒng)及方法，包括深度相機、PC機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，所述深度相機與PC機、控制編程機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)均通過數(shù)據(jù)連接；所述深度相機用于采集存儲單棵樹木的三維點云，并將獲取的點云數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機進行分析處理；所述PC機用于對深度相機采集的三維點云進行分析及三維重建，并將分析及三維重建結(jié)果發(fā)送至控制編程機構(gòu)；所述控制編程機構(gòu)用于根據(jù)分析及三維重建結(jié)果對綠植修剪軌跡進行編程，設(shè)置修剪參數(shù)，并將其發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)；所述執(zhí)行機構(gòu)用于根據(jù)控制編程機構(gòu)發(fā)送的命令，沿著綠植修剪軌跡進行運動并修剪。本發(fā)明可以精準識別作業(yè)對象，提高了作業(yè)生產(chǎn)效率。

技術(shù)研發(fā)人員：顧海榮,董伊琳,王家樂,閆心宇,楊坤,劉伯凱,王吉祥
受保護的技術(shù)使用者：長安大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23