茄子收獲機(jī)器人視覺系統(tǒng)和機(jī)械臂避障規(guī)劃研究.pdf

1、茄子作為人們生活中常見的蔬菜，在我國大江南北都有廣泛的種植。本文以蘇皖一帶常見的自然生長的長紫茄為研究對象，以實(shí)現(xiàn)成熟茄子自動識別、定位和機(jī)械臂避障路徑規(guī)劃為研究目的。完成的主要工作有： 1.根據(jù)自然生長茄子圖像的灰度和顏色特點(diǎn)，在RGB中，對6種色差組合進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和背景的R-B、G-B和G-R差別較大；在HSI空間中，H通道的目標(biāo)和背景有明顯差別。因此，在閾值分割中，采用基于遺傳算法的自動選取閾值法(Otsu法)對圖像

2、進(jìn)行分割；在去除殘留噪音的處理中，采用標(biāo)注的方法對二值圖像的各連通區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。保留最大面積的區(qū)域，從而使分割效果大大改善。利用多參數(shù)來衡量分割效果，使評價(jià)盡可能地做到客觀、合理。 2.盡管單一閾值法對茄子圖像分割能取得一定效果，但依然存在較大的殘留噪音。在分析茄子圖像色差和色調(diào)的基礎(chǔ)上，選取R-B、G-B和H作為自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)(SOFM)的輸入特征向量，利用該網(wǎng)絡(luò)自組織學(xué)習(xí)的特征進(jìn)行聚類；采用信噪比、面積比、分割時(shí)間和

3、傅立葉邊界描述子等指標(biāo)來評價(jià)分割精度；并據(jù)此確定了SOFM網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量的個(gè)數(shù)、輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)、訓(xùn)練步數(shù)、拓?fù)浜瘮?shù)、距離函數(shù)、學(xué)習(xí)函數(shù)等參數(shù)。使用傅立葉描述子的能量譜值來評價(jià)分割邊緣的相似程度，克服了其他邊緣描述子依賴邊緣點(diǎn)的個(gè)數(shù)和起始位置等限制。實(shí)驗(yàn)證明，基于SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像分割評價(jià)優(yōu)于單一閾值分割，適合復(fù)雜背景的彩色圖像分割。 3.提出了一種基于改進(jìn)型廣義Hough變換的空間有部分遮擋的茄子目標(biāo)識別方法。用廣義柱近似

4、描述樣本茄子形狀；在描述茄子空間位姿的6個(gè)參數(shù)中，選擇兩個(gè)位置參數(shù)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)等3個(gè)主要參數(shù)；通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得了不同位姿的立體目標(biāo)在平面上的投影邊緣。將縮放、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)算提前于參數(shù)表制作階段進(jìn)行，采用了“形狀相似度”的方法初選縮放索引和旋轉(zhuǎn)索引，有效降低了搜索時(shí)間，提高了搜索精度；建立茄子外形的4維參數(shù)索引表；適當(dāng)提高梯度索引步長，可避免參考點(diǎn)在累加器中的排布過于分散，便于從潛在參考點(diǎn)中找出最終參考點(diǎn)坐標(biāo)；采用改進(jìn)型的廣義Hough變換

5、計(jì)算茄子目標(biāo)的潛在位置，并通過比較各旋轉(zhuǎn)角度下的“面積比”，篩選出目標(biāo)實(shí)際的位姿。實(shí)驗(yàn)表明：改進(jìn)型廣義Hough變換對空間不同位姿、部分遮擋情況下目標(biāo)的識別具有良好的效果。 4.根據(jù)針孔透視模型，采用了一種平面標(biāo)定法，對攝像機(jī)模型進(jìn)行分析和標(biāo)定。左右攝像機(jī)標(biāo)定過程中，利用最小二乘法標(biāo)定了攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)條件，選用平行式的雙目立體視覺；根據(jù)自然環(huán)境中茄子生長的特征，提出了一種基線選擇的方法，并在此基礎(chǔ)上，通過

6、實(shí)驗(yàn)確定兩攝像機(jī)的合理基線距離2a應(yīng)大于132mm，合理的測量深度范圍z應(yīng)在[700，1200]mm之間；根據(jù)左右攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，對攝像機(jī)的位姿進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之滿足Marr約束4；通過對內(nèi)外參數(shù)的求取和基線的選擇，建立了茄子收獲機(jī)器人的雙目立體系統(tǒng)；選擇目標(biāo)的形心作為特征匹配點(diǎn)。在此條件下，其測量相對誤差可控制在2％以內(nèi)，能夠滿足在農(nóng)業(yè)環(huán)境里機(jī)械手作業(yè)要求。 5.提出了一種機(jī)械臂在三維空間的避障方法。將空間障礙物等效為可以用數(shù)學(xué)建