應(yīng)用于蘋果采摘機(jī)器人

1、應(yīng)用于蘋果采摘機(jī)器人劉兆祥，劉岡，喬軍摘要：為獲得蘋果的深度信息，實(shí)現(xiàn)蘋果采摘機(jī)器人對蘋果的三維定位，研制了一種基于主動三角測量原理的激光距離傳感器該傳感器在信號接收單元增加了窄帶通干涉濾光片，削弱了太陽光的影響；系統(tǒng)采用同步檢波的信號采集方法有效地抑制了外界干擾，實(shí)現(xiàn)了距離的精確測量試驗(yàn)結(jié)果表明。這種傳感器可以在近距離范圍獲得蘋果的深度信息，而且不受環(huán)境影響，在150—800mm距離范圍內(nèi)，最大距離偏差不超過13mm關(guān)鍵詞：距離傳感器

2、；激光；三角測量；調(diào)制；檢波在果實(shí)采摘過程中獲得果實(shí)的深度信息是對果實(shí)進(jìn)行三維定位的關(guān)鍵，果實(shí)的定位精度對最終的采摘效率和采摘質(zhì)量有著決定性的影響傳統(tǒng)的雙目立體視覺技術(shù)可以獲得果實(shí)的深度信息，不過由于立體匹配實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而且容易受到外界環(huán)境的影響，使得定位精度受到限制。三維視覺傳感器也可以獲得果實(shí)的深度信息，精度也較高，但是這種傳感器速度較慢而且成本較高除此之外，采用單個(gè)攝像機(jī)加距離傳感器的視覺系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)三維定位，利用攝像

3、機(jī)獲取果實(shí)的二維坐標(biāo)，利用距離傳感器獲取果實(shí)的深度信息和上述的兩種方法相比，此方法在獲得果實(shí)深度信息時(shí)既可以省去雙目立體視覺復(fù)雜的立體匹配過程，又可以提高速度，同時(shí)受環(huán)境影響小，而且成本相對較低，其中距離傳感器的精度對視覺系統(tǒng)三維定位的精度尤為關(guān)鍵文獻(xiàn)[8]在草莓采摘機(jī)器人中采用了CCD彩色攝像和紅外接近開關(guān)的視覺系統(tǒng)，由于這種紅外接近開關(guān)利用反射光的強(qiáng)度來判斷距離，所以反射強(qiáng)度容易受到探測物體的顏色和表面形狀干擾，導(dǎo)致定位誤差較大文獻(xiàn)

4、[9]在估計(jì)柑橘產(chǎn)量時(shí)采用了攝像機(jī)加超聲波傳感器的視覺系統(tǒng)，利用超聲波傳感器得到的距離信息來推算果實(shí)的尺寸，不過由于超聲波傳感器方向性較差等原因，結(jié)果存在一定的誤差此外，工業(yè)中使用的激光測距儀雖然已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是很難直接應(yīng)用在果實(shí)采摘機(jī)器人中，這是由于：①工業(yè)中使用的激光測距儀一般基于飛行時(shí)間法、調(diào)幅相移法和三角法，基于前兩種測量方法的測距儀多適用于中遠(yuǎn)距離測量，雖然測量結(jié)果受環(huán)境影響小，但是由于實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，導(dǎo)致價(jià)格較為昂

5、貴【l0l，不符合農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人低成本的要求；②基于三角法的測距儀雖然成本較低，但是其應(yīng)用環(huán)境為結(jié)構(gòu)化的工業(yè)環(huán)境，在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)環(huán)境中，由于光強(qiáng)變化劇烈，其測測量結(jié)果受環(huán)境影響較大所以文中設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于主動三角測量原理的激光距離傳感器，結(jié)合CMOS攝像機(jī)，構(gòu)建蘋果采摘機(jī)器人的低成本視覺系統(tǒng)，為蘋果采摘機(jī)器人的開發(fā)提供技術(shù)支持1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為檢驗(yàn)傳感器可靠性和穩(wěn)定性，利用開發(fā)的激光距離傳感器分別在多云(陰天)以及晴朗(陽光較強(qiáng)烈)

6、的室外環(huán)境下進(jìn)行了茉莉斯蘋果的測距試驗(yàn)在每次試驗(yàn)過程中，將茉莉斯蘋果同定在激光距離傳感器正前方，在150—800him的距離范圍內(nèi)，每隔50mm作為一個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測量100次，測量結(jié)果通過RS一232總線輸出到筆記本中試驗(yàn)取測量結(jié)果的平均值、測量結(jié)果與實(shí)際距離的極差以及測昔結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評價(jià)指標(biāo)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均值和極差可從整體上反映距離測量的精度和可靠性，標(biāo)準(zhǔn)偏差可反映距離測量的穩(wěn)定性圖4為兩種光照強(qiáng)度狀況下的各測量點(diǎn)處測量

7、結(jié)果的平均值可以發(fā)現(xiàn)，兩種狀況下的測量結(jié)果與實(shí)際距離均呈良好的線性關(guān)系，兩條擬合直線基本重合，相關(guān)系數(shù)砰均接近于1，測量結(jié)果并不隨天氣光照強(qiáng)度的變化而呈明顯變化圖5為兩種光照強(qiáng)度狀況下的各測量點(diǎn)處測量結(jié)果與實(shí)際距離的極差可以發(fā)現(xiàn)，極差并不隨著天氣光照強(qiáng)度狀況的變化而呈明顯變化，而且兩種光照強(qiáng)度狀況下的極差均不超過13mm圖6為兩種光照強(qiáng)度狀況下的各測量點(diǎn)處測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以發(fā)現(xiàn)，同極差一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差并不隨著天氣光照強(qiáng)度的變化而呈明顯

8、變化，且兩種光照強(qiáng)度狀況下的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不超過24mm，激光距離傳感器的輸出信號比較平穩(wěn)，穩(wěn)定在平均值附近，波動較小該傳感器可以有效地消除背景光和暗電流所造成的誤差，具備較高定位精度5結(jié)論在開發(fā)蘋果采摘機(jī)器人過程中，為獲得蘋果的深度信息，文中研制了一種激光距離傳感器通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，該激光距離傳感器在不同光照強(qiáng)度下信號輸出穩(wěn)定，可以有效地消除背景光和暗電流所造成的誤差，在150～800mm距離范圍內(nèi)，最大距離偏差13mm通常情況下