CN102657037A - 葡萄树剪枝机器人系统 - Google Patents
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Abstract
一种葡萄树剪枝机器人系统，包括自动导航模块、剪枝模块和双目立体视觉模块；所述的自动导航模块包括履带车、云台摄像机、左右轮驱动器和工控机；剪枝模块包括农业机械臂和末端修枝剪，农业机械臂，用于装备末端修枝剪，并引导末端修枝剪实现剪枝动作；末端修枝剪，用于实现剪枝动作；工控机包括用于分析处理葡萄树枝图像信息，提取剪枝点坐标信息，规划机械臂轨迹，并下发各关节运动指令；双目立体视觉模块包括两个工业摄像机、图像采集卡和工控机，两个工业摄像机采集葡萄树图像信息，通过图像采集卡将图像数据传送至工控机进行图像识别和处理。本发明能降低劳动强度、提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，尤其是一种葡萄树剪枝机器人系统。
背景技术
葡萄树的修剪可以调节生长和结果的关系，以增加葡萄产量。每年葡萄种植需要进行冬剪、更新修剪、夏剪等多次剪枝整枝。在葡萄树种植过程中，剪枝环节工作量大，任务繁重。目前，剪枝环节仍然以人工作业为主，机械化水平很低，劳动强度很大，需要更加高效省力的设备，将果农从繁重的手工劳动中解救出来。
计算机视觉是研究计算机模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，是涉及人工智能、神经生物学、计算机科学、图像处理以及模式识别等多个领域的交叉学科。计算机视觉技术是20世纪70年代初期在遥感图片和生物医学图片分析两项应用技术取得卓有成效后开始兴起的，其理论基础是70年代中后期逐渐形成的Marr视觉计算理论。
计算机视觉技术与人类视觉相比，具有很多优点，使得计算机视觉技术在农业领域的应用具有广阔的前景。计算机视觉技术在农业机械上的研究与应用，始于20世纪70年代末期，主要研究集中与农产品分选机械中利用计算机视觉技术对农产品(如苹果、桃、香蕉、西红柿、黄瓜等)进行品质检测和分级等，有些已取得了实用性成果。
发明内容
为了克服已有人工葡萄剪枝作业的劳动强度大、工作效率低的不足，本发明提供一种降低劳动强度、提高工作效率的葡萄树剪枝机器人系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种葡萄树剪枝机器人系统，所述葡萄树剪枝机器人系统包括自动导航模块、剪枝模块和双目立体视觉模块；
所述的自动导航模块包括履带车、云台摄像机、左右轮驱动器和工控机；所述云台摄像机安装在履带车上，所述云台摄像机用于获取葡萄园路况图像信息；工控机用于分析处理路况图像信息，获取导航参数并下发导航参数至左右轮驱动器；所述左右轮驱动器根据导航参数来驱动履带车的行走机构；
所述的剪枝模块包括农业机械臂、末端修枝剪、关节驱动器和工控机。农业机械臂，用于装备末端修枝剪，并引导末端修枝剪实现剪枝动作；末端修枝剪，用于实现剪枝动作；工控机用于分析处理葡萄树枝图像信息，提取剪枝点坐标信息，规划机械臂轨迹，并下发运动指令至各关节控制器；关节驱动器根据运动指令，驱动农业机械臂和末端修枝剪完成剪枝动作；
所述的双目立体视觉模块包括两个工业摄像机、图像采集卡和工控机，两个工业摄像机采集葡萄树图像信息，通过图像采集卡将图像数据传送至工控机进行图像识别和处理。
进一步，所述的农业机械臂采用5自由度设计，包括自下而上依次连接的腰关节、肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，所述腕关节与所述末端修枝剪连接。
再进一步，所述的末端修枝剪采用二杆三副的平面机构，所述二杆三副的平面机构的连杆与上刀片联动。
更进一步，所述的双目立体视觉系统还包括照明装置，用于提供剪枝作业的光照环境；所述的照明装置采用四只高频荧光灯以及直流电源模块组成。
所述的双目立体视觉系统还包括支架，所述支架安装在所述的履带车上，两个工业摄像机和四只高频荧光灯安装在支架上，所述的支架采用套筒结构设计，可伸缩调节支架高度。
所述的葡萄树剪枝机器人系统控制方案采用上下位机的分布式控制方式。上位机采用工控机作为主控制器，主要负责系统管理以及图像处理、运动学计算、轨迹规划等。下位机采用多驱动器，主要负责各关节的俯仰和旋转、末端修枝剪的修剪、左右驱动轮的行走。上位机通过CAN总线与下位机相互通讯。本发明的技术构思为：利用计算机视觉技术可以提高生产率，实现农业生产与管理的自动化和智能化。本发明采用计算机视觉技术来识别葡萄树枝干，通过图像处理来提取枝干和芽的特征信息，以此来确定剪枝点，为进一步实现机器人自动剪枝作业奠定基础。通过计算机视觉方法进行剪枝作业，具有效率高、作业柔性、成本节约等优点，是实现葡萄剪枝产业自动化、智能化的有效方法。
本发明的有益效果主要表现在：能够替代现有的人工、半人工剪枝作业方式，实现自动化葡萄树剪枝作业，大大提高工作效率，降低劳动强度，节约劳动力成本。
附图说明
图1是本发明实施例的一种葡萄树剪枝系统结构示意图；
图2是本发明实施例的一种葡萄树剪枝机器人末端修枝剪结构示意图；
图3是本发明实施例的一种基于机器视觉的现场剪枝作业示意图；
图4是本发明实施例的一种葡萄树剪枝机器人系统总体控制图；
图5是本发明实施例的一种葡萄树剪枝作业工作流程图。
其中，1、自动导航模块；2、剪枝模块；3、双目立体视觉系统；4、履带车；5、云台摄像机；6、工控机；7、前大轮；8、腰关节；9、肩关节；10、大臂；11、肘关节；12、小臂；13、腕关节；14末端修枝剪；15、CCD工业摄像机；16、高频荧光灯；17、支架；18、连杆；19、上刀片；20、下刀片。
具体实施方式
下面具体结合附图对本发明作进一步的描述。
参照图1，一种葡萄树剪枝机器人系统，包括自动导航模块1、剪枝模块2、双目立体视觉系统3。
自动导航模块1以履带车4为基础，包括云台摄像机5、左右轮驱动器(图中未示，位于履带车4车体内)、工控机6。自动导航模块1采用前大轮7电机驱动，其余轮随动的运动方式。安装在履带车4正前方的云台摄像机5实时获得路况图像信息；工控机6用于分析处理路况图像信息，获取导航参数并下发导航参数至左右轮驱动器；左右驱动器控制左右驱动轮的速度来实现履带车行进，控制左右驱动轮的速度差来实现履带车转向。
剪枝模块2包括腰关节8、肩关节9、大臂10、肘关节11、小臂12、腕关节13、末端修枝剪14、关节驱动器(图中未示，位于各关节内)、工控机6。根据剪枝作业要求，农业机械臂选用5自由度设计，即腰关节8旋转、肩关节9俯仰、肘关节11俯仰、腕关节13俯仰、腕关节13旋转。当农业机械臂接收到剪枝点三维坐标信息，工控机进行轨迹规划并计算各关节运动参数，向各关节驱动器发送运动指令，由关节驱动器驱动农业机械臂及末端修枝剪14实现剪枝作业。末端修枝剪14采用二杆三副的平面机构设计。工控机6发送剪枝信号至修枝剪驱动器(图中未示出，位于末端修枝剪上)，通过固态继电器控制电磁阀。电磁阀控制连杆移动，连杆推动上刀片转动，使上下刀刃开合，从而实现剪枝动作。
双目立体视觉系统3包括两只CCD工业摄像机15、双通道的图像采集卡(图中未示，工控机6内)、四只高频荧光灯16及工控机6。双通道图像采集卡插入到工控机的PCI槽内，两只CCD工业摄像机15跟图像采集卡相连接。两只CCD工业摄像机15及四只高频荧光灯16安装在支架17上，支架17采用套筒结构设计，根据现场需要完成支架17升降，最大升降距离达500mm。支架固定在履带车中部。
上述双目立体视觉系统的图像采集方法如下：
为了保证采集环境光照均匀，将四只高频荧光灯等距离阵列分布在CCD工业摄像机周边。双目CCD工业摄像机以支架为中心对称安装，形成立体视觉。双目立体视觉系统首先以不同的角度，进行两路图像采集。然后，采集到的图像经过图像采集卡传送到工控机，工控机按照形态学算法进行图像的分析和处理，提取剪枝点的三维坐标信息。然后，工控机根据监制三维坐标信息规划机械臂轨迹，并下发各关节运动指令。最后，关节驱动器驱动农业机械臂和末端修枝剪完成剪枝作业。
本发明实施例的技术方案还提供一种温室环境下的剪枝方法，所述方法包括以下步骤：
1、启动自动导航模块，履带车沿导航线运动。
2、开启双目摄像机进行实时采集图像。搜索到葡萄树后，履带车停止运动。
3、工控机对采集到的图像进行分析处理。对图像依次进行图像预处理、图像增强、图像分割、图像识别等处理步骤。根据葡萄树枝干和主干在形态上的差异来识别目标，分析并确定剪枝点。
4、工控机计算出剪枝点在世界坐标下的三维坐标信息。根据剪枝点三维坐标信息，工控机对农业机械臂进行运动轨迹规划，计算出各关节最佳运动参数。
5、工控机发送控制指令到各关节驱动器，各关节驱动器实现对农业机械臂和末端修枝剪的控制，完成剪枝作业。
6、重复步骤3～5，该双目立体视觉系统视场中的所有剪枝点完成剪枝后，重复步骤1。
本发明涉及的一种温室环境下葡萄树剪枝机器人系统及剪枝方法，通过计算机视觉技术、机器人技术等实现了自动导航和自动剪枝，具有效率高、作业柔性、成本节约等优点，是实现葡萄树剪枝作业自动化、智能化的有效方法。
Claims (5)
1.一种葡萄树剪枝机器人系统，其特征在于：所述葡萄树剪枝机器人系统包括自动导航模块、剪枝模块和双目立体视觉模块；
所述的自动导航模块包括履带车、云台摄像机、左右轮驱动器和工控机；所述云台摄像机安装在履带车上，所述云台摄像机用于获取葡萄园路况图像信息；工控机用于分析处理路况图像信息，获取导航参数并下发导航参数至左右轮驱动器；所述左右轮驱动器根据导航参数来驱动履带车的行走机构；
所述的剪枝模块包括农业机械臂和末端修枝剪，农业机械臂，用于装备末端修枝剪，并引导末端修枝剪实现剪枝动作；末端修枝剪，用于实现剪枝动作；工控机用于分析处理葡萄树枝图像信息，提取剪枝点坐标信息，规划机械臂轨迹，并下发运动指令至各关节控制器；关节驱动器根据运动指令，驱动农业机械臂和末端修枝剪完成剪枝动作。所述的双目立体视觉模块包括两个工业摄像机、图像采集卡和工控机，两个工业摄像机采集葡萄树图像信息，通过图像采集卡将图像数据传送至工控机进行图像识别和处理。
2.如权利要求1所述的葡萄树剪枝机器人系统，其特征在于：所述的农业机械臂采用5自由度设计，包括自下而上依次连接的腰关节、肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，所述腕关节与所述末端修枝剪连接。
3.如权利要求1或2所述的葡萄树剪枝机器人系统，其特征在于：所述的末端修枝剪采用二杆三副的平面机构，所述二杆三副的平面机构的连杆与上刀片联动。
4.如权利要求1或2所述的葡萄树剪枝机器人系统，其特征在于：所述的双目立体视觉系统还包括照明装置，用于提供剪枝作业的光照环境；所述的照明装置采用四只高频荧光灯以及直流电源模块组成。
5.如权利要求1或2所述的葡萄树剪枝机器人系统，其特征在于：所述的双目立体视觉系统还包括支架，所述支架安装在所述的履带车上，两个工业摄像机和四只高频荧光灯安装在支架上，采用套筒结构设计，可伸缩调节支架高度。
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Application publication date: 20120912 |