枇杷剪枝机器人关键技术的研究

发布时间：2020-02-21 12:34

【摘要】：果树剪枝是提高果实品质、增强果树抗病能力、降低大小年频率等的重要技术。目前果树剪枝仍以手工剪枝为主,随着农村老龄化的加剧和劳动力的转移,这种低效率手工剪枝方式已不适合果树产业的发展。本文以枇杷枝条为研究对象,结合农业种植、工业机器人、枝条识别等技术,开展了机械化剪枝研究。实现机械化剪枝的主要过程包括:枝条识别、摄像机标定、切削枝条的确定及定位、剪枝环节等。其中,枝条识别、摄像机标定及剪枝环节的相关研究还不成熟,本文针对这三个环节开展了较为深入的研究,具体研究内容如下:对枇杷传统的种植方法和生产系统进行了剖析,定义了枇杷种植系统,分析了枇杷种植机械化的可行性与地位,明确了枇杷剪枝机器人的功能。通过枇杷剪枝机器人技术分析,将枝条图像识别、超广角摄像机标定和剪枝末端执行器研制确定为剪枝机器人研究的关键技术。对剪枝作业环境做了全面分析,并在确立移动平台与圆柱坐标机器人相结合实现剪枝的基础上,设计了枇杷剪枝机器人总体方案。通过枇杷剪枝机器人运动学分析和模态分析,获得了枇杷剪枝机器人运动参数和不同位姿的自然振动频率。此外,通过枇杷剪枝机器人部件及整体的数值模拟计算,对枇杷剪枝机器人设计方案的可行性和工程应用价值进行了验证。针对枇杷枝条识别技术开展了相关研究,例如对枇杷枝条图像的分割、噪音的消除、非合理间断图像的补偿处理、图像框架提取以及枝条直径的获取等进行了探索,提出了两种具有不同特点的枇杷枝条图像识别及框架提取算法,并进行了实验研究。实验结果表明,这两种算法均能获得比算法更好的识别效果,并且在处理速度和正确识别率上各具优势,可满足不同枝条的识别要求。为了获得大视野图像信息,本文采用超广角摄像机采集枝条图像,并根据超广角镜头大畸变原理提出了一种超广角摄像机标定算法。该算法首先根据直线上不同点在摄像机坐标系中的关系和图像畸变特征,求取无畸变理想图像坐标。然后利用所求无畸变理想图像坐标和实际图像坐标的约束关系对无畸变理想图像点进行矫正处理。最后利用矫正后的图像坐标和实际图像坐标求取超广角摄像机内、外参数。通过与其它算法的比较实验研究表明,该算法能准确获得摄像机参数,同时具有操作简单、标定快速等优点。基于枇杷枝条结构特征,提出了一种枇杷切削枝条确定及定位方法。该方法首先利用双目摄像头的位置关系和枝条中心轴坐标求取枝条直径、数量及面积密度。然后以枝条直径和密度为依据确定切削枝条,并以切削枝条中心轴与剪枝分界线的交点作为切削点。最后通过方程求解切削点的三维坐标。实验研究表明,该方法获得的切削枝条符合剪枝要求,获的切削点三维坐标较准确,可应用于剪枝机器人的剪枝作业。基于枇杷枝条剪枝过程的特殊要求和机器人手臂载荷的限制,确定了枇杷剪枝末端执行器的功能,设计制造了一种枇杷剪枝末端执行器,并进行了传动分析。通过剪枝末端执行器夹持力、输送力、进给力等分析,获得了剪枝末端执行器理论参数,并基于这些参数进行了切削实验,确定了剪枝末端执行器最优组合参数。最后,本文利用枇杷剪枝机器人模拟装置,集成摄像机标定、枝条图像识别、末端执行器剪枝等关键技术进行了剪枝实验研究,成功地完成了枇杷剪枝作业,证实了本文所述相关研究的工程实用价值。
【图文】：

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7阶模态振型等效云图(b)1阶模态振型等效云

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30阶模态振型等效云图(f)25阶模态振型等效云
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TP242

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