专利名称：基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及智能农业机械领域，尤其是一种葡萄冬剪作业装置。
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。
机器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。机器视觉技术是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。目前对于葡萄树枝图像处理的算法研究甚少。在应用机器视觉于剪枝作业时我们会碰到以下问题鉴于葡萄树属于藤本植物，生长比较自由，树枝间容易出现纵横交错；土壤颜色与冬季葡萄树枝颜色相近；冬季枯叶遮挡树枝，影响树枝图像采集等。这类问题使得在采集葡萄树图像时背景变得复杂，这给应用机器视觉识别葡萄树枝时增加了算法难度。同时由于图像信息冗余，应用基于机器视觉的剪枝作业实时性较差。这些问题迫切要求我们需要改进基于机器视觉的葡萄树剪枝系统。
发明内容
为了克服已有葡萄冬剪作业的劳动强度大、工作效率较低的不足，本发明提供一种降低劳动强度、提高工作效率的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，包括自动导航车载平台、图像采集箱、整枝模块和剪枝模块，所述的图像采集箱安装于自动导航车载平台上，所述的图像采集箱分作业区和设备区两空间，整枝模块安装于工作区，剪枝模块安装于设备区；所述的自动导航车载平台包括云台摄像机、驱动轮和从动轮，云台摄像机安装于自动导航车载平台正前方，用于获取路径图像信息；电机驱动器安装于自动导航车载平台内，用于驱动行走机构；所述电机驱动器与行走驱动电机连接，所述行走驱动电机与驱动轮联动；所述的整枝模块包括切割锯和吹风机，切割锯用于切割过长的树枝，吹风机用于剪枝前吹落残留枯叶，切割机和吹风机均有电机驱动器控制，电机驱动器与切割电机和吹风电机连接；
所述的剪枝模块包括双目摄像机、农业剪枝机械臂和工控机，农业剪枝机械臂中自下而上依次连接基座、肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，所述腕关节与末端修枝剪连接，双目摄像机用于采集葡萄树枝图像，农业剪枝机械臂用于完成剪枝作业，工控机用于图像分析处理和机械臂轨迹规划。进一步，所述的图像采集箱包括背景墙、顶盖和设备间，所述的背景墙为一面单一纯白色视觉采集背景墙，用于隔离复杂背景；吹风机设置于顶盖正中间；吹风机两侧装有两只高频荧光灯管作为顶光源；在设备间顶面正前方设有两只高频荧光灯作为正光源；设备间底面正前部设有农业剪枝机械臂；在农业剪枝机械臂两侧设有双目摄像机；在设备间底面正后方设有工控机。背景墙、顶盖和设备间两侧边缘位置设有切割锯安装空间，所述切割锯安装空间由隔板隔开。一辆自动导航车载平台上装载至少左右两个图像采集箱。
所述顶盖与背景墙、设备间的连接采用螺栓固定。本发明的有益效果主要表现在在基于机器视觉的葡萄冬剪作业方法中，在图像采集方面，能够有效解决复杂背景对于目标树枝图像采集时的干扰问题，简化了图像识别算法；在工作效率方面，减少了图像信息数据量，增强了葡萄树枝识别和修剪的实时性、准确性。
图I为葡萄冬剪作业装置的总体结构示意图；图2为葡萄冬剪作业装置的背景墙示意图；图3为葡萄冬剪作业装置的顶盖仰视图；图4为葡萄冬剪作业装置的设备间结构示意图；图5为葡萄冬剪作业装置的工作流程图。其中，I、自动导航车载平台；2、图像采集箱；3、整枝模块；4、剪枝模块；5、背景墙；6、顶盖；7、设备间；8、云台摄像机；9、驱动轮；10、从动轮；11、切割锯；12、吹风机；13、双目摄像机；14、农业剪枝机械臂；15、工控机；16、顶光源；17、正光源；18、基座；19、肩关节；20、大臂；21、肘关节；22、小臂；23、腕关节；24、末端修枝剪。
具体实施例方式下面结合附图和本实施例对本发明作进一步详细的描述。参照图I 图5，一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，包括自动导航车载平台I、图像采集箱2、整枝模块3、剪枝模块4。本发明所述的图像采集箱安装于自导导航车载平台上，分作业区和设备区两空间，由背景墙5、顶盖6、设备间7三部分组成。整枝模块3安装于工作区，剪枝模块4安装于设备区。所述的自动导航车载平台I包括云台摄像机8、驱动轮9和从动轮10，云台控制器8安装于自动导航车载平台车头正前方，用于获取路径图像信息；电机驱动器安装于自动导航车载平台内，用于驱动行走机构；所述电机驱动器与行走驱动电机连接，所述行走驱动电机与驱动轮联动；所述电机驱动器由工控机通过运动控制卡控制。所述的整枝模块3包括切割锯11和吹风机12，切割锯11用于切割过长的树枝，吹风机12用于剪枝前吹落残留枯叶，切割机11和吹风机12均有电机驱动器控制，电机驱动器与切割电机和吹风电 机连接。所述电机驱动器由工控机通过运动控制卡控制。所述的剪枝模块包括双目摄像机13、农业剪枝机械臂14和工控机15，农业剪枝机械臂14中自下而上依次连接基座18、肩关节19、大臂20、肘关节21、小臂22和腕关节23，所述腕关节与末端修枝剪连接，采用5自由度设计，即基座18旋转、肩关节19俯仰、肘关节21俯仰、腕关节23俯仰、腕关节23旋转。双目摄像机13用于采集葡萄树枝图像，图像采集卡用于传送图像信息，农业剪枝机械臂14用于完成剪枝作业，工控机15用于图像分析处理和机械臂轨迹规划。所述的图像采集箱2包括背景墙5、顶盖6和设备间7进一步，所述的图像采集箱2包括背景墙5、顶盖6和设备间7，所述的背景墙5为一面单一纯白色视觉采集背景墙，用于隔离复杂背景；吹风机12设置于顶盖6正中间；吹风机12两侧装有两只高频荧光灯管作为顶光源17 ;在设备间7顶面正前方设有两只高频荧光灯作为正光源16 ;设备间底面正前部设有农业剪枝机械臂14 ;在农业剪枝机械臂14两侧设有双目摄像机13 ;在设备间底面正后方设有工控机15。背景墙5、顶盖6和设备间7两侧边缘位置设有切割锯11安装空间，所述切割锯11安装空间由隔板隔开。一辆自动导航车载平台上装载至少左右两个图像采集箱。另外，顶盖6与背景墙5、设备间7的连接采用螺栓固定本发明所述的剪枝作业方法为(1)，开启自动导航并整枝。自动导航车载平台I沿着葡萄园单通道路移动，葡萄冬剪作业装置2也随之移动。切割锯11切割过长的树枝，使进入工作区的树枝长度合理，便于后续的剪枝作业；吹风机12吹落枯叶，消除枯叶对于采集葡萄树枝图像时的遮挡干扰。(2)，葡萄冬剪作业装置2移动到合理空间位置(一般位移为一块背景墙的宽度)，切割锯11停止，吹风机12停止。(3)，采集葡萄树枝图像。顶光源16和正光源17提供主动光源(正光源17可手动实现角度、位置调整)，消除背景墙上的阴影，开启双目摄像机13。(4)，分析处理葡萄树枝图像。双目摄像机13采集到的图像信息通过图像采集卡传送到工控机15。工控机15对图像信息进行图像预处理、图像增强、图像分割、图像识别等处理步骤。根据葡萄树枝枝干和主干在形态学上的差异来识别目标，分析并确定剪枝点，提取剪枝点二维坐标"[目息。(5)，规划农业剪枝机械臂14运动轨迹。根据剪枝点三维坐标信息，工控机15对农业剪枝机械臂14进行运动轨迹规划，计算出各关节最佳运动参数。(6)，完成剪枝作业。工控机15发送控制指令，通过运动控制卡实现对农业剪枝机械臂14各关节的动作控制，最终实现剪枝作业。(7)，农业剪枝机械臂14恢复原始位姿。剪枝作业完毕后，农业剪枝机械臂14收回至设备间7，恢复原始位姿，并发送剪枝结束指令到工控机15。(8)，启动切割锯11和吹风机12。收到剪枝结束指令后，工控机15发送指令至运动控制卡，启动切割锯11和吹风机12，开始下一工作位置的整枝工作。(9)，启动自动导航车载平台I。工控机15发送自动导航车载平台启动指令，自动导航车载平台I开始移动到下一工作位置并剪枝。如此类推，重复作业。(10)，剪枝作业结束。待单排葡萄树全部完成剪枝作业后，停机。本实施例中，切割锯11采用1380W的木材切割锯。顶光源16由两只20W频闪为30kHz的高频荧光灯管组成，并排分布在顶盖6上。正光源17主要采用两只高频荧光灯泡，两灯照明角度可以人工调整，结合实际光照环境，消除阴影干扰。图像采集卡采用Morphis图像采集卡,双目摄像机13采用44W像素的CXD工业摄像机。双目摄像机13固定在设备间底面前部，图像采集卡插入工控机15内的PCI槽，工控机15固定在设备间7底面后部。 运动控制卡采用基于TMS320F2812的PCI总线通用运动控制卡。运动控制卡插入工控机14内的PCI槽。本发明涉及的一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置能够有效解决复杂背景对于目标树枝采集时的干扰问题，简化了图像识别算法，提高了工作效率，增强了葡萄树枝识别和剪枝的实时性、准确性。上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非本发明的构思和范围进行限定，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明设计构思的前提下，可对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，其特征在于包括自动导航车载平台、图像采集箱、整枝模块和剪枝模块，所述的图像采集箱安装于自动导航车载平台上，所述的图像采集箱分作业区和设备区两空间，整枝模块安装于工作区，剪枝模块安装于设备区； 所述的自动导航车载平台包括云台摄像机、驱动轮和从动轮，云台摄像机安装于自动导航车载平台正前方，用于获取路径图像信息；电机驱动器安装于自动导航车载平台内，用于驱动行走机构；所述电机驱动器与行走驱动电机连接，所述行走驱动电机与驱动轮联动； 所述的整枝模块包括切割锯和吹风机，切割锯用于切割过长的树枝吹风机，用于剪枝前吹落残留枯叶，切割机和吹风机均有电机驱动器控制，电机驱动器与切割电机和吹风电机连接； 所述的剪枝模块包括双目摄像机、农业剪枝机械臂和工控机，农业剪枝机械臂中自下而上依次连接基座、肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，所述腕关节与末端修枝剪连接，双目摄像机用于采集葡萄树枝图像，农业剪枝机械臂用于完成剪枝作业，工控机用于图像分析处理和机械臂轨迹规划。
2.如权利要求I所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，其特征在于所述的图像采集箱包括背景墙、顶盖和设备间，所述的背景墙为一面单一纯白色视觉采集背景墙，用于隔离复杂背；吹风机设置于顶盖正中间；吹风机两侧装有两只高频荧光灯管作为顶光源；在设备间顶面正前方设有两只高频荧光灯作为正光源；设备间底面正前部设有农业剪枝机械臂；在农业剪枝机械臂两侧设有双目摄像机；在设备间底面正后方设有工控机。
3.如权利要求2所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，其特征在于背景墙、顶盖和设备间两侧边缘位置设有切割锯安装空间，所述切割锯安装空间由隔板隔开。
4.如权利要求2或3所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，其特征在于一辆自动导航车载平台上装载至少左右两个图像采集箱。
5.如权利要求2或3所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，其特征在于所述顶盖与背景墙、设备间的连接采用螺栓固定。
全文摘要
一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置，包括自动导航车载平台、图像采集箱、整枝模块和剪枝模块，所述的图像采集箱安装于自动导航车载平台上，图像采集箱分作业区和设备区两空间，整枝模块安装于工作区，剪枝模块安装于设备区；自动导航车载平台包括云台摄像机、驱动轮和从动轮；整枝模块包括切割锯和吹风机，剪枝模块包括双目摄像机、农业剪枝机械臂和工控机，农业剪枝机械臂中自下而上依次连接基座、肩关节、大臂、肘关节、小臂和腕关节，所述腕关节与末端修枝剪连接，双目摄像机用于采集葡萄树枝图像，农业剪枝机械臂用于完成剪枝作业，工控机用于图像分析处理和机械臂轨迹规划。本发明能降低劳动强度、提高工作效率。
文档编号A01G3/08GK102696411SQ20121011045
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者刘灿, 杨庆华, 荀一, 贾挺猛 申请人:浙江工业大学