基于图像融合的不同成熟阶段苹果果实识别

【目的】针对复杂农业环境中不同成熟阶段苹果目标识别困难的问题,研究一种基于图像融合的苹果识别算法。【方法】采用保边性能较好的均值漂移滤波对图像进行预处理,滤除少量背景噪声。分别从RGB颜色空间和YIQ颜色空间提取R-G分量和I分量特征图像,采用像素级图像融合算法融合2幅特征图像信息,突出显示果实目标区域。利用Otsu自适应阈值算法获得最佳阈值,将目标苹果从背景中分割出来。为识别苹果目标,提出一种基于改进梯度场的Hough变换圆检测算法,通过引入形态学重建算法清理背景中残留的小面积区域,提高检测效率;同时以分割的苹果二值图像为判断标准构造剔除虚假圆算法,避免检测出现虚假目标。【结果】对采集到的50幅未完全成熟的苹果图像和50幅完全成熟的苹果图像进行识别,并与最小外接圆法进行对比,试验结果表明,本文算法平均识别时间为0.367 s,对完全裸露果实、被遮挡面积≤1/2果实和被遮挡面积>1/2果实的识别正确率分别为100%、92.46%,和81.87%,整体识别准确率比最小外接圆算法提高了11.43个百分点。本文算法圆心相对误差均值和半径相对误差均值分别为0.216和0.048%,最小外接圆算法圆心相对误差均值和半径相对误差均值分别为0.508和0.370%。【结论】本文提出的方法能够快速识别苹果目标,具有较高精度和效率的果实定位,可以服务于苹果采摘机器人进行果实采摘。

玉米锥形脱粒装置仿真优化设计

我国北方地区常用的玉米籽粒直收收获机在脱粒工序中存在脱粒元件对果穗冲击强度过大的问题,为此设计一种低损高效的玉米锥形脱粒分离装置。对脱粒滚筒结构进行分析,建立果穗与脱粒凹板间的接触模型,确定滚筒最优参数的取值范围。通过EDEM软件对不同参数组合的脱粒分离装置进行仿真优化试验。结果表明,当脱粒滚筒锥角为8°,凹板选用左向圆管型结构,滚筒转速为400 r/min时,脱粒效果最佳,并与传统式脱粒滚筒相比,起脱段脱粒元件对果穗的碰撞力由284 N降低为234 N,碰撞反力由202.54 N降低为171.52 N,从而验证锥形脱粒滚筒具有降低对果穗冲击强度的特性。利用ADAMS软件对锥形脱粒装置进行运动学及动平衡仿真分析,验证研究成果的可靠性及理论可行性,且系统产生的不平衡惯性力符合农业机械设计要求。为后续玉米脱粒分离装置的创新设计和结构改进提供理论参考。

基于改进A*与DWA算法的农业机器人路径规划

针对农业机器人出入农机库的动态路径规划问题,提出一种融合改进A*算法与动态窗口法(dynamic window approach,DWA)的农业机器人路径规划方法。引入障碍物密度系数优化A*算法的启发函数,提出一种基于引导点的双向A*算法搜索策略,利用Bezier曲线提高路径平滑度,提取Bezier平滑路径关键点作为DWA算法局部子目标点实现算法融合。仿真结果表明,改进A*算法路径搜索时间与Dijkstra算法和传统A*算法相比平均减少66.41%和44.19%,经Bezier平滑后路径长度与传统A*算法及平滑前相比平均缩短3.15%和3.71%。仿真实验证明,改进融合算法规划出的路径安全有效,随机避障效果良好,能满足农业机器人出入农机库的现实需求。

基于改进人工势场-PSO算法的农业机器人全区域覆盖研究

为解决智慧无人农业中农业机器人对复杂农田的全区域覆盖作业问题,对农业机器人全区域作业覆盖进行研究,提出了一种基于人工势场改进的粒子群路径优化算法,并将其与回溯法相结合实现对农田的全区域路径覆盖。改进算法将人工势场中的势能场构建以及合力值动态调节方法引入粒子群算法,设置合力值调节因子来更新粒子群的速度更新函数,同时根据每个粒子的搜寻情况实时更新引力源参数值。与传统粒子群算法相比,改进粒子群算法寻找的最短路径减少10.6%,算法收敛速率提升12.8%;与传统算法与回溯法结合相比,改进粒子群算法与回溯法的结合使得全区域覆盖路径重复率减少了12.7%。

基于相机位姿恢复与神经辐射场理论的果树三维重建方法

针对传统立体视觉三维重建技术难以准确表征果树多尺度复杂表型细节的问题,该研究提出了一种基于相机位姿恢复技术与神经辐射场理论的果树三维重建方法,设计了一套适用于标准果园环境的果树图像采集设备和采集方案。首先,环绕拍摄果树全景视频并以抽帧的方式获取果树多视角图像;其次,使用运动结构恢复算法进行稀疏重建以计算果树图像位姿;然后,训练果树神经辐射场,将附有位姿的多视角果树图像进行光线投射法分层采样和位置编码后输入多层感知机,通过体积渲染监督训练过程以获取收敛且能反映果树真实形态的辐射场;最后,导出具有高精度与高表型细节的果树三维实景点云模型。试验表明,该研究构建的果树点云能准确表征从植株尺度的枝干、叶冠等宏观结构到器官尺度的果实、枝杈、叶片乃至叶柄、叶斑等微观结构。果树整体精度达到厘米级,其中胸径、果径等参数达到毫米级精度,尺度一致性误差不超过5%。相较于传统的立体视觉三维重建方法,重建时间缩短39.50%,树高、冠幅、胸径和地径4个树形参数的尺度一致性误差分别降低了77.06%、83.61%、45.47%和62.23%。该方法能构建具有高精度、高表型细节的果树点云模型,为数字果树技术的应用奠定基础。

磁场对异丙甲草胺除草剂溶液表面张力与雾滴粒径的影响规律

【目的】研究磁化作用对除草剂溶液表面张力及除草剂喷雾雾滴粒径的影响规律,探索新型除草剂喷雾雾滴粒径控制方法。【方法】设计磁化除草剂溶液表面张力试验和磁化喷雾雾滴粒径试验,记录不同磁场强度和磁化时长2个影响因素下除草剂溶液表面张力和喷雾雾滴粒径,观测数据变化规律;并对数据进行拟合,给出符合数据变化的函数关系式。【结果】在磁场强度为50~500 mT、磁化时长为5.0~25.0 min范围内,溶液表面张力和喷雾雾滴粒径均随磁场强度和磁化时长的增加呈现先下降后回升的趋势;当磁场强度为350 mT、磁化时长为15.0 min时,表面张力和雾滴粒径下降幅度最大,表面张力为54.0 m N/m,下降14.96%,喷雾雾滴粒径为108.75μm,下降11.20%。对表面张力数据进行拟合,洛伦兹拟合函数的决定系数(R2)为0.816 4,调整后R2为0.794 0,均方根误差(Root mean square error,RMSE)为1.105 9;雾滴粒径数据拟合中,多项式拟合函数的R2为0.833 6,调整后R2为0.787 4,RMSE为2.085 7。拟合函数有意义且拟合精度较高。【结论】磁化作用并不是磁场强度越大或磁化时长越长磁化效果越好,而是存在最佳磁化处理强度和磁化时长;本研究给出的洛伦兹模型函数可作为除草剂溶液表面张力与磁化作用的函数关系式,三次多项式函数可作为350 mT磁场强度下雾滴粒径调控模型。

基于特征融合的果园非结构化道路识别方法

针对果园道路无明显边界且道路边缘存在阴影、土壤和沙石干扰等问题,提出一种基于特征融合的果园非结构化道路识别方法。通过相机标定获取畸变参数对采集到的图像进行畸变矫正,并提出一种基于滤波与梯度统计相结合的动态感兴趣区域(ROI)提取方法对HSV颜色空间S分量进行ROI选取,采用最大值法将颜色特征与S分量多方向纹理特征掩膜相融合并进行二值化与降噪处理。根据道路边缘突变特征寻找特征点,并提出一种基于距离与位置双重约束的两级伪特征点剔除方法。为更好贴合非结构化道路不规则边缘,引入分段三次样条插值法拟合道路边缘,以此实现道路识别。试验结果表明,在晴天、阴天、顺光、逆光、冬季晴天和雨雪天气6种工况条件下,S分量、纹理图像和融合图像的平均纵向偏差均值分别为2.43、39.71、1.36像素,平均偏差率均值分别为0.99%、18.02%和0.54%,相较于S分量与纹理图像而言,使用本文方法构建的融合图像其平均纵向偏差与平均偏差率均得到有效减少。最小二乘法、随机采样一致性法(RANSAC)与分段三次样条插值法拟合边缘的平均偏差均值分别为2.64、3.16、0.66像素,平均偏差率均值分别为1.02%、1.21%和0.26%,偏差率平均标准差分别为0.23%、0.31%与0.09%,其中分段三次样条插值法的平均偏差均值、平均偏差率均值与偏差率平均标准差均最小,表明本文拟合方法其拟合精度更高且具有更好的稳定性。6种工况条件下,本文算法单帧图像平均处理时间为89.9 ms,满足农业机器人作业过程中的实时性要求。本文方法可为农业机器人进行果园复杂环境非结构化道路识别提供参考。

物理场辅助农业雾化施药技术的研究现状与展望

现阶段,用于辅助农业雾化施药的物理场主要有磁场、电场、热场、风场、超声场。磁电热等物理场可以优化雾滴特性、提高沉积率;风场可以扰动作物冠层、增强雾滴输运性能,提高雾滴穿透性和雾滴沉积量;超声场可以辅助雾化生成均匀、细微的雾滴。为进一步把握物理场辅助农业雾化施药技术的研究动态,分析了该领域的国内外研究成果,分别对磁场、电场、热场、风场、超声场辅助雾化喷施的应用范围、方式方法等进行总结并针对性地指出研究重点与难点。最后,依据农业雾化施药的需求与特点,结合现有的高新技术,展望了未来各物理场辅助雾化喷施技术的研究方向和思路。

基于双重稳健回归的果树行间可行驶区域识别算法

【目的】提出一种复杂环境下以天空为背景的果树行间可行驶区域识别算法,以便农业机器人导航系统中工作路径的提取。【方法】通过蓝色分量(B分量)进行树冠和背景天空的分离,改进Otsu算法实现更好的分割效果,形态学处理后根据树顶分布规律,进行动态阈值“V形”感兴趣区域寻找及特征点提取,使用泰尔−森稳健回归剔除干扰点后,使用随机采样一致性(Random sample consensus,RANSAC)算法进行拟合,得到树顶处直线,通过斜率变换关系得到可行驶区域边缘直线斜率,利用剔除后特征点信息和剔除阈值获得关键点坐标,以斜率为约束条件,代入关键点,得到可行驶区域边缘直线方程,并使用最小二乘法进行拟合,以此实现可行驶区域识别。【结果】试验结果表明,本文双重稳健回归算法较泰尔−森算法和RANSAC算法平均偏差角度分别减小了8.28%和9.88%,标准差分别减少了6.25%和22.89%,准确率分别提高了4.64%和10.49%。【结论】研究结果可为农业机器人在大多数标准化果园复杂环境中的可行驶区域识别和路径提取提供研究思路。

基于指数积的Delta机器人运动学正解建模

对于并联机构的运动学分析,D-H参数法需要对每个连杆建立局部坐标系,通过各连杆的坐标转换来建立运动学方程,过程较为繁琐,而矢量法虽然能够避免正解多解的取舍问题,但是不能完整地表达出末端的姿态,缺乏通用性.作者采用基于旋量理论的指数积,只需建立惯性坐标系{S}和工具坐标系{T}两个坐标系,使得运动学模型更为简单,且具有更明确的物理和几何意义.最后应用该方法求解了典型Delta机器人的运动学正解和工作空间,并进行了机器人样机的运动控制实验.

并联机构的解耦特性

提出了几个关于解耦的新概念,以期更简便有效地研究机构的解耦特性。针对某些更便于在动坐标系下描述的情况,引入了相对于传统解耦(即绝对坐标解耦)而言的动坐标解耦的概念。引入条件解耦用于描述冗余自由度为固定输出时,其他各变量间的解耦特性。所提出的概念从更普遍的意义上揭示了解耦的本质特征。在阐明新概念的基础上,给出了相应的实例予以佐证。

以刚度为目标的微位移放大模块闭环设计方法

目前全柔性机构的设计一般需要根据经验先估算机构的结构尺寸,再对机构的刚度进行研究。如果刚度不能满足要求,需要再次根据经验调整机构的结构参数。这种设计方法缺乏系统的理论依据,因此以刚度为目标的机构设计存在很大的盲目性且难以实际应用。以一种微位移放大模块为研究对象,提出一种基于刚度目标的闭环设计方法。通过伪刚体模型法建立微位移放大模块的简化刚度模型,根据柔性机构中各个柔性单元之间的几何关系和应变能分布关系确定各柔性单元的刚度性能,并进一步确定微位移放大模块的各结构尺寸。同时开发微位移放大模块刚度的参数化有限元分析程序,基于软件分析结果和机构参数与刚度的关系模型,可以根据精度要求对机构参数进行修正,实现了以刚度为目标的机构参数的闭环设计。

一种五自由度并联卧式机床构型设计

传统的自由度方法无法准确描述机构末端执行器的输出运动特征,本文引入运动单元的概念进行描述,并基于这一概念及各运动单元之间的求和与求交两种运算法则,提出了机构构型概念设计的一种新方法,给出了串联机构和并联机构构型的表达式。最后应用该方法设计了一种五自由度并联卧式机床,并给出了相应的末端运动特征,验证了该方法的有效性。

一种新型六维鼠标在虚拟现实技术中的应用

介绍了一种基于力和力矩控制原理的新型力传感器装置——六维鼠标。它采用并联机构作为机械主体,用新型柔性铰链代替传统的运动铰链连接而成。具有精度高、体积小等优点。在系统分析其工作原理的基础上,给出了基于该六维鼠标的虚拟现实系统的建立方法和并联平台的仿真实例。

机器人末端运动特征描述方法

在回顾机器人机构构型设计发展历程的基础上,综述了当前存在的几种构型理论所取得的主要成果,指出仅仅采用自由度方法来描述机器人输出运动特征的不足之处。提出一种机器人末端运动特征的描述方法,能够简便而详尽的表达机器人末端执行器在三维空间所具有的不同运动特征,最后给出了应用实例。

多层感知器自监督在线修正的道路识别算法

为解决自主移动机器人非结构化道路识别检测准确性、鲁棒性及实时性的问题,提出一种基于感兴趣区域(Region of Interest,ROI)与多层感知器(Multi-Layer Perceptron,MLP)为核心的自监督在线修正算法.首先,通过ROI算法规定被处理图像的有效计算区域;其次,利用多层感知器对样本数据进行训练,将感兴趣区域按相应特征实现分类处理,并对分类区域进行形态学处理及特征提取处理,筛选出有效的行驶区域;最后,通过自监督在线修正算法替换错误处理结果,进一步保障道路分类识别的准确性.实验结果表明,改进算法能准确地识别出环境中的道路区域,具有良好的实时性与可靠性.

一类含复合运动链的并联机器人构型正解分析

从机器人运动单元角度研究了复合运动支链末端构件输出运动特征的求解问题,给出了几种典型的复合运动链及其用运动单元描述的末端输出运动特征表达式。最后用运动单元的方法研究了含有上述复合运动链的几种典型并联机器人的末端运动特征,并给出了具体的表达式。

基于农田环境的农业机器人群协同作业策略

为合理分配农业机器人群协同作业中各机器人的工作量与工作区域,提高机器人群协同作业的整体效能与工作效率,该研究提出一种复杂环境下异质农业机器人群的任务分配及全区域覆盖策略。在考虑农业机器人异质性的基础上,以机器人团队整体效能最优为目标进行任务分配并确定各机器人的工作量。根据农场实际工作环境建立一级分区的概念,在栅格化环境建模与障碍物膨胀处理的基础上,在一级分区内部建立二级分区的栅格分区和分区合并规则,简化农田中的复杂工作环境;将遗传算法与混合粒子群算法相结合改进遗传算法交叉操作,建立遗传算法染色体种群多样性的概念,并综合考虑遗传算法染色体适应度值的差异以及种群多样性阶段设置自适应交叉变异概率,继而利用改进的遗传算法解决深度优先搜索算法在一级分区与二级分区间的遍历顺序问题;设置深度优先搜索算法在二级分区内的路径搜索规则,并在栅格图内遍历的同时根据各机器人的工作量分配其工作区域,设置机器人在其工作区域中的遍历规则,实现机器人群对农田的全区域覆盖。仿真试验结果表明,改进的遗传算法所得到的遍历各分区的路径长度与收敛迭代次数较传统遗传算法分别减少了2.8%与69.5%,较模拟退火算法分别减少了9.3%与19.0%;包含3、5、7、9和11个障碍物的5幅环境地图中,机器人群遍历工作区域的总面积重复率分别为6.3%、8.9%、16.7%、21.7%和23.4%。在4种面积相等的异形农田中设置相同数量的障碍物进行验证试验,结果表明,机器人群总遍历面积重复率分别为16.7%、13.1%、11.9%和6.7%。机器人群协同作业场地试验结果表明,4个试验机器人均可在规定的时间要求(25 min)内完成各自工作量,遍历面积重复率分别为5.77%、4.14%、6.75%和4.85%。研究结果可为复杂环境下农业机器人群协同作业策略提供理论支撑。

基于输入组的六自由度解耦并联机器人

串联机器人具有很好的运动解耦性,多数并联机器人各支链间是耦合的。本文基于输入分组的思想,研究了在给定主动输入关节时机器人的输入组解耦问题,使得传统意义上耦合的一类机器人具有了解耦的特征,极大地简化了控制系统设计。最后给出了基于速度雅可比矩阵的判别方法,并将该方法用于分析一种六自由度输入组解耦的并联机器人,表明该矩阵判别法简便而有效。

多外力柔性微动机构输出位移求解方法

对于单个外力作用下的微动机构,柔度描述了外力与其输出位移之间的关系,是影响微动机构动态性能和精度的重要性能指标。对于多个外力作用下的情况,与之相对应的是微动机构输出位移与其多外力间的关系式。为求解该关系式,采用了柔度矩阵和刚体运动规律相结合的方法。首先,对整体进行单元划分,并求解结构中各柔性单元的端点位移与端点力之间的关系式;然后,根据各单元间的结构关系求解各不同单元端点力或端点位移间的叠加和协调关系式;最后,综合所有求得的关系式整理出输出位移与外力之间的关系式。运用该方法求解了一种微动夹持器的工作端位移,并与有限元分析软件的计算结果进行了对比。研究结果表明:该方法具有普遍适用性以及可靠的精度,能够用于一般微动机构的性能分析与优化。应用MATLAB软件对求得的关系式进行分析,获得了结构参数优化所需的理论依据。