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摘要:為了提高采摘機器人的定位導航精度，將光學導航方法引入到了采摘機器人控制系統的設計上，通過激光掃描和機器視覺相結合的方法，提高了采摘機器人的作業質量和作業效率。在進行定位時，首先由激光掃描方法對采摘機器人進行定位，得到全局坐標中的位置，然后利用機器視覺系統得到采摘機器人和待采摘目標果實的距離，對果實精確定位后進行采摘。采摘測試結果表明:采用光學導航系統可以準確完成果實目標的定位，可有效提高采摘機器人的采摘精度和采摘效率。
關鍵詞:采摘機器人;光學導航;激光掃描;精確定位;機器視覺
0引言
光學導航系統(ONS)利用物理光學測量的方法，通過測量導航裝置和參考表面之間的相對運動的程度(速度和距離)，進而確定相對位置和姿態信息。光學導航是借助于光學敏感器測量來確定作業裝置相對位置和姿態的一門技術，由于其導航精度較無線電導航精度更高，故又稱為光學精確導航。由于光學導航系統具有較高的精度，如果將其使用在采摘機器人定位系統設計上，將會較大幅度提高采摘機器人的定位精度，從而提高作業質量和效率。
1光學導航技術的發展及其在采摘機器人上的應用
光學導航敏感器是光學導航系統的關鍵組成部分，針對不同任務的需要，光學導航設備主要分為3種形式，包括導航相機、激光雷達和激光成像測距儀等。導航相機是最常用的光學導航設備，設備主要是由CCD相機和一個數據處理單元組成，激光雷達/激光測距儀可以通過發射激光信號然后接收激光信號，實現物理測距。激光成像測距儀/激光測距相機綜合了光學導航相機和激光測距儀的測量功能，可以同時測量探測器和目標之間的距離信息和圖像信息。如圖1所示，將光學導航裝置使用在采摘機器人的設計上，可以實現采摘機器人的自主化作業。自主化作業采收時，首先由導航裝置對作業環境進行監測，然后利用激光掃描對采摘機器人的位置進行定位，定位完成后利用機器實際對采摘機器人和作業目標果實進行測距;測距完成后，采摘機器人自主地完成果實目標的鎖定，最終執行果實采摘動作。
2機器視覺和激光掃描的光學導航系統
激光掃描是自主導航系統中常用的一種導航方法，通過激光掃描可以得到農機的角度信息、視線信息和距離信息等，將這些信息反饋給導航控制系統，可以實現高精度自主化的農機導航。角度測量主要是用來測量采摘機器人和待采摘果實之間的角度，得到角度后，采摘機器人通過機器視覺技術推算出待采摘果實和機器人之間的距離;然后，根據激光掃描得到的自身的坐標位置和距離，移動自身位置到待采摘果實位置;最后，利用機器視覺對果實的成熟度進行識別，以完成自動化采摘任務。視線信息主要是對采摘機器人移動過程中采摘機器人視線角度的測量，通過測量視線角度，采摘機器人可充分地了解自身位置，以對自主導航過程中產生的誤差進行及時的修正?；跈C器視覺和激光掃描的光學導航系統由兩部分組成:一部分是上位機系統，另一部分是下位機。其中，上位機由圖像監測系統、控制系統、無線通信系統和信號采集系統構成，主要負責確定采摘機器人的作業行為，并對作業行為進行實時監控;下位機系統主要由采摘機器人、導航系統和自動充電系統組成，對采摘機器人進行物理控制。自主導航的基本流程:導航系統對作業環境信息進行監測，然后對采摘機器人端發出控制指令，控制指令通過無線通信模塊傳遞給遠程采摘機器人端;遠程采摘機器人端具有自動充電功能，因此可以持續地進行采摘作業。采摘機器人作業過程中，采摘機器人上的導航系統從激光掃描定位導航系統中不斷地獲得數據，并根據定位計算原理得到采摘機器人在全局坐標中的位置、行駛方向和X軸的夾角，從而實現準確的定位導航。在激光掃描過程中，導航系統主要依據激光的不發散性來對采摘機器人的位置進行精確的定位，激光頭通過旋轉并發出激光束，收到特質的反射板的反射光，通過解調得到有效的信號。激光掃描設備具有數據編碼器，在進行計算時可以將反射信號轉變為旋轉角度。激光器通過旋轉后，掃描可以得到一系列反射板的反射角，選擇3個反射角，通過計算便可以得到采摘機器人的中心位置坐標，還可以得到采摘機器人激光旋轉頭的零度角相對于X軸的夾角，即為傾斜角。在采摘機器人通過激光掃描得到自身在全局坐標中的位置后，可以借助機器視覺技術繼續對果實進行定位，機器視覺主要采用CCD相機。采摘機器人機器視覺系統采集得到環境圖像后，需要對曝光圖像進行處理，通過圖像融合得到更加清晰的圖像結果。如果圖像存在干擾，還需要對圖像進行濾波操作，使圖像提供的信息更加準確。
3基于光學導航的采摘機器人定位測試
隨著智能化技術在農業生產中的不斷推廣，具有自主作業能力的采摘機器人被投入到了農業生產過程中，首先需要對待采摘的果實進行定位，特別是果實目標較小的農作物，果實的定位非常重要。采摘機器人進行作業時，由于待采摘果實較小，因此需要先對果實圖像進行處理，如圖5所示。對于果實圖像的采集和處理可以選用第2節中介紹的方法，首先對果實圖像進行采集，得到了如圖6所示的結果。圖像采集后，采摘機器人的圖像處理系統對圖像進行曝光融合處理，曝光圖像的融合處理采用第2節介紹的方法，圖像融合后對圖像特征進行提取，得到如圖7所示的結果。采用相關圖像的處理算法后，可以成功地對圖像特征進行提取，導航系統依據圖像特征對采摘機器人和果實圖像的距離進行測算，從而實現自主導航作業過程。如表1所示，對6組果實進行定位后可得、采用光學導航系統具有較高的定位導航精度，且對果實采摘的效率也有所提高，從而驗證了光學導航系統在采摘機器人上的應用是可行的。
4結論
為了提高采摘機器人的定位導航精度和效率，將光學導航方法引入到了采摘機器人的設計上，采用激光掃描定位和機器視覺測距兩種方式，實現了待采摘果實目標的精確定位。為了驗證方案的可行性，以6組果實的定位和采摘為測試對象，對果實進行了定位和采摘。定位和采摘結果表明:采用光學導航方法不僅可以有效提高采摘機器人的定位導航效率，還可以提高采摘效率，對于采摘機器人自主作業功能的優化具有重要的意義。
作者:倪江楠 石新龍 單位:河南工業職業技術學院