摘要:采摘機器人作為一種典型的農業機器人，一直未得到普及，其主要受限于果實空間分布的不規律性，以及存在視覺定位及采摘方式等技術難題。為此，將機載三維激光成像電力巡線技術引入到采摘機器人的定位導航系統的設計過程中，通過果實的圓形檢測和三維重構來確定果實的質心坐標，以提高采摘機器人導航視覺的精度和效率。為了驗證方案的可行性，對果實圖像采集和處理的準確性進行了測試，結果表明:視覺導航系統可以成功得到標準的圓形圖像，通過三維重構后，質心坐標的計算結果和測量結果基本吻合，且對果實的成功識別率較高，從而驗證了方案的可靠性。

　　關鍵詞:采摘機器人;三維激光成像;電力巡線;定位導航;三維重構

　　引言

　　近年來，隨著國家經濟水平的增長，勞動力價格不斷提高，勞動密集型企業的生產成本上升，尤其是農業生產領域，果蔬的采摘往往需要耗費大量的人力資源。據數據統計，我國農業生產過程中采摘工作所需的勞動力約占整體的40%，采用機器人代替人力勞動是未來農業生產的趨勢。目前，我國的采摘機器人設計技術還未成熟，特別是在果實識別率和采摘效率方面技術還不夠先進，本次擬將機載三維激光成像電力巡線技術引入到采摘機器人的定位導航系統的設計過程中，以提高采摘機器人定位導航的準確率和效率，對于現代采摘機器人技術的革新具有一定的借鑒意義。

　　1三維激光電力巡線技術在采摘機器人導航系統中的應用

　　采用機載三維激光進行電力巡線過程主要是對電力線的提取和重構。目前，我國三維激光電力巡線技術還處于初始階段，國內的研究還比較少，在電力線提取時一般都是采用的Hough變換原理，通過將激光點云轉換到二維空間后進行Hough變換。采用Hough變換對電力線進行提取會損失一些三維信息，如高程收稿日期:2018－12－12基金項目:內蒙古自治區教育廳項目(NJZY18272);內蒙古機電職業技術學院院級課題(NJDZJZＲ1808)作者簡介:阮娟娟(1985－)，女，山西大同人，講師，碩士，(E－mail)rjj1985nmgjdzyjsxy@sina．com。信息，對于多層電力線，也不能夠快速地提取和識別單條電力線，因此有必要利用三維重構技術構造電力線的三維模型。其流程如圖1所示。

　　2果實模型重構和識別及準確采摘控制方法

　　對于大部分待采摘果實而言，球形結構占70%以上，因此可以以球形目標參照物為主進行設計。為了使待采摘果實目標定位更加準確，根據激光電力巡線的原理，對三維模型進行重構，利用果實目標上的多個坐標點重構出球形模型，最后利用最小二乘法得到果實的質心位置，則有(x－a)2+(y－b)2+(z－c)2=Ｒ2(1)其中，a、b、c分別表示球心在相機坐標系中的坐標，式(1)也可以寫成2ax+2bx+2cz+Ｒ2－(a2+b2+c2)=x2+y2+z2(2)如果采用n個點進行重構，則可以利用矩陣來進行求解。其表達式為2x12y12z112x22y22z212xn2yn2zn1abca2+b2+c2=x12+y12+z12x22+y22+z22…xn2+yn2+zn2[]T(3)式(3)可以簡寫成Am=B(4)利用最小二乘法，可以解得m=(ATA)－1ATB(5)首先對采集的圖像進行處理，得到果實圖像上的8個位置點，然后用近似圓形來代替果實形狀，通過Hough變換得到圓心的坐標(i，j)和圓的半徑Ｒ，根據圓形得到圓的外接矩形，該矩形左上點(xmin，ymin)，右下點坐標為(xmax，ymax)，則矩形內任意坐標點(x，y)的表達式為x=xmin+rand()%(xmax－xmin)y=ymin+rand()%(ymax－ymin{)(6)其中，rand()表示隨機數，返回0～32767間均勻分布的偽隨機整數;%表示求余數。通過隨機數可以將點進行分散化，從而提高最小二乘的計算機準確性，其流程如圖3所示。

　　3采摘機器人視覺定位導航系統測試

　　為了驗證方案的可行性，以蘋果的采摘為例，對采摘機器人視覺定位系統的可行性進行驗證。因為蘋果是圓形的，通過圓形檢測和三維重構可以得到蘋果的質心坐標。如圖6所示，為了保證測試的順利進行，選取了3個球形比較規則的蘋果作為研究對象，首先對采集得到的蘋果圖像進行處理，通過去掉背景圖像對蘋果進行提取，得到了如圖7所示的結果。

　　4結論

　　為了提高采摘機器人定位導航的準確率和效率，將機載三維激光成像電力巡線技術引入到采摘機器人的定位導航系統的設計過程中，通過對果實圓形檢測和三維重構，得到果實的準確質心坐標位置。為了驗證方案的可行性，對果實質心的測量精度進行了測試，結果表明:采用機器人導航定位系統計算得到的質心位置和測量得到的結果基本吻合。對不同工況采摘機器人的成功識別率進行了測試，結果表明:采摘機器人對果實的成功識別率加高，可以滿足導航定位系統的設計需求。

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