專利名稱：一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置及方法。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為防治病蟲害，往往需要經(jīng)過多次農(nóng)藥噴酒。而施藥的過程會(huì)對(duì)環(huán)境和操作人員的健康造成一定的危害，特別是在溫室條件下，空間相對(duì)封閉，施藥次數(shù)多，因此危害更為明顯。通過研制自動(dòng)化精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)，可將藥液直接噴灑到作物表面，避免藥液浪費(fèi)，提高藥液使用效率、減少環(huán)境污染、保障勞動(dòng)者健康、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。研制自動(dòng) 化施藥系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。在自動(dòng)化施藥系統(tǒng)中，目前主要存在的問題有I.噴藥定位不夠準(zhǔn)確，藥液浪費(fèi)嚴(yán)重。根據(jù)2010年國(guó)際植保機(jī)械與施藥技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議資料顯示我國(guó)農(nóng)藥平均利用率極低，只有20%左右。大部分的農(nóng)藥都沒有得到充分有效的利用，究其根源一方面在于施藥方法和手段不夠科學(xué)合理，另外在農(nóng)藥的使用上多采用粗放式噴藥，缺乏精準(zhǔn)施藥的技術(shù)與條件。2.農(nóng)藥噴灑不夠均勻，作物表面藥液殘留超標(biāo)，尤其在溫室中生產(chǎn)的作物更為明顯。藥液噴灑時(shí)的霧化效果和噴霧作業(yè)方式對(duì)噴霧的均勻性有著很大的影響。資料顯示，采用靜電噴霧可以形成微小的霧滴顆粒，并具有良好的附著性，有利于減少重噴和漏噴，提高噴霧的均勻性。采用防漂移等技術(shù)也可一定程度上改善噴霧效果，但從根本上講噴霧定位的準(zhǔn)確性直接會(huì)影響到噴霧質(zhì)量。3.噴霧農(nóng)機(jī)具的使用適應(yīng)性有限。例如國(guó)外在果樹園中使用的噴霧機(jī)，采用超生波噴霧定位，這種方式要求果樹以特定的距離和排列方式栽培，只要在超聲波檢測(cè)范圍內(nèi)存在物體，就會(huì)進(jìn)行噴霧。噴霧時(shí)不論作物形態(tài)如何，都以同樣方式工作。因此，當(dāng)環(huán)境和作物發(fā)生變化后就很難有效工作。4.用于自動(dòng)化精準(zhǔn)噴霧的機(jī)器人定位檢測(cè)效果不夠理想，實(shí)時(shí)性較差。例如，運(yùn)用視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)特定病蟲害區(qū)域進(jìn)行噴霧的機(jī)器人，其定位檢測(cè)的算法上，往往較為復(fù)雜，需要一定的計(jì)算時(shí)間。同時(shí)，對(duì)需要施藥的目標(biāo)作物檢測(cè)也存在一定的錯(cuò)誤率。5.對(duì)農(nóng)作物噴霧施藥基本使用的都屬于ニ維定位系統(tǒng)。在工作過程中，一般都是先通過特定的傳感器或攝像頭先檢測(cè)并獲取噴霧對(duì)象的ニ維信息，將噴頭移動(dòng)到指定位置或?qū)Χ鄠€(gè)噴頭的開閉進(jìn)行控制，而噴頭與目標(biāo)作物的距離往往都是事先設(shè)定好的，工作過程中并不調(diào)整。因此，當(dāng)作物形態(tài)、大小存在一定差異時(shí)，就會(huì)造成不同的噴霧效果。6.農(nóng)藥噴灑自動(dòng)化系統(tǒng)的性價(jià)比同樣是制約其廣泛應(yīng)用的ー個(gè)問題。但是，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)量和技術(shù)的不斷發(fā)展，同時(shí)與老齡化社會(huì)到來相伴隨的勞動(dòng)カ成本不斷上升，自動(dòng)化噴霧作業(yè)的將有著廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，當(dāng)前最重要的問題是解決噴霧目標(biāo)的識(shí)別和定位問題，開發(fā)ー種具有良好適應(yīng)性、定位準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高的噴霧定位系統(tǒng)。
目前，對(duì)于物體空間三維信息獲取的方法主要有激光、超聲波、雷達(dá)、紅外和雙目視覺等。前四者工作時(shí)通常是以通過反射波時(shí)間或相位差來計(jì)算距離信息，雙目視覺主要通過三角測(cè)距原理，通過左右圖像匹配來實(shí)現(xiàn)定位信息獲取。雙目視覺定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在干，適用范圍廣泛，可通過一定的算法配合直接實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和定位；其缺點(diǎn)是識(shí)別與定位算法往往較為復(fù)雜，實(shí)時(shí)性和魯棒性較差，特別是對(duì)物體形態(tài)不規(guī)則、環(huán)境復(fù)雜、光照條件差的場(chǎng)合更加難以檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中提到目標(biāo)特征尺寸提取計(jì)算方法復(fù)雜，易受目標(biāo)形態(tài)、光照等因素影響等不足，本發(fā)明提出了一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置，其特征是該裝置包括機(jī)械臂基座、機(jī)械臂、攝像機(jī)和噴頭；
所述機(jī)械臂固定在機(jī)械臂基座上；攝像機(jī)和噴頭分別安裝在機(jī)械臂末端。所述機(jī)械臂為四自由度噴霧機(jī)械臂。一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位方法，通過機(jī)械臂和攝像頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，其特征是該方法包括以下步驟步驟I :確定攝像機(jī)坐標(biāo)和噴頭坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式；步驟2 :移動(dòng)機(jī)械臂，分別從主視、俯視和左視三個(gè)方向采集圖像；步驟3 :對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算，消除噪聲干擾區(qū)域，確定目標(biāo)的外接輪廓和形心；步驟4:移動(dòng)機(jī)械臂，使攝像機(jī)的光軸對(duì)準(zhǔn)形心，獲取目標(biāo)的第一設(shè)定位置的圖像，計(jì)算第一設(shè)定位置的圖像的特征尺寸；步驟5 :繼續(xù)移動(dòng)機(jī)械臂至設(shè)定位置，獲取目標(biāo)的第二設(shè)定位置的圖像，計(jì)算第二設(shè)定位置的圖像的特征尺寸，通過第一設(shè)定位置的圖像和第二設(shè)定位置的圖像計(jì)算攝像機(jī)與目標(biāo)的距離；步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上，求得目標(biāo)在攝像機(jī)所在坐標(biāo)系中的位置和空間尺寸；步驟7 :計(jì)算目標(biāo)在機(jī)械臂基座所在坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)位置，進(jìn)而獲得目標(biāo)輪廓的三維尺寸及目標(biāo)相對(duì)于機(jī)械臂基座的位置信息。所述確定目標(biāo)的外接輪廓和形心的方法為從上、下、左和右四個(gè)方向掃描圖像，確定目標(biāo)的輪廓，并以目標(biāo)的輪廓的矩形框的中心做為目標(biāo)的形心。本發(fā)明提供了一種基于手眼機(jī)械臂的農(nóng)作物自動(dòng)化噴霧定位裝置及方法。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的三維信息輪廓提取與定位。該方法定位準(zhǔn)確、計(jì)算量適中，可以滿足噴霧實(shí)時(shí)性要求，并且工作過程中具有較高的靈活性和適應(yīng)能力，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)化噴霧，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)藥利用率，提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)方法。


圖I為重構(gòu)植物輪廓空間圖示；圖2為目標(biāo)距離檢測(cè)原理圖；圖3為主視植物輪廓檢測(cè)圖像處理過程示意圖；圖3a為沿光軸第一位置圖像；圖3b為沿光軸第二位置圖像；
圖4為以主視圖為例的圖像處理與控制流程圖；圖5為四自由度噴霧機(jī)械臂應(yīng)用實(shí)例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于手眼噴霧臂的農(nóng)作物輪廓檢測(cè)和定位方法，能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算出目標(biāo)作物的大致外形輪廓信息和距離噴霧臂的相對(duì)位置關(guān)系，算法具有良好適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性。該方法克服了固定攝像機(jī)雙目視覺系統(tǒng)視場(chǎng)范圍有限、對(duì)相機(jī)標(biāo)定精度要求高、遮擋時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配等 問題。 為解決以上問題，本發(fā)明提供了一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位方法。包括機(jī)械臂基座、機(jī)械臂、攝像機(jī)和噴頭；機(jī)械臂固定在機(jī)械臂基座上；攝像機(jī)和噴頭分別安裝在機(jī)械臂末端。機(jī)械臂為四自由度噴霧機(jī)械臂。該方法利用機(jī)械臂控制系統(tǒng)可根據(jù)指定要求將固定于機(jī)械臂末端的攝像機(jī)按指定的方式運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)可以獲得不同位置的圖像，根據(jù)攝像機(jī)針孔成像模型原理，只要找到對(duì)應(yīng)目標(biāo)物在不同位置時(shí)的圖像中對(duì)應(yīng)的特征尺寸，就可以結(jié)合相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，求得目標(biāo)作物與攝像機(jī)鏡頭的直線距離，即獲得了目標(biāo)作物與相機(jī)之間的深度信息，并可計(jì)算出目標(biāo)作物在ニ維平面中的實(shí)際尺寸范圍。控制機(jī)械臂變換攝像機(jī)成像角度，分別沿目標(biāo)作物為中心正交的主視、俯視和左視三個(gè)方向移動(dòng)機(jī)械臂并拍攝，最終可獲得三個(gè)方向的目標(biāo)作物實(shí)際外接矩形輪廓尺寸，并根據(jù)投影對(duì)應(yīng)關(guān)系重構(gòu)出作物的三維矩形塊輪廓信息(如圖I所示)。根據(jù)攝像機(jī)成像原理，空間點(diǎn)P在圖像平面上的坐標(biāo)值與攝像機(jī)坐標(biāo)系上坐標(biāo)值之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置，其特征是該裝置包括機(jī)械臂基座、機(jī)械臂、攝像機(jī)和噴頭； 所述機(jī)械臂固定在機(jī)械臂基座上；攝像機(jī)和噴頭分別安裝在機(jī)械臂末端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置，其特征是所述機(jī)械臂為四自由度噴霧機(jī)械臂。
3.ー種利用權(quán)利要求I所述裝置進(jìn)行噴霧定位的方法，通過機(jī)械臂和攝像頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，其特征是該方法包括以下步驟 步驟I :確定攝像機(jī)坐標(biāo)和噴頭坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式； 步驟2 :移動(dòng)機(jī)械臂，分別從主視、俯視和左視三個(gè)方向采集圖像； 步驟3 :對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算，消除噪聲干擾區(qū)域，確定目標(biāo)的外接輪廓和形心； 步驟4 :移動(dòng)機(jī)械臂，使攝像機(jī)的光軸對(duì)準(zhǔn)形心，獲取目標(biāo)的第一設(shè)定位置的圖像，計(jì)算第一設(shè)定位置的圖像的特征尺寸； 步驟5 :移動(dòng)機(jī)械臂至第二設(shè)定位置，獲取目標(biāo)的第二設(shè)定位置的圖像，計(jì)算第二設(shè)定位置的圖像的特征尺寸，通過第一設(shè)定位置的圖像和第二設(shè)定位置的圖像計(jì)算攝像機(jī)與目標(biāo)的距離； 步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上，求得目標(biāo)在攝像機(jī)所在坐標(biāo)系中的位置和空間尺寸； 步驟7 :計(jì)算目標(biāo)在機(jī)械臂基座所在坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)位置，進(jìn)而獲得目標(biāo)輪廓的三維尺寸及目標(biāo)相對(duì)于機(jī)械臂基座的位置信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴霧定位的方法，其特征是所述確定目標(biāo)的外接輪廓和形心的方法為從上、下、左和右四個(gè)方向掃描圖像，確定目標(biāo)的輪廓，并以目標(biāo)的輪廓的矩形框的中心做為目標(biāo)的形心。
全文摘要
本發(fā)明公開了機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于手眼噴霧機(jī)械臂的噴霧定位裝置及方法。本發(fā)明包括機(jī)械臂、攝像機(jī)和噴頭；機(jī)械臂固定在機(jī)械臂基座上；攝像機(jī)和噴頭分別安裝在機(jī)械臂末端。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的三維信息輪廓提取與定位，定位準(zhǔn)確、計(jì)算量適中，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)化噴霧，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)藥利用率。
文檔編號(hào)B05B15/10GK102688823SQ20121020374
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者劉濤, 張東波, 張賓, 薛子云 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)