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基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法

农业机械学报 2024年第1期55卷 223-232页

作者：马锃宏谭励曾伟贺磊盈杜小强浙江理工大学机械工程学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018 农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室(部省共建) 杭州310018

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指... 详细信息

针对传统农业机器人抓取过程中视觉识别番茄果实尺寸和姿态存在枝叶遮挡的问题,提出了一种基于视触觉感知的番茄尺寸和姿态解析方法。在果实抓取过程中通过视触觉传感器得到果实外轮廓接触局部点云信息,然后通过相机参数标定以及各手指关节变换矩阵,将不同传感器坐标系下的点云信息变换到同一基坐标系下,进而通过点云改进PCA算法和ICP算法解析抓取果实的尺寸和姿态信息。为了评估所提出解析方法的性能,在实验室环境下进行了番茄尺寸和姿态检测试验。通过游标卡尺测量和深度相机扫描分别获得番茄果实尺寸和姿态的真实值,并与本文方法解析结果进行对比。检测试验结果表明,本文方法获得的番茄横向尺寸和纵向尺寸平均相对误差分别为8.66%和11.08%,番茄果轴与视场投影面的水平夹角和垂直偏转角平均相对误差分别为10.03%和14.02%。本文方法解析的番茄果实尺寸与姿态信息,可应用于番茄果实抓取过程中的姿态调控,从而提高番茄果实抓取采摘的可靠性。

关键词：番茄采摘视触觉传感器尺寸与姿态解析 PCL点云库改进PCA算法 ICP算法

温室叶菜种苗双排移植手稀植部件设计与时序优化试验

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农业机械学报 2022年第4期53卷 60-69页

作者：马锃宏饶益成童俊华李恺徐敏雅武传宇浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018 农业农村部规划设计研究院北京100125 江苏农林职业技术学院镇江212400

水培叶菜培育过程中需要将穴盘中的种苗稀植到栽培槽内,传统人工作业劳动强度大、效率低,为此设计了一种温室叶菜双排移植手变间距稀植移栽部件,可实现穴盘内双排自动取苗和栽培槽变间距植苗作业。设计了一种具有二次夹紧功能的取苗移植... 详细信息

水培叶菜培育过程中需要将穴盘中的种苗稀植到栽培槽内,传统人工作业劳动强度大、效率低,为此设计了一种温室叶菜双排移植手变间距稀植移栽部件,可实现穴盘内双排自动取苗和栽培槽变间距植苗作业。设计了一种具有二次夹紧功能的取苗移植手,并进行刚柔耦合仿真试验分析,确定最佳取苗深度为48 mm。根据稀植移栽作业工况分析,拟定双排移植手3种稀植取苗策略,优选双排(第1排和第7排)间隔取苗纵向位移最小的运动策略。开展稀植移栽动作时序优化分析,优选交叠动作时序时间点,并进一步开展12种作业时序优化移栽对比试验,试验结果表明移动和横向变间距展开、纵向变间距分离和下降时序并行时动作组合为最优,移栽平均效率为4836株/h,移栽成功率为95.8%。

关键词：温室水培叶菜移植手移植部件时序优化

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组合式水稻钵苗育秧盘自动分装装置设计与试验

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农业机械学报 2022年第4期53卷 33-42,69页

作者：马锃宏孙泽强杜小强李月婵俞亚新陈建能浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018

现有水稻钵苗育秧播种流水线前端的秧盘分离供应尚未完全自动化,特别是软钵盘的分离。为减少劳动力,降低人工成本,本文采用硬托盘与常规育秧软钵盘组合配套,设计一套水稻钵苗育秧盘的自动分装流水线,包括分离软钵盘的指夹式真空吸盘机... 详细信息

现有水稻钵苗育秧播种流水线前端的秧盘分离供应尚未完全自动化,特别是软钵盘的分离。为减少劳动力,降低人工成本,本文采用硬托盘与常规育秧软钵盘组合配套,设计一套水稻钵苗育秧盘的自动分装流水线,包括分离软钵盘的指夹式真空吸盘机构、分离硬托盘的滑块连杆机构及其组合而成的套盘机构,用于实现组合式育秧盘中软钵盘和硬托盘的逐个分离和套盘组装,以满足育秧播种流水线前端的秧盘全自动供应。设计一种柔性抓取的指夹式真空吸盘,吸管采用3D打印方式加工,并通过铰链对称安装,模拟人类手指的抓取动作。采用真空吸附的方式实现软钵盘的柔性抓取,不会对软钵盘表面造成损坏。利用ANSYS有限元分析软件对软钵盘受到真空吸盘吸附提升时的变形程度进行分析,确定8组真空吸盘的合理布局。利用ADAMS动力学仿真软件对分离硬托盘的滑块连杆机构进行运动学分析,确定最佳的升降高度以及连杆的开合角度。设计并搭建样机进行试验,试验结果表明:当分离套盘效率为600盘/h时,分离套盘成功率为93.25%,整机运行稳定,符合设计要求,满足一般水稻工厂化育秧播种流水线的工作要求。

关键词：组合式育秧盘分装流水线水稻钵苗分盘机构套盘机构

基于空间注意力和可变形卷积的田间障碍物检测方法

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农业机械学报 2023年

作者：杜小强李卓林马锃宏杨振华王大帅浙江理工大学机械工程学院广东省机器人与智能系统重点实验室浙江省种植装备技术重点实验室中国科学院深圳先进技术研究院龙泉市菇源自动化设备有限公司

为了解决传统田间障碍物识别方法依赖人工提取特征，计算耗时较长，难以实现在非结构化田间环境下实时作业识别的问题，提出一种优化的Mask R-CNN模型的非结构化农田障碍物实例分割方法。以ResNet50残差网络为基础，将空间注意力(Spatia... 详细信息

为了解决传统田间障碍物识别方法依赖人工提取特征，计算耗时较长，难以实现在非结构化田间环境下实时作业识别的问题，提出一种优化的Mask R-CNN模型的非结构化农田障碍物实例分割方法。以ResNet50残差网络为基础，将空间注意力(Spatial attention， SA)引入残差结构，聚焦跟踪目标的显著性表观特征并主动抑制噪声等无用特征的影响；引入可变形卷积(Deformable convolution， DCN)，通过加入偏移量，增大感受野，提高模型的鲁棒性。构建包含农田典型障碍物的数据集，通过对比实验研究在ResNet残差网络结构中的不同阶段中加入空间注意力和可变形卷积时的模型性能差异。结果表明，与Mask R-CNN原型网络相比，在ResNet的阶段2、阶段3、阶段5加入空间注意力和可变形卷积后，改进Mask R-CNN的边界框(Bbox)和掩膜(Mask)的平均精度均值(mAP)分别从64.5%、56.9%提高到71.3%、62.3%。本文提出的改进Mask R-CNN可以很好地实现农田障碍物检测，可为植保无人机在非结构化农田环境下安全高效工作提供技术支撑。

关键词：田间障碍物 Mask R-CNN 空间注意力可变形卷积

组合式水稻钵苗育秧秧盘自动分装装置设计与试验

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农业机械学报 2022年

作者：马锃宏孙泽强杜小强李月婵俞亚新陈建能浙江理工大学机械与自动控制学院浙江省种植装备技术重点试验室

现有水稻钵苗育秧播种流水线前端的秧盘分离供应尚未完全自动化，特别是软钵盘的分离。为减少劳动力，降低人工成本，本文采用硬托盘与常规育秧软钵盘组合配套，设计一套水稻钵苗育秧盘的自动分装流水线，包括分离软钵盘的指夹式真空吸... 详细信息

现有水稻钵苗育秧播种流水线前端的秧盘分离供应尚未完全自动化，特别是软钵盘的分离。为减少劳动力，降低人工成本，本文采用硬托盘与常规育秧软钵盘组合配套，设计一套水稻钵苗育秧盘的自动分装流水线，包括分离软钵盘的指夹式真空吸盘机构、分离硬托盘的滑块连杆机构及其组合而成的套盘机构，用于实现组合式育秧盘中软钵盘和硬托盘的逐个分离和套盘组装，以满足育秧播种流水线前端的秧盘全自动供应。设计一种柔性抓取的指夹式真空吸盘，吸管采用3D打印方式加工，并通过铰链对称安装，模拟人类手指的抓取动作。采用真空吸附的方式实现软钵盘的柔性抓取，不会对软钵盘表面造成损坏。利用ANSYS有限元分析软件对软钵盘受到真空吸盘吸附提升时的变形程度进行分析，确定了8组真空吸盘的合理布局。利用ADAMS动力学仿真软件对分离硬托盘的滑块连杆机构进行运动学分析，确定了最佳的升降高度以及连杆的开合角度。设计并搭建样机进行试验，试验结果表明：当分离套盘效率为600盘/h时，分离套盘成功率为93.25%，整机运行稳定，符合设计要求，满足一般水稻工厂化育秧播种流水线的工作要求。

关键词：组合式育秧盘分装流水线水稻钵苗分盘机构套盘机构

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基于土壤基质的播种精度检测试验

农业机械学报 2012年第12期43卷 62-66,71页

作者：张俊雄马锃宏李伟宋鹏董向前中国农业大学工学院北京100083

研究了一种基于土壤基质的播种精度检测方法。运动的土槽台车搭载播种机将种子播种到土槽土壤上,同时机器视觉系统动态采集序列图像。采用编码器和PLC等实现台车运动距离检测,控制触发面阵摄像机采集序列图像,完成序列图像的硬件拼接;... 详细信息

研究了一种基于土壤基质的播种精度检测方法。运动的土槽台车搭载播种机将种子播种到土槽土壤上,同时机器视觉系统动态采集序列图像。采用编码器和PLC等实现台车运动距离检测,控制触发面阵摄像机采集序列图像,完成序列图像的硬件拼接;再通过图像处理拼接算法完成种子的目标识别和序列图像的拼接,得出播种机播种精度结果。试验结果表明:匹配粒距率达85%以上,正确粒距率达70%以上;经多次重复试验后,系统检测的绝对误差在4%以内。

关键词：土槽播种机播种精度机器视觉图像处理

基于空间注意力和可变形卷积的无人机田间障碍物检测

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农业机械学报 2023年第2期54卷 275-283页

作者：杜小强李卓林马锃宏杨振华王大帅浙江理工大学机械工程学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018 龙泉市菇源自动化设备有限公司龙泉323700 中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055 广东省机器人与智能系统重点实验室深圳518055

为了解决植保无人机作业时,传统田间障碍物识别方法依赖人工提取特征,计算耗时较长,难以实现在非结构化田间环境下实时作业识别的问题,提出一种优化的Mask R-CNN模型的非结构化农田障碍物实例分割方法。以ResNet-50残差网络为基础,将空... 详细信息

为了解决植保无人机作业时,传统田间障碍物识别方法依赖人工提取特征,计算耗时较长,难以实现在非结构化田间环境下实时作业识别的问题,提出一种优化的Mask R-CNN模型的非结构化农田障碍物实例分割方法。以ResNet-50残差网络为基础,将空间注意力(Spatial attention,SA)引入残差结构,聚焦跟踪目标的显著性表观特征并主动抑制噪声等无用特征的影响;引入可变形卷积(Deformable convolution,DCN),通过加入偏移量,增大感受野,提高模型的鲁棒性。构建包含农田典型障碍物的数据集,通过对比试验研究在ResNet残差网络结构中的不同阶段中加入空间注意力和可变形卷积时的模型性能差异。结果表明,与Mask R-CNN原型网络相比,在ResNet的阶段2、阶段3、阶段5加入空间注意力和可变形卷积后,改进Mask R-CNN的边界框(Bbox)和掩膜(Mask)的平均精度均值(mAP)分别从64.5%、56.9%提高到71.3%、62.3%。本文提出的改进Mask R-CNN可以很好地实现农田障碍物检测,可为植保无人机在非结构化农田环境下安全高效工作提供技术支撑。

关键词：田间障碍物 Mask R-CNN 空间注意力可变形卷积

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温室悬挂喷施机跨垄作业控制系统设计

中国农业大学学报 2013年第6期18卷 170-174页

作者：张二鹏马锃宏耿长兴李伟中国农业大学工学院北京100083

为提高温室悬挂喷施机效率,实现单台机器对温室全方位覆盖,设计基于PLC通信的温室悬挂喷施机跨垄作业控制系统。该系统采用SIEMENS PLC之间的PPI通信及SIEMENS PLC与Delta变频器之间的MODBUS通信方式,结合多传感器位置融合技术,通过主从... 详细信息

为提高温室悬挂喷施机效率,实现单台机器对温室全方位覆盖,设计基于PLC通信的温室悬挂喷施机跨垄作业控制系统。该系统采用SIEMENS PLC之间的PPI通信及SIEMENS PLC与Delta变频器之间的MODBUS通信方式,结合多传感器位置融合技术,通过主从PLC通信编程,对动作流程进行决策,实现了温室悬挂喷施机全自动换轨。在温室环境下对换轨作业精度与单次换轨时间进行试验结果表明,换轨车行驶速度为0.15m/s时,作业精度<1mm,单次换轨时间为185s。与人工换轨相比作业精度大幅提高,单次换轨时间明显缩短,满足工程应用需要。

关键词：悬挂喷施机跨垄作业 PLC通信农药

跨式油茶果收获机履带底盘行走液压系统设计与试验

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农业机械学报 2023年第3期54卷 139-147页

作者：杜小强宁晨杨振华马锃宏贺磊盈韩鑫涛浙江理工大学机械工程学院杭州310018 浙江省种植装备技术重点实验室杭州310018 龙泉市菇源自动化设备有限公司龙泉323700

跨式油茶果收获机在丘陵山地作业时需要较大的牵引力,且要求行走平稳。本文基于机液联合仿真技术对跨式油茶果收获机底盘行走液压系统进行设计,以达到动力匹配及行走性能较优的目的。在RecurDyn软件中建立了跨式收获机履带底盘虚拟样机... 详细信息

跨式油茶果收获机在丘陵山地作业时需要较大的牵引力,且要求行走平稳。本文基于机液联合仿真技术对跨式油茶果收获机底盘行走液压系统进行设计,以达到动力匹配及行走性能较优的目的。在RecurDyn软件中建立了跨式收获机履带底盘虚拟样机模型,采用谐波叠加法构建了B级路面谱,仿真分析了跨式履带底盘直线行驶和差速转向的动力学特性。通过AMESim与RecurDyn软件对收获机行走系统进行机液联合仿真,研究底盘在直线行驶与差速转向工况时行走马达液压特性。研制了全液压驱动的跨式油茶果收获机,进行了地面直线行驶与差速转向测试,结果表明:底盘直线行驶偏移率为1.7%;直线行驶时,行走马达流量稳定在23 L/min,压力稳定在1.5 MPa;差速转向时,行走马达流量稳定在22 L/min,压力在2~12 MPa范围内波动,验证了跨式履带底盘行走液压系统的稳定性。

关键词：油茶果收获机跨式履带底盘液压系统联合仿真

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