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江西农业大学学报 2024年第2期46卷 490-501页

作者：马萧杰施新宇肖文星任梦涛鲍秀兰华中农业大学工学院湖北武汉430070 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室湖北武汉430070 湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙410000

【目的】柑橘等季节性水果收获约占整个作业量的40%,耗时耗力,研发柑橘采摘机器人已成为提高柑橘生产效率的重要途径。为解决柑橘采摘机械臂在果园非结构化环境下的规划效率低、规划路径长等问题,提出了一种非结构环境下将旅行商问题(T... 详细信息

【目的】柑橘等季节性水果收获约占整个作业量的40%,耗时耗力,研发柑橘采摘机器人已成为提高柑橘生产效率的重要途径。为解决柑橘采摘机械臂在果园非结构化环境下的规划效率低、规划路径长等问题,提出了一种非结构环境下将旅行商问题(TSP)和快速搜索随机树算法(RRT)相结合的柑橘连续采摘最优路径规划方法(TSP_RRT)。【方法】为了在仿真环境中描述真实的柑橘果树,建立了基于几何包络法的柑橘树模型。将柑橘树的树枝树干等障碍物部分采用分段圆柱体包络,无需采摘的柑橘采用包围球包络。采用带先决条件的概率性随机采样策略,通过引入采样阈值与生成的采样随机数进行判断,可以有效降低采样的盲目性。引入目标引力控制节点生长的最短距离,实现扩展树的生长方向总是朝着目标点的方向,引入自适应步长使得扩展树在生长时根据障碍物的密度自动调节步长大小,目标引力和自适应步长策略提高了采摘机器人路径规划的收敛速度和规划效率。为提高柑橘多目标采摘路径的整体最优规划,缩短路径长度。基于遗传算法的旅行商问题,并考虑采摘过程中树枝等障碍物的干扰,引入障碍物因子来获取多目标采摘顺序的最优解。【结果】仿真结果表明,TSP_RRT算法规划所获得的连续采摘路径长度相比于TSP_RRT-connect算法和TSP_RRT*算法的多目标连续采摘路径分别缩短34.52%、10.19%,规划时间分别减少约31%、50%,TSP_RRT算法的路径规划成功率约为98.8%。【结论】与多种机械臂路径规划的RRT算法相比,改进后的TSP_RRT算法可以快速、准确地生成一条机械臂采摘的最优路径,缩短了路径规划的长度,减少了路径规划的时间。该算法可为柑橘采摘机器人在多目标连续采摘中提供参考和技术支持。

关键词：果园柑橘采摘机器人多目标连续采摘路径规划机械臂避障

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球形水果连续采摘机器人的设计与实验

球形水果连续采摘机器人的设计与实验

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作者：王雍商浙江农林大学

学位级别：硕士

采摘机器人是实现智慧农业的方式之一。采摘机器人作为农业机器人中的重点技术,可以帮助人们解决果实收获问题,降低人工成本。本文构建了设计了一种连续采摘机器人,包括连续采摘吞咽式末端执行器,轻量级检测方案和无碰撞路径规划。(1)... 详细信息

采摘机器人是实现智慧农业的方式之一。采摘机器人作为农业机器人中的重点技术,可以帮助人们解决果实收获问题,降低人工成本。本文构建了设计了一种连续采摘机器人,包括连续采摘吞咽式末端执行器,轻量级检测方案和无碰撞路径规划。(1)设计了一种连续采摘吞咽式末端执行器,可以用于无损连续采摘运输球形果实。本文提出了一种点线运动模型方法的分析设计出了一种无损压缩的吞咽部件。吞咽部件由PLA材料和弹簧制成,可以很好地贴合吞咽的球形水果。设计了吞咽末端执行器的原型和理论模型。实验表明,具备一定刚性和直径60mm.80mm的球形果实都可以被吞咽而不会损坏。实现了水果的无损连续吞咽采摘。(2)根据采摘机器人部署需求,本文提出了一种轻量化的视觉检测模型,基于YOLOv5s模型通过模型裁剪、ODconv、全局上下文网络和ELAN方法进行升级改进。通过多次消融实验可以得到最好的模型。改进后的YOLOv5s网络,MAP和模型大小达到m AP,模型大小达到96%和3.54 MB。与原有网络和改进网络相比,改进后的网络参数降低了75.5%,m AP提高了4.6%,降低了部署成本。(3)在连续采摘工作模式下,考虑果实采摘碰撞问题,本文设计了一种基于体积变量和三维高斯核的无碰撞连续拾取路径(CPP)。采用DBSCAN方法分割果实,在果实蔟内计算最佳的连续采摘局部路径,最终连接局部路径生成连续采摘路径。在仿真实验中,将无碰撞连续采摘算法与传统采摘方法下的规划方法进行了比较。连续采摘路径为传统采摘路径的29.56%,理论无碰撞率达到96.6%,实际无碰撞率为91.6%,采摘成功率为80%。(4)本文结合通用机器人技术,设计了一台可以连续作业的采摘机器人,包括四轴机械臂、连续采摘末端执行器和移动升降底盘。同时介绍了各个单元的结构设计、控制系统以及控制流程。机械臂采用基于舵机控制板的控制系统。采用基于Arduino单片机的基础控制系统用于移动升降底盘和末端执行器的运动控制。将视觉检测模型和无碰撞路径计算移植到PC,通过串口通讯与下位机连接。

关键词：球形水果仿生学视觉检测无碰撞路径连续采摘

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