專利名稱：一種基于手眼噴霧機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。而施藥的過程會對環(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，空間相對封閉，施藥次數(shù)多，因此危害更為明顯。通過研制自動化精準(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，提高藥液使用效率、減少環(huán)境污染、保障勞動者健康、減輕勞動強度。研制自動 化施藥系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義和社會價值。在自動化施藥系統(tǒng)中，目前主要存在的問題有I.噴藥定位不夠準(zhǔn)確，藥液浪費嚴(yán)重。根據(jù)2010年國際植保機械與施藥技術(shù)學(xué)術(shù)會議資料顯示我國農(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。藥液噴灑時的霧化效果和噴霧作業(yè)方式對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)確性直接會影響到噴霧質(zhì)量。3.噴霧農(nóng)機具的使用適應(yīng)性有限。例如國外在果樹園中使用的噴霧機，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，只要在超聲波檢測范圍內(nèi)存在物體，就會進行噴霧。噴霧時不論作物形態(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.用于自動化精準(zhǔn)噴霧的機器人定位檢測效果不夠理想，實時性較差。例如，運用視覺檢測技術(shù)對特定病蟲害區(qū)域進行噴霧的機器人，其定位檢測的算法上，往往較為復(fù)雜，需要一定的計算時間。同時，對需要施藥的目標(biāo)作物檢測也存在一定的錯誤率。5.對農(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并獲取噴霧對象的ニ維信息，將噴頭移動到指定位置或?qū)Χ鄠€噴頭的開閉進行控制，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，就會造成不同的噴霧效果。6.農(nóng)藥噴灑自動化系統(tǒng)的性價比同樣是制約其廣泛應(yīng)用的ー個問題。但是，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)量和技術(shù)的不斷發(fā)展，同時與老齡化社會到來相伴隨的勞動カ成本不斷上升，自動化噴霧作業(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、實時性好、性價比高的噴霧定位系統(tǒng)。
目前，對于物體空間三維信息獲取的方法主要有激光、超聲波、雷達、紅外和雙目視覺等。前四者工作時通常是以通過反射波時間或相位差來計算距離信息，雙目視覺主要通過三角測距原理，通過左右圖像匹配來實現(xiàn)定位信息獲取。雙目視覺定位系統(tǒng)的優(yōu)點在干，適用范圍廣泛，可通過一定的算法配合直接實現(xiàn)對目標(biāo)的識別和定位；其缺點是識別與定位算法往往較為復(fù)雜，實時性和魯棒性較差，特別是對物體形態(tài)不規(guī)則、環(huán)境復(fù)雜、光照條件差的場合更加難以檢測。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中提到目標(biāo)特征尺寸提取計算方法復(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械臂的噴霧定位裝置，其特征是該裝置包括機械臂基座、機械臂、攝像機和噴頭；
所述機械臂固定在機械臂基座上；攝像機和噴頭分別安裝在機械臂末端。所述機械臂為四自由度噴霧機械臂。一種基于手眼噴霧機械臂的噴霧定位方法，通過機械臂和攝像頭對目標(biāo)進行定位，其特征是該方法包括以下步驟步驟I :確定攝像機坐標(biāo)和噴頭坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式；步驟2 :移動機械臂，分別從主視、俯視和左視三個方向采集圖像；步驟3 :對圖像進行形態(tài)學(xué)運算，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:移動機械臂，使攝像機的光軸對準(zhǔn)形心，獲取目標(biāo)的第一設(shè)定位置的圖像，計算第一設(shè)定位置的圖像的特征尺寸；步驟5 :繼續(xù)移動機械臂至設(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)定位置的圖像計算攝像機與目標(biāo)的距離；步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上，求得目標(biāo)在攝像機所在坐標(biāo)系中的位置和空間尺寸；步驟7 :計算目標(biāo)在機械臂基座所在坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)位置，進而獲得目標(biāo)輪廓的三維尺寸及目標(biāo)相對于機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械臂的農(nóng)作物自動化噴霧定位裝置及方法。可以實現(xiàn)對目標(biāo)的三維信息輪廓提取與定位。該方法定位準(zhǔn)確、計算量適中，可以滿足噴霧實時性要求，并且工作過程中具有較高的靈活性和適應(yīng)能力，為實現(xiàn)精準(zhǔn)自動化噴霧，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)距離檢測原理圖；圖3為主視植物輪廓檢測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為四自由度噴霧機械臂應(yīng)用實例。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(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)作物輪廓檢測和定位方法，能夠快速準(zhǔn)確的計算出目標(biāo)作物的大致外形輪廓信息和距離噴霧臂的相對位置關(guān)系，算法具有良好適應(yīng)性和實時性。該方法克服了固定攝像機雙目視覺系統(tǒng)視場范圍有限、對相機標(biāo)定精度要求高、遮擋時容易出現(xiàn)錯誤匹配等 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械臂的噴霧定位方法。包括機械臂基座、機械臂、攝像機和噴頭；機械臂固定在機械臂基座上；攝像機和噴頭分別安裝在機械臂末端。機械臂為四自由度噴霧機械臂。該方法利用機械臂控制系統(tǒng)可根據(jù)指定要求將固定于機械臂末端的攝像機按指定的方式運動，攝像機可以獲得不同位置的圖像，根據(jù)攝像機針孔成像模型原理，只要找到對應(yīng)目標(biāo)物在不同位置時的圖像中對應(yīng)的特征尺寸，就可以結(jié)合相機標(biāo)定參數(shù)，求得目標(biāo)作物與攝像機鏡頭的直線距離，即獲得了目標(biāo)作物與相機之間的深度信息，并可計算出目標(biāo)作物在ニ維平面中的實際尺寸范圍?？刂茩C械臂變換攝像機成像角度，分別沿目標(biāo)作物為中心正交的主視、俯視和左視三個方向移動機械臂并拍攝，最終可獲得三個方向的目標(biāo)作物實際外接矩形輪廓尺寸，并根據(jù)投影對應(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)攝像機成像原理，空間點P在圖像平面上的坐標(biāo)值與攝像機坐標(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械臂的噴霧定位裝置，其特征是該裝置包括機械臂基座、機械臂、攝像機和噴頭； 所述機械臂固定在機械臂基座上；攝像機和噴頭分別安裝在機械臂末端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于手眼噴霧機械臂的噴霧定位裝置，其特征是所述機械臂為四自由度噴霧機械臂。
3.ー種利用權(quán)利要求I所述裝置進行噴霧定位的方法，通過機械臂和攝像頭對目標(biāo)進行定位，其特征是該方法包括以下步驟 步驟I :確定攝像機坐標(biāo)和噴頭坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式； 步驟2 :移動機械臂，分別從主視、俯視和左視三個方向采集圖像； 步驟3 :對圖像進行形態(tài)學(xué)運算，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 :移動機械臂，使攝像機的光軸對準(zhǔn)形心，獲取目標(biāo)的第一設(shè)定位置的圖像，計算第一設(shè)定位置的圖像的特征尺寸； 步驟5 :移動機械臂至第二設(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)定位置的圖像計算攝像機與目標(biāo)的距離； 步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上，求得目標(biāo)在攝像機所在坐標(biāo)系中的位置和空間尺寸； 步驟7 :計算目標(biāo)在機械臂基座所在坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)位置，進而獲得目標(biāo)輪廓的三維尺寸及目標(biāo)相對于機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械臂的噴霧定位裝置及方法。本發(fā)明包括機械臂、攝像機和噴頭；機械臂固定在機械臂基座上；攝像機和噴頭分別安裝在機械臂末端。本發(fā)明實現(xiàn)了對目標(biāo)的三維信息輪廓提取與定位，定位準(zhǔn)確、計算量適中，實現(xiàn)精準(zhǔn)自動化噴霧，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)藥利用率。
文檔編號B05B15/10GK102688823SQ20121020374
公開日2012年9月26日 申請日期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 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)