[發明專利]一種類球形果實的采摘順序動態規劃方法

有效

• 申請號: 202011380345.6
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112369208B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 董永祥;王東;連捷;邱超超;潘青慧
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: A01D46/30
• 分類號: A01D46/30
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

本發明公開了一種類球形果實的采摘順序動態規劃方法，設計了將感知點與采摘點一起進行規劃的動態收獲感知方法。機械臂每次采摘或感知完成后經過判斷進行權值更新，添加了果實深度信息的權值更新規則。本發明所提出的動態收獲感知采摘順序規劃方法在動態規劃方法的基礎上將采摘的感知點與采摘點相結合，與傳統的基于經驗的采摘順序規劃方法、全局感知方法和批量感知等方法相比，所規劃的采摘順序不僅采摘路徑短，且實時性強，提高了采摘機器人的采摘效率和采摘成功率。對所設計的動態收獲感知采摘順序規劃方法進行了改進，加入了基于三維空間的前后果實采摘順序規劃，避免了因采摘順序導致的果實破壞，降低了果實采摘破壞率。

技術領域

本發明屬于機器人果實采摘領域，特別涉及類球形果實的采摘，是用于植物大棚、植物工廠等果實量大、果實分布不均勻，需要采摘機器人獨立完成采摘任務的領域。

背景技術

隨著植物大棚、植物工廠的規模龐大化以及人力成本的提高，果蔬采摘與收獲的智能化成為各國農業的迫切需求。伴隨著計算機、圖像處理等領域的技術突破，果蔬采摘機器人得到了迅速的發展。如美國弗羅里達大學開發的柑橘采摘機器人、以色列內蓋夫本哈古里安大學開發的應用于商業溫室中的甜椒采摘機器人、上海交通大學開發的雙臂采摘機器人等。采摘機器人技術日趨成熟并逐漸向商用方向發展。

但是各國高校和研究所都致力于采摘機器人的果實識別和機械臂避障等方面的研究，鮮有對于果實采摘順序的研究，采摘機器人幾乎都是采用不進行任何優化策略的固定順序采摘，效率低且易損傷果實。僅有的一些研究也都存在著許多弊端，如專利公開號為CN105773614B的“一種基于雙目視覺的空間降維果實采摘順序規劃系統及方法”，該專利所述方法需要雙目相機旋轉多個角度才能獲取全局信息，檢測效率和采摘效率低；采摘順序使用全局規劃，實時性差，采摘機器人在執行采摘時果實位置可能已經發生了變化，采摘成功率低；對采摘目標進行了降維處理，其采摘順序并不是最優；采摘順序未考慮果實深度信息，可能對果實造成破壞。

發明內容

為了克服目前常用的基于經驗規定的從上到下、從左到右的采摘方法采摘效率低、易造成果實損壞的問題，本發明從提高整體果實收獲速度、提高果實采摘成功率、降低果實破壞率的角度考慮，提出了一種類球形果實的采摘順序動態規劃方法。

所述采摘順序規劃方法應用于采摘蘋果、西紅柿等類球形果實的采摘機器人。所述采摘機器人采用移動輪式機器人平臺安裝六自由度采摘機械臂、采摘機械臂末端安裝深度相機的形式進行采摘。所述采摘機器人夾爪下方安裝有與收獲筐相連的軟管，采摘機器人在每次采摘之后果實會直接沿著軟管進入收獲筐，采摘機器人不需要往返于采摘點與收獲筐。移動機器人到達采摘區域后，深度相機進行環境感知，采集環境的RGBD圖像，并利用深度學習算法對環境中的果實進行識別，將識別到的果實的中心點位置信息進行發布。下文中將深度相機進行感知的位置稱為感知點，移動機器人每移動一次為一個新的地點。

由于采摘環境狹小，采摘機械臂與植物之間距離較近，相機拍攝范圍有限，同一個地點深度相機進行一次感知無法獲取該地點所有的環境信息，果實也會因為枝葉的遮擋無法在同一個感知點感知到所有的果實。因此在同一個采摘地點設置機械臂末端移動到不同的位置使深度相機能夠在不同的位置進行多次感知。感知點的個數根據采摘環境的不同進行調整，直到能夠使深度相機感知此采摘點的所有環境信息。

采摘順序最優，即采摘機器人在保證采摘成功率的情況下完成整體采摘任務的采摘消耗總時間最短或采摘消耗總能量最小的果實采摘順序。為了使整體采摘時間最短，只需讓采摘機器人在每個地點的采摘時間最短。采摘機器人完成一個地點的所有果實的采摘時間可以由式(1)表示。

T_A＝T_C+H_CN_H+S_CN_S (1)