第 33 卷 增刊 1 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.33 Supp.1 42 2017 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2017 櫻桃番茄葉柄方向光電自動(dòng)探測(cè)方法與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)王 萌1,2，李建平1,3，朱盤(pán)安4，喻擎蒼5，徐志豪6，季明東1（ 1. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058； 2. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，寧波 315800； 3. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058； 4. 溫州科技職業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)系，溫州 325006； 5. 浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018； 6. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，杭州 310021） 摘 要： 采用機(jī)器人自動(dòng)去除櫻桃番茄腋芽時(shí)，為得到葉柄的位置及水平投影方向角，需調(diào)整攝像頭位置與角度，以便于采集到主莖、腋芽和葉柄的主平面圖像，并使后續(xù)機(jī)器視覺(jué)判別腋芽的步驟得以順利進(jìn)行。該文設(shè)計(jì)了光電式自動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)向機(jī)構(gòu)；采用閉合環(huán)形機(jī)構(gòu)環(huán)繞櫻桃番茄主莖，并通過(guò)往復(fù)旋轉(zhuǎn)方式使固定在活動(dòng)環(huán)上的光電傳感器能水平 360°掃描葉柄，通過(guò)葉柄水平投影角度測(cè)量算法計(jì)算得到葉柄的水平投影方向角；分析 8 個(gè)光電傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到其線(xiàn)速度與角速度的關(guān)系及掃描系數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)表明：掃描系數(shù)為 1.5，角速度為 1.5 rad/s，線(xiàn)速度為 20 mm/s 時(shí)，檢測(cè)成功率為 95%；高度補(bǔ)償設(shè)定為 28 mm，成功率為 93%；對(duì) 42 株櫻桃番茄的 153 個(gè)葉柄進(jìn)行測(cè)試，在 1.8 m 高度內(nèi)的成功率為 88.2%。研究結(jié)果為腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)判定與摘除提供參考。 關(guān)鍵詞： 傳感器；機(jī)器人；設(shè)計(jì)；櫻桃番茄；葉柄；方向檢測(cè)；旋轉(zhuǎn)；水平角度 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.z1.007 中圖分類(lèi)號(hào)： S237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1002-6819(2017)-Supp.1-0042-07 王 萌，李建平，朱盤(pán)安，喻擎蒼，徐志豪，季明東 . 櫻桃番茄葉柄方向光電自動(dòng)探測(cè)方法與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(增刊 1)：4248. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.z1.007 http:/www.tcsae.org Wang Meng, Li Jianping, Zhu Panan, Yu Qingcang, Xu Zhihao, Ji Mingdong. Photoelectric automatic rotation direction-finding detection method and mechanism design of cherry tomato petioleJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(Supp.1): 42 48. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.z1.007 http:/www.tcsae.org 0 引 言摘除番茄植株的腋芽是保證營(yíng)養(yǎng)不被浪費(fèi)、提高番茄產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但執(zhí)行時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，是制約番茄生產(chǎn)的一個(gè)瓶頸，需要利用自動(dòng)化機(jī)器代替人工摘除腋芽，以減少對(duì)人工的依賴(lài)。作為番茄的一個(gè)重要種類(lèi)，櫻桃番茄經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、采收期長(zhǎng)、種植面很廣。由于櫻桃番茄是無(wú)限生長(zhǎng)型作物，株高超過(guò) 2.5 m，在生長(zhǎng)過(guò)程中需要人工定期摘除主莖與葉柄間生長(zhǎng)的腋芽，因此，櫻桃番茄采用機(jī)械化自動(dòng)摘除腋芽更為迫切1。 櫻桃番茄腋芽生長(zhǎng)在主莖與葉柄的交點(diǎn)上，腋芽與葉柄生長(zhǎng)方向的水平投影一致，而葉柄的生長(zhǎng)方向是以主莖為圓心向四周輻射。因此，櫻桃番茄葉柄的三維信息，即位置和方向的探測(cè)是腋芽位置確定與去除過(guò)程中的重要一環(huán)。目前，國(guó)內(nèi)外獲取作物三維信息的方法主要有 3 種：一種是基于圖像的作物三維重建，借助雙目攝像頭2-4或單目攝像頭5-11從不同角度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維收稿日期： 2016-04-06 修訂日期： 2016-12-09 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ 51375460） ；浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（ 2014C32105） 作者簡(jiǎn)介：王 萌，男，河北保定人，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究。杭州 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 310058。 Email： 10913005zju.edu.cn 通信作者：李建平，男，浙江杭州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與自動(dòng)化研究。 杭州 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 310058。 Email： jplizju.edu.cn 重建，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不適用在近距離且枝葉 茂盛的場(chǎng)合，需要較大的空間。第二種方式是基于掃描方式的作物三維重建，通過(guò) 3D 攝像或掃描器材掃描，使用 3D 照相機(jī)12-13、激光或超聲波掃描儀對(duì)目標(biāo)植物進(jìn)行三維立體掃描以得到其形態(tài)14-20。該方法優(yōu)點(diǎn)是精度較準(zhǔn)確，但不便移動(dòng)且價(jià)格較高。第三種是基于三維數(shù)字化儀的作物三維重建方法，其精度較高，但速度慢且成本昂貴21-23。 以上 3 種方法雖然都能獲得作物的三維信息，但是，對(duì)于種植密集且枝葉較為茂盛的櫻桃番茄植株來(lái)說(shuō)，都不適用。針對(duì)現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種光電自動(dòng)旋轉(zhuǎn)環(huán)形測(cè)向機(jī)構(gòu)，快速、直接探測(cè)櫻桃番茄葉柄方向，為腋芽自動(dòng)摘除機(jī)器人開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐，為其他番茄種類(lèi)腋芽摘除機(jī)器人的研發(fā)提供參考與借鑒。 1 葉柄測(cè)向原理及機(jī)構(gòu) 櫻桃番茄葉柄從主莖向外生長(zhǎng)，主莖、葉柄、腋芽基本同處一個(gè)與水平面垂直的平面內(nèi)，為區(qū)別其他位置所形成的面，稱(chēng)其為主平面（圖 1） 。為使攝像頭采集的圖像能清晰表現(xiàn)主莖、葉柄和腋芽的關(guān)系，并在采集時(shí)保證腋芽不被主莖或葉柄遮擋，機(jī)器人需要通過(guò)一個(gè)能確定葉柄位置和方向的測(cè)向機(jī)構(gòu)，自行調(diào)整攝像頭位置使其光軸垂直主平面24。獲得圖像后，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)判別腋芽去除點(diǎn)，再用機(jī)械手自動(dòng)摘除。 參考林木剪枝機(jī)器人25-28，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)抱住林木，增刊 1 王 萌等：櫻桃番茄葉柄方向光電自動(dòng)探測(cè)方法與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 43 向上運(yùn)動(dòng)檢測(cè)并清除側(cè)枝的方式。測(cè)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)采用非接觸環(huán)繞方式，使機(jī)器人避免直接接觸小番茄植株，防止對(duì)主莖和葉柄造成損傷。 圖 1 腋芽生長(zhǎng)示意圖 Fig.1 Diagram of axillary bud growth 其測(cè)向原理如圖 2 所示，測(cè)向機(jī)構(gòu)將櫻桃番茄主莖包圍在環(huán)形構(gòu)件中心，環(huán)形構(gòu)件帶動(dòng)光電傳感器往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)并上升。光電傳感器向上發(fā)射紅外光并接收反射光，當(dāng)探測(cè)到葉柄時(shí)29，測(cè)向機(jī)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度計(jì)算葉柄水平投影角。 注： v 為環(huán)形構(gòu)件向上運(yùn)行的速度。 Note: v is the rise velocity of ring structure. 圖 2 測(cè)向原理 Fig.2 Direction-finding principle 測(cè)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，主要由光電傳感器、活動(dòng)環(huán)、基座、開(kāi)合機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)齒輪、步進(jìn)電機(jī)和定位齒條等組成。 8 個(gè)光電傳感器均勻分布在活動(dòng)環(huán)上，活動(dòng)環(huán)分左右兩半，安裝在基座上；基座也分兩半；驅(qū)動(dòng)齒輪由步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)，開(kāi)合機(jī)構(gòu)由舵機(jī)帶動(dòng)，控制基座與活動(dòng)環(huán)打開(kāi)與閉合。 1. 步進(jìn)電機(jī) 2. 開(kāi)合機(jī)構(gòu) 3. 舵機(jī) 4. 定位齒條 5. 定位銷(xiāo) 6. 驅(qū)動(dòng)齒輪 7. 外齒 8. 光電傳感器 9. 活動(dòng)環(huán) 10. 基座 1. Stepper motor 2. Switching mechanism 3. Steering engine 4. Position rack 5. Dowel pin 6. Driving gear 7. External teeth 8. Photoelectric sensor 9. Active circle 10. Base 圖 3 測(cè)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Structure of direction-finding mechanism 作業(yè)時(shí)，測(cè)向機(jī)構(gòu)與攝像頭需配合工作（圖 4） ，工作流程如下： 1）電動(dòng)機(jī)控制測(cè)向機(jī)構(gòu)縮回，左右活動(dòng)環(huán)保持張開(kāi)，使其處于初始位置； 2）驅(qū)動(dòng)定位齒條，使測(cè)向機(jī)構(gòu)伸出，左右活動(dòng)環(huán)閉合套住櫻桃番茄主莖，定位銷(xiāo)使左右活動(dòng)環(huán)能夠緊密和準(zhǔn)確閉合，此時(shí)活動(dòng)環(huán)處于零位； 3）機(jī)械臂帶動(dòng)活動(dòng)環(huán)自下向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)外齒使活動(dòng)環(huán)在 45°,45°區(qū)間內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)； 4）遇到葉柄時(shí)，光電傳感器觸發(fā)，活動(dòng)環(huán)停止并輸出葉柄水平方向角度，再根據(jù)定位銷(xiāo)準(zhǔn)確回到零位并張開(kāi)，測(cè)向機(jī)構(gòu)回到初始位置； 5）計(jì)算需要調(diào)整的角度，由機(jī)械臂控制攝像頭調(diào)整姿態(tài)，以小番茄植株生長(zhǎng)時(shí)攀附的懸吊繩為軸，進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，待攝像頭光軸垂直主平面后，再向上移動(dòng)進(jìn)行高度補(bǔ)償，使攝像頭鏡頭對(duì)準(zhǔn)櫻桃番茄的節(jié)點(diǎn)部位，保存測(cè)向機(jī)構(gòu)此時(shí)的位置坐標(biāo)與姿態(tài)； 6）識(shí)別并摘除腋芽后，回復(fù)保存的位置與姿態(tài)，伸出測(cè)向機(jī)構(gòu)，繼續(xù)沿主莖向上運(yùn)行30。 a. 測(cè)向機(jī)構(gòu)裝配圖 a. Assembly diagram of direction-finding mechanism b. 測(cè)向機(jī)構(gòu)整體圖 b. Overall structure c. 測(cè)向機(jī)構(gòu)試驗(yàn)圖 c. Experiment picture 1. 光照度傳感器 2. 齒條驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3. 攝像頭 4. 活動(dòng)環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5. 超聲波測(cè)距傳感器 6. 氣動(dòng)剪 7. 機(jī)械臂 1. Photon-flux density sensor 2. Rack driving motor 3. Camera 4. Floating ring driving motor 5. Ultrasonic displacement sensor 6. Pneumatic shear 7. Manipulator arm 注：裝配時(shí)，保證測(cè)向機(jī)構(gòu)的水平軸線(xiàn)、攝像機(jī)光軸、測(cè)距傳感器水平軸線(xiàn)、氣動(dòng)剪水平軸線(xiàn)處于同一平面。 Note: When the end effector was fitted, ensure that the lateral horizontal axis, the optical axis of the camera, ranging sensor and pneumatic horizontal axis shear horizontal axis are in the same plane. 圖 4 測(cè)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Structure diagrams of direction-finding mechanism 2 葉柄水平投影角度測(cè)量算法 8 個(gè)光電傳感器相互間隔 45°角排布、固定在活動(dòng)環(huán)上（圖 5） 。將光電傳感器編號(hào)，按順序接入主控電腦信號(hào)端，記錄其零位角度并移相（表 1） ，活動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由電動(dòng)機(jī)的編碼器得到。 表 1 光電傳感器編號(hào)與角度 Table 1 Number and angle of photoelectric sensor 編號(hào) No. 端口信號(hào) Interface signals 角度 Angle/ (°) 1, 5 0000 0001 0001 0000 25 2, 6 0000 0010 0010 0000 70 3, 7 0000 0100 0100 0000 115 4, 8 0000 1000 1000 0000 160 測(cè)向機(jī)構(gòu)檢測(cè)前保持零位如圖 4 所示，且處于櫻桃番茄植株正前方。葉柄水平角度有兩種表述方式：一種是基于世界坐標(biāo)系 OWXWZW的世界角度； 另一種是基于活動(dòng)環(huán)測(cè)向坐標(biāo)系 OFXFZF的相對(duì)角度。測(cè)向坐標(biāo)系會(huì)隨著末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)改變?cè)谑澜缱鴺?biāo)系中的位置，其原點(diǎn)在活動(dòng)環(huán)中心。攝像頭位置相對(duì)測(cè)向坐標(biāo)系不變，且光軸與 ZF軸平行。 631 4725農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 44注： 18 為光電傳感器的編號(hào)。 Note: No. 1 8 is the photoelectric sensor. 圖 5 測(cè)向機(jī)構(gòu)運(yùn)行零位俯視圖 Fig.5 Top view of initial state of direction finding mechanism 圖 6b 中， 攝像頭處于起始位置 A， 檢測(cè)到葉柄 L1時(shí)，其相對(duì)角度 1與世界角度 1相等。 攝像頭移動(dòng)到位置 B，完成腋芽判定與摘除后，從 B 點(diǎn)垂直向上移動(dòng)直至探測(cè)到葉柄 L2，測(cè)得 L2的角度就是相對(duì)角度 2，要將其轉(zhuǎn)化成世界角度 2，必須根據(jù) L1的世界角度 1和攝像頭在 B點(diǎn)的位置角 1進(jìn)行計(jì)算。先得到下式 ,1,2,nn （ 1） 式中n 為測(cè)量第 n 個(gè)葉柄時(shí)，小番茄葉柄水平方向角相對(duì)角度， （ ） ； 為光電傳感器在測(cè)向坐標(biāo)系中的初始位置角度， （ ） ； 為活動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)角度， （ ） 。 注： L1、 L2為葉柄； A、 B、 C 為攝像機(jī)的位置。 Note: L1, L2are petioles with different growing direction; A, B, C are different locations of camera. 圖 6 攝像頭與葉柄的角度關(guān)系 Fig.6 Relationship between camera and petioles lateral angle 為保證機(jī)械臂始終在小番茄植株正前方區(qū)域工作，需要對(duì)n 進(jìn)行移相，將角度都投射到 0°, 180°區(qū)間。對(duì)式（ 1）進(jìn)行移相后，得到 , 0 < 180180 , 180nnn （ 2） 根據(jù) n得到葉柄世界角度 n， （ ） 。 1,2,3nn nn （ 3） 0 < 180180 180,1nn nnn ，（ 4） 式中n為第 n 次測(cè)量，葉柄未移相的世界角度， （ ） 。 攝像頭位置角 n（ ） ，如式（ 5） 90 , < 9090 , 180 90nnnnn （ 5） 3 測(cè)向機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響 3.1 活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑參數(shù)確定 大棚中櫻桃番茄的標(biāo)準(zhǔn)化種植方式是將懸吊繩垂直固定在棚頂和地面之間，使小番茄植株緊密攀附懸吊繩生長(zhǎng)。記錄懸吊繩地面固定點(diǎn)的坐標(biāo)，使測(cè)向機(jī)構(gòu)探出閉合時(shí)，懸吊繩和主莖正處于活動(dòng)環(huán)中心位置。主莖個(gè)別部位會(huì)偏離懸吊繩向外凸出（圖 7） ，當(dāng)活動(dòng)環(huán)閉合環(huán)繞主莖，并向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，為保證活動(dòng)環(huán)能順利通過(guò)偏離部位，需要合理設(shè)計(jì)活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑，避免活動(dòng)環(huán)上升過(guò)程中被主莖偏離部位卡住，強(qiáng)行上升擠壓主莖，以致使主莖折斷，這種情況會(huì)給小番茄植株造成無(wú)法挽回的損傷。因此，需要首先確定活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑參數(shù)。 通過(guò)對(duì) 100 株櫻桃番茄進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，主莖平均偏離吊繩的距離為 16.83 mm，最大偏離距離為 41.7 mm。當(dāng)活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑大于 80 mm 時(shí)，光電傳感器會(huì)被某些葉柄上最靠近主莖的葉片誤導(dǎo)，使測(cè)量到的葉柄水平方向角有較大誤差?？s小活動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑，通過(guò)對(duì) 100 個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑為 40 mm 時(shí)，可順利通過(guò)88 個(gè)樣本；內(nèi)徑為 50 mm 時(shí)，順利通過(guò)的樣本數(shù)為 93；內(nèi)徑為 60 mm 時(shí)，可順利通過(guò)全部 100 個(gè)樣本。因此，將活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑設(shè)定為 60 mm。 注： f 為小番茄主莖偏離懸吊繩的距離。 Note: f is the deviation distance between hang-off line and main stem. 圖 7 主莖偏離部位 Fig.7 Deviation part of main stem 3.2 運(yùn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)量角度的影響 測(cè)向機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，活動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)分往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿主莖的向上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。光電傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 8 所示。 注： v為活動(dòng)環(huán)上升速度， mms-1； 為活動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度， rads-1。 Note: v is the rise velocity of active circle, mms-1; is the rotation angular velocity of active circle, rads-1. 圖 8 光電傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡 Fig.8 Photoelectric sensor ring trajectory 光電傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡方程分為 2 部分，分別為 sin modcos mod'aaxR t tyR t tzvt （ 6） 增刊 1 王 萌等：櫻桃番茄葉柄方向光電自動(dòng)探測(cè)方法與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 45 與 sin modcos mod'aaaaxR t t tyR t t tzvt - （ 7） 其中 x、 y、 z、分別為光電傳感器在 X、 Y、 Z 軸方向的位移， mm； ta為活動(dòng)環(huán)單向轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度所用時(shí)間， s； 為活動(dòng)環(huán)改變轉(zhuǎn)向時(shí)所處的初始角度， rad； R 為活動(dòng)環(huán)內(nèi)半徑， mm； v為活動(dòng)環(huán)上升線(xiàn)速度， mm/s； 為活動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度， rad/s； t 為時(shí)間變量， s。 式（ 6）與式（ 7）成立的條件分別為 2,215= +4360,1, 2,aaatntntntn （ 8） 與 21,2 15= +4360,1, 2,aaatntntntn （ 9） 光電傳感器要保證機(jī)構(gòu)能檢測(cè)到葉柄，就需要 8 個(gè)傳感器在時(shí)間 th內(nèi)掃描角度合計(jì)超過(guò)水平 360°， 即 ta /4 且 th /4，其中 th=h/v， h 為光電傳感器觸發(fā)距離，mm； th為活動(dòng)環(huán)以速度 v上升 h 所用時(shí)間， s； n 為 0 與正整數(shù)的集合。設(shè)定活動(dòng)環(huán)最大旋轉(zhuǎn)角度為 /2，得： 2 at （ 10） 令 ahtt （ 11） 將式（ 11）代入式（ 10）整理后可得 '2vh （ 12） 式中 為掃描系數(shù)。 當(dāng) =0.5 時(shí)，表示每上升 h 高度，所有光電傳感器合計(jì)掃描主莖水平 360°方向一次；當(dāng) =1 時(shí)，傳感器會(huì)合計(jì)掃描兩次；以此類(lèi)推。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定觸發(fā)距離 h 為 10 mm，傳感器靈敏度在該觸發(fā)距離最穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)較大誤差。 隨機(jī)選擇 15 棵櫻桃番茄植株樣本，經(jīng)測(cè)量，生長(zhǎng) 60 d 左右的櫻桃番茄， 除頂部新生枝葉外， 節(jié)間距 （圖 2）為 50 100 mm，平均為 72.6 mm。分別對(duì) 50 個(gè)葉柄進(jìn)行線(xiàn)速度設(shè)定試驗(yàn)，在保證成功率的前提下提升線(xiàn)速度。經(jīng)過(guò)觀察，當(dāng)測(cè)得葉柄水平投影角度誤差大于 30°時(shí)，攝像機(jī)采集到的圖像中，腋芽被主莖或葉柄遮擋的部分較多，影響后續(xù)機(jī)器視覺(jué)判別腋芽的成功率，因此，當(dāng)測(cè)向機(jī)構(gòu)測(cè)得角度誤差小于 30°時(shí)，可認(rèn)為測(cè)量成功。由圖9 可以得出， v與 的值越大， 值越大，成功率越低；反之，成功率越高，但當(dāng) 值小于 0.5 時(shí)，光電傳感器無(wú)法在觸發(fā)距離內(nèi)及時(shí)掃描水平 360°范圍內(nèi)的所有葉柄， 因此成功率反而降低。為兼顧測(cè)量速度與結(jié)果的成功率，取線(xiàn)速度 v=20 mm/s、角速度 =1.5 rad/s、 =1.5，成功率為 95%。 圖 9 活動(dòng)環(huán)運(yùn)行速度與測(cè)試結(jié)果關(guān)系 Fig.9 Relationship between running speed and test result of active ring 3.3 高度補(bǔ)償對(duì)圖像采集的影響 如圖 4 所示，測(cè)向機(jī)構(gòu)與攝像頭光軸之間有高度差，調(diào)整攝像頭角度后，機(jī)械臂需要升高攝像頭位置使小番茄節(jié)點(diǎn)部位處于攝像頭拍攝畫(huà)面中心部位，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為高度補(bǔ)償。 如圖 10 所示，得到下式： 47j cshh h （ 13） 其中 tan 90shl （ 14） 式中 hj為腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與攝像機(jī)光軸之間的垂直距離， mm；hc為光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，與葉柄上 C 點(diǎn)之間的垂直距離， mm； hs為腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)到 C 點(diǎn)之間的垂直距離， mm； 為葉柄與主莖的夾角， （ ） ； l 為光電傳感器與主莖之間的距離（即為活動(dòng)環(huán)的內(nèi)半徑，為 30 mm） 。 注： C 點(diǎn)為葉柄上觸發(fā)光電傳感器的點(diǎn)； A 為活動(dòng)環(huán)與光電傳感器的橫截面；hc為光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，與葉柄上 C 點(diǎn)之間的垂直距離， mm； hs為腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)到 C 點(diǎn)之間的垂直距離， mm； hj為腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與攝像 機(jī)光軸之間的垂直距離， mm； 為葉柄與主莖的夾角， （ ） ； l 為光電傳感器與主莖之間的距離（即為活動(dòng)環(huán)的內(nèi)半徑，為 30 mm） ；光電傳感器與攝像機(jī)光軸之間的垂直距離為定值 47 mm。 Note: Point C which trigger photoelectric sensor is on the petiole; A is the cross section of photoelectric sensor and active circle; hcis the vertical dimension between photoelectric sensor which has been triggered and point C, mm; hsis the vertical dimension between axillary bud growth point and point C, mm; hjis the vertical dimension between axillary bud growth point and optical camera axis, mm; is the angle between petiole and main stem, (); l is the distance between photoelectric sensor and main stem, also is the inside radius of active circle 30 mm; Vertical dimension between photoelectric sensor and optical camera axis is 47 mm. 圖 10 高度補(bǔ)償示意圖 Fig.10 Diagram of altitude compensation 由于光電傳感器的掃描系數(shù) 為 1.5，即在觸發(fā)距離農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 4610 mm 內(nèi)，掃描葉柄 3 次，可得 hc 6.67,10。 測(cè)量 100 個(gè)樣本中葉柄與主莖之間的夾角 ，其中94 個(gè)樣本 數(shù)值在 45° 90°之間，夾角 越小，進(jìn)行高度補(bǔ)償后，腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與圖片中心的垂直誤差越大。另外 6 個(gè)樣本均為新生葉柄，夾角 的數(shù)值小于 45°，由此得到 hs的數(shù)值在區(qū)間 0,52中，從而得到 hj1.67,57。 通過(guò)攝像頭采集圖像測(cè)試，腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)之間的誤差在 ±40 mm 范圍內(nèi)，不會(huì)影響后續(xù)機(jī)器視覺(jué)判別，圖像中心點(diǎn)處于攝像機(jī)光軸上。進(jìn)行高度補(bǔ)償后，腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的距離應(yīng)盡量小，所以將補(bǔ)償高度的數(shù)值設(shè)定為 hj最大值與最小值的中點(diǎn) 27.665 mm，取整為 28 mm。 用 100 個(gè)樣本進(jìn)行高度補(bǔ)償試驗(yàn)，如果進(jìn)行高度補(bǔ)償后，腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的垂直距離小于 40 cm，即可認(rèn)定試驗(yàn)成功。試驗(yàn)結(jié)果如圖 11 所示，成功率為93%。 圖 11 高度補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果 Fig.11 Altitude compensation test results 4 試驗(yàn)與分析 測(cè)向機(jī)構(gòu)的主體部位由 PC 熱塑性材料通過(guò) 3D 打印制作， 活動(dòng)環(huán)內(nèi)徑設(shè)置為 60 mm； 光電傳感器為 GP2A25- 1F 可調(diào)式；驅(qū)動(dòng)裝置采用 39 步進(jìn)電機(jī)與編碼器；櫻桃番茄植株使用生長(zhǎng) 60 d 左右的荷蘭金滿(mǎn)園品種；并使用 6自由度機(jī)械臂與工業(yè)攝像頭配合以測(cè)試圖像采集的效果。 當(dāng)測(cè)得葉柄水平投影角度誤差小于 30°，且腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)之間的誤差絕對(duì)值小于 40 mm 時(shí)，圖片采集成功。 通過(guò)對(duì) 42 株櫻桃番茄的 153 個(gè)葉柄進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在高度 1.8 m 內(nèi)，圖片采集的成功率為 88.2%，超過(guò)該高度，則成功率急劇下降。分析認(rèn)為，小番茄植株頂部為新生葉柄，相鄰葉柄高度差過(guò)小，且葉柄葉片和主莖之間的距離小于活動(dòng)環(huán)半徑。由于腋芽長(zhǎng)度小于 5 cm時(shí)，制造的營(yíng)養(yǎng)量大于消耗的量，所以，可暫時(shí)不摘除腋芽，待其生長(zhǎng)長(zhǎng)度超過(guò) 5 cm 時(shí)，即可達(dá)到摘除條件。 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，櫻桃番茄主莖同一節(jié)點(diǎn)有時(shí)會(huì)同時(shí)生長(zhǎng)兩條葉柄，水平夾角為 180°，光電傳感器無(wú)論先檢測(cè)到哪一條葉柄，都不會(huì)對(duì)末端執(zhí)行器的角度調(diào)整造成干擾。 5 結(jié) 論 1）測(cè)向機(jī)構(gòu)活動(dòng)環(huán)采用雙半環(huán)開(kāi)合設(shè)計(jì)，環(huán)形內(nèi)徑為 60 mm，防止運(yùn)行時(shí)卡住和葉片干擾。測(cè)向機(jī)構(gòu)在縮回時(shí)不會(huì)出現(xiàn)在攝像頭鏡頭內(nèi)，減少了機(jī)器視覺(jué)處理圖片時(shí)的干擾。 2）活動(dòng)環(huán)上升過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行 90°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度由上升線(xiàn)速度決定，設(shè)定掃描系數(shù)為 1.5，防止錯(cuò)過(guò)葉柄；線(xiàn)速度設(shè)定為 20 mm/s，角速度為 1. 5 rad/s，葉柄生長(zhǎng)方向檢測(cè)成功率為 95%。 3） 高度補(bǔ)償設(shè)定為 28 mm， 保證移動(dòng)末端執(zhí)行器后，腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)都處于攝像頭鏡頭之內(nèi)，高度補(bǔ)償成功率為93%。 通過(guò)試驗(yàn)對(duì) 42 株櫻桃番茄的 153 個(gè)葉柄進(jìn)行測(cè)試，在 1.8 m 高度內(nèi)的圖像采集總成功率為 88.2%。 本文提出的測(cè)向方法與機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確地得到葉柄的生長(zhǎng)方向，獲取符合需要的櫻桃番茄節(jié)點(diǎn)部位圖像，為后續(xù)腋芽生長(zhǎng)點(diǎn)判定與摘除提供技術(shù)支撐。 參 考 文 獻(xiàn) 1 劉小林 . “圣女”櫻桃小番茄栽培技術(shù) J. 北方園藝，2005(5)： 22 23. 2 蔡健榮，孫海波，李永平，等 . 基于雙目立體視覺(jué)的果樹(shù)三維信息獲取與重構(gòu) J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2012， 43(3)： 152 156. 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