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1、(10)授权公告号 CN 102696411 B (45)授权公告日 2013.11.13 CN 102696411 B *CN102696411B* (21)申请号 201210110455.X (22)申请日 2012.04.13 A01G 3/08(2006.01) (73)专利权人 浙江工业大学 地址 310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区 (72)发明人 杨庆华 贾挺猛 荀一 刘灿 (74)专利代理机构 杭州天正专利事务所有限公 司 33201 代理人 王兵 王利强 NL 1024702 C2,2005.05.09, 说明书第 1-10 页， 附图 1. DE 2944218 A1。
2、,1981.05.14, 说明书第 5-9 页， 附图 1-4. CN 101356877 A,2009.02.04, 说明书第 1-9 页， 附图 1-5. EP 0974262 A1,2000.01.26, 全文 . EP 0974262 A1,2000.01.26, 全文 . WO 2005036950 A1,2005.04.28, 全文 . US 6698176 B2,2004.03.02, 全文 . AU 6547101 A1,2002.03.07, 全文 . CN 201854579 U,2011.06.08, 全文 . (54) 发明名称 基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置 (57)。
3、 摘要 一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 包 括自动导航车载平台、 图像采集箱、 整枝模块和剪 枝模块， 所述的图像采集箱安装于自动导航车载 平台上， 图像采集箱分作业区和设备区两空间， 整 枝模块安装于工作区， 剪枝模块安装于设备区 ； 自动导航车载平台包括云台摄像机、 驱动轮和从 动轮 ； 整枝模块包括切割锯和吹风机， 剪枝模块 包括双目摄像机、 农业剪枝机械臂和工控机， 农业 剪枝机械臂中自下而上依次连接基座、 肩关节、 大 臂、 肘关节、 小臂和腕关节， 所述腕关节与末端修 枝剪连接， 双目摄像机用于采集葡萄树枝图像， 农 业剪枝机械臂用于完成剪枝作业， 工控机用于图 像分析处理和。
4、机械臂轨迹规划。本发明能降低劳 动强度、 提高工作效率。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 吴艳艳 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)授权公告号 CN 102696411 B CN 102696411 B *CN102696411B* 1/1 页 2 1. 一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 其特征在于 ： 包括自动导航车载平台、 图 像采集箱、 整枝模块和剪枝模块， 所述的图像采集箱安装于自动导航车载平台上， 所述的图 像采集箱分作业区和设备区两空间， 整枝。
5、模块安装于工作区， 剪枝模块安装于设备区 ； 所述的自动导航车载平台包括云台摄像机、 驱动轮和从动轮， 云台摄像机安装于自动 导航车载平台正前方， 用于获取路径图像信息 ； 电机驱动器安装于自动导航车载平台内， 用于驱动行走机构 ； 所述电机驱动器与行走驱动电机连接， 所述行走驱动电机与驱动轮联 动 ； 所述的整枝模块包括切割锯和吹风机， 切割锯用于切割过长的树枝吹风机， 用于剪枝 前吹落残留枯叶， 切割机和吹风机均有电机驱动器控制， 电机驱动器与切割电机和吹风电 机连接 ； 所述的剪枝模块包括双目摄像机、 农业剪枝机械臂和工控机， 农业剪枝机械臂中自下 而上依次连接基座、 肩关节、 大臂、 。
6、肘关节、 小臂和腕关节， 所述腕关节与末端修枝剪连接， 双目摄像机用于采集葡萄树枝图像， 农业剪枝机械臂用于完成剪枝作业， 工控机用于图像 分析处理和机械臂轨迹规划 ； 所述的图像采集箱包括背景墙、 顶盖和设备间， 所述的背景墙 为一面单一纯白色视觉采集背景墙， 用于隔离复杂背景 ； 吹风机设置于顶盖正中间 ； 吹风 机两侧装有两只高频荧光灯管作为顶光源 ； 在设备间顶面正前方设有两只高频荧光灯作 为正光源 ； 设备间底面正前部设有农业剪枝机械臂 ； 在农业剪枝机械臂两侧设有双目摄像 机 ； 在设备间底面正后方设有工控机。 2. 如权利要求 1 所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 其特征在。
7、于 ： 背景墙、 顶盖 和设备间两侧边缘位置设有切割锯安装空间， 所述 切割锯安装空间由隔板隔开。 3. 如权利要求 2 所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 其特征在于 ： 一辆自动导 航车载平台上装载至少左右各一个图像采集箱。 4. 如权利要求 3 所述的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 其特征在于 ： 所述顶盖与 背景墙、 设备间的连接采用螺栓固定。 权 利 要 求 书 CN 102696411 B 2 1/4 页 3 基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置 技术领域 0001 本发明涉及智能农业机械领域， 尤其是一种葡萄冬剪作业装置。 背景技术 0002 葡萄树的修剪可以调节生长和结果的关系。
8、， 以增加葡萄产量。每年葡萄种植需要 进行冬剪、 更新修剪、 夏剪等多次剪枝整枝。 在葡萄树种植过程中， 剪枝环节工作量大， 任务 繁重。 目前， 剪枝环节仍然以人工作业为主， 机械化水平很低， 劳动强度很大， 需要更加高效 省力的设备， 将果农从繁重的手工劳动中解救出来。 0003 机器视觉是研究计算机模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术， 是涉及人工 智能、 神经生物学、 计算机科学、 图像处理以及模式识别等多个领域的交叉学科。机器视觉 技术是20世纪70年代初期在遥感图片和生物医学图片分析两项应用技术取得卓有成效后 开始兴起的， 其理论基础是 70 年代中后期逐渐形成的 Marr 视觉。
9、计算理论。计算机视觉技 术在农业机械上的研究与应用， 始于20世纪70年代末期， 主要研究集中与农产品分选机械 中利用计算机视觉技术对农产品(如苹果、 桃、 香蕉、 西红柿、 黄瓜等)进行品质检测和分级 等， 有些已取得了实用性成果。 0004 目前对于葡萄树枝图像处理的算法研究甚少。 在应用机器视觉于剪枝作业时我们 会碰到以下问题 ： 鉴于葡萄树属于藤本植物， 生长比较自由， 树枝间容易出现纵横交错 ； 土 壤颜色与冬季葡萄树枝颜色相近 ； 冬季枯叶遮挡树枝， 影响树枝图像采集等。 这类问题使得 在采集葡萄树图像时背景变得复杂， 这给应用机器视觉识别葡萄树枝时增加了算 法难度。 同时由于图像。
10、信息冗余， 应用基于机器视觉的剪枝作业实时性较差。这些问题迫切要求我 们需要改进基于机器视觉的葡萄树剪枝系统。 发明内容 0005 为了克服已有葡萄冬剪作业的劳动强度大、 工作效率较低的不足， 本发明提供一 种降低劳动强度、 提高工作效率的基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置。 0006 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 0007 一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 包括自动导航车载平台、 图像采集箱、 整 枝模块和剪枝模块， 所述的图像采集箱安装于自动导航车载平台上， 所述的图像采集箱分 作业区和设备区两空间， 整枝模块安装于工作区， 剪枝模块安装于设备区 ； 0008 所述的自动导航。
11、车载平台包括云台摄像机、 驱动轮和从动轮， 云台摄像机安装于 自动导航车载平台正前方， 用于获取路径图像信息 ； 电机驱动器安装于自动导航车载平台 内， 用于驱动行走机构 ； 所述电机驱动器与行走驱动电机连接， 所述行走驱动电机与驱动轮 联动 ； 0009 所述的整枝模块包括切割锯和吹风机， 切割锯用于切割过长的树枝， 吹风机用于 剪枝前吹落残留枯叶， 切割机和吹风机均有电机驱动器控制， 电机驱动器与切割电机和吹 风电机连接 ； 说 明 书 CN 102696411 B 3 2/4 页 4 0010 所述的剪枝模块包括双目摄像机、 农业剪枝机械臂和工控机， 农业剪枝机械臂中 自下而上依次连接基。
12、座、 肩关节、 大臂、 肘关节、 小臂和腕关节， 所述腕关节与末端修枝剪连 接， 双目摄像机用于采集葡萄树枝图像， 农业剪枝机械臂用于完成剪枝作业， 工控机用于图 像分 析处理和机械臂轨迹规划。 0011 进一步， 所述的图像采集箱包括背景墙、 顶盖和设备间， 所述的背景墙为一面单一 纯白色视觉采集背景墙， 用于隔离复杂背景 ； 吹风机设置于顶盖正中间 ； 吹风机两侧装有 两只高频荧光灯管作为顶光源 ； 在设备间顶面正前方设有两只高频荧光灯作为正光源 ； 设 备间底面正前部设有农业剪枝机械臂 ； 在农业剪枝机械臂两侧设有双目摄像机 ； 在设备间 底面正后方设有工控机。 0012 背景墙、 顶盖。
13、和设备间两侧边缘位置设有切割锯安装空间， 所述切割锯安装空间 由隔板隔开。 0013 一辆自动导航车载平台上装载至少左右两个图像采集箱。 0014 所述顶盖与背景墙、 设备间的连接采用螺栓固定。 0015 本发明的有益效果主要表现在 ： 在基于机器视觉的葡萄冬剪作业方法中， 在图像 采集方面， 能够有效解决复杂背景对于目标树枝图像采集时的干扰问题， 简化了图像识别 算法 ； 在工作效率方面， 减少了图像信息数据量， 增强了葡萄树枝识别和修剪的实时性、 准 确性。 附图说明 0016 图 1 为葡萄冬剪作业装置的总体结构示意图 ； 0017 图 2 为葡萄冬剪作业装置的背景墙示意图 ； 0018。
14、 图 3 为葡萄冬剪作业装置的顶盖仰视图 ； 0019 图 4a 为葡萄冬剪作业装置的设备间结构示意图 ； 0020 图 4b 为图 4a 的侧视图。 0021 图 5 为葡萄冬剪作业装置的工作流程图。 0022 其中， 1、 自动导航车载平台 ； 2、 图像采集箱 ； 3、 整枝模块 ； 4、 剪枝模块 ； 5、 背景墙 ； 6、 顶盖 ； 7、 设备间 ； 8、 云台摄像机 ； 9、 驱 动轮 ； 10、 从动轮 ； 11、 切割锯 ； 12、 吹风机 ； 13、 双 目摄像机 ； 14、 农业剪枝机械臂 ； 15、 工控机 ； 16、 顶光源 ； 17、 正光源 ； 18、 基座 ； 1。
15、9、 肩关节 ； 20、 大臂 ； 21、 肘关节 ； 22、 小臂 ； 23、 腕关节 ； 24、 末端修枝剪。 具体实施方式 0023 下面结合附图和本实施例对本发明作进一步详细的描述。 0024 参照图 1 图 5， 一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置， 包括自动导航车载平台 1、 图像采集箱2、 整枝模块3、 剪枝模块4。 本发明所述的图像采集箱安装于自导导航车载平 台上， 分作业区和设备区两空间， 由背景墙 5、 顶盖 6、 设备间 7 三部分组成。整枝模块 3 安 装于工作区， 剪枝模块 4 安装于设备区。 0025 所述的自动导航车载平台 1 包括云台摄像机 8、 驱动轮 9 和。
16、从动轮 10， 云台控制器 8 安装于自动导航车载平台车头正前方， 用于获取路径图像信息 ； 电机驱动器安装于自动 导航车载平台内， 用于驱动行走机构 ； 所述电机驱动器与行走驱动电机连接， 所述行走驱动 说 明 书 CN 102696411 B 4 3/4 页 5 电机与驱动轮联动 ； 所述电机驱动器由工控机通过运动控制卡控制。 0026 所述的整枝模块3包括切割锯11和吹风机12， 切割锯11用于切割过长的树枝， 吹 风机 12 用于剪枝前吹落残留枯叶， 切割机 11 和吹风机 12 均有电机驱动器控制， 电机驱动 器与切割电机和吹风电机连接。所述电机驱动器由工控机通过运动控制卡控制。 0。
17、027 所述的剪枝模块包括双目摄像机13、 农业剪枝机械臂14和工控机15， 农业剪枝机 械臂14中自下而上依次连接基座18、 肩关节19、 大 臂20、 肘关节21、 小臂22和腕关节23， 所述腕关节与末端修枝剪连接， 采用 5 自由度设计， 即基座 18 旋转、 肩关节 19 俯仰、 肘关节 21 俯仰、 腕关节 23 俯仰、 腕关节 23 旋转。双目摄像机 13 用于采集葡萄树枝图像， 图像采集 卡用于传送图像信息， 农业剪枝机械臂14用于完成剪枝作业， 工控机15用于图像分析处理 和机械臂轨迹规划。 0028 所述的图像采集箱 2 包括背景墙 5、 顶盖 6 和设备间 7 0029 。
18、进一步， 所述的图像采集箱 2 包括背景墙 5、 顶盖 6 和设备间 7， 所述的背景墙 5 为 一面单一纯白色视觉采集背景墙， 用于隔离复杂背景 ； 吹风机 12 设置于顶盖 6 正中间 ； 吹 风机 12 两侧装有两只高频荧光灯管作为顶光源 17 ； 在设备间 7 顶面正前方设有两只高频 荧光灯作为正光源 16 ； 设备间底面正前部设有农业剪枝机械臂 14 ； 在农业剪枝机械臂 14 两侧设有双目摄像机 13 ； 在设备间底面正后方设有工控机 15。 0030 背景墙 5、 顶盖 6 和设备间 7 两侧边缘位置设有切割锯 11 安装空间， 所述切割锯 11 安装空间由隔板隔开。一辆自动导航。
19、车载平台上装载至少左右两个图像采集箱。 0031 另外， 顶盖 6 与背景墙 5、 设备间 7 的连接采用螺栓固定本发明所述的剪枝作业方 法为 ： 0032 （1） ， 开启自动导航并整枝。自动导航车载平台 1 沿着葡萄园单通道路移动， 葡萄 冬剪作业装置2也随之移动。 切割锯11切割过长的树枝， 使进入工作区的树枝长度合理， 便 于后续的剪枝作业 ； 吹风机 12 吹落枯叶， 消除枯叶对于采集葡萄树枝图像时的遮挡干扰。 0033 （2） ， 葡萄冬剪作业装置 2 移动到合理空间位置 （一般位移为一块背景墙的宽度） ， 切割锯 11 停止， 吹风机 12 停止。 0034 （3） ， 采集葡萄。
20、树枝图像。顶光源 16 和正光源 17 提供主动光源 （正光源 17 可手动 实现角度、 位置调整） ， 消除背景墙上的阴影， 开启双目摄像机 13。 0035 （4） ， 分析处理葡萄树枝图像。双目摄像机 13 采集到的图像信息通过图像采集卡 传送到工控机 15。 0036 工控机 15 对图像信息进行图像预处理、 图像增强、 图像分割、 图像识别等处理步 骤。 根据葡萄树枝枝干和主干在形态学上的差异来识别目标， 分析并确定剪枝点， 提取剪枝 点三维坐标信息。 0037 （5） ， 规划农业剪枝机械臂 14 运动轨迹。根据剪枝点三维坐标信息， 工控机 15 对 农业剪枝机械臂 14 进行运动。
21、轨迹规划， 计算出各关节最佳运动参数。 0038 （6） ， 完成剪枝作业。工控机 15 发送控制指令， 通过运动控制卡实现对农业剪枝机 械臂 14 各关节的动作控制， 最终实现剪枝作业。 0039 （7） ， 农业剪枝机械臂 14 恢复原始位姿。剪枝作业完毕后， 农业剪枝机械臂 14 收 回至设备间 7， 恢复原始位姿， 并发送剪枝结束指令到工控机 15。 0040 （8） ， 启动切割锯 11 和吹风机 12。收到剪枝结束指令后， 工控机 15 发送指令至运 说 明 书 CN 102696411 B 5 4/4 页 6 动控制卡， 启动切割锯 11 和吹风机 12， 开始下一工作位置的整枝。
22、工作。 0041 （9） ， 启动自动导航车载平台 1。工控机 15 发送自动导航车载平台启动指令， 自动 导航车载平台 1 开始移动到下一工作位置并剪枝。如此类推， 重复作业。 0042 （10） ， 剪枝作业结束。待单排葡萄树全部完成剪枝作业后， 停机。 0043 本实施例中， 切割锯 11 采用 1380W 的木材切割锯。 0044 顶光源 16 由两只 20W 频闪为 30kHz 的高频荧光灯管组成， 并排分布在顶盖 6 上。 正光源 17 主要采用两只高频荧光灯泡， 两灯照明角度可以人工调整， 结合实际光照环境， 消除阴影干扰。 0045 图像采集卡采用 Morphis 图像采集卡，。
23、 双目摄像机 13 采用 44W 像素的 CCD 工业摄 像机。双目摄像机 13 固定在设备间底面前部， 图像采集卡插入工控机 15 内的 PCI 槽， 工控 机 15 固定在设备间 7 底面后部。 0046 运动控制卡采用基于 TMS320F2812 的 PCI 总线通用运动控制卡。运动控制卡插入 工控机 14 内的 PCI 槽。 0047 本发明涉及的一种基于机器视觉的葡萄冬剪作业装置能够有效解决复杂背景对 于目标树枝采集时的干扰问题， 简化了图像识别算法， 提高了工作效率， 增强了葡萄树枝识 别和剪枝的实时性、 准确性。 0048 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述， 并非本发明的构思 和范围进行限定， 对于本技术领域的技术人员， 在不脱离本发明设计构思的前提下， 可对本 发明的技术方案做出的各种变型和改进， 均落入本发明的保护范围。 说 明 书 CN 102696411 B 6 1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102696411 B 7 2/4 页 8 图 3 图 4a 说 明 书 附 图 CN 102696411 B 8 3/4 页 9 图 4b 说 明 书 附 图 CN 102696411 B 9 4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 102696411 B 10 。