[发明专利]一种类球形果实的采摘顺序动态规划方法

说明书

本发明公开了一种类球形果实的采摘顺序动态规划方法，设计了将感知点与采摘点一起进行规划的动态收获感知方法。机械臂每次采摘或感知完成后经过判断进行权值更新，添加了果实深度信息的权值更新规则。本发明所提出的动态收获感知采摘顺序规划方法在动态规划方法的基础上将采摘的感知点与采摘点相结合，与传统的基于经验的采摘顺序规划方法、全局感知方法和批量感知等方法相比，所规划的采摘顺序不仅采摘路径短，且实时性强，提高了采摘机器人的采摘效率和采摘成功率。对所设计的动态收获感知采摘顺序规划方法进行了改进，加入了基于三维空间的前后果实采摘顺序规划，避免了因采摘顺序导致的果实破坏，降低了果实采摘破坏率。

技术领域

本发明属于机器人果实采摘领域，特别涉及类球形果实的采摘，是用于植物大棚、植物工厂等果实量大、果实分布不均匀，需要采摘机器人独立完成采摘任务的领域。

背景技术

随着植物大棚、植物工厂的规模庞大化以及人力成本的提高，果蔬采摘与收获的智能化成为各国农业的迫切需求。伴随着计算机、图像处理等领域的技术突破，果蔬采摘机器人得到了迅速的发展。如美国弗罗里达大学开发的柑橘采摘机器人、以色列内盖夫本哈古里安大学开发的应用于商业温室中的甜椒采摘机器人、上海交通大学开发的双臂采摘机器人等。采摘机器人技术日趋成熟并逐渐向商用方向发展。

但是各国高校和研究所都致力于采摘机器人的果实识别和机械臂避障等方面的研究，鲜有对于果实采摘顺序的研究，采摘机器人几乎都是采用不进行任何优化策略的固定顺序采摘，效率低且易损伤果实。仅有的一些研究也都存在着许多弊端，如专利公开号为CN105773614B的“一种基于双目视觉的空间降维果实采摘顺序规划系统及方法”，该专利所述方法需要双目相机旋转多个角度才能获取全局信息，检测效率和采摘效率低；采摘顺序使用全局规划，实时性差，采摘机器人在执行采摘时果实位置可能已经发生了变化，采摘成功率低；对采摘目标进行了降维处理，其采摘顺序并不是最优；采摘顺序未考虑果实深度信息，可能对果实造成破坏。

发明内容

为了克服目前常用的基于经验规定的从上到下、从左到右的采摘方法采摘效率低、易造成果实损坏的问题，本发明从提高整体果实收获速度、提高果实采摘成功率、降低果实破坏率的角度考虑，提出了一种类球形果实的采摘顺序动态规划方法。

所述采摘顺序规划方法应用于采摘苹果、西红柿等类球形果实的采摘机器人。所述采摘机器人采用移动轮式机器人平台安装六自由度采摘机械臂、采摘机械臂末端安装深度相机的形式进行采摘。所述采摘机器人夹爪下方安装有与收获筐相连的软管，采摘机器人在每次采摘之后果实会直接沿着软管进入收获筐，采摘机器人不需要往返于采摘点与收获筐。移动机器人到达采摘区域后，深度相机进行环境感知，采集环境的RGBD图像，并利用深度学习算法对环境中的果实进行识别，将识别到的果实的中心点位置信息进行发布。下文中将深度相机进行感知的位置称为感知点，移动机器人每移动一次为一个新的地点。

由于采摘环境狭小，采摘机械臂与植物之间距离较近，相机拍摄范围有限，同一个地点深度相机进行一次感知无法获取该地点所有的环境信息，果实也会因为枝叶的遮挡无法在同一个感知点感知到所有的果实。因此在同一个采摘地点设置机械臂末端移动到不同的位置使深度相机能够在不同的位置进行多次感知。感知点的个数根据采摘环境的不同进行调整，直到能够使深度相机感知此采摘点的所有环境信息。

采摘顺序最优，即采摘机器人在保证采摘成功率的情况下完成整体采摘任务的采摘消耗总时间最短或采摘消耗总能量最小的果实采摘顺序。为了使整体采摘时间最短，只需让采摘机器人在每个地点的采摘时间最短。采摘机器人完成一个地点的所有果实的采摘时间可以由式(1)表示。

T_A＝T_C+H_CN_H+S_CN_S (1)