應用于蘋果采摘機器人.doc

應用于蘋果采摘機器人 劉兆祥，劉岡，喬軍摘要：為獲得蘋果的深度信息，實現(xiàn)蘋果采摘機器人對蘋果的三維定位，研制了一種基于主動三角測量原理的激光距離傳感器該傳感器在信號接收單元增加了窄帶通干涉濾光片，削弱了太陽光的影響；系統(tǒng)采用同步檢波的信號采集方法有效地抑制了外界干擾，實現(xiàn)了距離的精確測量試驗結果表明。這種傳感器可以在近距離范圍獲得蘋果的深度信息，而且不受環(huán)境影響，在150800 mm距離范圍內(nèi)，最大距離偏差不超過13 mm關鍵詞：距離傳感器；激光；三角測量；調(diào)制；檢波 在果實采摘過程中獲得果實的深度信息是對果實進行三維定位的關鍵，果實的定位精度對最終的采摘效率和采摘質(zhì)量有著決定性的影響傳統(tǒng)的雙目立體視覺技術可以獲得果實的深度信息，不過由于立體匹配實現(xiàn)起來比較困難，而且容易受到外界環(huán)境的影響，使得定位精度受到限制。三維視覺傳感器也可以獲得果實的深度信息，精度也較高，但是這種傳感器速度較慢而且成本較高除此之外，采用單個攝像機加距離傳感器的視覺系統(tǒng)也可以實現(xiàn)果實三維定位，利用攝像機獲取果實的二維坐標，利用距離傳感器獲取果實的深度信息和上述的兩種方法相比，此方法在獲得果實深度信息時既可以省去雙目立體視覺復雜的立體匹配過程，又可以提高速度，同時受環(huán)境影響小，而且成本相對較低，其中距離傳感器的精度對視覺系統(tǒng)三維定位的精度尤為關鍵文獻8在草莓采摘機器人中采用了CCD彩色攝像和紅外接近開關的視覺系統(tǒng)，由于這種紅外接近開關利用反射光的強度來判斷距離，所以反射強度容易受到探測物體的顏色和表面形狀干擾，導致定位誤差較大文獻9在估計柑橘產(chǎn)量時采用了攝像機加超聲波傳感器的視覺系統(tǒng)，利用超聲波傳感器得到的距離信息來推算果實的尺寸，不過由于超聲波傳感器方向性較差等原因，結果存在一定的誤差此外，工業(yè)中使用的激光測距儀雖然已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是很難直接應用在果實采摘機器人中，這是由于：工業(yè)中使用的激光測距儀一般基于飛行時間法、調(diào)幅相移法和三角法，基于前兩種測量方法的測距儀多適用于中遠距離測量，雖然測量結果受環(huán)境影響小，但是由于實現(xiàn)起來比較復雜，導致價格較為昂貴【l0l，不符合農(nóng)業(yè)采摘機器人低成本的要求；基于三角法的測距儀雖然成本較低，但是其應用環(huán)境為結構化的工業(yè)環(huán)境，在復雜的非結構的農(nóng)業(yè)環(huán)境中，由于光強變化劇烈，其測測量結果受環(huán)境影響較大所以文中設計開發(fā)一種基于主動三角測量原理的激光距離傳感器，結合CMOS攝像機，構建蘋果采摘機器人的低成本視覺系統(tǒng)，為蘋果采摘機器人的開發(fā)提供技術支持1總體結構設計它包括激光發(fā)射器、信號接收單元、信號采集與控制單元、Rs一232輸出線、電源以及外殼激光發(fā)射器選擇蘋果反射率較高的紅外激光器，幾何尺寸為45 mm4,18 mm(長直徑)，波長為830 nm，功率為30 mw，光斑直徑為5 mm信號接收單元采用鋁制密封結構，可以消除部分背景光對傳感器的影響，其內(nèi)部包括凸透鏡、濾光片和PSD傳感器(position sensitive detector)，凸透鏡直徑為15 mm，焦距為20 mm，濾光片采用特征波長為830 nm的帶通干涉濾光片，全帶寬為200 nm，可以濾除大部分背景光，PSD傳感器的光敏面為13 mill15 mm，位置分辨能力為6斗m，光譜響應范圍為3801 100 nln信號采集與控制單元主要包括CPU、激光驅(qū)動電路、接收信號調(diào)理電路以及AD轉換器等。傳感器采用5 V的蓄電池提供電源，其外殼采用鋁制結構，其他部分通過螺絲連接固定在外殼上，并通過信號采集與控制單元引出一條RS一232連接線，用于實時傳輸測量結果2激光距離傳感器 由于激光三角法適用于近距離測量，而且實現(xiàn)相對簡單，所以文中采用三角法測量方案，圖2給出了激光距離傳感器的工作原理 激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)物體漫反射后，通過凸透鏡和濾光片聚焦在PSD表面，根據(jù)橫向光電效應可知： 式中，如分別為A，8兩端輸出的電流；L為PSD光敏面長度的一半；z為光斑中心到PSD光敏面中心的距離根據(jù)相似三角形可得： 式中，為凸透鏡的焦距；日為透鏡與激光器的距離；D為物體到傳感器的距離因此可以得到物體的距離： 4試驗與分析為檢驗傳感器可靠性和穩(wěn)定性，利用開發(fā)的激光距離傳感器分別在多云(陰天)以及晴朗(陽光較強烈)的室外環(huán)境下進行了茉莉斯蘋果的測距試驗在每次試驗過程中，將茉莉斯蘋果同定在激光距離傳感器正前方，在150800 him的距離范圍內(nèi)，每隔50 mm作為一個測量點，每個點測量100次，測量結果通過RS一232總線輸出到筆記本中試驗取測量結果的平均值、測量結果與實際距離的極差以及測昔結果的標準偏差作為評價指標來進行統(tǒng)計分析，平均值和極差可從整體上反映距離測量的精度和可靠性，標準偏差可反映距離測量的穩(wěn)定性圖4為兩種光照強度狀況下的各測量點處測量結果的平均值可以發(fā)現(xiàn)，兩種狀況下的測量結果與實際距離均呈良好的線性關系，兩條擬合直線基本重合，相關系數(shù)砰均接近于1，測量結果并不隨天氣光照強度的變化而呈明顯變化圖5為兩種光照強度狀況下的各測量點處測量結果與實際距離的極差可以發(fā)現(xiàn)，極差并不隨著天氣光照強度狀況的變化而呈明顯變化，而且兩種光照強度狀況下的極差均不超過13 mm圖6為兩種光照強度狀況下的各測量點處測量結果的標準偏差可以發(fā)現(xiàn)，同極差一樣，標準偏差并不隨著天氣光照強度的變化而呈明顯變化，且兩種光照強度狀況下的標準偏差均不超過24 mm，激光距離傳感器的輸出信號比較平穩(wěn)，穩(wěn)定在平均值附近，波動較小該傳感器可以有效地消除背景光和暗電流所造成的誤差，具備較高定位精度5 結論 在開發(fā)蘋果采摘機器人過程中，為獲得蘋果的深度信息，文中研制了一種激光距離傳感器通過對試驗結果的分析可知，該激光距離傳感器在不同光照強度下信號輸出穩(wěn)定，可以有效地消除背景光和暗電流所造成的誤差，在150800 mm距離范圍內(nèi)，最大距離偏差13 mm通常情況下，該