基于智能圖像識別的雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)設計*

趙 龍，劉曉野

（1.黑龍江東方學院計算機科學與電氣工程學部，黑龍江 哈爾濱 150066；2.哈爾濱遠東理工學院經(jīng)濟管理學院，黑龍江 哈爾濱 150016；3.東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

目前，我國雙孢蘑菇（Agaricus bisporus） 工廠化生產(chǎn)正處于一個快速發(fā)展的階段，床架式栽培方法為其主要生產(chǎn)模式[1]。在雙孢蘑菇的生產(chǎn)過程中，其成熟子實體的采摘收獲是一個重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)工作量較大，需要采用先進的自動化、機械化設備來完成，以解放勞動力，提高生產(chǎn)效率，然而目前我國相關設備研發(fā)尚處于初級階段。

近年來，伴隨著自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)等高新技術(shù)的不斷引入，使傳統(tǒng)的機械設備在人機工程和控制精度等方面具備了很大的提升空間，局部控制它們的自動化甚至整機的完全自動化、智能化的實現(xiàn)已成為可能[2-3]。加上計算機圖像識別技術(shù)的飛速發(fā)展，機械設備的視覺系統(tǒng)有了很大的提升。這為食用菌自動采摘系統(tǒng)的研究奠定了基礎，因此，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)等競相投入人力、財力及物力，進行有關食用菌無損化采摘系統(tǒng)的研究和開發(fā)[4-5]。

由于食用菌生產(chǎn)實際環(huán)境條件限制，如陰暗、潮濕等，機器成像質(zhì)量普遍不高，加上成像背景的菌床、菌絲等干擾因素，使得圖像背景十分復雜，難以補機器辨識，圖像處理難度較大。

在食用菌無損化采摘技術(shù)的研究中，人們希望得到一個智能化和自動化的食用菌采摘機器[6]，能夠自主識別食用菌作業(yè)對象物并完成采摘任務。利用先進的食用菌圖像處理識別技術(shù)[7]，設計一種雙孢蘑菇無損化采摘的智能控制系統(tǒng)，可以提高雙孢蘑菇無損采摘效率，提升商品品質(zhì)。

1 系統(tǒng)機構(gòu)設計

雙孢蘑菇采摘需要有一套機械機構(gòu)行使控制指令，這就需要研究雙孢蘑菇采摘機器的行走驅(qū)動原理和方法，設計整套的行走控制系統(tǒng)，安全可靠地執(zhí)行無損采摘任務。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計

雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)機構(gòu)設計時應該盡可能地縮短傳動，簡化機構(gòu)以便減少誤差提高精度，以適應雙孢蘑菇采摘栽培時的小空間移動需求。

整機的自動控制系統(tǒng)采用上下位機控制，上位機主要用來對采摘任務和運動進行規(guī)劃，下位機的主要任務是把上位機的命令轉(zhuǎn)化為控制電液閥的電信號，再由電液閥驅(qū)動工作裝置完成采摘后的裝載等任務。采用電氣控制增加了采摘動作的柔性，避免了機械剛性運動所帶來的損傷。

1.2 主要部件結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計

雙孢蘑菇采摘重點改進了傳動采摘機構(gòu)的回轉(zhuǎn)裝置，采用了更加柔性的機構(gòu)，以適應雙孢蘑菇采摘無損傷采摘需求。

回轉(zhuǎn)裝置是雙孢蘑菇采摘機器關鍵部件之一，支撐著采摘裝置的上部運動，因此必須得承受一定的傾覆力矩以及扭矩。所以綜合考慮選擇采用回轉(zhuǎn)驅(qū)動作為本機器回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)形式。

回轉(zhuǎn)驅(qū)動是一種新型的回轉(zhuǎn)類產(chǎn)品，由于其核心部件采用的回轉(zhuǎn)支承是在蝸輪蝸桿的基礎上集成了蝸輪蝸桿安裝時所需的支撐軸承，安裝架等部件，所以結(jié)構(gòu)緊湊，同時可以承受較大的徑向力、軸向力以及傾翻力矩。

1.2.2 料斗的結(jié)構(gòu)設計

為了避免雙孢蘑菇采摘后的損傷，裝載時也需要對料斗結(jié)構(gòu)進行重新設計，減少雙孢蘑菇相互積壓造成破損，保持原有品相。

裝載采摘雙孢蘑菇的料斗的功能和自卸車車廂的功能類似，為了避免雙孢蘑菇在傾倒時被料斗內(nèi)卡住，不便傾卸，設計了簸箕形內(nèi)部形狀，底板前窄后寬，單邊角度（18±1.58） °，橫斷面下窄上寬，單邊角度也是（18±1.58） °。料斗在傾倒時的角度設計要小，以采摘后的雙孢蘑菇可以在料斗中以自重進行滑動為準，避免傾倒角度過大造成雙孢蘑菇的互相擠壓。

2 雙孢蘑菇圖像采集與識別算法

雙孢蘑菇對象的識別是雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一。

識別雙孢蘑菇對象的目的是通過獲取場景中雙孢蘑菇子實體與攝像機的相對距離，進而確定對象物與雙孢蘑菇采摘機器之間的距離和方位，以便進行采摘機器的行走控制。利用視覺系統(tǒng)識別作業(yè)對象物，通過圖像采集設備配合圖像識別算法來發(fā)送控制指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作業(yè)，需要首先進行雙孢蘑菇圖像采集方案和定位識別算法等方面的設計。

2.1 雙孢蘑菇株體相對位置識別算法

通常雙孢蘑菇采摘機器的作業(yè)對象物是子實體，外形會有一定的差異，需要逐一識別成熟菌體進行采摘，即需要利用頂點的唯一性來準確匹配兩臺攝像機所成像的對應點。

假設在某個豎直面上突出一個底部大頭頂小的形狀不規(guī)則部分（近似以錐體表示），假設該部分的底面和背面分別與背景的水平面、豎直面重合，這是因為這兩面 CCD（charge coupled device，CCD）拍攝不到。在雙孢蘑菇采摘機器的機身上安裝兩臺空間平行且各性能參數(shù)均相等的CCD攝像機，見圖1a；兩臺攝像機間的距離見圖1b。

由圖1a、圖1b可知，右CCD的投影面中心在基坐標中的坐標值為（b，0，0），左CCD的投影面中心在基坐標中的坐標值為（0，0，0），基坐標系就是圖中的空間坐標系。

假設對象物在z軸上的最大值點為P，基坐標系中P點的坐標值為（XP，YP，ZP），2個CCD同時拍攝P點，并且P點在這兩個投影面坐標系中的坐標值分別為PL(XL，ZL)，PR(XR，ZR)。攝像機焦距均為f且根據(jù)已知有ZL=ZR。

利用P點的坐標值（XL，ZL）和（XR，ZR）計算其在基坐標系中的坐標值，即XP=dXL/（XL-XR），YP=df/（XL-XR），ZP=dZL/（XL-XR）。把P（XP，YP，ZP）投影到基坐標系的xoy平面（即ZP=0） 得P’=（XP，YP），用極坐標表示為θP=arctan（XP/YP），lP=（XP2/YP2）1/2。

θP就是對象物相對于左CCD的方位角，在xoy坐標系中也就是指對象物與左CCD中心連線與y軸的夾角（這是因為基坐標原點與左CCD中心重合），lp也就是相對距離。這樣就得到了作業(yè)對象物相對于雙孢蘑菇采摘機器的相對位置，從而實現(xiàn)對作業(yè)對象物的識別。

2.2 雙孢蘑菇子實體體積計算

針對雙孢蘑菇子實體外形不規(guī)則且生長復雜的特點，本視覺系統(tǒng)使用先對整體進行分割，計算各分割體的體積，然后將各分割體積相加求得整體體積的近似算法，計算的詳細步驟見圖2。

由圖2所示，經(jīng)過去噪點、二值化、邊緣跟蹤等過程實現(xiàn)對左右圖像的邊緣檢測。搜尋邊緣上的4個特殊點，包括x坐標上的最大、最小值點和z坐標的最大、最小值點，最高點、最右點和最左點。此過程中因為兩個CCD平行放置，所以在兩投影面上同一點所成像的z坐標值都相等。

計算出一般點與各個特殊點的三維坐標，并將它們還原到基坐標系空間。把背面邊界上的各點投影到背面與底面的交線上（即令這些點的z坐標為0），利用這些點和前幾步中選的點把整體分割成如圖2b所示小多面體。

3 總結(jié)

為適應雙孢蘑菇采摘工作環(huán)境，針對子實體采摘質(zhì)地脆弱、采摘易損傷等問題，設計了雙孢蘑菇采摘機器的結(jié)構(gòu)設計方案及其主要部件的結(jié)構(gòu)設計；制定了智能控制系統(tǒng)的總體方案和控制方法；依據(jù)圖像識別原理設計了適合食用菌采摘機器的識別算法，給出了對象物的相對方位及體積計算方法，為基于智能圖象識別的雙孢蘑菇采摘系統(tǒng)的進一步開發(fā)奠定了基礎了。