番茄采摘机器人关键技术研究

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1、中文图书分类号：TG596密级：公开UDC：621学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：番茄采摘机器人关键技术研究论文作者：王丽丽学科：机械工程指导教师：范晋伟教授论文提交日期：2017年5月UDC：621学校代码：10005中文图书分类号：TG596学号：B201301017密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：番茄采摘机器人关键技术研究英文题目：RESEARCHONKEYTECHNOLOGYOFTOMATOHARVESTINGROBOT论文作者：王丽丽学科专业：机械工程研究方向：

2、精密加工与自动化装备及测试技术申请学位：工学博士指导教师：范晋伟教授所在单位：机械工程与应用电子技术学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学DissertationSubmittedtoBeijingUniversityofTechnologyforDoctorDegreeofEngineeringRESEARCHONKEYTECHNOLOGYOFTOMATOHARVESTINGROBOTCandidate:LiliWangSupervisor:Prof.JinweiFanCollegeofMechanicalEngi

3、neering&AppliedElectronicsTechnologyBeijingUniversityofTechnologyBeijing,P.R.ChinaMay2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：王丽丽日期：2017年5月5日关

4、于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：王丽丽日期：2017年5月5日导师签名：范晋伟日期：2017年5月5日摘要摘要果实采摘作业是农业生产中最耗时、最费力的一个环节，属于劳动力密集型的工作，急需实现果实自动化采摘以提高劳动效率。因此，本文主要对番茄采摘机器人的底盘行走控制方法、采摘机械臂、番茄自动识别与定位、系统集成等关键技术进

5、行了系统研究，研发了具有自主导航移动、果实目标自动识别与定位、机械手自动采摘功能的番茄采摘机器人。主要完成了以下研究：(1)总体设计了番茄采摘机器人系统。根据成熟番茄的采摘作业要求，分析了番茄采摘机器人的工作原理和基本结构，运用机电工程设计方法，融合传感与检测、自动控制、多源信息融合等技术，总体设计了番茄采摘机器人，系统由四轮结构型式的行走底盘、四自由度关节型机械手结构、双目视觉识别与定位系统、激光自动导航系统组成。(2)采用模块化设计方法和嵌入式控制系统理论，研制了四轮独立转向行走平台。对移动平台进行了运动学分析，建立了番茄采摘机

6、器人速度、角速度和偏转角度之间的运动学模型。在考虑动力合理分配和控制精度的前提下，采用模块化机器人系统设计方法设计了四轮独立转向驱动控制系统，运用基于低速阿克曼转向原理实现了番茄采摘机器人的四轮独立转向。(3)研制了基于激光传感技术的激光自动导航控制系统。分析了激光传感器的工作原理、测量误差、数据融合算法和导航控制方法，提出了基于改进的UKF算法的数据融合方法和基于自适应PID算法的激光自动导航控制方法。(4)研制了串联式灵巧型四自由度机械臂。在分析番茄采摘作业空间的基础上，设计与优化了番茄采摘机械臂各关节参数，基于蒙特卡洛法求解了

7、番茄采摘机械臂工作空间范围。在建立D-H坐标系的基础上，对番茄采摘机械臂进行了运动学分析与仿真及逆运动学计算、基于关节空间的机械臂运动轨迹规划，设计了机械臂电气结构和软件控制界面。(5)研究了基于双目视觉的番茄自动识别与定位技术。通过番茄相关生物特征的测试和建库，确定了利用颜色特征识别番茄的技术途径。在分析番茄果实特性和图像分割方法的基础上，提出了基于自适应调整修正系数的Niblack算法的番茄目标提取方法，研究了番茄果实的椭圆模板匹配方法、三维重建方法、采摘路径规划方法。(6)开展了番茄采摘机器人各部分控制系统性能试验和整体试验。

8、进行了移动平台转角控制、机械臂定位精度测定、机械臂末端承载能力测定、成熟番茄识别成功率和成熟番茄定位误差等性能试验，试验结果表明：移动平台在0°～360°I北京工业大学工学博士学位论文旋转过程中，移动轮转角控制的最大平均绝对误差