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运动载体电机驱动器电机编码器履带式车体工控机串口数据采集卡图像采集卡内部传感器GT运动控制卡机械手部分电机驱动器电机编码器关节型机械手外部传感器高像素摄像机

图3-2采摘机器人结构框图

同其他结构形式相比，关节型结构对于确定三维空间中的任意位置和姿态是最有效的。采摘机器人的作业对象在果树上是随机分布的，并且其分布空间较大，其周围可能存在很多的障碍物。多自由度的关节型机械手具有拟合空间任意曲线的功能，机器人控制系统通过控制相应关节的运动，使固定在机械手上的末端操作器在达到作业目标的位置过程中，有效躲避障碍物。因此用多自由度机械手作为果实采摘机器人的本体结构是合适的。

机械手的升降由气泵驱动升降台完成，能应对采摘过程中遇到较高果树作物的特殊情况；机械手旋转关节、棱柱关节采用伺服电机驱动。

果实收获最早的方式是机械振摇式和气动振摇式，其缺点是果实易损，效率不高，尤其无法有选择的收获。目前越来越多的新型末端操作器应用于农业采摘作业中，末端操作器的机械装置部分是由目标物体的生物特性和运作情况共同决定的，由此决定了末端操作器的一大特点：一种末端操作器只能进行单一的作业，而不能实现多功能的作业。目前已经开发出带有手指、吸引器、桶状、剪刀等各式各样的末端操作器，以实现采摘、移栽、喷雾等生物生产作业过程。末端操作器必须根据对象的物理属性来设计，包括形状、尺寸动力学特性；同时水果的化学和生物特性也必须考虑。

本课题研究的机器人为苹果采摘机器人，其作业对象单一为苹果，针对实际生产中采用掐断果梗的方法收获果实和苹果的物理生物特性，设计了一种勺状末端操作器，实际装置如图3-3所示。在图3-3中，前端为勺状夹持装置，由方形气缸驱动其开合，在夹持装置的一侧装有旋转切刀，由末端操作器后端的伺服电

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机带动其旋转，切断果柄。收获果实时，首先由夹持机构夹住苹果，再采用旋转刀具切断果柄。

图3-3 末端操作器实物图

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第四章 摄像机投影模型

4.1摄像机成像原理

摄像机是一种能够摄取连续视频图像的设备，几何成像主要分为三类：透视投影(或称中心射影)成像、仿射投影与正射投影成像。透视投影比较简单、实用，已经得到公认并被普遍采纳，本文采用的就是该模型。一般情况下，可以将透视投影中的成像设备—摄像机线性化，等效为小孔成像模型。从简化的几何光学出发，物体的正常透视投影成像如图4-1所示。然而人们为了计算上的方便，在保持数学关系不变的前提下，通常采用与场景同向的正立虚像成像平面几何模型，在选取合适的坐标系后，其计算模型如图4-2所示。

zXP(x,y,z)Z物体xP(x,y)o像xyOc焦平面y

图 4-1小孔成像系统模型 图 4-2 成像系统计算模型

光心O(0,0,0)Y

图4-2中的O点为摄像机光心，OZ轴为摄像机的光轴，它与成像平面垂直。光轴与图像平面的交点O1即为图X轴和Y轴分别与图像平面的x轴和y轴平行，

像坐标系的原点。光心到焦平面的距离OOC称为焦距f。图中P(x,y)为空间点

P(X,Y,Z)在图像平面上的投影。

4.2图像平面坐标系

设(u,v)是以像素为单位的以O点为原点的图像坐标系坐标，(x,y)是以物理单位(毫米)表示的图像坐标系，如图2-6所示。在x,y坐标系中，该坐标系以图像内某一点O1为原点，O1定义为摄像机光轴与图像平面的交点，x,y轴分别与u,v轴平行。每一个像素在x轴与y轴方向的物理尺寸为dx与d（单位为mm/像素）。y则两个坐标系存在如下关系：

u?yx?vo (4-1) ?uo v?dxdy若取两原点重合，则有：

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u?xy，v? (4-2) dxdyuOO1(u0,v0)xyv图4-3 图像平面变换

4.3 摄像机模型

我们将摄像机线性化，等效为小孔成像模型，根据前面的成像系统计算模型知，若空间点坐标为P(X,Y,Z),图像平面投影点坐标为p(x,y) ,则两者存在如下关系：

x?f?? y?f (4-3) ??结合上节内容，可建立以像素为单位的图像坐标系与摄像机坐标系之间的关系，即：

u?Mff?f? v?Mf (4-4) ??其中Mf代表像素与空间长度的转换因子，单位为像素/m2。

4.4履带式移动平台模型

本课题所研究的移动车体由刚性车体和刚性履带组成，移动车体的左右两边的履带模型可以简化为两轮模型，且车体模型在忽略了一些如延迟、变形等作用的情况下，作了如下假设：

1)刚性车体在二维平面内运动；2)车体的运动速度较低，低于5km/h； 3)忽略车体的纵向滑动； 4)车胎受到的横向力垂直于其纵向负载。 在对果树采摘机器人的移动平台进行分析时，可以发现，当?l>?r时，即为移动平台顺时针转弯的情况；当?l

移动平台的运动学可以由三个参数确定：移动平台中心的坐标位置(X,Y)和移动平台的航向角θ。

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?l,?r：左右轮转过的角度； d ：左右两轮间的距离； Sl,Sr：左右轮从O1到达O2点所走的距离； r：移动平台从O1到达O2点的转弯半径；

L：中心点到下一点距离； R：车轮的半径； 其他符号如图2-7所示。

在图2-7中，左右轮走过的弧长分别为：

??Sl??l?R?Sr?? r?R 通过几何关系我们可以得到：

??Sl??r?d/2????S r?(r?d/2)?? yy1XX1Δyy2O1αΔxLO2X2rθ

图2-7 移动平台顺时针运动示意图

其中 d 为左右两轮之间的距离，r,θ,L,α 如图 2-7所示。 由上，可得：

r?(?l??r)d(?. l-?r)2 L ? 2r sin(?/ 2) ?? 90?-(180?-?)/2 ?? /2 由如图所示的几何关系可得：

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