贾艳婷1，2，马本学1，2，王运祥1，2，杨杰1，2，王静1，2，周强1
（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆兵团农业机械重点实验室）
摘要：准确的定位是实现果蔬自动化采摘的前提，本文以新疆特色葡萄为对象，利用自行设计搭建的葡萄定位双目立体视觉系统实验平台进行田间实验，当双目摄像机与葡萄的距离为400 ~ 950 mm时，误差分布范围为0.15 ~ 11.50 mm。通过该项实验进行研究，以期为葡萄自动化采摘精确定位奠定基础。
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关键词 ：自动化；葡萄；定位；误差
我国葡萄产业发展迅速，2013年葡萄总产量高达1 055万t，其中新疆葡萄总产量占全国总产量19.8%，成为我国葡萄产量最大的省区[1]。由于葡萄采摘作业繁琐，地区机械化落后，采摘作业的自动化程度不高，多年来新疆葡萄采摘基本上都是手工进行。待到金秋9月葡萄成熟时节，大量外来务工人员汇聚新疆采摘葡萄，采摘劳动强度大、果实收获季节性强、效率低。广大果树种植户开始期盼能实现水果自动化智能化采摘，降低劳动强度，减少支出费用以增加收益。
农产品收获机械从研发至今已广泛使用[2]，实现了机械化自动化采收，逐步取代人力，减轻了人们田间繁重的劳作。近年来，学者针对苹果[3]、番茄[4]、草莓[5]等果蔬采摘机器人已进行深入的研究。本文针对自然场景中的新疆特色葡萄，通过葡萄定位双目立体视觉系统实验平台进行定位试验，以为实现田间葡萄精确定位奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 研究对象及条件
新疆葡萄收获旺季是每年8 ~ 10月份，本实验以自然场景中的新疆特色葡萄品种维多利亚为研究对象，于2014年8月在新疆石河子市葡萄研究所试验田中进行实验。试验条件如下：天气晴朗，太阳直射温度39 ℃，地表湿度40%，顺光条件下葡萄表面平均光照强度为660 Lux，逆光条件下为202 Lux。
1.1.2 实验平台
为了便于进行田间葡萄定位的研究实验，自行设计并搭建了葡萄定位双目立体视觉系统实验平台（如图1所示）。选用维视数字图像公司2台IEEE1394a接口型号为MV - VS078FC的摄像机，配以MV - E1394PCI - E1394独立双通道数字采集卡，数据可高速传输至计算机。激光测距仪为GHLM - 07B动态激光测距传感器。软件环境为CCAS 双目测量测试开发平台。
1.2 方法
1.2.1 标定
双目摄像机标定利用CCAS 双目测量测试开发平台的张正友平板标定法进行标定，标定板选用铝合金材料的AFT - CT430高精度双目视觉标定板。标定时将标定板整体垂直置于视角范围内，将旋转角度控制在20°左右，分别以X轴向上向下、以Y轴向左向右旋转标定板，通过自动检测标定板上每个特征圆的圆心，校正标定图像并通过计算获取左右摄像机内外参数。双目相机五对标定图像如图2所示。
双目相机内外部参数如表1所示，其中左右相机在u 轴和v 轴的有效焦距分别为fx，fy，不垂直因子均为0。
1.2.2 葡萄定位田间试验
本文针对自然场景中的葡萄，利用自行设计的葡萄定位双目立体视觉系统实验平台进行田间葡萄定位实验。实验以不同高度、不同角度并贴以标定点的葡萄串为对象，通过调整摄像机与葡萄果实之间的实际距离检测葡萄串上的标定点，进而获得标定点的空间三维坐标。
根据实验需求分别设计直径为5 mm、8 mm的圆形标定点进行实验，利用CCAS 双目测量测试开发平台开启双目摄像机，根据场景观测视角通过调节支撑双目摄像机的云台及滑杆进一步调整摄像机安装位置，并使用标定板标定相机，获取同一场景中左右摄像机的2幅图像（如图3所示）。通过双目检测获取图像中葡萄果实上标定点的信息，并将检测的标定点在左右2幅图像中的成像位置进行立体匹配，最终通过双目测量计算标定点的二维像素坐标、空间三维坐标及2个标定点之间的距离。
2 结果与分析
实验利用葡萄定位双目立体视觉系统实验平台对自然场景中不同生长位置的葡萄串进行定位，同时利用卷尺、激光测距仪分别测量待检测葡萄串与摄像机之间的实际距离，提供对比数据，测量范围为400 ~ 950 mm，每隔50 mm进行1组实验，试验结果其中1组数据如表2所示，表中左右图像中标定点坐标为通过双目检测获取的左右2幅图像中同一标定点的像素坐标，标定点三维坐标中Z为深度信息，即葡萄串与摄像机实际距离。
通过统计60组葡萄定位实验，分析数据，绘制距离误差分布图（如图4所示），当葡萄果实与摄像机实际距离在400 ~ 650 mm时误差分布较均匀，误差平均值为3.09 mm。该葡萄定位双目立体视觉系统实验平台在实验距离范围内定位时产生最大误差为11.5 mm，平均误差为4.56 mm，定位结果存在的误差随着距离的增大而逐渐增大。误差产生的主要原因有：（1）双目摄像机标定过程中产生的误差，如标定板精度、标定板旋转角度及左右摄像机安装位置等因素；（2）田间环境中外界因素对葡萄定位双目立体视觉系统实验平台稳定性的影响；（3）利用卷尺及激光测距仪测定实际距离时存在的误差。
3 小结
本文将双目立体视觉技术应用于田间实验中，利用搭建的葡萄定位双目立体视觉系统实验平台进行了葡萄定位的初步研究。在对双目摄像机标定的基础上采集左右相机图像，经过双目检测、立体匹配、双目测量获取标定点的像素坐标及空间三维坐标信息。实验结果表明，双目摄像机与葡萄的距离为400 ~ 950 mm时，误差分布为0.15 ~ 11.50 mm，该误差满足葡萄自动化采摘对精度的要求。葡萄定位双目立体视觉系统实验平台不仅可以测定空间距离，并且可以测量待测目标的长度特性，为后续葡萄采摘机器人视觉系统的研究奠定基础。
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参考文献
[1]中华人民共和国国家统计局.2014中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社，2014.
[2]张铁中，杨丽，陈兵旗，等.农业机器人技术研究进展[J].中国科学，2010（40）：71-87.
[3]王辉，毛文华，刘刚，等.基于视觉组合的苹果作业机器人识别与定位[J].农业机械学报，2012，12（43）：165-170.
[4]郑小东，赵杰文，刘木华.基于双目立体视觉的番茄识别与定位技术[J].计算机工程，2004，30（22）：155-156.
[5]张铁中，陈利兵，宋健.草莓采摘机器人的研究：Ⅱ.基于图像的草莓重心位置和采摘点的确定[J].中国农业大学学报，2005（1）：48-51.