一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，包括如下步骤：A.设计蘑菇与培养基分离的往复推动采摘方式；B.成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法；C.考虑无损采摘推动方向及最优路径的双目标优化成熟蘑菇采摘路径规划算法。本发明专利技术方法对蘑菇采摘路径问题进行了优化。本发明专利技术实现了对蘑菇往复推动采摘与最优路径结合后的多目标问题的优化，通过无损采摘方向的确定和采摘路径规划，很好的避免采摘蘑菇时对当前待采摘蘑菇及其周围蘑菇的损伤，从而有效提高了蘑菇无损采摘的成功率，并提高了采摘效率。本发明专利技术不仅限于蘑菇、草菇等食用菌的采摘，还适用于其它类圆球丛生类果实的有向采摘及其轨迹规划。圆球丛生类果实的有向采摘及其轨迹规划。圆球丛生类果实的有向采摘及其轨迹规划。

【技术实现步骤摘要】
一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法


[0001]本专利技术涉及采摘机械
，尤其是蘑菇采摘领域，具体涉及一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法。

技术介绍

[0002]随着蘑菇栽培技术的不断发展，蘑菇栽培已经形成工厂化生产。由于蘑菇采摘作业周期长，需长时间投入大量劳动力来保证适时收获，因而蘑菇采摘作业是整个生产链中耗时最长、最辛苦的环节。人工作业是目前最主要的采摘方式。蘑菇采摘劳动强度大且环境潮湿，长时间的采摘会对采摘人员的体力造成大量的消耗，健康造成一定的影响。同时，由于农村青壮劳力较为短缺，传统蘑菇人工采摘的生产方式已经成为制约蘑菇种植产业发展的重要瓶颈。因此蘑菇采摘迫切需要尽快实现自动化。
[0003]在现有的蘑菇自动化采摘方式中，蘑菇采摘主要是通过末端执行器吸住或夹持菌盖后旋转来完成子实体与培养基的分离。但是经现场实验表明，一方面这种旋转分离采摘的方式在子实体与培养基结合力较大的情况下容易产生菌柄与菌帽之间的分离(即断根损伤)，另一方面由于蘑菇生长具有各向异性、密疏不均等差异，一个蘑菇周围可能会有多个蘑菇附着黏连。在这种情况下，通过抓取或旋转的方式进行采摘很难适应聚集生长的蘑菇，而且容易对周围的蘑菇造成损伤，严重影响采摘质量。
[0004]因此，蘑菇的智能化无损采摘已经成为果蔬采摘机器人亟待解决的关键技术问题。有必要提出一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于为解决上述现有蘑菇自动化智能采摘技术中存在的子实体采摘损伤率较高问题，提供一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，既有效提高了成熟蘑菇特别是聚集蘑菇实现无损采摘的成功率又优化了采摘路径长度而提高了采摘效率，从而在实现蘑菇无损采摘的同时获得采摘最优路径。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术技术方案如下：
[0007]一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，主要包括：
[0008]A：设计蘑菇与培养基分离的往复推动采摘方式；
[0009]B：成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法；
[0010]C：考虑无损采摘推动方向及最优路径的双目标优化成熟蘑菇采摘路径规划算法。
[0011]优选地，一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，具体包括：
[0012]A：设计蘑菇与培养基分离的往复推动采摘方式；
[0013]步骤A1：利用末端执行器对蘑菇进行夹持或吸附；
[0014]步骤A2：沿蘑菇最优推动方向往复推动蘑菇实现蘑菇与培养基的分离；
[0015]B：成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法；
[0016]步骤B1：获取蘑菇分布图像中蘑菇中心坐标、蘑菇菇帽半径以及蘑菇高度数据，以
上数据作为蘑菇数据特征保存；
[0017]步骤B2：利用蘑菇数据特征搜索出目标蘑菇周围的邻域蘑菇以及次邻域蘑菇；
[0018]步骤B3：计算邻域蘑菇解集、次邻域蘑菇解集并确定蘑菇最优推动方向；
[0019]C：考虑无损采摘推动方向及最优路径的双目标优化成熟蘑菇采摘路径规划算法；
[0020]步骤C1：构建蘑菇采摘路径的多目标优化模型：
[0021]步骤C1.1：构建蘑菇往复推动采摘失败率函数，计算采摘序列的采摘失败率；
[0022]步骤C1.1.1：目标蘑菇的往复推动采摘判断；
[0023]步骤C1.1.2：计算蘑菇采摘序列的采摘失败率；
[0024]步骤C1.2：构建蘑菇路径长度计算函数，计算采摘序列的路径长度；
[0025]步骤C1.3：根据建立的蘑菇往复推动采摘失败率函数，路径长度函数建立多目标优化模型；
[0026]步骤C2：在步骤C1的模型构建完成后，使用改进的NSGA
‑
II算法求解该模型，得到Pareto非支配集；
[0027]步骤C2.1：种群个体染色体编码；
[0028]步骤C2.2：初始化种群；
[0029]步骤C2.3：初始种群中注入单目标采摘路径长度的极值并计算种群中全部个体的p
failure
、dist
sum
函数值；
[0030]步骤C2.4：精英策略选出父代种群；
[0031]步骤C2.5：选择、交叉、变异操作：
[0032]步骤C2.6：父子代种群合并及去重操作；
[0033]步骤C2.7：采用加入循环拥挤排序算法的精英策略选出子代种群；
[0034]步骤C2.7.1：将非支配层级中两个边界个体1
d
、n
d
的拥挤度设为inf，按拥挤度从高到低对非支配层级中的个体进排序，删除拥挤度最小的个体；
[0035]步骤C2.7.2：重新计算该层级中剩余个体的拥挤度,再次将其中拥挤度最小的个体删除；
[0036]步骤C2.7.3：依次迭代，直到筛选至剩余指定数量的解为止。
[0037]步骤C2.8：重复所述步骤C2.5～C2.8至目标遗传代数后跳出当前循环；
[0038]步骤C2.9：根据权重系数，从非支配解集中选择出最优解并输出。
[0039]优选地，所述步骤A具体包括：
[0040]步骤A1：利用末端执行器对蘑菇进行夹持或吸附；
[0041]步骤A2：沿蘑菇最优推动方向往复推动蘑菇实现蘑菇与培养基的分离。
[0042]优选地，所述步骤A2中成熟蘑菇最优推动方向是基于步骤B成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法来确定的，该方法具体包括：
[0043]步骤B1：获取蘑菇分布图像中蘑菇中心坐标、菇帽半径以及蘑菇高度数据，以上数据作为蘑菇数据特征保存；
[0044]步骤B2：利用蘑菇数据特征搜索出目标蘑菇周围的邻域蘑菇以及次邻域蘑菇；与目标蘑菇相交或相切的蘑菇称为邻域蘑菇，与目标蘑菇相离但依然会对目标蘑菇的往复推动空间造成干涉的蘑菇称为次邻域蘑菇；
[0045]判断可疑蘑菇为邻域蘑菇的评价指标，其确定形式如下：
[0046]0<a
oi
≤r
oi
[0047]其中a
oi
代表目标蘑菇与第i个可疑蘑菇之间的中心距；r
oi
代表目标与第i个可疑蘑菇的菇帽半径和；i∈[1,
…
,n
‑
1]，n为蘑菇总数；
[0048]判断可疑蘑菇为次邻域蘑菇的评价指标，其确定形式如下：
[0049]r
oi
<a
oi
≤d
o
+r
i
[0050]其中r
i
为可疑蘑菇的菇帽半径，d
o
代表目标蘑菇的往复推动范围，公式如下：
[0051][0052]式中h
o
与r
o
分别代表目标蘑菇的高度与菇帽半径，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：A.设计蘑菇与培养基分离的往复推动采摘方式；B.成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法；C.考虑无损采摘推动方向及最优路径的双目标优化成熟蘑菇采摘路径规划算法。2.根据权利要求1所述一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：步骤A1：利用末端执行器对蘑菇进行夹持或吸附；步骤A2：沿蘑菇最优推动方向往复推动蘑菇实现蘑菇与培养基的分离。3.根据权利要求1所述一种蘑菇往复推动无损采摘方式及其路径规划方法，其特征在于，所述步骤A2中成熟蘑菇最优推动方向是基于步骤B成熟蘑菇无损采摘最优推动方向的确定方法来确定的，该方法具体包括：步骤B1：获取蘑菇分布图像中蘑菇中心坐标、菇帽半径以及蘑菇高度数据，以上数据作为蘑菇数据特征保存；步骤B2：利用蘑菇数据特征搜索出目标蘑菇周围的邻域蘑菇以及次邻域蘑菇；与目标蘑菇相交或相切的蘑菇称为邻域蘑菇，与目标蘑菇相离但依然会对目标蘑菇的往复推动空间造成干涉的蘑菇称为次邻域蘑菇；判断可疑蘑菇为邻域蘑菇的评价指标，其确定形式如下：0＜a
oi
≤r
oi
其中a
oi
代表目标蘑菇与第i个可疑蘑菇之间的中心距；r
oi
代表目标与第i个可疑蘑菇的菇帽半径和；i∈[1，...，n
‑
1]，n为蘑菇总数；判断可疑蘑菇为次邻域蘑菇的评价指标，其确定形式如下：r
oi
＜a
oi
≤d
o
+r
i
其中r
i
为可疑蘑菇的菇帽半径，d
o
代表目标蘑菇的往复推动范围，公式如下：式中h
o
与r
o
分别代表目标蘑菇的高度与菇帽半径，k为推动采摘范围系数，k∈(0，1]；步骤B3：计算邻域蘑菇解集、次邻域蘑菇解集并确定蘑菇最优推动方向；目标蘑菇是否被其邻域蘑菇包围类比为点与多边型的关系，利用改进的叉乘判别法来判断点与多边形的的关系从而确定目标蘑菇是否被其邻域蘑菇包围；假设邻域蘑菇个数为m，在目标蘑菇质点p
o
与每个邻域蘑菇质点p
i
之间做向量其中，i∈[1，2，3，...，m]，m为邻域蘑菇总数；选择其中任一条向量如选作为基向量，剩余其他向量称为邻域向量，邻域向量与基向量依次做叉乘与点乘运算，具体公式如下：依次做叉乘与点乘运算，具体公式如下：其中f为方向系数，θ
2，i
为带有方向的向量夹角；
所有邻域向量与基向量依次进行叉乘、点乘运算后得到的结果进行升序排列，选择出结果中的最大值θ
max
与最小值θ
min
；判断点与多边形关系的具体公式如下：当点在多边形上和外时，均视为目标蘑菇未被其邻域蘑菇包围；记录下邻域蘑菇解集A，具体表达形式如下：A＝360
°‑
(|θ
max
|+|θ
min
|)利用内公切线定理计算目标蘑菇与某一个次邻域蘑菇之间的内公切角的计算公式如下：其中n为次邻域蘑菇个数，α
oi
为目标蘑菇与次邻域蘑菇所成内公切线夹角，a
oi
为目标蘑菇与次邻域蘑菇中心距，r
o
，r
i
分别为目标蘑菇菇帽半径和次邻域蘑菇菇帽半径；该内公切角在0
‑
360
°
范围内的补角β
oi
称为次邻域蘑菇个体解集；补角β
oi
计算公式如下：β
oi
＝360
°‑
α
oi
，i∈[1，...，n]被摘的目标蘑菇周围邻域蘑菇、次邻域蘑菇的存在情况主要分为三种情况：1)目标蘑菇周围不存在邻域蘑菇、次邻域蘑菇；2)目标蘑菇周围既存在...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞涛，梅啸寒，蔡红霞，杨淑珍，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：