基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法技术方案

本发明专利技术公开了基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法，其中间苗系统的路径规划算法先进性表现在以下两个方面，首先，不均匀分布初始信息素值可以使得规划的路径，具有向目标点方向前进的启发性，减少路径规划的时间，大大提高了收敛速度；其次，利用改进算法即启发函数的改进以及路径总和的判断，来实现在启发函数指引下快速靠近目标的同时，又能确保规划路径最优；本发明专利技术利用针状机械手末端可以实现对相距较近褐菇的采摘，并能很大程度上减少对褐菇的损伤，具有更为广泛的应用空间；利用球齿轮控制机械手实现多角度的调整，针对生长位姿倾斜的褐菇也能从中心穿刺实现摘取功能。摘取功能。摘取功能。

【技术实现步骤摘要】
基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法


[0001]本专利技术涉及农业收获机械
，特别涉及基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法。

技术介绍

[0002]随着机器视觉的日益发展，在很多行业中都可以见到基于机器视觉的各种自动化的机器。如农业、工业等诸多领域都得到广泛的应用。由于最近城市化发展十分迅速，近年来随着褐菇规模化无菌化车间的应用，褐菇的产量有了很大提高。由于褐菇具有较好的营养价值和药用价值，其需求量越来越多。基于机器视觉可以得到车间褐菇的位置信息和姿态信息，因此需要配套的系统和方法来实现对已知位姿信息的褐菇摘取，来实现褐菇生长周期内的间苗阶段。
[0003]因此间苗系统与方法需要解决以下问题：
[0004](1)间苗系统与方法的机器手末端需要适应褐菇车间的生长环境，即摘取目标褐菇时，不能干扰或破坏其他褐菇的正常生长，另外摘取的褐菇也尽量减少破坏，以用做其他用途；
[0005](2)当间苗系统同时得到多个需要摘取的目标褐菇的位姿信息时，需要一个合适的路径规划方法实现最少路程或最少时间的摘取过程，用来提高间苗系统的工作效率；
[0006]褐菇在菇床的生长姿态各异，所以间苗系统与方法必须适应其对应的位置姿态，其中褐菇的位置姿态包括：褐菇在菇床的平面坐标信息、空间上的垂直坐标信息、褐菇的偏转方向以及偏转的角度大小。
[0007]2019年，南京农业大学的卢伟等人提出了一种适用于多层菇床作业的蘑菇采摘机器人(授权公告号：CN110073904B)，其中利用升降平台、伸缩导轨伸缩平台、采摘机械手臂来实现多层并行排列工厂化种植褐菇的需求，能够上下收缩的传动功能，但其采摘机械手臂使用简单的抓取机构，不能实现空间上的褐菇普遍采摘，另外该专利技术并未设计对应的路径规划方法来配合装置的摘取。
[0008]褐菇在生物学上隶属蘑菇，特别的，褐菇在颜色上具有较强的区分度外，其形态上与大多数蘑菇相似，因此由于检索到的以褐菇为对象的间苗装置及机械手的专利较少，我们可以参考以蘑菇为对象的相关专利。
[0009]2019年，南京航空航天大学的叶明等人提出了一种基于机器视觉的蘑菇自动采摘系统及方法(授权公告号：CN107046933B)，其中利用气囊式机械手以及对复杂背景、具有粘连的蘑菇的图像处理，实现对苗床褐菇摘取的自动化，但其气囊机器手末端对于严重粘连或者相互遮挡的褐菇可能无法摘取，或者摘取时可能会影响其他正常生长的褐菇。
[0010]2020年，吉林大学的齐江涛等人提出了一种蘑菇采摘用防损伤仿生机械手(CN111543258B)，其中利用前后移动部件、上下左右部件以及姿态调整部件等的配合，实现对吸盘位置、姿态的调整，通过仿生柔性吸盘实现对蘑菇的无损伤采摘，但其姿态调整部件只能在单一方向上调整角度，并不能适用于蘑菇的多种偏转角度；该机械手所使用的仿生
盘尺寸过于单一，并不能实现多尺寸蘑菇的普遍摘取，另外，仿生盘采摘时可能会误撞不需要采摘的蘑菇，影响其正常生长。
[0011]2021年，东南大学的王立辉等人设计了一种基于改进蚁群算法的收获机器人作业路径规划方法(授权公告号：CN113190017B)。该路径规划方法利用基于重量权重因子调整路线长度，通过改变路线长度，改变信息素含量来影响蚁群算法的寻优过程，但其路径规划受传统代价函数以及实时的粮食重量影响，可能会导致路径规划的不收敛现象，导致较难选择到较优的路径。
[0012]传统蚁群算法在求解路径规划问题时，前期的初始信息素值为定值，这样会导致路径规划时出现往返搜索问题，从而忽略了全局信息，令路径搜索时间效率过低或者增加路径长度。另一方面，传统蚁群算法依据相邻目标之间的距离进行启发式搜索，这样会导致目标之间的数值差别不明显。传统蚁群算法依据栅格之间的距离进行启发式搜索，这种搜索方式造成栅格之间数值差别不明显，导致路径规划的延时性以及盲目性。
[0013]综上所述：通过分析与总结以褐菇和蘑菇为对象的相关专利，并总结其专利的优缺点。要实现对车间褐菇间苗，就必须设计一款间苗系统与方法，一方面其机器手末端需要在已知目标褐菇的位姿信息情况下，能够实现多自由度的运动和摘取，同时又不会影响附近的褐菇生长以及不损伤摘取的目标褐菇；一方面间苗系统需要合适的路径规划方法，用来以较优路径来完成间苗操作，提高间苗系统的工作效率。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是克服现有技术缺陷，提供基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法，能够实现多自由度的运动和摘取，同时又不会影响附近的褐菇生长以及不损伤摘取的目标褐菇；以较优路径来完成间苗操作，提高间苗系统的工作效率。
[0015]本专利技术的目的一方面是这样实现的：一种基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，包括双目相机、LED灯、针状机械手末端、传动装置、褐菇苗床，储存车斗和控制系统；
[0016]所述控制系统用于在获取到待摘取的褐菇坐标信息后，以褐菇苗床的褐菇坐标以及与褐菇最近的储存车斗的坐标为节点，利用改进的蚁群算法进行路径规划，得到收敛时间最短并且距离最优的路径，控制传动装置的运动；
[0017]所述双目相机与控制系统电连接用于对当前褐菇苗床进行处理与分析，得到需要摘取间苗的褐菇位姿信息，包括XYZ方向上的坐标信息以及偏转的角度和方向，并反馈给控制系统；
[0018]所述LED灯固接在传动装置的Z轴传动上，用于给双目相机补充光源；
[0019]所述传动装置铰接在褐菇苗床上，用于按照控制系统规划好的路径在XYZ方向上进行运动，当达到需要摘取的褐菇坐标时，传动装置开始在Z轴方向传动。
[0020]所述针状机械手末端与传动装置的Z轴传动相连接，用于利用球齿轮控制的针状机械手控制偏转角度，实现对目标褐菇的采摘，并将其传送至储存车斗；
[0021]所述储存车斗设置在褐菇苗床的左侧用于储存摘取的褐菇。
[0022]作为本专利技术的进一步限定，所述利用改进的蚁群算法进行路径规划，得到收敛时间最短并且距离最优的路径具体包括：将已知初始点以及最远的褐菇目标点连接，划分一个矩形区域，并且增加该区域的信息素初始值；利用改进A
*
算法通过改进的启发函数以及
增加路径最优函数来实现快速地最优路径规划；路径信息素分布结束后通过蚁群寻找最优路径，当所有的蚁群对路径进行信息素的释放与更新后，会在各个节点之间留下不同数量的信息素，需要对所有的路径上信息素进行分析与整合，节点之间包含的信息素多少与这条路径距离得长短成反向关系；对所有路径上的信息素含量进行排序，令其对应的路径按照信息素的多少进行递减排序，最终选择信息素含量排名前三对应的路径求和作为最优路径，最终选择的最优路径就是间苗系统针状机器手末端的整个运动路程。
[0023]作为本专利技术的进一步限定，所述针状机械手末端包括：两个方向上的主动球齿轮、从动球齿轮、控制电机、防撞针机构和针状末端；所述控制电机固接在传动装置的Z轴传动上，所述控制电机与主动球齿轮通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，其特征在于，包括双目相机、LED灯、针状机械手末端、传动装置、褐菇苗床，储存车斗和控制系统；所述控制系统用于在获取到待摘取的褐菇坐标信息后，以褐菇苗床的褐菇坐标以及与褐菇距离最近的储存车斗的坐标为节点，利用改进的蚁群算法进行路径规划，得到收敛时间最短并且距离最优的路径，控制传动装置的运动；所述双目相机与控制系统电连接用于对当前褐菇苗床进行处理与分析，得到需要摘取间苗的褐菇位姿信息，包括XYZ方向上的坐标信息以及偏转的角度和方向，并反馈给控制系统；所述LED灯固接在传动装置的Z轴传动上，用于给双目相机补充光源；所述传动装置铰接在褐菇苗床上，用于按照控制系统规划好的路径在XYZ方向上进行运动，当达到需要摘取的褐菇坐标时，传动装置开始在Z轴方向传动；所述针状机械手末端与传动装置的Z轴传动相连接，用于利用球齿轮控制的针状机械手控制偏转角度，实现对目标褐菇的采摘，并将其传送至储存车斗；所述储存车斗设置在褐菇苗床的左侧用于储存摘取的褐菇。2.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，其特征在于，所述利用改进的蚁群算法进行路径规划，得到收敛时间最短并且距离最优的路径具体包括：将已知初始点以及最远的褐菇目标点连接，划分一个矩形区域，并且增加该区域的信息素初始值；利用改进A
*
算法通过改进的启发函数以及增加路径最优函数来实现快速地最优路径规划；路径信息素分布结束后通过蚁群寻找最优路径，当所有的蚁群对路径进行信息素的释放与更新后，会在各个节点之间留下不同数量的信息素，需要对所有的路径上信息素进行分析与整合，节点之间包含的信息素多少与这条路径距离得长短成反向关系；对所有路径上的信息素含量进行排序，令其对应的路径按照信息素的多少进行递减排序，最终选择信息素含量排名前三对应的路径求和作为最优路径，最终选择的最优路径就是间苗系统针状机器手末端的整个运动路程。3.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，其特征在于，所述针状机械手末端包括：两个方向上的主动球齿轮、从动球齿轮、控制电机、防撞针机构和针状末端；所述控制电机固接在传动装置的Z轴传动上，所述控制电机与主动球齿轮通过联轴器连接；所述从动球齿轮与主动球齿轮啮合，并受两个不同方向主动球齿轮的控制电机控制；所述防撞针机构与从动球齿轮固接，与从动球齿轮同向转动；所述针状末端嵌套在防撞针机构中与弹簧固接。4.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，其特征在于，所述防撞针机构包括应力传感器和弹簧；所述应力传感器设置在防撞针机构内部的上方，所述针状末端的一端与防撞针机构内的弹簧固接，另外一端四周环有凸起，防止穿刺后菌菇的脱落。5.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙进，周威，谢文涛，梁立，雷震霆，马昊天，董亮，马宁，
申请(专利权)人：扬州大学江都高端装备工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：