桃树剪枝机器人作业模拟关联数据建模研究

摘要：通过构建基于多光谱技术、双目立体视觉技术和TOF三维成像技术为一体的树枝三维感知技术及装置，寻求多技术数据融合的方法构建虚拟桃树场景；探寻桃树形态结构规则，建立桃树的形态发生模型和几何结构模型，实现分枝特性模拟，通过计算桃树生长发育状况，寻求得出最佳修剪方案，并进行作业模拟验证。

关键词：虚拟现实；模块化；作业模拟；关联建模

中图分类号：S1

1 绪论

本文通过构建基于多光谱技术、双目立体视觉技术和TOF三维成像技术为一体的树枝三维感知技术及装置，寻求多技术数据融合的方法构建虚拟桃树场景；探寻桃树形态结构规则，建立桃树的形态发生模型和几何结构模型，实现分枝特性模拟，通过计算桃树生长发育状况，寻求得出最佳修剪方案，并进行作业模拟验证。

2 场景三维信息提取

2.1 多光谱系统对深度信息获取

多光谱系统对深度信息的获取可以分为以下几个步骤：多光谱图像的采集、图像校正、树枝区域的提取等，其中障碍物目标提取及障碍物目标区域图像对之间的立体匹配是关键。

2.2 TOF成像技术深度信息的获取

TOF三维成像摄像机测量结果受摄像机内在因素和环境因素影响，因此在深度信息获取过程中进行处理与分析。TOF相机的标定目的是减小从球面距离转换为三维坐标过程中引入的误差；由于系统延迟、余弦波调制光源波形不理想、信号转换非线性等因素，导致误差。

3 桃树生长状态模拟，最优修剪方案遴选

3.1 提取桃树形态规则，确定桃树形态结构

数据降噪是针对桃树噪声层的处理，主要有两类方法：一类是空间域方法，另一类是频率域方法。为节省建模数据量，需对数据进行多线段拟合，针对曲线AC设定阈值进行点的剔除，以使用线段AB和BC进行替代AC，使得整条曲线AC的信息可以用点A、B、C三个点来进行表示。

3.2 建立桃树的形态发生模型和生理结构模型

生理阶段。在同一生理阶段中，也就是在相同的生理年龄内，植物具有相似的生长特征。对于具有m种生理年龄的植物，可能有f（m）种微状态：

fm=m（m+3）2=∑mi=1（i+1）

设c是芽在每个生长周期生存着的概率，b是生存着且能长出新的叶元的概率，则在N个生长周期内，长出k个新叶元的概率为：

Pcx=k=∑N1i=k1cciCkibk（1b）ik+cNCkNbk（1b）Nk

花芽的生长速率和温度之间存着一定的线性关系，其模型的数学表达式为：

y=A+Bexp（kx）

热量时间用积温Tx表示，

y=Tx=∑nm=1（Tmx）

其中y是热量时间，即打破休眠后到开花每天平均温度大于5℃的积温，x是在打破休眠前的日平均温度小于5℃的冷温天数，Tx是大于某一基础温度x的有效积温，Tm是每天的平均温度，A、B、K均为常数，与品种和地理位置有关。

3.3 遴选最优修剪方案

根据现有桃树修剪经验，参考生成的桃树图形，确定桃树修剪的具体操作。对桃树抑强扶弱，即强枝重剪、弱枝轻剪、强枝开张角度、弱枝抬高角度使其均衡生长。

4 修剪作業模拟验证

修剪机器人路径规划针对时间复杂度以及空间复杂度对以上算法进行比较，得出最优算法用来执行修剪机器人的路径规划。

5 结论

本研究利用机器视觉与桃树的分枝特性模拟桃树自然生长并实现修剪作业策略选择，可在桃树生长时就以固定的最优修剪方案进行枝条修剪，以此控制桃树生长，有效达到果实产量与质量的最优，同时降低采摘环境与目标的复杂性，为后续果实自动采摘奠定基础。

参考文献：

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[4]邵金祥.爬树修枝机器人控制系统设计与试验研究[D].山东农业大学，2016.

基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y201533234）；宁波市软科学课题（2016A10003）

作者简介：徐默莅（1985），讲师，博士研究生。