桃樹剪枝機器人作業模擬關聯數據建模研究

摘要：通過構建基于多光譜技術、雙目立體視覺技術和TOF三維成像技術為一體的樹枝三維感知技術及裝置，尋求多技術數據融合的方法構建虛擬桃樹場景；探尋桃樹形態結構規則，建立桃樹的形態發生模型和幾何結構模型，實現分枝特性模擬，通過計算桃樹生長發育狀況，尋求得出最佳修剪方案，并進行作業模擬驗證。

關鍵詞：虛擬現實；模塊化；作業模擬；關聯建模

中圖分類號：S1

1 緒論

本文通過構建基于多光譜技術、雙目立體視覺技術和TOF三維成像技術為一體的樹枝三維感知技術及裝置，尋求多技術數據融合的方法構建虛擬桃樹場景；探尋桃樹形態結構規則，建立桃樹的形態發生模型和幾何結構模型，實現分枝特性模擬，通過計算桃樹生長發育狀況，尋求得出最佳修剪方案，并進行作業模擬驗證。

2 場景三維信息提取

2.1 多光譜系統對深度信息獲取

多光譜系統對深度信息的獲取可以分為以下幾個步驟：多光譜圖像的采集、圖像校正、樹枝區域的提取等，其中障礙物目標提取及障礙物目標區域圖像對之間的立體匹配是關鍵。

2.2 TOF成像技術深度信息的獲取

TOF三維成像攝像機測量結果受攝像機內在因素和環境因素影響，因此在深度信息獲取過程中進行處理與分析。TOF相機的標定目的是減小從球面距離轉換為三維坐標過程中引入的誤差；由于系統延遲、余弦波調制光源波形不理想、信號轉換非線性等因素，導致誤差。

3 桃樹生長狀態模擬，最優修剪方案遴選

3.1 提取桃樹形態規則，確定桃樹形態結構

數據降噪是針對桃樹噪聲層的處理，主要有兩類方法：一類是空間域方法，另一類是頻率域方法。為節省建模數據量，需對數據進行多線段擬合，針對曲線AC設定閾值進行點的剔除，以使用線段AB和BC進行替代AC，使得整條曲線AC的信息可以用點A、B、C三個點來進行表示。

3.2 建立桃樹的形態發生模型和生理結構模型

生理階段。在同一生理階段中，也就是在相同的生理年齡內，植物具有相似的生長特征。對于具有m種生理年齡的植物，可能有f（m）種微狀態：

fm=m（m+3）2=∑mi=1（i+1）

設c是芽在每個生長周期生存著的概率，b是生存著且能長出新的葉元的概率，則在N個生長周期內，長出k個新葉元的概率為：

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

花芽的生長速率和溫度之間存著一定的線性關系，其模型的數學表達式為：

y=A+Bexp（kx）

熱量時間用積溫Tx表示，

y=Tx=∑nm=1（Tmx）

其中y是熱量時間，即打破休眠后到開花每天平均溫度大于5℃的積溫，x是在打破休眠前的日平均溫度小于5℃的冷溫天數，Tx是大于某一基礎溫度x的有效積溫，Tm是每天的平均溫度，A、B、K均為常數，與品種和地理位置有關。

3.3 遴選最優修剪方案

根據現有桃樹修剪經驗，參考生成的桃樹圖形，確定桃樹修剪的具體操作。對桃樹抑強扶弱，即強枝重剪、弱枝輕剪、強枝開張角度、弱枝抬高角度使其均衡生長。

4 修剪作業模擬驗證

修剪機器人路徑規劃針對時間復雜度以及空間復雜度對以上算法進行比較，得出最優算法用來執行修剪機器人的路徑規劃。

5 結論

本研究利用機器視覺與桃樹的分枝特性模擬桃樹自然生長并實現修剪作業策略選擇，可在桃樹生長時就以固定的最優修剪方案進行枝條修剪，以此控制桃樹生長，有效達到果實產量與質量的最優，同時降低采摘環境與目標的復雜性，為后續果實自動采摘奠定基礎。

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基金項目：浙江省教育廳科研項目（Y201533234）；寧波市軟科學課題（2016A10003）

作者簡介：徐默蒞（1985），講師，博士研究生。