阅读说明：本技术 一种基于履带式机器人的棉花打顶方法 (Cotton topping method based on crawler-type robot ) 是由 曾小英 杨广宇 朱琦 邱家麟 李上保 黄家文 向懿 邹娟 王求真 于 2019-12-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于履带式机器人的棉花打顶方法,该方法包括利用双目摄像头获取棉株上部枝叶分布情况,确定植株顶芽位置；匹配机械臂规划运动路径；控制机械臂移动,确保不触碰侧叶造成植株损伤,且距离需保证有效打顶；控制机械臂将爪部圆筒形旋转切刀伸至芽尖头部,切除顶芽完成棉花植株的打顶工作；控制机械臂收回并按照前述步骤继续打顶操作；控制履带式机器人前进至下一工作点,根据棉花株高实时控制升降杆调整双目摄像头高度,直至达到合理打顶操作位置；本发明有效解决了棉田人工打顶的工作效率低下,劳动强度大的问题,实现了以低成本高效率的机械方式进行打顶的目的。(The invention discloses a cotton topping method based on a crawler-type robot, which comprises the steps of acquiring the distribution condition of branches and leaves on the upper part of a cotton plant by using a binocular camera, and determining the position of a terminal bud of the plant; matching a mechanical arm planning motion path; the mechanical arm is controlled to move, so that the side leaves are not touched to cause plant damage, and the distance is required to ensure effective topping; controlling the mechanical arm to extend the claw cylindrical rotary cutter to the head of the bud tip, and cutting off terminal buds to finish the topping work of cotton plants; controlling the mechanical arm to withdraw and continuing topping operation according to the steps; controlling the crawler-type robot to advance to the next working point, and controlling the lifting rod to adjust the height of the binocular camera in real time according to the height of the cotton plant until a reasonable topping operation position is reached; the invention effectively solves the problems of low working efficiency and high labor intensity of manual topping of cotton fields, and achieves the purpose of topping in a mechanical mode with low cost and high efficiency.)

一种基于履带式机器人的棉花打顶方法

技术领域

本发明涉及农业生产技术领域，特别是涉及一种基于履带式机器人的棉花打顶方法。

背景技术

棉花是我国重要的战略物资，同时也是农业生产中有较高地位的经济作物。在棉花的生长过程中需要限制其生长高度，使其早结果以避免由于气候原因造成生产损失。而限制棉株生长高度的手段为棉花打顶，即在棉株生长的花蕾期，利用物理或化学等手段去掉棉花的顶芽，使棉株主茎顶端生长素含量剧减，从而抑制棉株生长，使更多的养分供应给花蕾等繁殖器官的生长，达到棉株提前结铃、增加结铃的效果。在棉花种植收获过程中只有打顶未实现机械化作业,仍需要依靠人工打顶。但人工打顶的工作环境恶劣，打顶效率过低，严重制约了棉花的种植规模,影响棉农种植的积极性。为提高棉花打顶的作业效率,降低打顶成本,可采用高效率、低成本的机械方式进行打顶。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用履带式机器人进行棉花植株的打顶方法，以实现棉花打顶自动化操作，提高棉花打顶的作业效率，减少人工打顶的成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于履带式机器人的棉花打顶方法，所述方法为应用于履带式机器人进行棉花打顶的方法，所述履带式机器人包括：车身，所述车身底盘下方两侧的履带，以所述机器人前行方向为正方向，所述履带后部驱动机器人运动的步进电机，所述车身前部的四自由度机械臂，所述机械臂的前伸爪头部位的圆筒状切刀装置，所述车身正中间的自动升降杆，所述自动升降杆顶部位置上的双目摄像头，所述车身内部的核心控制板以及电机驱动板,所述车身尾部的电池模块；

所述方法包括：

利用所述双目摄像头获取棉株上部枝叶分布情况，进行图像处理以确定所述植株的顶芽位置；所述植株上部枝叶分布情况包括棉株的茎秆分叉信息；所述顶芽位置以所述履带式机器人的初始位置信息为参考；

获取所述棉株顶芽三维坐标，匹配所述机械臂的位置信息规划出所述机械臂的运动路径；

控制所述机械臂按照设定的运动路径移动到芽尖部位附近，确保不触碰侧叶造成植株损伤，且距离需保证有效打顶；所述芽尖部位附近为芽尖的上方临近位置；

控制所述机械臂将所述爪部圆筒形旋转切刀伸至芽尖头部，切除顶芽完成棉花植株的打顶工作；

控制所述机械臂收回并按照前述步骤继续打顶操作；控制所述履带式机器人按照固定步数前进至下一工作点，根据棉花株高实时控制所述自动升降杆调整所述双目摄像头高度，直至达到合理打顶操作位置；所述合理打顶操作位置由植株顶端高度和所述双目摄像头的高度对比差值确定。

可选的，所述机械臂包括依次连接于所述车身底盘的底座、大臂、小臂、爪部打顶装置，设置于所述车身底盘的底座的大臂水平转动舵机、设置于所述大臂内的大臂竖直转动舵机、设置于所述小臂与所述爪部打顶装置之间的前小臂竖直方向转动舵机；设置于所述前小臂竖直方向转动舵机与所述大臂之间的后小臂竖直转动舵机；

所述大臂水平转动舵机用来控制所述底座在水平方向转动，所述底座带动所述大臂在水平方向上转动；所述大臂竖直转动舵机用来控制所述大臂以与所述底座的连接处为中心，在竖直方向上转动；所述后小臂竖直转动舵机用来控制所述小臂以与所述大臂的连接处为中心，在竖直方向上转动；所述设置于所述小臂与所述爪部打顶装置之间的所述前小臂竖直方向转动舵机用来控制所述爪部打顶装置以所述小臂为旋转中心做竖直方向的转动。

可选的，所述利用所述双目摄像头获取棉株上部枝叶分布情况，进行图像处理以确定所述植株的顶芽位置，具体包括：

获取一定数量的图像集，所述图像集包括棉株整体图像，通过对图片进行自适应阈值分割的预处理，将棉株整体信息从背景中划分出来；

利用所述图像集选择合适的边缘算子将所述棉株图像轮廓离散化，求取所述棉株图像的边缘；

求取所述棉株图像的边缘后，在堆栈空间存放其离散边缘点，代入霍夫变换检测函数中，检测出所述棉株上部枝叶的边缘直线；

在所述边缘直线中设定两组返回条件:导出一队斜率最接近的直线对和参数坐标系中投影最密集的两点在图像矩阵下连接的直线对。确认筛选出的直线对为所述棉株上部枝叶的两侧边缘线，实现所述棉株图像的上部枝叶边缘提取；

所述棉株的顶尖会和主茎杆形成一个分支，而打顶要求去掉的所述棉株顶尖位置就是所述分支的位置，确定投影值连续处于极小的横轴位置后，以连续图像列进行水平投影法处理；

所述水平投影法处理具体为在投影过程中从图像低端下向上进行差值逼近操作，当到达所述棉株顶端分叉处位置时移动偏差若突然增大，即确认该位置为所述棉株的顶芽位置。

可选的，所述获取所述棉株顶芽三维坐标，具体包括：

采用POLO的栅格思想，将采集的所述棉株图像划分为N×N个网格图像，取所述网格图像的80％作训练集，20％作测试集，将所述训练集网格图像作为输入图像进行CNN训练，并合并相似区域；

在CNN框架和后续网格合并中选用迁移能力较好的VGG 16进行训练，利用批量梯度下降优化函数，考虑到顶芽在所述棉株图像中占据的比例，设定每个批次中顶尖块与其他块为1:9的比例；

全连接层后，softmax层前加入二分类全连接层，将4096维数降为2维，即建立顶芽定点模型；

利用所述顶芽定点模型对所述测试集图像进行测试后，得出损失函数与测试集的准确率，用于对所述顶芽定位模型做进一步修改；多次测试修改后将所述棉株采集图像导入所述顶芽定点模型，获取所述棉株顶芽三维坐标。

可选的，所述控制所述机械臂按照设定的运动路径移动到芽尖部位附近，确保不触碰侧叶造成植株损伤，且距离需保证有效打顶，具体包括：

控制所述机械臂的所述大臂水平转动舵机、大臂竖直转动舵机、小臂与所述爪部打顶装置之间的前小臂竖直方向转动舵机、前小臂竖直方向转动舵机与大臂之间的后小臂竖直转动舵机配合动作，将所述机械臂移动到棉株芽尖部位附近。

可选的，所述控制所述机械臂将爪部圆筒形旋转切刀伸至芽尖头部，切除顶芽完成棉花植株的打顶工作，具体包括：

所述机械臂将所述爪部圆筒形旋转切刀伸至芽尖头部，所述核心控制板发送指令给所述电机驱动板，控制爪部圆筒内部的电机转动，继而带动连接于电机主轴的切刀旋转，切刀设定较高的转动速度，可设置为700r/min以上值，用于切除棉株顶部的顶芽部位，切刀片由与水平面有一定倾斜角度的四片绕轴均匀分布的长条钢片组成，其下边沿为锯齿状；

所述圆筒形旋转切刀在切刀片外部有网格状的外壳保护，其直径与圆筒直径一至，保证只切除中心芽顶部分，隔开周边侧叶不被损伤；所述圆筒形旋转切刀切除顶芽后控制所述机械臂抬起一定高度，所述双目摄像头采集顶芽部位图像进行顶芽去除效果辨别，确定顶芽成功去除后由所述核心控制板发送指令给所述电机驱动板控制爪部圆筒内部的电机停转。

可选的，所述控制所述机械臂收回，具体包括：

控制所述机械臂大臂水平转动舵机、大臂竖直转动舵机、小臂与所述爪部打顶装置之间的前小臂竖直方向转动舵机、前小臂竖直方向转动舵机与大臂之间的后小臂竖直转动舵机配合动作，使所述机械臂收回到原定位置。

可选的，所述控制所述履带式机器人按照固定步数前进至下一工作点，具体包括：

获取所述机械臂动作收回信号给所述核心控制板，由所述核心控制板给电机驱动板发出前进指令，所述电机驱动板开始工作；

所述电机驱动板控制所述履带后部步进电机前进一个车身距离，到相应位置时再停下；

所述到相应位置时再停下具体包括获取所述履带后部步进电机运动情况反馈给所述车身内部的核心控制板，到达停止点后断开所述电机驱动板的电压供给。

可选的，所述根据棉花株高实时控制自动升降杆调整所述双目摄像头高度，直至达到合理打顶操作位置，具体包括：

获取所述双目摄像头正面采集的棉株高度图像信息，将所述采集的棉株高度图像信息传输到所述核心控制板进行数据对比，若实际株高超出某一水平值则需调整所述双目摄像头的高度，反之可继续以上一系列打顶步骤；

所述的控制所述自动升降杆的长度具体为安装于所述升降杆底部的竖直中心轴向转动舵机接收到所述核心控制板的调整所述双目摄像头高度的指令，带动所述升降杆内部的丝杆螺母，把所述竖直中心轴向转动舵机的旋转运动变成直线运动，从而改变所述升降杆的长度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开以下技术效果：

本发明提供了一种基于履带式机器人的棉花打顶方法，有效解决了棉田人工打顶的工作效率低下，劳动强度大的问题，实现了以低成本高效率的机械方式进行打顶的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于履带式机器人的棉花打顶方法流程示意图；

图2为本发明实施例履带式机器人的基本结构示意图；

图3为本发明实施例履带式机器人在首棵棉株打顶的示意图；

图4为本发明实施例履带式机器人移动位置后继续打顶的示意图；

图5为本发明实施例在实用场合中基于履带式机器人的棉花打顶具体操作的过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于履带式机器人的棉花打顶方法，以提高棉花植株打顶的工作效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供的基于履带式机器人的棉花打顶方法为应用于履带式机器人进行棉花打顶的方法，其中，如图2所示，履带式机器人包括：车身1，所述车身1底盘下方两侧的履带2，以所述机器人前行方向为正方向，所述履带2后部驱动机器人运动的步进电机3，所述车身1前部的四自由度机械臂4，所述机械臂4的前伸爪头部位的圆筒状切刀装置4a，所述车身1正中间的自动升降杆5，所述自动升降杆顶部位置上的双目摄像头6，所述车身内部的核心控制板7以及电机驱动板8,所述车身1尾部的电池模块9。

如图2所示，所述机械臂4包括依次连接于所述车身1底盘的底座4g、大臂4e、小臂4c、爪部打顶装置4a，设置于所述车身1底盘的底座4g的大臂水平转动舵机4h、设置于所述大臂4e内的大臂竖直转动舵机4f、设置于所述小臂4c与所述爪部打顶装置4a之间的前小臂竖直方向转动舵机4b；设置于所述前小臂竖直方向转动舵机4b与所述大臂4e之间的后小臂竖直方向转动舵机4d。

所述大臂水平转动舵机4h用来控制所述底座4g在水平方向转动，所述底座4g带动所述大臂4e在水平方向上转动；所述大臂竖直转动舵机4f用来控制大臂4e以与所述底座4g的连接处为中心，在竖直方向上转动；所述后小臂竖直方向转动舵机4d用来控制小臂4c以与所述大臂4e的连接处为中心，在竖直方向上转动；所述设置于所述小臂4c与所述爪部打顶装置4a之间的前小臂竖直方向转动舵机4b用来控制所述爪部打顶装置4a以所述小臂4c为旋转中心做竖直方向的转动。

其中，大臂水平转动舵机4h，大臂竖直转动舵机4f，前小臂竖直方向转动舵机4b，后小臂竖直方向转动舵机4d，自动升降杆中心轴方向转动舵机分别与核心控制板7连接，由核心控制板7控制运动。

图1所示，本实施例提供的基于履带式机器人的棉花打顶方法包括：

步骤101：利用所述双目摄像头获取棉株上部枝叶分布情况，进行图像处理以确定所述植株的顶芽位置；所述植株上部枝叶分布情况包括棉株的茎秆分叉信息；所述顶芽位置以所述履带式机器人的初始位置信息为参考。

该步骤101具体包括以下步骤：

获取一定数量的图像集，所述图像集包括棉株整体图像，通过对图片进行自适应阈值分割的预处理，将棉株整体信息从背景中划分出来；

利用所述图像集选择合适的边缘算子将所述棉株图像轮廓离散化，求取所述棉株图像的边缘；

求取所述棉株图像的边缘后，在堆栈空间存放其离散边缘点，代入霍夫变换检测函数中，检测出所述棉株上部枝叶的边缘直线；

在所述边缘直线中设定两组返回条件:导出一队斜率最接近的直线对和参数坐标系中投影最密集的两点在图像矩阵下连接的直线对。确认筛选出的直线对为所述棉株上部枝叶的两侧边缘线，实现所述棉株图像的上部枝叶边缘提取；

所述棉株的顶尖会和主茎杆形成一个分支，而打顶要求去掉的所述棉株顶尖位置就是所述分支的位置，确定投影值连续处于极小的横轴位置后，以连续图像列进行水平投影法处理；

所述水平投影法处理具体为在投影过程中从图像低端下向上进行差值逼近操作，当到达所述棉株顶端分叉处位置时移动偏差若突然增大，即确认该位置为所述棉株的顶芽位置。

步骤102：获取所述棉株顶芽三维坐标，匹配所述机械臂的位置信息规划出所述机械臂的运动路径。

该步骤102具体包括以下步骤：

采用POLO的栅格思想，将采集的所述棉株图像划分为N×N个网格图像，取所述网格图像的80％作训练集，20％作测试集，将所述训练集网格图像作为输入图像进行CNN训练，并合并相似区域；

在CNN框架和后续网格合并中选用迁移能力较好的VGG 16进行训练，利用批量梯度下降优化函数，考虑到顶芽在所述棉株图像中占据的比例，设定每个批次中顶尖块与其他块为1:9的比例；

全连接层后，softmax层前加入二分类全连接层，将4096维数降为2维，即建立顶芽定点模型；

利用所述顶芽定点模型对所述测试集图像进行测试后，得出损失函数与测试集的准确率，用于对所述顶芽定位模型做进一步修改；多次测试修改后将所述棉株采集图像导入所述顶芽定点模型，获取所述棉株顶芽三维坐标。

步骤103：控制所述机械臂4按照设定的运动路径移动到芽尖部位附近，确保不触碰侧叶造成植株损伤，且距离需保证有效打顶。

该步骤103具体包括以下步骤：

控制所述机械臂按照设定的运动路径移动到芽尖部位附近，确保不触碰侧叶造成植株损伤，且距离需保证有效打顶；所述芽尖部位附近为芽尖的上方临近位置。

步骤104：控制所述机械臂将所述爪部圆筒形旋转切刀伸至芽尖头部，切除顶芽完成棉花植株的打顶工作。

该步骤104具体包括以下步骤：

所述机械臂4将所述爪部圆筒形旋转切刀4a伸至芽尖头部，所述核心控制板7发送指令给所述电机驱动板8，控制爪部圆筒内部的电机转动，继而带动连接于电机主轴的切刀旋转，切刀设定较高的转动速度，可设置为700r/min以上值，用于切除棉株顶部的顶芽部位，切刀片由与水平面有一定倾斜角度的四片绕轴均匀分布的长条钢片组成，其下边沿为锯齿状；

所述圆筒形旋转切刀4a在切刀片外部有网格状的外壳保护，其直径与圆筒直径一至，可达到只切除中心芽顶部分，隔开周边侧叶不被损伤；所述圆筒形旋转切刀4a切除顶芽后控制所述机械臂4抬起一定高度，所述双目摄像头6采集顶芽部位图像进行顶芽去除效果辨别，确定顶芽成功去除后由所述核心控制板7发送指令给所述电机驱动板8控制爪部圆筒内部的电机停转。

步骤105：控制所述机械臂收回并按照前述步骤继续打顶操作；控制所述履带式机器人按照固定步数前进至下一工作点，根据棉花株高实时控制所述自动升降杆调整所述双目摄像头高度，直至达到合理打顶操作位置；所述合理打顶操作位置由植株顶端高度和所述双目摄像头的高度对比差值确定。

该步骤105具体包括以下步骤：

控制所述机械臂大臂水平转动舵机4h、大臂竖直转动舵机4f、小臂4c与所述爪部打顶装置4a之间的前小臂竖直方向转动舵机4b、前小臂竖直方向转动舵机4b与大臂4e之间的后小臂竖直转动舵机4d配合动作，使所述机械臂4收回到原定位置；

获取所述机械臂4动作收回信号给所述核心控制板7，由所述核心控制板7发出前进指令，所述电机驱动板8开始工作；

所述电机驱动板8控制所述履带2后部步进电机3前进一个车身距离，到相应位置时再停下；

所述到相应位置时再停下具体包括获取所述履带2后部步进电机3运动情况反馈给所述车身1内部的核心控制板7，到达停止点断开所述电机驱动板8的电压供给；

获取所述双目摄像头6正面采集的棉株高度图像信息，将所述采集的棉株高度图像信息传输到所述核心控制板7进行数据对比，若实际株高超出在某一水平值需调整所述双目摄像头6的高度，反之可继续以上一系列打顶步骤；

控制所述自动升降杆5的长度，安装于自动升降杆5底部的竖直中心轴向转动舵机接收到所述核心控制板7的调整所述双目摄像头6高度的指令，带动所述升降杆5内部的丝杆螺母，把所述竖直中心轴向转动舵机的旋转运动变成直线运动，从而改变所述升降杆5的长度。

实施例2

本实施例以试验田随机挖取的五盆带土棉株排成一列，详细说明基于履带式机器人的棉花打顶方法，其具体过程如图5所示，包括：

将种植在盆中的棉株排成竖直一列，相隔距离为20cm,履带式机器人置于并排放置的棉株右侧，距离8cm，如图3所示；

1、打顶前测量五盆棉株高度并记录打顶前的高度数据，调整自动升降杆5的初始高度使双目摄像头6处于棉株水平高度，通过双目摄像头6获取首盆棉株的上部枝叶图像信息，传送至核心控制板7的图像处理装置进行处理；

2、获取棉株的顶芽初步位置后，双目摄像头6调整位置对准芽尖再获取一定数目的图像数据建立顶芽定点模型得到顶芽三维坐标值；

3、传至核心控制板7与机械臂4的初始位置值进行比对得出机械臂4的运动规划路径；

4、根据机械臂4的运动规划路径，控制机械臂的大臂水平转动舵机4h、大臂竖直转动舵机4f、小臂4c与爪部打顶装置4a之间的前小臂竖直方向转动舵机4b、前小臂竖直方向转动舵机4b与大臂4e之间的后小臂竖直转动舵机4d配合动作，将机械臂4移动到棉株芽尖部位上方2cm处；

5、机械臂4将爪部圆筒形旋转切刀4a往下移动3cm伸至芽尖头部，核心控制板7发送指令给所述电机驱动板8，控制爪部圆筒内部的电机转动，继而带动连接于电机主轴的切刀旋转，切刀转动速度设置为700r/min；

6、圆筒形旋转切刀4a在切除顶芽后控制机械臂4抬起15cm，由双目摄像头6采集顶芽部位图像进行去除效果辨别，经过图形处理装置分析确定顶芽去除后，由核心控制板7发送指令给电机驱动板8控制爪部圆筒内部的电机停转；

7、控制机械臂的大臂水平转动舵机4h、大臂竖直转动舵机4f、小臂4c与爪部打顶装置4a之间的前小臂竖直方向转动舵4b、前小臂竖直方向转动舵机4b与大臂4e之间的后小臂竖直方向转动舵机4d配合动作，使机械臂4收回到初始位置；

8、机械臂4的动作收回信号传送给核心控制板7，由核心控制板7给出前进指令，电机驱动板8得电工作；控制履带2后部步进电机3以0.25m/s速度直线前进20cm，到下一盆棉株右侧时再停下，如图4所示；获取电机3既定运动情况反馈给车身1内部的核心控制板7，到达停止点后立马结束电机3的运动；

9、获取双目摄像头6正面采集的棉株高度图像信息，将图像信息传输到所述核心控制板7进行数据对比，若实际株高超出水平值需调整所述双目摄像头6的高度；

10、安装于升降杆5底部的竖直中心轴向转动舵机带动所述升降杆5内部的丝杆螺母，改变所述升降杆5的长度，且能在预设极限伸缩长度15cm内稳固定位，到达所述机械臂4有效打顶操作位置,若双目摄像头6还是高于棉株高度可继续一系列打顶操作。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。