基于智能图像识别的双孢蘑菇采摘系统设计*

赵 龙，刘晓野

（1.黑龙江东方学院计算机科学与电气工程学部，黑龙江 哈尔滨 150066；2.哈尔滨远东理工学院经济管理学院，黑龙江 哈尔滨 150016；3.东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

目前，我国双孢蘑菇（Agaricus bisporus） 工厂化生产正处于一个快速发展的阶段，床架式栽培方法为其主要生产模式[1]。在双孢蘑菇的生产过程中，其成熟子实体的采摘收获是一个重要环节，该环节工作量较大，需要采用先进的自动化、机械化设备来完成，以解放劳动力，提高生产效率，然而目前我国相关设备研发尚处于初级阶段。

近年来，伴随着自动控制技术和传感器技术等高新技术的不断引入，使传统的机械设备在人机工程和控制精度等方面具备了很大的提升空间，局部控制它们的自动化甚至整机的完全自动化、智能化的实现已成为可能[2-3]。加上计算机图像识别技术的飞速发展，机械设备的视觉系统有了很大的提升。这为食用菌自动采摘系统的研究奠定了基础，因此，国内外很多科研机构等竞相投入人力、财力及物力，进行有关食用菌无损化采摘系统的研究和开发[4-5]。

由于食用菌生产实际环境条件限制，如阴暗、潮湿等，机器成像质量普遍不高，加上成像背景的菌床、菌丝等干扰因素，使得图像背景十分复杂，难以补机器辨识，图像处理难度较大。

在食用菌无损化采摘技术的研究中，人们希望得到一个智能化和自动化的食用菌采摘机器[6]，能够自主识别食用菌作业对象物并完成采摘任务。利用先进的食用菌图像处理识别技术[7]，设计一种双孢蘑菇无损化采摘的智能控制系统，可以提高双孢蘑菇无损采摘效率，提升商品品质。

1 系统机构设计

双孢蘑菇采摘需要有一套机械机构行使控制指令，这就需要研究双孢蘑菇采摘机器的行走驱动原理和方法，设计整套的行走控制系统，安全可靠地执行无损采摘任务。

1.1 整体结构设计

双孢蘑菇采摘系统机构设计时应该尽可能地缩短传动，简化机构以便减少误差提高精度，以适应双孢蘑菇采摘栽培时的小空间移动需求。

整机的自动控制系统采用上下位机控制，上位机主要用来对采摘任务和运动进行规划，下位机的主要任务是把上位机的命令转化为控制电液阀的电信号，再由电液阀驱动工作装置完成采摘后的装载等任务。采用电气控制增加了采摘动作的柔性，避免了机械刚性运动所带来的损伤。

1.2 主要部件结构设计

1.2.1 回转结构设计

双孢蘑菇采摘重点改进了传动采摘机构的回转装置，采用了更加柔性的机构，以适应双孢蘑菇采摘无损伤采摘需求。

回转装置是双孢蘑菇采摘机器关键部件之一，支撑着采摘装置的上部运动，因此必须得承受一定的倾覆力矩以及扭矩。所以综合考虑选择采用回转驱动作为本机器回转结构的具体实现形式。

回转驱动是一种新型的回转类产品，由于其核心部件采用的回转支承是在蜗轮蜗杆的基础上集成了蜗轮蜗杆安装时所需的支撑轴承，安装架等部件，所以结构紧凑，同时可以承受较大的径向力、轴向力以及倾翻力矩。

1.2.2 料斗的结构设计

为了避免双孢蘑菇采摘后的损伤，装载时也需要对料斗结构进行重新设计，减少双孢蘑菇相互积压造成破损，保持原有品相。

装载采摘双孢蘑菇的料斗的功能和自卸车车厢的功能类似，为了避免双孢蘑菇在倾倒时被料斗内卡住，不便倾卸，设计了簸箕形内部形状，底板前窄后宽，单边角度（18±1.58） °，横断面下窄上宽，单边角度也是（18±1.58） °。料斗在倾倒时的角度设计要小，以采摘后的双孢蘑菇可以在料斗中以自重进行滑动为准，避免倾倒角度过大造成双孢蘑菇的互相挤压。

2 双孢蘑菇图像采集与识别算法

双孢蘑菇对象的识别是双孢蘑菇采摘系统的关键技术之一。

识别双孢蘑菇对象的目的是通过获取场景中双孢蘑菇子实体与摄像机的相对距离，进而确定对象物与双孢蘑菇采摘机器之间的距离和方位，以便进行采摘机器的行走控制。利用视觉系统识别作业对象物，通过图像采集设备配合图像识别算法来发送控制指令驱动执行机构作业，需要首先进行双孢蘑菇图像采集方案和定位识别算法等方面的设计。

2.1 双孢蘑菇株体相对位置识别算法

通常双孢蘑菇采摘机器的作业对象物是子实体，外形会有一定的差异，需要逐一识别成熟菌体进行采摘，即需要利用顶点的唯一性来准确匹配两台摄像机所成像的对应点。

假设在某个竖直面上突出一个底部大头顶小的形状不规则部分（近似以锥体表示），假设该部分的底面和背面分别与背景的水平面、竖直面重合，这是因为这两面 CCD（charge coupled device，CCD）拍摄不到。在双孢蘑菇采摘机器的机身上安装两台空间平行且各性能参数均相等的CCD摄像机，见图1a；两台摄像机间的距离见图1b。

由图1a、图1b可知，右CCD的投影面中心在基坐标中的坐标值为（b，0，0），左CCD的投影面中心在基坐标中的坐标值为（0，0，0），基坐标系就是图中的空间坐标系。

假设对象物在z轴上的最大值点为P，基坐标系中P点的坐标值为（XP，YP，ZP），2个CCD同时拍摄P点，并且P点在这两个投影面坐标系中的坐标值分别为PL(XL，ZL)，PR(XR，ZR)。摄像机焦距均为f且根据已知有ZL=ZR。

利用P点的坐标值（XL，ZL）和（XR，ZR）计算其在基坐标系中的坐标值，即XP=dXL/（XL-XR），YP=df/（XL-XR），ZP=dZL/（XL-XR）。把P（XP，YP，ZP）投影到基坐标系的xoy平面（即ZP=0） 得P’=（XP，YP），用极坐标表示为θP=arctan（XP/YP），lP=（XP2/YP2）1/2。

θP就是对象物相对于左CCD的方位角，在xoy坐标系中也就是指对象物与左CCD中心连线与y轴的夹角（这是因为基坐标原点与左CCD中心重合），lp也就是相对距离。这样就得到了作业对象物相对于双孢蘑菇采摘机器的相对位置，从而实现对作业对象物的识别。

2.2 双孢蘑菇子实体体积计算

针对双孢蘑菇子实体外形不规则且生长复杂的特点，本视觉系统使用先对整体进行分割，计算各分割体的体积，然后将各分割体积相加求得整体体积的近似算法，计算的详细步骤见图2。

由图2所示，经过去噪点、二值化、边缘跟踪等过程实现对左右图像的边缘检测。搜寻边缘上的4个特殊点，包括x坐标上的最大、最小值点和z坐标的最大、最小值点，最高点、最右点和最左点。此过程中因为两个CCD平行放置，所以在两投影面上同一点所成像的z坐标值都相等。

计算出一般点与各个特殊点的三维坐标，并将它们还原到基坐标系空间。把背面边界上的各点投影到背面与底面的交线上（即令这些点的z坐标为0），利用这些点和前几步中选的点把整体分割成如图2b所示小多面体。

3 总结

为适应双孢蘑菇采摘工作环境，针对子实体采摘质地脆弱、采摘易损伤等问题，设计了双孢蘑菇采摘机器的结构设计方案及其主要部件的结构设计；制定了智能控制系统的总体方案和控制方法；依据图像识别原理设计了适合食用菌采摘机器的识别算法，给出了对象物的相对方位及体积计算方法，为基于智能图象识别的双孢蘑菇采摘系统的进一步开发奠定了基础了。