[发明专利]基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统及应用方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及农业收获机械技术领域，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。

背景技术

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。

因此间苗系统与方法需要解决以下问题：

(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；

(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；

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。

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，另外该发明并未设计对应的路径规划方法来配合装置的摘取。

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。

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。

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。

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。