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关键词：
光谱导航,果实定位,反射光谱,导航参数
发表时间：
2011-11-15 10:32:22
摘 要 将光谱技术与导航技术有机结合是光谱分析技术的一个新颖且重要的应用方向。果实表面的反射光谱特征是果实物质的一种固有特征, 果实与树叶、树枝的反射光谱在多个波段都有明显差异, 根据果实表面反射光谱的不同, 进行导航定位是一项具有实用意义的研究课题。文章提出了一种光谱导航技术, 将果实、树叶、树枝的反射光谱作为一个重要的导航参数, 利用其差异进行导航。研究结果表明, 果树叶光谱在可见红外区具有明显的 平坦效应 ; 果树枝光谱则是在很宽的波长范围内具有平稳的上升趋势; 而果实的反射率具有波动性变化。在850 nm 处果实和叶子之间的反射率有较大差别, 在这个波段附近设计阈值, 则很容易识别果实与树叶。所提出的方法不仅可以快速区分果实、树叶和树枝, 还可以有效消除外界环境的干扰。与传统的计算机视觉导航方法相比, 光谱导航技术在果树果实定位方面具有一定的特色。
在现代化农业生产中, 大量果树果实的采摘可以依靠农业机器人来完成, 而果实自动化采摘的关键技术之一就是果实的精确定位。能够实现果实精确定位的农业机器人的工作环境和工作对象十分复杂, 目前广泛采用的是基于计算机视觉导航技术的机器人, 这种机器人可以确定其执行机构与工作对象( 果实) 之间的相对距离, 同时也可确定工作对象的品质、形状和尺寸等。此类机器人工作原理主要有两种: 一种是通过果实的图像特征进行导航定位[ 1, 2] ; 另一种是通过果实的形状特征( 即果形) 进行导航定位[35] 。
但采用计算机视觉导航技术的农业机器人常常会遇到一些特殊的问题, 例如对水果位置的检测, 就涉及一些复杂因素。水果具有不同的外形、大小和颜色, 尤其是果实在果树上出现的位置是随机的, 而对于果树来说, 又有不同的高度、排列和树形结构, 同时采摘动作和风的影响会使水果和树枝产生晃动。另外, 雨、灰尘、湿度和光照等环境因素的影响, 树叶和树枝的遮挡等因素都会给基于果实的图像或形状特征进行导航定位带来很大困难[6] 。如何减少或避免以上这些复杂环境对果实定位的影响, 寻找一种抗干扰性强、适合果树林现场环境的果实导航定位技术, 是具有实用意义的研究课题。
当前, 光谱技术因其自身特点, 已广泛应用于诸多领域[ 710] 。将光谱技术与导航技术有机结合, 是光谱分析技术的一个新颖且重要的应用方向。果实表面的反射光谱特征是果实物质的一种固有特征, 根据果实表面反射光谱的不同,可分为两类: 一类在700~ 1 100 nm 波段比叶子具有更高的反射系数; 而另一类则比叶子的反射系数要低。造成这种差别的原因是由于水果表面水分量的差异, 后者大都是多汁水果。另外, 果实与树叶、树枝的反射光谱在多个波段都有明显差异。依据这样的基本原理, 本文提出了一种光谱导航技术, 将果实、树叶、树枝的反射光谱作为一个重要的导航参数, 利用其差异进行导航。研究结果表明, 本文提出的方法不仅可以快速区分果实、树叶和树枝, 还可以有效消除外界环境的干扰。与传统的计算机视觉导航方法相比, 在果树果实定位方面具有独特的优势。
但采用计算机视觉导航技术的农业机器人常常会遇到一些特殊的问题, 例如对水果位置的检测, 就涉及一些复杂因素。水果具有不同的外形、大小和颜色, 尤其是果实在果树上出现的位置是随机的, 而对于果树来说, 又有不同的高度、排列和树形结构, 同时采摘动作和风的影响会使水果和树枝产生晃动。另外, 雨、灰尘、湿度和光照等环境因素的影响, 树叶和树枝的遮挡等因素都会给基于果实的图像或形状特征进行导航定位带来很大困难[6] 。如何减少或避免以上这些复杂环境对果实定位的影响, 寻找一种抗干扰性强、适合果树林现场环境的果实导航定位技术, 是具有实用意义的研究课题。
当前, 光谱技术因其自身特点, 已广泛应用于诸多领域[ 710] 。将光谱技术与导航技术有机结合, 是光谱分析技术的一个新颖且重要的应用方向。果实表面的反射光谱特征是果实物质的一种固有特征, 根据果实表面反射光谱的不同,可分为两类: 一类在700~ 1 100 nm 波段比叶子具有更高的反射系数; 而另一类则比叶子的反射系数要低。造成这种差别的原因是由于水果表面水分量的差异, 后者大都是多汁水果。另外, 果实与树叶、树枝的反射光谱在多个波段都有明显差异。依据这样的基本原理, 本文提出了一种光谱导航技术, 将果实、树叶、树枝的反射光谱作为一个重要的导航参数, 利用其差异进行导航。研究结果表明, 本文提出的方法不仅可以快速区分果实、树叶和树枝, 还可以有效消除外界环境的干扰。与传统的计算机视觉导航方法相比, 在果树果实定位方面具有独特的优势。
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