基于图像处理的茶叶首尾检测及控制研究

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猴魁茶叶是中国十大名茶之一,内含有多种营养成分,深受人们的喜欢。猴魁茶叶因其外形的特殊性,具有独特的制作工艺,机械化生产难度较大。现有的猴魁茶叶生产大多采用人工,效率低下,随着国内人力成本的提升,猴魁茶叶生产成本与日俱增,猴魁茶叶企业亟待寻求新的制作工艺,提升猴魁茶叶的市场竞争力。课题针对猴魁茶叶生产制造过程中机械捏尖难度大、工作效率低等问题,采用图像处理方法对单根猴魁茶叶的叶尖与叶柄方向进行识别,利用UR5机械臂和夹爪对单根茶叶方向进行调整,使得每根猴魁茶叶的叶尖和叶柄按统一方向排列,有效减少后续捏尖的工作量。具体研究内容及研究成果如下:(1)基于图像处理的茶叶首尾检测及控制主体框架设计相关模型研究。小孔成像模型解释如何将坐标从像素坐标系变换到世界坐标系中。分析手眼标定的三种模型以及它们各自适合的坐标变换方式,已知相机的内参和外参可以实现从相素坐标系到机械臂末端坐标系的坐标变换。根据UR5的D-H参数建立UR5模型,然后分别求解机械臂正运动学解和逆运动学解。(2)基于图像处理完成对茶叶叶尖和叶柄两端的识别。首先对采集到的茶叶图像进行灰度化处理、图像滤波处理等预处理,然后分别提取单根猴魁茶叶图像叶尖和叶柄的形状特征和纹理特征。形状特征参数包括茶叶叶尖和叶柄的面积、周长、矩形度、圆形度等8个参数,纹理特征为叶尖和叶柄的等价LBP特征,最后将形状特征和纹理LBP特征融合。使用支持向量机根据新特征对茶叶的叶尖和叶柄进行分类,最后成功识别出茶叶的叶尖和叶柄两端,利用SVM识别茶叶叶尖和叶柄的准确率达到98.5%。(3)UR5机械臂轨迹规划分为关节空间规划和笛卡尔空间规划。在关节空间中分别进行三次多项式、五次多项式、抛物线拟合三种轨迹规划仿真,其中五次多项式更适合作为关节空间轨迹规划曲线。然后在MATLAB中分别进行笛卡尔空间下的空间直线以及空间圆弧轨迹规划仿真。根据UR5的D-H参数使用MATLAB的机器人工具箱建立UR5机械臂模型,计算并绘制出UR5的机械臂工作空间图。(4)在ROS中的Gazebo仿真环境中利用深度相机对茶叶模型提取形心位置、然后利用UR5机械臂完成对茶叶模型叶尖和叶柄位置的控制。首先利用深度相机和Arcuo码完成机械臂的手眼标定,求解相机坐标系与机械臂末端坐标系的转换矩阵,然后利用深度相机提取茶叶模型的形心,将茶叶形心坐标从相机坐标系下转换为机械臂基座标系下的坐标。利用Move It!控制UR5和夹爪完成对茶叶的抓取,夹爪对茶叶叶尖和叶柄进行旋转,最后将茶叶放置指定位置,本次仿真实验成功验证了本研究的可行性。
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