1、蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,2013年大学生创新创业训练计划项目申请,汇报人： 路通 E-mail: ,1. 项目的研究意义 我国大蒜种植面积占全球60%，蒜薹产量已超过10亿公斤（第一） 农时相对短而集中，传统人工抽取成本高、商品性差。（效率低） 现有蒜薹采收辅助用具效率低，损伤大蒜植株影响蒜头产量。 本项目拟开展蒜薹自动采收机运动学仿真研究，设计并试制该机末端执行器等关键部件。 项目成果将可有效提高大蒜种植产业中蒜薹收获的机械化和自动化程度，减轻蒜薹采收劳动强度，优化农村产业结构。（自动化采收）,1 项目的研究意义,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 Februar
2、y 2019,2,1,1 雷敏. 中国大蒜产量占全球七成以上,但缺乏深加工经济效益低EB/OL. http:/ news/bgt/20100509/2162915.shtml, 2013-03-13,2.1 国内现状 王红章 介绍了5种人工采收蒜薹的方法，给出了3种自制辅助 用具，即竹筷、竹竿夹和竹铲等；王兴余等 多人分别利用槽面收拢器、（横、纵向）切割刀、弹簧卡扣等零件组合试制了4种蒜薹简易工具这些蒜薹采收方法和工具都必须依靠人工作业，存在劳动强度大、效率低等问题,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,3,2 国内外研究现状分析,2 王红章. 大蒜蒜薹的收
3、获方法J. 翻北农业科学, (3): 35-36, 1986 3 王兴余. 高效收割蒜薹用具P. 中国专利, CN91214193.X, 1991 4 蒜薹自动慢速提取器P. 中国专利, 200920029722.4, 2010 5 李杏. 伸缩式蒜薹器P. 中国专利, CN 201911055.U, 2010,（1）,2,3-5,8 February 2019,4,郭贵生 等发明了一种带有喂入装置、纵横向切口装置、抽取机构的蒜薹收获机（图2），虽具有较高生产效率，但易损伤大蒜茎叶，造成植株倒伏和蒜头减产（约10%），也未见该机应用推广情况报道的方法,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,
4、2 国内外研究现状分析,6 郭贵生, 王顺勋, 杨兵力, 等. 一种蒜薹收获机P. 中国专利, 200910318504.X, 2010,（2),6,8 February 2019,5,2.2 国外现状Chi等 利用机器视觉技术对大蒜种植过程中蒜瓣的方向进行预控，较好地提高了种植方向的正确率；黄士凯等 利用机器视觉技术实现了玉米行间89.2%杂草的快速识别，用以满足变量施药系统的喷施要求；Dworak等 利用图像处理技术对农田中作物和田间设施进行辨识，由其处理获得作业设备的导航和运动控制；赵丽清等 基于图像处理技术区分大蒜的根须和蒜体，实现了切脐位置的自动、精确定位；Avhad等 使用ARM嵌
5、入式平台，借助图像处理技术对水果的颜色、尺寸大小等特征进行提取并实现等级分类；Clement等 基于Qt和ARM硬件平台实现了黄瓜果实的自动机械化采收。,7 Chi G, Hui G. Direction Identification System of Garlic Clove Based on Machine VisionJ. TELKOMNI KA Indonesian Journal of Electrical Engineering, 11(5), 2013 (In Press) 8 黄士凯,祁力钧,张建华,等. 基于行宽的玉米行间杂草识别算法J. 中国农业大学学报, 18(1):
6、165- 171, 2013 9 Dworak V, Selbeck J, Dammer K H, et al. Strategy for the Development of a Smart NDVI Camera System for Outdoor Plant Detection and Agricultural Embedded Systems J. Sensors, 13(2): 1523-1538, 2013 10 赵丽清,陈兆文,刘向征,等. 基于图像处理与GUI的大蒜切脐的研究J. 青岛农业大学学报（自然科学版）, 28(4): 305-308, 2011 11 Avhad M
7、 B, Turkane S M. ARM Based Fruit Grading and Management System Using Image Processing J. International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET), 2(1): 243-248, 2013 12 Clement J, Novas N, Gazquez J A, et al. An active contour computer algorithm for the classificati
8、on of cucumbersJ. Computers and Electronics in Agriculture, 92: 75-81, 2013,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,2 国内外研究现状分析,11,9,8,7,12,10,8 February 2019,6,2.3 综合分析 综上所述，我国大蒜种植业近年来的发展对蒜薹的机械化采收装置具有迫切的需求，机器视觉和图像处理技术为研制蒜薹自动采收机提供了较好的理论解决途径，ARM嵌入式硬件平台和Qt软件框架为算法的运行提供了强劲的软、硬件运行环境。因此，在充分利用机器视觉技术的基础上，可快速研发出能够自动识别蒜薹并实现自动采收
9、的机械装置，为有力带动我国大蒜种植产业结构的优化提升提供新的解决途径，并有在机械、计算机学科取得理论突破的可能,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,2 国内外研究现状分析,8 February 2019,7,3 研究目标、内容及关键问题,3.1 研究目标 针对大蒜种植产业中缺少蒜薹自动化机械采收设备的现状，本项目拟以蒜薹采摘定位识别方法及其采收末端执行器机构设计为切入点，开展蒜薹自动采收机运动学仿真研究:（基于机器视觉研究薹苞图像特征提取方法，提出一种蒜薹采摘定位点识别新算法；基于机构运动学，研究蒜薹自动采收机末端执行器核心机构的理论设计方法，利用Pro/E三维仿真环境验证采收机构的有效
10、性和可行性；)试制蒜薹采收末端执行器。,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,8,3.2 研究内容 拟开展以下3个方面的研究工作： 3.2.1 基于薹苞图像特征提取的采摘点定位识别算法研究 （1）薹苞关键因子提取与图像识别算法研究； （2）蒜薹采摘点三维坐标信息定位方法研究。拟解决：研究以薹苞中心为采摘点的定位识别算法问题。,3 研究目标、内容及关键问题,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,9,3.2 研究内容 3.2.2 蒜薹自动采收机末端执行器机构设计方法研究 （1）蒜薹自动采收机动作流程规划与运动轨迹曲线建模 方法
11、研究； （2）蒜薹采摘与抽取机构运动简图与部件动力学计算方法研究。 拟解决：建立采摘机构运动简图及其时空动力学模型,3 研究目标、内容及关键问题,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,10,3.2 研究内容 3.2.3 蒜薹自动采收机的Pro/E三维集成设计仿真平台研究 （1) 蒜薹自动采收机关键部件结构设计与仿真模型构建 （2）蒜薹自动采收机采收末端执行器运动仿真与试制 拟解决：借助运动仿真模块和动力学模块，为试制末端执行器提供 工程校验方法和理论基础,3 研究目标、内容及关键问题,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,
12、11,3.3 拟解决的关键科学问题将机器视觉理论方法引入蒜薹采收定位点的识别。设计一种符合农艺规程的、执行高效的蒜薹自动采摘末端执行器机构设计方法 。,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,3 研究目标、内容及关键问题,8 February 2019,12,3 研究目标、内容及关键问题,3.4 研究方法及技术路线 问题1 基于薹苞图像特征提取的采摘点定位识别算法研究 （1）用对近红外波段较为敏感的摄像机进行图像采集 （2）通过USB接口将所采集的图像输入基于ARM的嵌入式像数据处理平台 （3）运用随机Hough变换和最小二乘法识别薹苞，实现蒜薹薹苞三维坐标信息的快速定位,蒜薹自动采收机运动
13、学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,13,3.4 研究方法及技术路线 问题2 蒜薹自动采收机末端执行器机构设计方法研究 （1）基于D-H法建立采摘机械手的正向运动学方程，利用Matlab软件进行逆向运动学求解，获得机械手末端执行器的运动轨迹描述方程 （2）采用LMBP神经网络补偿直接误差预置偏移量,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,3 研究目标、内容及关键问题,3.4 研究方法及技术路线 问题3 蒜薹自动采收机的Pro/E三维集成设计仿真平台研究 （1）在Pro/E三维仿真软件中对采收机构进行动力学仿真分析 （2）建立蒜薹自动采收机的三维集成设计仿真平台。,8 Fe
14、bruary 2019,14,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,3 研究目标、内容及关键问题,8 February 2019,15,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,3 研究目标、内容及关键问题,8 February 2019,16,4 创新之处,(1)将机器视觉技术应用于蒜薹机械化自动采收作业是一种新方法大大提高了机械化采收蒜薹过程中的定位精度。(2)蒜薹自动采收末端执行器是一种新机构。实现了对植株的最小损伤，保证了蒜苗后期的生长态势。保障大蒜的产量。,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,17,5 项目研究年度计划,蒜薹自动采收机运动学仿
15、真及其关键部件研制,8 February 2019,18,5 项目研究年度计划,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,19,8 February 2019,19,1、基于机器视觉，建立蒜薹机械化自动采收设备的运动学模型；2、完成蒜薹采收机械装置设计，完成其核心部件的试制；3、发表高级别、高质量的学术论文1-2篇，申报专利或软件著作权版权登记1项。,6 项目成果,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,20,7 其他,具备的知识基础项目组成员具有完备的机械原理、机械设计、机械制图等基础知识体系，在理论力学、材料力学等课程考试的
16、成绩优异；项目组成员对C语言、电工学、数电模电等硬件电路的设计和ARM数据接口较感兴趣；可熟练应用Autocad、Pro/E等制图软件及其运动学、动力学仿真分析高级模块。因此，项目组拥有实现本项目研究目标的良好基础知识储备。,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,设备条件 本项目主要技术方案源于指导教师在研的科研项目，可借用其ARM、电路测试板、Qt 5.1等软硬件开发环境；借助指导老师与西北工业大学机电学院之间的良好合作关系，可无偿使用西北工业大学6自由度仿生机械手开展项目研究；对于部分零部件的试制工作，可依托我院工程训练中心完成。因此，具有较好开展本项目实践验证的设备条件。,8 February 2019,21,7 其他,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,22,8 February 2019,22,8 经费预算,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,8 February 2019,23,8 February 2019,23,请 各 位 老 师 批评 指正,蒜薹自动采收机运动学仿真及其关键部件研制,
