基于雙目立體視覺的擠奶機自動奶杯套杯技術研究

（北京農業職業學院，北京 102442）

擠奶機是奶牛場牛奶質量和乳房炎控制的關鍵點之一[1]。提升奶牛養殖智能化水平，實現無人化擠奶作業，是保證奶牛健康和有效控制牛奶品質、安全、衛生，以及提高產奶量、擴大飼養規模和大幅度節省勞動力的重要技術措施[2]。

當前，全自動智能擠奶機器人研制生產技術主要被歐美西方發達國家所掌握[3]。目前，以擠奶機器人為代表的全自動無人化擠奶設備迅猛發展，已形成Lely、DeLaval、Boumatic、GEA、Fullwood Packo和Boumatic 等擠奶機器人知名品牌。國內對全自動智能擠奶機器人的研究起步較晚，受材質、工藝水平及設計施工等能力的限制，當前我國全自動擠奶設備的設計生產水平較國外有很大差距，多數的全自動智能化擠奶機器人設備處于設計研究或樣機實驗階段，并未應用到實踐和取得良好的效果[2]。

擠奶機自動奶杯套杯技術是智能擠奶機器人國產化必須突破的關鍵技術，其核心技術是乳頭識別與定位，通過視覺傳感技術識別出奶牛站立位置和乳頭位置分布，再利用智能控制系統控制機構完成相應擠奶動作，該過程消耗的時間直接影響到整個擠奶過程的效率。為了突破擠奶機器人這一關鍵技術，筆者進行了雙目立體視覺的擠奶機自動奶杯套杯方法的研究。

1 擠奶機自動奶杯套杯技術簡介

擠奶機器人由控制中心、擠奶室、自動奶杯套/脫杯裝置、以及末端執行機構等組成（如圖1所示）。其中，自動奶杯套/脫杯裝置在整個擠奶機器人設備中起著至關重要的作用，它關系著奶牛乳頭識別、乳頭清洗、套杯、擠奶、脫杯等一系列擠奶動作的實現。

圖1 擠奶機器人結構組成

擠奶機自動奶杯套杯裝置是奶牛乳頭識別與定位的載體，在其工作過程中，造成識別錯誤最大的因素是目標區域里奶牛身體上以及區域背景里的乳房狀物體，這些物體會被系統錯誤的識別為乳房[4]。在某些特殊光照條件下乳房部位的影子以及機械手的移動都會對乳房的識別造成干擾。

目前，奶牛乳頭識別與定位運用較多的是激光掃描視覺傳感技術，通過激光掃描相機得到乳頭的準確位置，缺點是耗時較長。此外，3D直接拍攝、紅外熱成像以及結構光等技術均在乳頭識別與定位的解決方案上嶄露頭角，但都存在著性能不穩定、耗時較長、套杯準確率偏低等問題。

雙目立體視覺技術是建立在計算機視覺和圖像處理基礎上的一門新興技術，用計算機模擬人的視覺功能，通過攝像機獲取場景圖像，經過圖像處理與分析獲取被識別物體的信息，結合雙目攝像機對深度信息的感知能力，最終完成目標的識別與定位任務[5]。雙目視覺具有高效、高精度、非接觸式以及能感知深度信息等優點，在目標識別與定位中已得到廣泛應用。將雙目立體視覺技術運用于擠奶機器人，探究快速、精確、實時的乳頭三維空間定位及姿態角度檢測方法，突破技術瓶頸，對于推動擠奶機器人國產化，具有十分重要的意義。

2 基于雙目立體視覺的自動奶杯套杯實驗

2．1 實驗平臺

2.1.1 硬件平臺

自動奶杯套杯裝置具有需要有較大的工作空間以及較好的運動靈活性，結合實驗特性，本文選擇滑臺模組作為自動奶杯套杯實驗裝置的基礎構件，通過滑臺模組三維結構實現運動范圍內位置的變化。運動及控制部件的主要參數如表1所示。擠奶杯奶襯型號為IP10U，仿真乳房及乳頭的尺寸為荷斯坦泌乳牛尺寸（乳頭長約8cm，中部直徑約2.2cm）。

表1 自動奶杯套杯實驗裝置運動及控制部件主要參數

2.1.2 軟件環境

運動控制程序在Microsoft Visual C++ 6.0平臺上開發，上位機為PC機，控制界面如圖2a所示。

視覺系統選用由瑞爾威視公司生產的雙目USB攝像頭模組，型號為3D-1MP02-V92，相機殼自行設計。當上位機通過圖像采集系統采集到奶牛乳頭定位位置后，將位置信息發送給控制器，控制器將命令發送給步進電機并驅動滑臺模組執行末端運動到奶牛乳頭位置，進行套杯。自動奶杯套杯實驗裝置的硬件結構如圖2b所示。

圖2 自動奶杯套杯實驗裝置

2.1.3 系統流程

通過雙目立體視覺系統進行目標的識別和定位，并根據定位結果控制滑臺模組對仿真乳頭進行自動奶杯套杯。整個系統流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程

2．2 實驗結果分析

2.2.1 攝像機標定

張正友等人提出了平面法來標定單攝像頭[6]。本文利用此方法對2個攝像頭分別進行標定，標定物選擇標準棋盤格（如圖4所示）。棋盤格的尺寸為28mm，角點的尺寸為7×5。經計算，左右攝像頭的重投影誤差均低于一個像素。

圖4 標準棋盤格

2.2.2 圖像分割

采用基于顏色相似度的圖像分割方法，將圖像從RGB 空間轉換到HSV空間，進而計算顏色模板，設置閾值后進行圖像分割。對于顏色分割圖像中的噪聲，采用形態學的腐蝕和膨脹處理方法。

2.2.3 立體匹配

立體匹配是雙目視覺中最關鍵的一步，立體像對之間的差異是由攝像時觀察點的不同引起的。本實驗的目標物體為奶牛乳頭（仿真），其形狀不規則，故采用關鍵點匹配法，選擇圖像的邊緣凸點作為關鍵點。具體做法是利用上一步驟中圖像分割后獲得的二值圖像，計算其邊緣凸點作為關鍵點實現立體匹配。

2.2.4 三維重建

為了評測雙目立體視覺系統的功能和精度，對棋盤格中的角點進行三維重建。實驗中，相機保持工作位角度，棋盤位置做相應調整。利用亞像素級別的角點檢測方法得到圖像中的角點坐標，對棋盤格中的角點進行三維重建，得到35個三維重建坐標。將三維重建坐標與實際坐標比較，利用（1）式計算測量平均絕對誤差，計算結果為0.9684mm。從結果上來看，此方法可以比較精確地實現乳頭末端三維測距。

2.2.5 自動奶杯套杯

將雙目立體視覺系統對仿真乳頭末端識別和定位的結果作為依據，控制滑臺模組的相應運動，從而成功地實現了自動奶杯套杯裝置對仿真乳頭的自動奶杯套杯。自動奶杯套杯裝置的工作流程為: 首先識別仿真乳頭，進而進行立體匹配，并對仿真乳頭實際位置進行定位，根據定位結果，首先控制滑臺模組水平運動到仿真乳頭正下方，進而控制滑臺模組進行垂直向上運動，最終完成自動奶杯套杯。實驗中，滑臺模組三維結構可成功地自動奶杯套杯，實際套杯過程部分截圖如圖5所示。通過實際測量，該自動奶杯套杯實驗裝置定位誤差在1mm以內。

圖5 實際套杯過程截圖

3 結束語

奶牛乳頭識別與定位是機器人擠奶非常關鍵的一個環節，也是智能擠奶機器人國產化必須突破的關鍵技術?；谀膛Ｉ飳W特性，探究快速、精確、實時的乳頭三維空間定位及姿態角度檢測方法十分緊迫。本文設計的基于雙目立體視覺的自動奶杯套杯實驗裝置，通過滑臺模組三維結構來實現運動范圍內位置的變化，用雙目立體視覺系統來實現仿真乳頭的識別與定位，以雙目立體視覺系統對仿真乳頭末端識別和定位的結果為依據，控制滑臺模組的相應運動，實現了自動奶杯套杯裝置對仿真乳頭的自動奶杯套杯。實驗結果表明，基于雙目立體視覺的自動奶杯套杯實驗裝置，能夠成功進行自動奶杯套杯且定位誤差較小。需要指出的是，實際擠奶環境如奶廳光線、周圍物體以及奶牛站立姿態等較為復雜，同時還存在奶牛乳頭形態有差異、身體晃動等情況，本文提出的自動奶杯套杯新方法應結合實際應用場景進一步深入研究。