(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211138481.3 (22)申请日 2022.09.19 (71)申请人 扬州大学江都高端 装备工程 技术研 究所 地址 225261 江苏省扬州市江都区邵伯镇 诚意路1号 (72)发明人 孙进　周威　谢文涛　梁立　 雷震霆　马昊天　董亮　马宁　 (74)专利代理 机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 专利代理师 董旭东　季雯 (51)Int.Cl. A01G 18/60(2018.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系 统及应用方法 (57)摘要 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。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115530015 A 2022.12.30 CN 115530015 A 1.一种基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统， 其特征在于， 包括双目相机、 LED 灯、 针状机械手末端、 传动装置、 褐菇苗床， 储 存车斗和控制系统； 所述控制系统用于在获取到待摘取的褐菇坐标信 息后， 以褐菇苗床的褐菇坐标以及与 褐菇距离最近的储存车斗的坐标为节点， 利用改进的蚁群算法进行路径规划， 得到 收敛时 间最短并且距离最优的路径， 控制传动装置的运动； 所述双目相机与控制系统电连接用于对当前褐菇苗床进行处理与分析， 得到需要摘取 间苗的褐 菇位姿信息， 包括XYZ方向上的坐标信息以及偏转的角度和方向， 并反馈给控制系 统； 所述LED灯固接在 传动装置的Z轴传动上， 用于给双目相机补充光源； 所述传动装置铰接在褐菇苗床上， 用于按照控制系统规划好的路径在XYZ方向上进行 运动， 当达 到需要摘取的褐菇坐标时， 传动装置开始在Z轴方向传动； 所述针状机械手末端与传动装置的Z轴传动相连接， 用于利用球齿轮控制的针状机械 手控制偏转角度， 实现对目标褐菇的采摘， 并将其传送至储 存车斗； 所述储存车斗设置在褐菇苗床的左侧用于储 存摘取的褐菇。 2.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统， 其特征在于， 所 述利用改进的蚁群算法进行路径规划， 得到 收敛时间最短并且距离最优的路径具体包括： 将已知初始点以及最远的褐菇目标点连接， 划分一个矩形区域， 并且增加该区域的信息素 初始值； 利用改进A*算法通过改进的启发函数以及增加路径最优函数来实现快速地最优路 径规划； 路径信息素分布结束后通过蚁群寻找最优路径， 当所有的蚁群对路径进行信息素 的释放与更新后， 会在各个节点之间留下不同数量的信息素， 需要对所有的路径上信息素 进行分析与整合， 节点之间包含的信息素多少与这条路径距离得长短成反向关系； 对所有 路径上的信息素含量进行排序， 令其对应的路径按照信息素 的多少进行递减排序， 最终选 择信息素含量排名前三对应的路径求和作为最优路径， 最终选择的最优路径就是间苗系统 针状机器手末端的整个运动路程。 3.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统， 其特征在于， 所 述针状机械手末端包括： 两个方向上 的主动球齿轮、 从动球齿轮、 控制电机、 防撞针机构和 针状末端； 所述控制电机固接在传动装置的Z轴传动上， 所述控制电机与主动球齿轮通过联 轴器连接； 所述从动球齿轮与主动球齿轮啮合， 并受两个不同方向主动球齿轮的控制电机 控制； 所述防撞针机构与从动球齿轮固接， 与从动球齿轮同向转动； 所述针状末端嵌套在防 撞针机构中与弹簧固接 。 4.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统， 其特征在于， 所 述防撞针机构包括应力传感器和弹簧； 所述应力传感器设置在防撞针机构 内部的上方， 所 述针状末端的一端与防撞针机构内的弹簧固接， 另外一端四周环有凸起， 防止穿刺后菌菇 的脱落。 5.根据权利要求1所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统， 其特征在于， 所 述双目相机与LED灯分布在针 状机械手末端的两侧。 6.一种基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统的应用方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 1)首先双目相机对当前褐菇苗床进行处理与分析， 得到需要摘取间苗的褐菇位姿信权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115530015 A 2息， 包括XYZ方向上的坐标信息以及偏转的角度和方向， 并反馈给间苗装置的控制系统； 2)利用改进的蚁群算法进行路径规划， 规划出收敛时间少并且路线最优的路径， 用来 控制传动系统的运动； 3)按照规划好的路径对目标褐菇进行采摘， 当针状机器手末端运动到褐菇XY坐标时， 控制电机两个主动球齿轮的转动， 进而控制针状末端的偏转方向； 偏转方向与目标褐菇方 向吻合后， 开始在Z方向上运动， 对目标褐菇进行摘取； 4)将摘取到的褐菇放置在储存车斗里面， 再进行下一个褐菇的摘取， 直至对所有的目 标褐菇完成摘取储 存工作， 传动装置回到原点， 完成间苗任务。 7.根据权利要求6所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统的应用方法， 其 特征在于， 步骤2)中所述利用改进的蚁群算法进行路径规划， 规划出收敛时间少并且路线 最优的路径， 具体包括： 将已知初始点以及最远的褐菇目标点连接， 划分一个矩形区域， 并 且增加该区域的信息素初始值； 利用改进A*算法通过改进的启发函数以及增加路径最优函 数来实现快速地 最优路径规划； 路径信息素分布结束后通过蚁群寻找最优路径。 8.根据权利要求7所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统的应用方法， 其 特征在于， 所述改进A*算法的启发函数为： 其中， f(n)表示启发函数的权重值， g(n)表示由目标点到达n节点时的实际代价， 它表 示的是实际预测值与估计值之间的差， 在路径 规划中， 实际代 价g(n)是已知的； h(n)表 示由 n节点到目标点的预测代价， 利用欧氏距离对其进行预测代价值， 其中xn、 yn为节点n的坐标 值， xgoal、 ygoal为目标节点的坐标值； Q 为大于1的常量。 9.根据权利要求7所述的基于区域蚁群路径规划的褐菇针式间苗系统的应用方法， 其 特征在于， 所述路径信息素分布结束后通过蚁群寻找最优路径具体包括： 当所有的蚁群对 路径进行信息素 的释放与更新后， 会在各个节点之间留下不同数量的信息素， 需要对所有 的路径上信息素进行分析与整合， 节点之 间包含的信息素多少与这条路径距离得长 短成反 向关系； 对所有节点之间的路径选择概 率进行排序， 令其进行递减排序， 令： 其中， r为最终选择的路径， i为总 节点路径， p为选择节点路径的概率， η为信息素含量， p1,p2,p3为排序前三的路径选择概率， sp不同路径概率对应的节点路径， α为信息素的重要 程度； 最终选择的路径就是间苗系统针 状机械手部分的整个运动路程。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115530015 A 3