農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)

安 秋，顧寶興，王海青，姬長(zhǎng)英

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031)

0 前言

定位導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，也一直是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-2］。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的教學(xué)與科研在中國(guó)很多高校得到重視［3-5］，但由于其缺少相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備，在試驗(yàn)方面有較大的發(fā)展瓶頸。機(jī)器視覺(jué)作為一種局部定位傳感方式，可以提供目標(biāo)全部或局部的圖像信息以用于相對(duì)定位。因此，本研究擬搭建四輪驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)以服務(wù)于教學(xué)和科研的基礎(chǔ)應(yīng)用。

1 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。圖1b為四輪驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人平臺(tái)底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)輪子由一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，中間由聯(lián)軸器連接。圖1b中，W為移動(dòng)平臺(tái)的寬度;L為長(zhǎng)度。

圖1 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制方案

2.1 整體控制方案

整體控制方案如圖2所示，上位機(jī)為筆記本電腦，通過(guò)1394接口與攝像機(jī)相連接。下位機(jī)控制器選擇ATmega16為主控芯片，通過(guò)RS232接口與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的指令，發(fā)出4路PWM信號(hào)至驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速和4個(gè)輪的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)［6］。

2.2 下位機(jī)控制器算法流程

圖3a為主程序流程圖;圖3b為中斷程序流程圖;圖3c為電機(jī)速度控制子程序流程圖。主程序從上位機(jī)接收命令，通過(guò)協(xié)議解析，得到電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和速度級(jí)別，而后調(diào)用電機(jī)速度控制子函數(shù)，執(zhí)行命令。

圖4為電機(jī)控制子程序詳圖。下位機(jī)控制器根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)的需要，接收并解析上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)方式和速度指令，然后分別設(shè)置PWM信號(hào)輸出控制寄存器，最終得到不同占空比的PWM信號(hào)。其中，使用ATmega16的T0和T2定時(shí)器控制左邊兩輪，即OCR0和OCR2寄存器;由于T1定時(shí)器是16位的，可以變?yōu)閮蓚€(gè)8位的寄存器，即OCR1A和OCR1B寄存器，用來(lái)控制右邊輪胎，共產(chǎn)生4路PWM信號(hào)，左邊2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共用兩路PWM信號(hào)，右邊2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共用兩路PWM信號(hào)，從而達(dá)到控制電機(jī)速度的目的［7］。

圖2 整體控制方案

圖3 下位機(jī)控制器算法流程圖

圖4 電機(jī)速度控制子程序流程

3 視覺(jué)導(dǎo)航算法

將線掃描過(guò)程和最小二乘法相結(jié)合，針對(duì)兩條作物行的情況，提出一種結(jié)合最小二乘法的線掃描算法［8-10］。首先，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，采用從上到下，從左到右的方式掃描，尋找二值圖像中每一行的導(dǎo)航路徑的中心點(diǎn)，最后利用最小二乘法來(lái)擬合這些點(diǎn)，來(lái)獲取導(dǎo)航中心線參數(shù)。

(Ⅰ)通過(guò)線掃描統(tǒng)計(jì)得到導(dǎo)航中心線的點(diǎn)集合。

設(shè)圖像分割后獲得的二值圖像的大小為w×h(w為圖像的列數(shù)，h為圖像的行數(shù))，對(duì)每一行進(jìn)行線掃描，并采用濾波處理去除噪聲點(diǎn)。這里采用設(shè)定閾值法去除小的噪聲點(diǎn)線段。

圖5為分割后的玉米行二值圖像。圖6a為二值圖像第70水平掃描行數(shù)據(jù)的像素分布情況，圖6b為濾除噪聲后第70水平掃描行數(shù)據(jù)的像素分布情況。由圖5和圖6可知:濾除噪聲后的像素分布基本上代表了此行上的作物行的分布情況。

經(jīng)過(guò)了噪聲點(diǎn)移除后，記第j行的零像素點(diǎn)(作物區(qū)域)的數(shù)目為Nj，列坐標(biāo)為xi，那么這一行的導(dǎo)航中心點(diǎn)Cj橫坐標(biāo)為

將得到的每一行的導(dǎo)航中心點(diǎn)存儲(chǔ)在N×2的數(shù)組，其中，N是整幅圖像中導(dǎo)航中心點(diǎn)的個(gè)數(shù)(每一行經(jīng)過(guò)濾噪后，由于存在舍棄作物缺失行的情況。因此，N有可能小于圖像行數(shù)h)。數(shù)組的一列存儲(chǔ)導(dǎo)航中心點(diǎn)橫坐標(biāo)，另一列存儲(chǔ)所在的行號(hào)(縱坐標(biāo))。

圖5 分割后的二值圖像及第70行

圖6 線掃描算法對(duì)第70行進(jìn)行濾除噪聲處理結(jié)果

(Ⅱ)利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，計(jì)算導(dǎo)航中心線參數(shù)。

假設(shè)從圖像線掃描后得到導(dǎo)航線中心點(diǎn)的N個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)為(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xN，yN)，則在圖像平面上，可以得到N個(gè)點(diǎn)Pi(xi，yi)(i=1，2，…，N)，這種圖形稱為“散點(diǎn)圖”，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7中可以粗略看出這些黑點(diǎn)大致散落在某直線附近，設(shè)直線可以用y=ax+b表示，其中a和b是待定常數(shù)。最小二乘法求待定常數(shù)的公式為

(Ⅲ)由直線方程y=ax+b，在原圖像中繪制導(dǎo)航中心線。

4 導(dǎo)航算法測(cè)試

圖7給出了僅有2條作物行圖像的2組測(cè)試結(jié)果，圖中的散點(diǎn)為每行的導(dǎo)航中心點(diǎn)，擬合后的導(dǎo)航中心線為兩行中間的直線，可以作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航的依據(jù)。對(duì)于大小為400 pixel×300 pixel的圖像，結(jié)合最小二乘法的線掃描算法處理時(shí)間約為18 ms。

圖7 結(jié)合最小二乘法的線掃描算法

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)的整體控制方案和基于AVR單片機(jī)的下位機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)了4個(gè)電機(jī)的獨(dú)立速度控制及其與上位機(jī)的串口通訊功能。測(cè)試表明:當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令信息到下位機(jī)控制器后，其運(yùn)動(dòng)控制算法能夠可靠運(yùn)行。

(2)結(jié)合最小二乘法的線掃描算法的預(yù)處理包括去除噪聲點(diǎn)和判斷舍棄作物缺失行兩步，它們是提取導(dǎo)航中心點(diǎn)的關(guān)鍵。測(cè)試表明整個(gè)算法具有較高的實(shí)時(shí)性。對(duì)于3行或4行的作物行的情況可以擴(kuò)展本算法。

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