基于機(jī)器視覺的玉米秸稈行實(shí)時定位機(jī)器人設(shè)計(jì)

張　麗，胡應(yīng)占，汪小志，鮑秀蘭

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué)，南昌　330031；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢　430070)

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基于機(jī)器視覺的玉米秸稈行實(shí)時定位機(jī)器人設(shè)計(jì)

張麗1，胡應(yīng)占1，汪小志2,3，鮑秀蘭4

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué)，南昌330031；4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人玉米秸稈行的精確定位，對耕作玉米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了一種基于泰勒級數(shù)展開式的RSSI定位方法，提高了機(jī)器人玉米秸稈行的定位精度。定位系統(tǒng)使用高清晰度的攝像機(jī)采集圖像，并采用PID閉環(huán)反饋的方式控制機(jī)器人的位移，利用PC主控端圖像處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時定位功能。為了驗(yàn)證機(jī)器人玉米秸稈行定位的可靠性，采用田間試驗(yàn)的方法對機(jī)器人的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：RSSI定位方法的定位精度較高，且圖像處理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地標(biāo)定玉米秸稈行，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玉米田中的精確定位，避免了機(jī)器人在作業(yè)過程中對農(nóng)作物造成損害。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；實(shí)時定位；機(jī)器視覺；閉環(huán)系統(tǒng)；反饋調(diào)節(jié)

0引言

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動導(dǎo)航功能，首先需要解決的兩個問題是定位和控制：定位是精確地判斷農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置及相對于參考點(diǎn)的位置；控制包括決策和末端執(zhí)行件的控制，如偏轉(zhuǎn)位移、行進(jìn)速度等，使機(jī)器人按照預(yù)定的位置規(guī)劃路徑。機(jī)器人采用自動導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)決策系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)合：上位機(jī)主要負(fù)責(zé)圖像的實(shí)時處理及導(dǎo)航的決策；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人執(zhí)行末端的控制。該方法使機(jī)器人從整體上具有可靠性和實(shí)時性的等特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，攝像機(jī)可以實(shí)時采集農(nóng)田圖像信息，通過USB總線將圖像信息傳輸至主控計(jì)算機(jī)；PC機(jī)對圖像進(jìn)行處理，完成基本控制路徑的識別和精確定位，從而計(jì)算出機(jī)器人的控制路徑，決策出機(jī)器人的位移。決策結(jié)果使用CAN總線傳送到位移控制器，位移控制器給出電流信號，對液壓裝置進(jìn)行控制，從而完成機(jī)器人的自動導(dǎo)航。

1機(jī)器人結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人玉米秸稈行的精確定位，需要對玉米機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要是使用高清晰度的攝像機(jī)和PLC反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)采用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而系統(tǒng)中的PC主控端具有圖像處理的功能。機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖

1.動力部分　2.農(nóng)機(jī)具　3.液壓油缸　4.攝像機(jī)

農(nóng)機(jī)具機(jī)器視覺自動導(dǎo)航系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、橫向位移控制器、液壓系統(tǒng)和農(nóng)機(jī)具等。為了實(shí)現(xiàn)施肥的精密控制，使用PID控制器來調(diào)整機(jī)器人的移動誤差，結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3　機(jī)器人位移誤差PID控制器

利用PID控制器對機(jī)器人的位移誤差進(jìn)行控制，其控制方程為

(1)

其中，kp表示積分調(diào)節(jié)系數(shù)；ki表示微分調(diào)節(jié)系數(shù)；kd表示比例調(diào)節(jié)系數(shù)；T表示采樣周期；e表示位移誤差控制。其中，位移的初始輸入多少可以通過系統(tǒng)定位來控制。

2實(shí)時定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線信號的信號強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而衰減，根據(jù)移動終端測量接收到的信號強(qiáng)度和已知的無線信號衰落模型，可以估算出收發(fā)方之間的距離；根據(jù)多個估算的距離值，可以計(jì)算出移動終端的位置。田地一般空間較小，通常的測距方法不適合小空間的測量，而基于RSSI的測距方法則沒有這個缺點(diǎn)，且其信號模型在小范圍內(nèi)比較接近理論值，實(shí)時定位的基礎(chǔ)是三邊測量和泰勒級數(shù)展開定位法。

2.1三邊測量法

首先假設(shè)3個位置，這3個位置是3個圓的圓心A、B、C，如圖4所示。

圖4　三邊測量法

3個位置對應(yīng)的坐標(biāo)是(x1,y1),(x2,y2), (x3,y3)，而3個圓的交點(diǎn)便是待定位的位置，其坐標(biāo)為 (x,y)。假設(shè)無線接入點(diǎn)和測量點(diǎn)的距離為d1、d2、d3，則可以得到

(2)

對式子進(jìn)行變換可以得到

(3)

終端坐標(biāo)的位置可以表示為

(4)

2．2泰勒級數(shù)展開定位法

(5)

(6)

(7)

真實(shí)位置坐標(biāo)和近似位置坐標(biāo)的偏移量為

(8)

式(8)在近似位置處利用泰勒級數(shù)展開，并去除一階偏導(dǎo)各項(xiàng)，則

(9)

各偏導(dǎo)數(shù)經(jīng)計(jì)算為

(10)

通過整理可得

(11)

做如下假設(shè)

(12)

則式(11)可簡化為

Δdi=axiΔx+ayiΔy

(13)

于是可得

(14)

做如下定義

(15)

于是可以得到

HΔρ=Δd

(16)

3玉米秸稈行實(shí)時定位機(jī)器人測試

為了測試機(jī)器人玉米秸稈行定位的有效性和可靠性，本文采用田間試驗(yàn)的方法對機(jī)器人進(jìn)行了測試，項(xiàng)目主要包括行中心線的標(biāo)定和二值化處理結(jié)果。其中，機(jī)器人的示意圖如圖5所示。該機(jī)器人裝由高清攝像頭，可以完成圖像采集，并通過PC機(jī)對圖像進(jìn)行處理，基本流程如圖6所示。

圖5　測試玉米壟間行走機(jī)器人示意圖

圖6　圖像采集和處理過程示意圖

本文在研究吸取了其他農(nóng)作物行識別的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)作物行的特征點(diǎn)提取、優(yōu)化。同時，利用Hough變換進(jìn)行作物行的提取，最終與原來的彩圖上畫出提取的直線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出：通過圖像處理標(biāo)定后，在玉米秸稈中間位置可以出現(xiàn)一條明顯的直線，根據(jù)此直線可以實(shí)現(xiàn)玉米秸稈行的準(zhǔn)確定位。

圖8為玉米秸稈行圖像的二值化結(jié)果圖。由圖8可以看出：通過二值化處理，玉米秸稈行可以清晰地顯示出輪廓，有助于玉米秸稈行的定位。通過多次實(shí)驗(yàn)對誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了定位誤差統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

圖7　玉米秸稈行識別結(jié)果

圖8　二值化輪廓圖

實(shí)驗(yàn)編號實(shí)際坐標(biāo)測得坐標(biāo)誤差1(5.302,30.69)(5.231,30.62)0.07022(40.63,33.16)(40.52,33.11)0.07033(38.14,27.05)(38.03,26.93)0.08284(11.91,49.38)(11.85,49.37)0.08245(6.185,46.01)(6.104,46.02)0.0795

由表1可以看出:通過5次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的定位穩(wěn)定性較好，誤差波動不大，最大誤差僅為0.828cm，玉米秸稈行的定位精度較高。

為了驗(yàn)證本文使用的RSSI泰勒級數(shù)展開定位方法的優(yōu)勢，使用質(zhì)心算法和Dv-hop算法與其進(jìn)行對比，如表2所示。通過對比發(fā)現(xiàn)：RSSI泰勒級數(shù)展開定位的精度明顯比其他算法高，從而驗(yàn)證了該定位算法的可靠性。

表2　3種算法誤差對比

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新的玉米耕作機(jī)器人的機(jī)器視覺系統(tǒng)，并提出了RSSI的泰勒展開技術(shù)定位計(jì)算方法，有效地提高了玉米耕作機(jī)器人對玉米秸稈行的識別準(zhǔn)確率及作業(yè)精度。

對機(jī)器人和機(jī)器視覺定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，并使用高清攝像機(jī)完成圖像采集，且利用PC主控端圖像處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時定位功能及機(jī)器人位移偏轉(zhuǎn)量的控制。通過測試發(fā)現(xiàn)：本文提出的RSSI定位方法的定位精度比質(zhì)心算法和Dv-hop算法都要高，且圖像處理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地標(biāo)定玉米秸稈行，從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和可靠性，為WSN和機(jī)器視覺技術(shù)在玉米耕作機(jī)器人上的應(yīng)用提供了較有價(jià)值的參考。

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Design for Line Real-time Positioning Robot of Corn Stalk Based on Machine Vision

Zhang Li1, Hu Yingzhan1, Wang Xiaozhi2,3, Bao Xiulan4

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China; 4.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In order to achieve accurate positioning robot corn stalk line, the structure of farming corn robot is improved, and it put forward a kind of RSSI localization method based on Taylor series expansion, and increase the corn stalk line robot positioning accuracy.Together with the method of PID closed-loop feedback control,by using high resolution camera gathering image,the positioning system use the PC master side image processing the displacement of the robot , realized the real-time positioning function. In order to verify the reliability of the robot corn stalk line, and adopt the method of field experiments on the performance of the robot were tested.Through test,it was found that the proposed RSSI positioning method of positioning accuracy is higher, and the image processing system can accurate calibration of corn stalk line, which can accomplish the precise positioning of the robot in the corn field and avoid the robot in the process of operation causing damage to the crops.

Key words：corn stalk; real-time positioning; machine vision; the closed loop system; feedback adjustment

文章編號：1003-188X(2016)06-0041-05

中圖分類號：S225.5+1；TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張麗(1979-)，女，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-05-25