基于GPS和機(jī)器視覺的自主導(dǎo)航定位農(nóng)機(jī)設(shè)備研究

吳東明，王麗娟

(焦作師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

基于GPS和機(jī)器視覺的自主導(dǎo)航定位農(nóng)機(jī)設(shè)備研究

吳東明，王麗娟

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

準(zhǔn)確、可靠的位置信息是進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航的前提，為了提高農(nóng)機(jī)自主定位導(dǎo)航的精度，提出了一種基于GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，并介紹了聯(lián)合定位導(dǎo)航的方法，最后以實(shí)驗(yàn)得方式驗(yàn)證了導(dǎo)航的可行性。農(nóng)機(jī)的GPS和機(jī)器視覺組合定位系統(tǒng)采用GPS部分對(duì)農(nóng)機(jī)的絕對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并跟蹤導(dǎo)航角和行駛速度，完成絕對(duì)定位；采用機(jī)器視覺部分圖像處理的方式，獲得導(dǎo)航基準(zhǔn)線和作業(yè)目標(biāo)信息，完成相對(duì)定位；采用光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)了避障功能，并采用無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。對(duì)農(nóng)機(jī)聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：最大誤差不超過0.1m，精度較高，克服了單一定位方式的不足，提高了農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航的定位效果。

農(nóng)機(jī)設(shè)備；機(jī)器視覺；自主定位；GPS系統(tǒng)；定位精度

0 引言

農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化與智能化，開發(fā)高精度的自主導(dǎo)航裝置是減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度和提高農(nóng)業(yè)設(shè)備自動(dòng)化的一項(xiàng)新的研究。在我國，當(dāng)前的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的自主導(dǎo)航能力均不高，有關(guān)這方面的研究也做了大量工作，主要集中在機(jī)器視覺和GPS單一方向，采用GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制的研究并不多。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的高精度定位和自主導(dǎo)航能力、提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率，本次研究聯(lián)合了GPS和機(jī)器視覺導(dǎo)航兩種方法，綜合應(yīng)用了GPS絕對(duì)定位和機(jī)器視覺的相對(duì)定位功能，以期提高農(nóng)機(jī)的自主導(dǎo)航能力和定位效果。

1 農(nóng)機(jī)GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航總體設(shè)計(jì)

在自主導(dǎo)航農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，采用單一的導(dǎo)航方式往往不能夠解決精確導(dǎo)航的問題，目前常用的導(dǎo)航方法是GPS導(dǎo)航和機(jī)器視覺導(dǎo)航。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航和目標(biāo)識(shí)別裝置，對(duì)導(dǎo)航的精度要求較高，因此可以結(jié)合兩種方法對(duì)農(nóng)機(jī)機(jī)導(dǎo)航裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框架如圖1所示。其中，GPS導(dǎo)航的基本功能是為農(nóng)機(jī)提供精確的導(dǎo)航位置、航向和行駛的參數(shù)，機(jī)器視覺主要是對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)的相對(duì)位置坐標(biāo)，然后將兩組信息進(jìn)行統(tǒng)一，完成定位功能。其定位過程示意圖如圖2所示。

圖1 GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航基本框架Fig.1 Basic framework of GPS and machine vision

農(nóng)機(jī)根據(jù)GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合采集的信息實(shí)現(xiàn)了不同航向和速度下的行駛，并能夠準(zhǔn)確地定位到目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)彎等操作。

圖3表示采用GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航設(shè)計(jì)的主板框架圖。農(nóng)機(jī)采用直流電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)，通過GPS實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的精確定位，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別和定位，采用光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)了避障功能。系統(tǒng)還配備了液晶顯示和語音播報(bào)功能，整個(gè)系統(tǒng)以STC89C52為控制核心，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化定位和導(dǎo)航功能，并通過無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

圖2 導(dǎo)航農(nóng)機(jī)定位過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process of navigation

圖3 GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航主板設(shè)計(jì)框圖Fig.3 The main board design for block diagram

GPS and machine vision joint navigation

2 農(nóng)機(jī)GPS和機(jī)器視覺組合導(dǎo)航定位方法

組合導(dǎo)航采用GPS和視覺導(dǎo)航兩種坐標(biāo)系來標(biāo)定，分別為大地和視覺坐標(biāo)系，GPS輸出的是農(nóng)機(jī)的經(jīng)緯度信息。視覺坐標(biāo)系將攝像機(jī)的焦點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，將農(nóng)機(jī)的行駛方向作為X軸的負(fù)方向，依據(jù)攝像機(jī)的參數(shù)將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為農(nóng)機(jī)的視覺坐標(biāo)系，將其定義為(xps，yps)。農(nóng)機(jī)的具體位置由GPS實(shí)時(shí)獲得，其坐標(biāo)定義為(xd，yd)，由農(nóng)機(jī)的航行方向和視覺坐標(biāo)可以求出作業(yè)目標(biāo)的實(shí)際大地坐標(biāo)(xj，yj)。農(nóng)機(jī)航向示意圖如圖4所示。

其中，目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)(xj,yj)可以利用公式(1)得到其在視覺坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即

(1)

其中，φv表示農(nóng)機(jī)的航向角度。在實(shí)際坐標(biāo)系的測量過程中，需要將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，才能被農(nóng)機(jī)的數(shù)字處理部件所識(shí)別，圖像的數(shù)字化處理主要包括圖像數(shù)字化變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像壓縮和圖像重建等。其中，數(shù)字化變換過程是將模擬的圖像離散化，得到離散的圖像數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖4 農(nóng)機(jī)航向示意圖Fig.4 Schematic diagram of the agricultural machinery

圖5圖像數(shù)字化的流程圖Fig.5 The flow chart of digital image

圖像的數(shù)字化處理過程可以用函數(shù)Q(F)來表示，該函數(shù)表示通過不同的處理方法對(duì)圖像進(jìn)行處理。對(duì)于一般的圖像來說，其灰度圖像用F在(X,Y)二維空間的連續(xù)變化來描述，即圖像=f(x,y)。對(duì)于序列圖像來說，圖像序列={f1(x,y),f2(x,y),…,fi(x,y)}，或圖像序列=f(x,y,t)。其中，二維圖像函數(shù)f(x,y)經(jīng)過系統(tǒng)S變成另一個(gè)二維圖像函數(shù)g(x,y)是圖像處理的基本形式，如圖6所示。

圖6圖像處理的符號(hào)框架Fig.6 The symbol frame for image processing

由圖6可以對(duì)圖像的基本符號(hào)框架進(jìn)行表述，其符號(hào)表達(dá)式為

g(x,y)=S(f(x,y))

(2)

其中，S表示某種處理方法，其隨著圖像處理目標(biāo)的不同而不同，可以將其寫成

g(x,y)=S-1(f(x,y))

(3)

式(3)表示對(duì)圖像進(jìn)行恢復(fù)。在農(nóng)機(jī)采集圖像時(shí)，采集得到的圖像一般都為彩色圖像，彩色圖像模型可以用HIS模型來表示，HIS分別表示色度(Hue)、飽和度(Saturation)、亮度(Illumination)3個(gè)參數(shù)。在模型中，不需要藍(lán)色或者綠色色彩個(gè)數(shù)，只需要調(diào)節(jié)色度便可以得到數(shù)字化處理所需要的色彩，調(diào)節(jié)飽和度可以將深色變成淺色，調(diào)節(jié)亮度可以改變圖像的亮暗程度，機(jī)器視覺可以利用HIS模型來識(shí)別待作業(yè)的目標(biāo)顏色。HIS模型如圖7所示。

圖7 HSI模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of HSI model

圖7中，角度表示色度H，其值的范圍是0°～360°；半徑表示飽和度S，分布范圍是從0～1；Y軸方向表示亮度由黑向白轉(zhuǎn)換。將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HIS模型可以采用以下公式，即

(4)

θ的數(shù)值為

(5)

色度的分量為

(6)

強(qiáng)度分量為

I=1/3(R+G+B)

(7)

依據(jù)圖像處理模型，可以構(gòu)建農(nóng)機(jī)導(dǎo)航車的軟件系統(tǒng)，主要包括作業(yè)目標(biāo)采集模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊和圖像處理模塊。其中，圖像處理模型主要是由作業(yè)目標(biāo)識(shí)別模塊、導(dǎo)航定位模塊、顯示模塊、控制模塊和RS232通信模塊等組成。

圖8為農(nóng)機(jī)導(dǎo)航的軟件系統(tǒng)框圖，其核心部分是圖像處理模塊和作業(yè)目標(biāo)識(shí)別模塊。圖像處理模塊可以完成對(duì)圖像的各種操作，實(shí)現(xiàn)圖像參數(shù)的計(jì)算；作業(yè)目標(biāo)識(shí)別模塊可以有效地識(shí)別作業(yè)目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)定位；控制模塊可以根據(jù)計(jì)算得到的位置目標(biāo)，控制導(dǎo)航車輛的移動(dòng)；最后，利用RS232通信模塊將控制參數(shù)發(fā)送到轉(zhuǎn)向和機(jī)械手控制器，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的自主導(dǎo)航。

圖8 農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航軟件系統(tǒng)框架圖Fig.8 The software system framework of the autonomousnavigation of agricultural machinery

3 農(nóng)機(jī)聯(lián)合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航的主要功能包括轉(zhuǎn)向避障和目標(biāo)的識(shí)別，本次實(shí)驗(yàn)農(nóng)機(jī)的作業(yè)定位系統(tǒng)主要包括3部分，目標(biāo)定位模塊、圖像處理模塊和結(jié)果輸出控制模塊。其中，目標(biāo)的定位和識(shí)別由GPS和機(jī)器視覺來實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)采集得到的信息保存在內(nèi)存中，處理完成后的圖像作為結(jié)果輸出，最后利用輸出結(jié)果來控制農(nóng)機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)器人得定位和位姿控制，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)航農(nóng)機(jī)主機(jī)體部分Fig.9 The navigation of agricultural machinery parts

農(nóng)機(jī)上搭載了GPS導(dǎo)航定位接收器和機(jī)器視覺系統(tǒng)，GPS導(dǎo)航天線安裝在機(jī)器的頂部，攝像機(jī)安裝在車體前端，為測試導(dǎo)航的機(jī)動(dòng)性，在農(nóng)機(jī)后邊加載了拖拉裝置，如圖10所示。

圖10 農(nóng)機(jī)導(dǎo)航過程實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.10 The experimental schematic diagram of the processof agricultural machinery navigation

本次農(nóng)機(jī)GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)采用的農(nóng)機(jī)行駛速度為0.6m/s，并沿著x方向行駛，采集得到傳感器數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)一共采集了8組數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其定位效果如圖11所示。

圖11 定位效果誤差曲線Fig.11 The error curve of positioning effect

由定位效果圖可以看出：采用聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制得到的誤差較小，其中最大誤差不超過0.1m，滿足農(nóng)機(jī)高精度自主導(dǎo)航的需求。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的高精度定位和自主導(dǎo)航能力，提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率，對(duì)GPS和機(jī)器視覺聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，綜合應(yīng)用了GPS絕對(duì)定位和機(jī)器視覺的相對(duì)定位功能，設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在行駛速度為0.6m/s時(shí)，對(duì)農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，并將數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：農(nóng)機(jī)導(dǎo)航的精度最大誤差不超過0.1m，相比單一的GPS定位和機(jī)器視覺定位精度都要高。由于本次研究還處于初試階段，還沒有進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)論證，因此聯(lián)合導(dǎo)航機(jī)制的研究還存在很多問題，相信通過今后的研究，會(huì)研制出具有更高精度和效率的農(nóng)機(jī)設(shè)備導(dǎo)航方法。

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Research on the Autonomous Navigation and Positioning System Based on GPS and Machine Vision

Wu Dongming, Wang Lijuan

(School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China)

The accurate and reliable location information is a prerequisite for the automation of agricultural machinery. In order to improve the self positioning accuracy of navigation of agricultural machinery, it proposes a GPS positioning system and combined navigation based on machine vision, introduces a method of combined navigation, finally verifies the feasibility of the navigation way through the experiment. Agricultural GPS and machine vision positioning system uses GPS part of absolute position of agricultural real-time acquisition, tracking and navigation angle and speed, completes absolute positioning. By using machine vision image processing part, navigation datum line and operation target information, it completes the relative positioning, the photoelectric tube to achieve obstacle avoidance function by using the wireless data transceiver to achieve the remote control of agricultural machinery. At the end of the agricultural joint navigation mechanism is verified by experiments, which shows that the maximum error is less than 0.1m, high precision, overcome the shortage of single positioning, improve the positioning effect of autonomous navigation of agricultural machinery.

agricultural machinery equipment; machine vision; self localization; GPS system; positioning accuracy

2016-12-11

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項(xiàng)目(CX(16)60732)

吳東明 (1982-)，男，河南駐馬店人，講師，碩士。

王麗娟(1980-)，女，河南焦作人，講師，碩士，(E-mail)6683746@qq.com。

S126;TP273

A

1003-188X(2018)02-0221-05