基于初始點Hough變換公園綠籬修剪機器人自動化導航研究

陳繼清　強虎　徐關(guān)文　吳家華　劉旭

摘 ?要： 針對車載綠籬修剪機難以在公園道路自動行走的問題，在視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種初始點Hough變換算法，可用于指導小型車輛在公園道路的自動化導航，從而實現(xiàn)公園綠籬修剪的機械化和智能化。算法主要包括五部分：目標區(qū)域的截取、HSI彩色空間的轉(zhuǎn)換、S分量圖的二值化及形態(tài)學處理、導航點的求取與導航線的擬合。為了減少圖像的計算量和干擾，只截取拍攝圖像的部分區(qū)域作為目標區(qū)域;為了減少光照不均勻的影響，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSI圖像，并提取S分量圖作為研究對象;采用Otsu法二值化S分量圖，并采用形態(tài)學處理填充二值圖像的孔洞;針對傳統(tǒng)的Hough變換計算量大的缺點，提出一種初始點Hough變換擬合導航路徑。試驗結(jié)果表明，該文提出的初始點Hough變換具有較高的精確性、實時性的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 修剪機器人; 自動化導航; 初始點Hough變換; 導航路徑; 機器視覺; 形態(tài)學運算

中圖分類號： TN830.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）24?0170?04

Research on park hedge trimming robot automatic navigation based on

initial point Hough transform

CHEN Jiqing1，2， QIANG Hu1， XU Guanwen1， WU Jiahua1， LIU Xu1

（1. School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530007， China;

2. Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System and Advanced Manufacturing Technology， Nanning 530007， China）

Abstract： In allusion to the problem that the hedge trimmer is difficult to automatically walk on the park road， an initial point Hough transform algorithm is proposed based on the visual system， which can be used to guide the automatic navigation of small vehicles on park roads， so as to realize the mechanization and intelligence of the park hedge trimming. This algorithm mainly includes five parts： the interception of target area， the transformation of the HSI color space， the binarization and morphological processing of the S component image， the extraction of navigation points and the fitting of navigation paths. Only part of the image is intercepted as the target area to reduce the amount of calculation and interference， the RGB image is converted into the HSI image， and the S component image is extracted as the research object to reduce the effect of uneven lighting. The Otsu method is used to binarize the S component image， and the hole of binary image is filled by morphological processing. As the traditional Hough transform has a large amount of computation， an initial point Hough transform is proposed to fit the navigation path. The experimental results show that the initial point Hough transform proposed in this paper has the advantages of high accuracy and real?time.

Keywords： trimming robot; automatic navigation; initial point Hough transform; navigation path; machine vision; morphological algorithm

0 ?引 ?言

3 ?實驗結(jié)果與分析

本文選擇在南寧公園進行實驗，選取植物生長和道路情況較為復雜的1幅圖像作為研究對象。實驗處理過程和結(jié)果如圖4所示。其中，圖4a）為相機拍攝的原始圖像;圖4b）為截取的目標區(qū)域;圖4c）為目標區(qū)域的HSI彩色圖像;圖4d）為圖4c）的S分量圖;圖4e）為圖4d）二值化結(jié)果;圖4f）為圖4e）形態(tài)學運算結(jié)果;圖4g）是使用本文方法獲取的導航點;圖4h）是使用不同算法擬合導航線的結(jié)果表1為使用本文方法求得的導航點坐標;表2為不同算法擬合導航線所用時間;表3為不同算法擬合導航路徑的參數(shù)，k為斜率，b為截距。

由圖4a）可知，在道路兩邊種植有很多不同種類的植物，如果將拍攝的整幅圖像作為研究對象，那么不可能將道路信息從植物中分割出來;由圖4b）可知，截取的目標區(qū)域中干擾較少，這在一定程度上提高了導航路徑的提取精度;由圖4e）和圖4f）對比可知，通過形態(tài)學運算可以很好地填充二值圖像的孔洞;由圖4g）可知，雖然本文通過形態(tài)學運算消除了一些孔洞，但是仍然存在一些較大的孔洞，導致導航點中存在極大偏差點;由圖4h）可知，本文改進Hough變換擬合的導航路徑精度要高于最小二乘法擬合的導航路徑。由表2可知，本文改進Hough變換在實時性上要優(yōu)于傳統(tǒng)Hough變換。

圖5是實驗平臺在同一路段行走時使用本文方法擬合的導航路徑。由圖5可知，本文改進的Hough變換在道路情況較為復雜時，也可以準確地提取導航路徑。

4 ?結(jié) ?論

本文針對公園綠籬修剪機器人車載部分自動導航的問題，在傳統(tǒng)Hough變換的基礎(chǔ)上提出一種初始點Hough變換來擬合公園道路的導航路徑。通過不同算法對比和實車試驗，得到以下結(jié)論：

1） 截取圖像的部分區(qū)域作為目標區(qū)域，可以有效地減少干擾和計算量。本文通過350組實驗確定截取拍攝圖像的最后101像素行作為目標區(qū)域，可以有效地減少不同種類植株對圖像分割的影響，使道路信息可以很好地分割出來。

2） 將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSI圖像可以有效地減小光照不均勻?qū)Ш铰窂教崛〉挠绊憽?/p>

3） 改進的初始點Hough變換可以準確地提取機器人行走的導航路徑。在傳統(tǒng)Hough變換的基礎(chǔ)上，通過限制遍歷角度范圍和交點檢測范圍，改進Hough變換，經(jīng)過不同算法的對比，本文改進算法在精度上要高于最小二乘法，在實時性上要優(yōu)于傳統(tǒng)Hough變換。

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作者簡介：陳繼清（1984—），男，廣西玉林人，博士，講師，研究方向為機器人運動控制、機器視覺、特種機器人系統(tǒng)。

強 ?虎（1995—），男，山西大同人，碩士研究生，研究方向為機器視覺。

徐關(guān)文（1995—），男，廣西岑溪人，碩士研究生，研究方向為仿生視覺。