基于視覺補(bǔ)充的水稻插秧機(jī)多傳感器組合定位研究

摘要 為改善基于GNSS/INS 組合定位的水稻插秧機(jī)在遇到遮擋、電磁干擾、傳感器失效等情況時的導(dǎo)航效果，在原有GNSS/INS 組合定位的基礎(chǔ)上，提出一種視覺導(dǎo)航系統(tǒng)（vision navigation system，VNS）補(bǔ)充的水稻插秧機(jī)多傳感器組合定位方法。首先設(shè)計(jì)改進(jìn)的Otsu 法和改進(jìn)的Hough 變換算法用于視覺定位信息提取，并構(gòu)建插秧機(jī)和相機(jī)坐標(biāo)系關(guān)系方程以求解位姿值；然后采用具有容錯功能的聯(lián)邦卡爾曼濾波算法將VNS 輸出的定位信息和GNSS、INS 輸出的定位信息進(jìn)行融合；最后分別在水泥地和水田進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，空曠水泥地場景下，GNSS/INS/VNS 組合定位和GNSS/INS 組合定位精度相近，而在遮擋水泥地場景下，GNSS/INS/VNS 組合定位解算出的位置誤差和航向誤差的平均值分別為1.77 cm 和0.99°，相較于GNSS/INS 組合定位方法分別提高46.8% 和61.5%；水田試驗(yàn)中，經(jīng)過視覺補(bǔ)充后導(dǎo)航系統(tǒng)的橫向偏差和航向偏差平均值分別降低45.7% 和67.9%，橫向偏差平均值為1.97 cm，航向偏差平均值為0.49°。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于視覺補(bǔ)充的多傳感器組合定位方法能有效降低導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差和跟蹤偏差，滿足插秧機(jī)自動駕駛作業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞 插秧機(jī)； 視覺導(dǎo)航； 信息融合； 導(dǎo)航定位； 卡爾曼濾波； 圖像處理； 容錯性

中圖分類號 S232.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）02-0234-13

隨著傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)車輛正逐步向自動化、智能化方向發(fā)展［1-4］。水稻作為世界上主要的糧食作物之一，實(shí)現(xiàn)水稻插秧機(jī)的自動駕駛與作業(yè)，對提高水稻種植生產(chǎn)效率具有重要意義，這也對插秧機(jī)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)提出了更高的要求。

現(xiàn)有的插秧機(jī)自動駕駛技術(shù)成果主要基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）提供的農(nóng)機(jī)位置信息和航向信息為插秧機(jī)提供定位信息。GNSS 是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的基礎(chǔ)，在農(nóng)用車輛中的應(yīng)用極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率［5］。何杰等［6］開發(fā)了一種插秧機(jī)自動作業(yè)策略，利用GNSS 獲取插秧機(jī)定位信息，完成了對水稻插秧機(jī)自動作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在多傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)中，GNSS 和INS 的組合應(yīng)用較為普遍，并且在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［7-9］。慣性測量單元作為INS 系統(tǒng)中的核心部件，不需要接收外部信息，能夠以相對較高的采樣頻率運(yùn)行，可以有效提高定位信息輸出頻率。邱權(quán)等［10］采用自適應(yīng)系數(shù)卡爾曼濾波算法對GNSS 和INS 的定位信息進(jìn)行融合，利用GNSS 對INS 解算的位姿信息進(jìn)行修正，有效解決了INS 運(yùn)行過程中的誤差積累問題。但是在我國復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中，衛(wèi)星定位容易受到遮擋或電磁干擾而出現(xiàn)信號丟失或多路徑效應(yīng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致GNSS/INS 組合定位系統(tǒng)的定位精度下降。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)（VNS）因其價格便宜、適用性強(qiáng)的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，尤其是農(nóng)用機(jī)械的視覺導(dǎo)航方面［11-14］。張澤清等［15］提出了一種基于視覺的插秧機(jī)導(dǎo)航線提取方法，該方法根據(jù)秧苗行的作物特征計(jì)算插秧機(jī)的導(dǎo)航參數(shù)。相比之下，VNS 不依賴于其他傳感器，能夠獨(dú)立實(shí)時采集環(huán)境信息從而獲取插秧機(jī)的相對定位信息［16］。

因此，為改善基于GNSS/INS 組合定位的水稻插秧機(jī)在遇到遮擋、電磁干擾、傳感器失效等情況時的導(dǎo)航效果，本研究在原有GNSS/INS 組合定位的基礎(chǔ)上，開展基于視覺補(bǔ)充的水稻插秧機(jī)多傳感器組合定位并針對插秧機(jī)設(shè)計(jì)視覺系統(tǒng)定位信息提取方法，提高定位系統(tǒng)的精度和容錯性能，旨在為進(jìn)一步開展插秧機(jī)自動作業(yè)研究提供理論參考。