基于雷達(dá)點云的果樹快速識別與分割方法研究

摘 要： 在果園自動化作業(yè)生產(chǎn)中，果樹的精準(zhǔn)識別是果園精準(zhǔn)作業(yè)的重要前提。針對在復(fù)雜果園環(huán)境中單株果樹難以精準(zhǔn)快速識別的問題，基于激光雷達(dá)三維點云技術(shù)對果樹識別進(jìn)行研究，提出了一種精準(zhǔn)、快速、高自動化的果樹識別方法及裝置。構(gòu)建多維度傳感融合識別裝置對果樹進(jìn)行特征點云數(shù)據(jù)掃描，建立果樹點云數(shù)據(jù)集，通過點云質(zhì)量及有效角度濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。利用邊界特征點識別算法對單株果樹邊界特征數(shù)據(jù)進(jìn)行快速提取，利用邊界區(qū)域特征構(gòu)建果樹有效掃描數(shù)據(jù)。該方法可適用于單株果樹輪廓、特征的快速識別。為了驗證該果樹識別方法準(zhǔn)確性，進(jìn)行了果樹樹冠輪廓測量精度試驗，以及果樹群組識別試驗，結(jié)果表明，該方法能夠?qū)麡溥M(jìn)行有效識別，并且物理指標(biāo)綜合測量精度gt;97.125%，可為果園精準(zhǔn)作業(yè)提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：果園精準(zhǔn)作業(yè)；激光雷達(dá)；果樹識別；數(shù)據(jù)融合；傳感器

中圖分類號：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0027-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.005

0 引言

2022 年我國水果產(chǎn)量突破3.1 億t，是世界上最大的果樹種植國家和水果進(jìn)出口貿(mào)易國家，水果產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越高的比例，果品及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，是農(nóng)民收入的重要來源[1-4]。傳統(tǒng)果園種植模式中多依賴人工作業(yè)，在目前從事勞動人口逐年下降的環(huán)境下，快速增長的人工成本已成為制約水果生產(chǎn)的重要因素。近些年，人工智能技術(shù)及農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展，越來越多的技術(shù)應(yīng)用于果樹種植中的各個環(huán)節(jié)，果園自動化作業(yè)已成為果園農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。為了提升果園自動化機(jī)械水平，實現(xiàn)果園高效精準(zhǔn)作業(yè)，果樹的精準(zhǔn)識別則成為自動化作業(yè)裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。精準(zhǔn)作業(yè)其關(guān)鍵在于根據(jù)果園的果樹個體差異，定時、定量開展農(nóng)事作業(yè)[6-7]。精確的樹冠形狀、尺寸、三維特征等信息，在果園農(nóng)事作業(yè)中具有重要作用，可為病蟲害防護(hù)、果樹生長情況、產(chǎn)量預(yù)估等提供重要依據(jù)。

我國大多數(shù)果園處于非標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)營狀態(tài)，同一果園中果樹冠形、間距、樹齡和樹高等差異較大，果園地形多變、種植密度不定，這些都增加了在復(fù)雜果園環(huán)境中果樹冠形快速識別難度。目前，針對果樹樹冠識別研究主要集中在兩個方面。一方面是利用低空遙感或無人機(jī)平臺通過相機(jī)或雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)，通過機(jī)器視覺等手段進(jìn)行果樹識別分割，這種方法能有效地進(jìn)行果樹識別與部分指標(biāo)測量，但個體精度難以滿足果園精準(zhǔn)作業(yè)需求[8-10]。另一方面是利用圖像數(shù)據(jù)通過深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行果樹分割與識別，該方法能夠在復(fù)雜背景中對果樹外形輪廓特征進(jìn)行有效識別，但對于果樹物理尺寸、三維特征測量存在不足[11-13]。

綜合上述問題，本研究設(shè)計了一種多維度傳感融合的果樹識別裝置，以激光雷達(dá)為主要識別傳感裝置，進(jìn)行果樹數(shù)據(jù)獲取及信息感知，通過構(gòu)建點云數(shù)據(jù)邊界識別算法，進(jìn)行單株果樹識別，并通過果樹尺寸測量、果樹群組識別進(jìn)行方法驗證。

1 硬件設(shè)計

果園環(huán)境復(fù)雜多變，為實現(xiàn)不同果樹的精確識別，主要采用激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取方式。常規(guī)激光雷達(dá)以單線與多線方式掃描測量，但受測量角度限制都無法在果園有限空間內(nèi)，實現(xiàn)短距離果樹完整掃描測量。因此，本研究采用單線雷達(dá)物理掃描方式，通過機(jī)械裝置增加掃描范圍達(dá)到短距離內(nèi)果樹測量目的。為實現(xiàn)點云三維特征，將裝置中加入同步姿態(tài)傳感器，姿態(tài)信息與單線雷達(dá)點云進(jìn)行融合，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)點的三維特征提取。

1.1 硬件構(gòu)成

為實現(xiàn)果樹識別基本功能，對識別裝置設(shè)計4 點基本功能要求。一是能夠?qū)崿F(xiàn)獨立旋轉(zhuǎn)和俯仰，保證采集系統(tǒng)能全方位采集信息。二是能夠搭載多種傳感器，傳感器的信息采集與數(shù)據(jù)傳輸獨立、相互無干擾。三是識別裝置應(yīng)可適配移動平臺，保證車載作業(yè)時傳感器工作穩(wěn)定。四是傳感器組合能夠克服果園環(huán)境的光照變化、溫濕度變化、氣候突變等干擾，保證正常工作。

本研究設(shè)計的果樹識別裝置如圖1 所示，主要結(jié)構(gòu)包括高頻單線激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器、3 自由度云臺、連接接口、云臺固定底座和主控單元等。

高頻單線激光雷達(dá)的優(yōu)勢是測距更精準(zhǔn)，室外抗強(qiáng)光能力更強(qiáng)，掃描采樣頻率更高。果樹冠形數(shù)據(jù)采集一般在室外強(qiáng)光環(huán)境中，雷達(dá)能有效抵抗室外強(qiáng)光干擾，實現(xiàn)雷達(dá)穩(wěn)定測量，果樹往往形狀各異，繁茂程度不同，雷達(dá)的高頻率掃描能顯著增加有效采樣點，提高采樣精度[14]。

姿態(tài)傳感器主要用于實時采集雷達(dá)姿態(tài)，為每個采樣點提供空間姿態(tài)信息[15]。

3 自由度云臺可實現(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)、俯仰3 維度動作，以多維度運動來帶動雷達(dá)在末端自由運動，達(dá)到三維掃描的目的[16]。

連接接口主要通過層疊結(jié)構(gòu)將雷達(dá)與姿態(tài)傳感器連接固定，從而使雷達(dá)與姿態(tài)傳感器在云臺上保持同步運動。

云臺固定底座主要用來與云臺連接，穩(wěn)固云臺，并以快拆結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在不同機(jī)具上掛載。

主控單元主要與雷達(dá)、姿態(tài)傳感器、云臺進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)云臺控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析功能。

1.2 識別傳感裝置結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，識別裝置中3 自由度云臺，主要通過升降維度來調(diào)節(jié)傳感器采集高度，提高不同果樹作物的測量適應(yīng)性；旋轉(zhuǎn)維度主要實現(xiàn)傳感器對果樹的正對測量；俯仰維度主要用于激光雷達(dá)的掃描測量，增加激光雷達(dá)的測量范圍。

識別裝置中云臺升降結(jié)構(gòu)，采用電動剪式升降支架，剪式支架的好處是升降調(diào)節(jié)響應(yīng)快速，占用空間小，在數(shù)據(jù)采樣過程中穩(wěn)定，不會產(chǎn)生晃動。升降電驅(qū)部分采用42 步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角度1.8°，采用脈沖信號控制1 600 細(xì)分，使云臺升降可實現(xiàn)5 mm/s 的最大速度調(diào)節(jié)。云臺旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)核心部分采用轉(zhuǎn)盤軸承，軸承外軸安裝孔連接底座保持定子狀態(tài)，為云臺上方負(fù)載提供支撐，軸承內(nèi)軸安裝孔分別與下方旋轉(zhuǎn)支架及上方支撐結(jié)構(gòu)連接，旋轉(zhuǎn)支架為U 型結(jié)構(gòu)與底座驅(qū)動電機(jī)連接，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動軸承內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)；上方支撐結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供支撐平臺，與內(nèi)軸保持同步旋轉(zhuǎn)。云臺俯仰結(jié)構(gòu)采用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動，舵機(jī)采用180°調(diào)節(jié)區(qū)間，由舵機(jī)固定座固定在旋轉(zhuǎn)平臺上，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸與俯仰支架連接帶動俯仰支架旋轉(zhuǎn)。識別裝置主要關(guān)鍵部件如圖3 所示。

激光雷達(dá)固定在俯仰支架上，隨俯仰支架的旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)雷達(dá)的掃描式測量，激光雷達(dá)如圖4a 所示，采用上海思嵐科技有限公司的RPLIDAR S2 緊湊型DTOF 激光雷達(dá)，測量半徑30 m、采樣頻率可達(dá)32 kHz、角度分辨率0.12°，具有測量精度高、室內(nèi)外可用、防塵防水、兼容性高及成本低等特點。

在俯仰支架上還安裝有一個姿態(tài)傳感器，傳感器安裝方向與雷達(dá)采集方向一致，為雷達(dá)點云數(shù)據(jù)提供位姿。姿態(tài)傳感器采用維特智能的WT61 六軸數(shù)字傾角傳感器，如圖4b 所示。傳感器可采集三軸角速度、三軸陀螺儀、三軸角度數(shù)據(jù)，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度靜態(tài)0.2°，穩(wěn)定性高。

1.3 控制系統(tǒng)

識別裝置控制單元主要采用Linux 系統(tǒng)的樹莓派4B 開發(fā)板來控制，整體控制接口分配如圖5 所示，利用開發(fā)板GPIO 口發(fā)送脈沖信號，分別控制云臺步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，激光雷達(dá)與姿態(tài)傳感器通信接口為TTL 串口模式，因此開發(fā)板UART1 與UART2 分別與激光雷達(dá)及姿態(tài)傳感器進(jìn)行通信，因樹莓派默認(rèn)穩(wěn)定串口只有1 個，因此要連接姿態(tài)傳感器樹莓派還需打開4 串口模式。

為更好地實現(xiàn)各模塊間的數(shù)據(jù)交互，以及設(shè)備裝置的耦合，整體軟件架構(gòu)采用ROS2 機(jī)器人操作系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含設(shè)備有激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器、云臺驅(qū)控單元和數(shù)據(jù)處理單元。根據(jù)功能及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類，其中激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器為傳感型設(shè)備，數(shù)據(jù)為實時單向傳輸；云臺驅(qū)控單元、數(shù)據(jù)處理單元為交互式驅(qū)動單元，數(shù)據(jù)是雙向傳輸交互。因此，針對果樹識別裝置設(shè)計ROS 架構(gòu)如圖6 所示，將激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器建立消息發(fā)布（publisher） 節(jié)點， 主控以訂閱（subscriber）節(jié)點通過話題（topic）訪問獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。主控為云臺驅(qū)控單元、數(shù)據(jù)處理單元建立服務(wù)（service），以請求（request）方式向各單元發(fā)布控制指令， 各控制單元向主控做出響應(yīng)（response）。