一种农业移动机器人自主导航的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种农业移动机器人自主导航的设计方法,所述方法包括以下步骤：第一步，分析各种机器视觉系统的特点；第二步，设计基于折反射原理的全景视觉系统的农作物行环境图像采集和处理算法；第三步，利用Hough变换识别导航参考路径；第四步，设计基于模糊控制方法的农业移动机器人的导航控制器；第五步，在室内无固定光源照射的自然环境下进行模拟农作物行导航控制试验。本发明专利技术的农业移动机器人自主导航的设计方法，提出将基于折反射原理的全景视觉系统应用到农业车辆或农业机器人的自主导航中；以折反射全景视觉系统为核心，在现有的硬件平台上，研究设计了针对农作物行环境的导航路径识别算法和导航控制算法。

【技术实现步骤摘要】
一种农业移动机器人自主导航的设计方法
本专利技术涉及一种农业移动机器人自主导航的设计方法，属于农业自动化

技术介绍
随着农业机械的广泛普及，农业生产规模的扩大，科学技术的不断发展，农业生产正逐步向现代化农业方向发展；农业作业环境的恶劣、作业任务的繁重、农药化肥的不合理的利用造成对环境的污染以及有毒物体对人体造成的伤害已成为制约农业发展的主要障碍，越来越多的人希望从繁重的农业生产中解脱出来，造成劳动力的短缺，这种种现象正促使着农业生产发生着变革.精细农业，农业生产自动化、无人化应运而生，而要实现农业生产自动化就需要能代替人类完成部分或全部农业作业任务的智能农业机械或农业机器人；而我国的农业人口众多，人均占有土地资源较少，长期以来一直保持着小块土地种植模式，造成了大量资源的浪费或不合理的利用，严重制约了我国农业高科技的发展，特别是农业机器人的发展；随着我国经济的发展，农村劳动力大量转移，以及国家政策的导向作用将使得我国广泛开展农业生产自动化的研究成为可能。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出了一种农业移动机器人自主导航的设计方法，总结关于农业车辆自主导航的方式，提出将基于折反射原理的全景视觉系统应用到农业车辆或农业机器人的自主导航中；以折反射全景视觉系统为核心，在现有的硬件平台上，研究设计了针对农作物行环境的导航路径识别算法和导航控制算法。本专利技术的农业移动机器人自主导航的设计方法，所述方法包括以下步骤：第一步，分析各种机器视觉系统的特点，在此基础上，总结了全景视觉系统相对于传统机器视觉系统的优势，根据各种方式的优缺点，选择基于折反射原理的全景视觉系统作为机器人的导航传感器，该系统成本低、成像速度快，非常适合对实时性要求较高的场合；基于折反射原理的全景视觉系统利用一定面形的凸面反射镜将机器人周围环境的信息反射进摄像机进行成像，得到水平360°和一定角度垂直视野范围内的环境图像；由于凸面反射镜对场景环境信息存在压缩而使物体在摄像机成像平面中存在着径向变形，使得实际场景中一些规则的物体发生成像形变；针对基于折反射原理的全景视觉系统的成像特点，比较了常用的几种全景视觉系统的标定方法，并通过实验法对平行于摄像机平面的某一实际平面内的场景图像进行距离和角度标定，得出物像点之间的对应关系；这种方法无需知道摄像机的内外部参数和反射镜面的参数方程，对系统的安装要求较低，且标定方便；第二步，设计基于折反射原理的全景视觉系统的农作物行环境图像采集和处理算法，a.利用Directshow技术进行摄像头图像采集；针对农业机器人作业环境的特点，对采集的图像进行预处理，利用灰度世界假设算法和白平衡算法和对角校正模型对采集的偏色图像进行色彩校正，近似还原物体的本质颜色；b.在此基础上利用归一化的过绿特征值2xg-r-b对图像进行灰度化处理，进而利用最大类间方差法得到农作物行环境的二值图像；c.利用中值滤波去除了图像中的脉冲噪声点，得到了较理想的农业机器人周围环境的二值图像；d.针对全景系统成像的特点，利用标定结果，对农作物目标像素进行距离和角度变换，以恢复农作物行的空间直线特征，方便对导航路径线的提取；第三步，利用Hough变换识别导航参考路径，并结合数字罗盘航向角度信息计算出导航控制参数；在图像采集处理的基础上，结合折反射全景视觉系统成像的特点，利用Hough变换得到了导航参考路径线的方向信息，选择最靠近机器人中心点，离成像中心距离最近的一条直线作为机器人导航参考路径线；由于机器人在两行农作物之间行走，结合数字罗盘的初始角度信息，计算导航控制参数；第四步，设计基于模糊控制方法的农业移动机器人的导航控制器，并进行了试验验证；分析机器人导航中常用的导航控制方法，对比研究各种方法的特点；针对农田作业环境的特点，因模糊控制无需建立被控对象精确的数学模型，且和人的思维方式相似，因此，运用模糊控制作为本设计的导航控制方法；详细分析模糊控制器的设计过程，设计基于两轮差速控制的农业移动机器人的二维模糊控制器，输入为导航控制参数，输出为机器人左右轮的转速，并用MATLAB进行设计和进行了实验验证，结果表明，本专利技术设计的模糊控制器可以准确跟踪导航路径线；第五步，在室内无固定光源照射的自然环境下进行模拟农作物行导航控制试验；对农业移动机器人整体进行了调试，在室内无固定光源照射的自然环境下进行模拟农作物行导航控制试验，结果表明系统能准确识别出农作物导航路径线并能稳定跟踪识别出来的导航路径线。进一步地，所述第一步中全景视觉系统的三种构成方式包括使用特殊的光学镜头、使用多摄像机成像后拼接和使用单个摄像机加旋转云台的方式。进一步地，所述第三步和第四步中的导航控制参数包括航向误差angle_err和横向误差distant_err。本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的农业移动机器人自主导航的设计方法，总结关于农业车辆自主导航的方式，提出将基于折反射原理的全景视觉系统应用到农业车辆或农业机器人的自主导航中；以折反射全景视觉系统为核心，在现有的硬件平台上，研究设计了针对农作物行环境的导航路径识别算法和导航控制算法。具体实施方式本专利技术的农业移动机器人自主导航的设计方法，所述方法包括以下步骤：第一步，分析各种机器视觉系统的特点，在此基础上，总结了全景视觉系统相对于传统机器视觉系统的优势，根据各种方式的优缺点，选择基于折反射原理的全景视觉系统作为机器人的导航传感器，该系统成本低、成像速度快，非常适合对实时性要求较高的场合；基于折反射原理的全景视觉系统利用一定面形的凸面反射镜将机器人周围环境的信息反射进摄像机进行成像，得到水平360°和一定角度垂直视野范围内的环境图像；由于凸面反射镜对场景环境信息存在压缩而使物体在摄像机成像平面中存在着径向变形，使得实际场景中一些规则的物体发生成像形变；针对基于折反射原理的全景视觉系统的成像特点，比较了常用的几种全景视觉系统的标定方法，并通过实验法对平行于摄像机平面的某一实际平面内的场景图像进行距离和角度标定，得出物像点之间的对应关系；这种方法无需知道摄像机的内外部参数和反射镜面的参数方程，对系统的安装要求较低，且标定方便；第二步，设计基于折反射原理的全景视觉系统的农作物行环境图像采集和处理算法，a.利用Directshow技术进行摄像头图像采集；针对农业机器人作业环境的特点，对采集的图像进行预处理，利用灰度世界假设算法和白平衡算法和对角校正模型对采集的偏色图像进行色彩校正，近似还原物体的本质颜色；b.在此基础上利用归一化的过绿特征值2xg-r-b对图像进行灰度化处理，进而利用最大类间方差法得到农作物行环境的二值图像；c.利用中值滤波去除了图像中的脉冲噪声点，得到了较理想的农业机器人周围环境的二值图像；d.针对全景系统成像的特点，利用标定结果，对农作物目标像素进行距离和角度变换，以恢复农作物行的空间直线特征，方便对导航路径线的提取；第三步，利用Hough变换识别导航参考路径，并结合数字罗盘航向角度信息计算出导航控制参数；在图像采集处理的基础上，结合折反射全景视觉系统成像的特点，利用Hough变换得到了导航参考路径线的方向信息，选择最靠近机器人中心点，离成像中心距离最近的一条直线作为机器人导航参考路径线；由于机器人在两行农作物之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种农业移动机器人自主导航的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，分析各种机器视觉系统的特点，在此基础上，总结了全景视觉系统相对于传统机器视觉系统的优势，根据各种方式的优缺点，选择基于折反射原理的全景视觉系统作为机器人的导航传感器；针对基于折反射原理的全景视觉系统的成像特点，比较了常用的几种全景视觉系统的标定方法，并通过实验法对平行于摄像机平面的某一实际平面内的场景图像进行距离和角度标定，得出物像点之间的对应关系；第二步，设计基于折反射原理的全景视觉系统的农作物行环境图像采集和处理算法，a.利用Directshow技术进行摄像头图像采集；针对农业机器人作业环境的特点，对采集的图像进行预处理，利用灰度世界假设算法和白平衡算法和对角校正模型对采集的偏色图像进行色彩校正，近似还原物体的本质颜色；b.在此基础上利用归一化的过绿特征值2xg‑r‑b对图像进行灰度化处理，进而利用最大类间方差法得到农作物行环境的二值图像；c.利用中值滤波去除了图像中的脉冲噪声点，得到了较理想的农业机器人周围环境的二值图像；d.针对全景系统成像的特点，利用标定结果，对农作物目标像素进行距离和角度变换，以恢复农作物行的空间直线特征，方便对导航路径线的提取；第三步，利用Hough变换识别导航参考路径，并结合数字罗盘航向角度信息计算出导航控制参数；在图像采集处理的基础上，结合折反射全景视觉系统成像的特点，利用Hough变换得到了导航参考路径线的方向信息，选择最靠近机器人中心点，离成像中心距离最近的一条直线作为机器人导航参考路径线；由于机器人在两行农作物之间行走，结合数字罗盘的初始角度信息，计算导航控制参数；第四步，设计基于模糊控制方法的农业移动机器人的导航控制器，并进行了试验验证；分析机器人导航中常用的导航控制方法，对比研究各种方法的特点；针对农田作业环境的特点，运用模糊控制作为本设计的导航控制方法；详细分析模糊控制器的设计过程，设计基于两轮差速控制的农业移动机器人的二维模糊控制器，输入为导航控制参数，输出为机器人左右轮的转速，并用MATLAB进行设计和进行了实验验证，结果表明，本专利技术设计的模糊控制器可以准确跟踪导航路径线；第五步，在室内无固定光源照射的自然环境下进行模拟农作物行导航控制试验；对农业移动机器人整体进行了调试，在室内无固定光源照射的自然环境下进行模拟农作物行导航控制试验，结果表明系统能准确识别出农作物导航路径线并能稳定跟踪识别出来的导航路径线。...

【技术特征摘要】
1.一种农业移动机器人自主导航的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，分析各种机器视觉系统的特点，在此基础上，总结了全景视觉系统相对于传统机器视觉系统的优势，根据各种方式的优缺点，选择基于折反射原理的全景视觉系统作为机器人的导航传感器；针对基于折反射原理的全景视觉系统的成像特点，比较了常用的几种全景视觉系统的标定方法，并通过实验法对平行于摄像机平面的某一实际平面内的场景图像进行距离和角度标定，得出物像点之间的对应关系；第二步，设计基于折反射原理的全景视觉系统的农作物行环境图像采集和处理算法，a.利用Directshow技术进行摄像头图像采集；针对农业机器人作业环境的特点，对采集的图像进行预处理，利用灰度世界假设算法和白平衡算法和对角校正模型对采集的偏色图像进行色彩校正，近似还原物体的本质颜色；b.在此基础上利用归一化的过绿特征值2xg-r-b对图像进行灰度化处理，进而利用最大类间方差法得到农作物行环境的二值图像；c.利用中值滤波去除了图像中的脉冲噪声点，得到了较理想的农业机器人周围环境的二值图像；d.针对全景系统成像的特点，利用标定结果，对农作物目标像素进行距离和角度变换，以恢复农作物行的空间直线特征，方便对导航路径线的提取；第三步，利用Hough变换识别导航参考路径，并结合数字罗盘航向角度信息计算出导航控制参数；在图像采集处理的基础上，结合折反射全景视觉系统成像的特点，利用Hou...

【专利技术属性】
技术研发人员：马廷彦，
申请(专利权)人：哈尔滨派腾农业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23