一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法技术

本发明专利技术提供了一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，所述的单目视觉的智能割草机包括割草机、安装在割草机前方的单目摄像模块、微控制单元、光电编码器、防碰撞开及充电站，所述的方法包括以下步骤：障碍物检测：所述割草机各电机工作中保持转动；局部避障：当被检测图像被判断出存在草坪边界时，割草机反向调头工作；若单幅图像中没有识别到草坪边界；单目视觉测深度：运用单目视觉测深度算法计算出当前单幅图像中草坪边界各点与割草机的距离；若所述草坪边界最小距离大于设置的安全阈值，割草机保持匀速前行。本发明专利技术提供的一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，无需人工参与工作，操作简单，漏割重割率低，割草效果好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法
本专利技术涉及室外自动割草及其自主有序的割草方法，特别是指利用割草机自装备的摄像头识别割草区域边界和障碍物，以完成在工作区域内的高效割草。
技术介绍
随着人们对绿化需求的日益增加，越来越多的室外场地选择了种植草坪，草坪的修剪已成为一个具有较高需求的实际问题。近年来，由于草坪面积的不断扩大，人工割草方式需要大量的人力，面对这种乏躁且重复性的工作，人们已经尝试利用自动智能化的方式实现高效率的割草。目前市面上的大部分自动割草机采用埋设电子篱笆或在边界线设置其它传感器来约束割草机在工作区域割草，其割草路径大都采用随机或渐开线形式，这种无规律的路径造成的重割和漏割率较大，割草效果不能保证。
技术实现思路
以解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，其操作简单，漏割重割率低，割草效果好。一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，所述的单目视觉的智能割草机包括割草机、安装在割草机前方的单目摄像模块、微控制单元、光电编码器、防碰撞开及充电站，所述的方法包括以下步骤：1)移动割草：所述充电站安装于割草工作区域外侧，割草机从充电站出发到达待割草坪的一侧，以直线往返的方式移动割草；2)障碍物检测：所述割草机各电机工作中保持转动，在割草机工作中，所述单目摄像模块不断采集前方草坪图像，持续提取单幅图像进行处理；通过障碍物检测算法进行对比，从而判断出图像中是否存在草坪边界或者障碍物；3)局部避障：当被检测图像被判断出存在草坪边界时，割草机反向调头工作；若单幅图像中没有识别到草坪边界，此时再判断障碍物是否存在，若图像中被检测出存在障碍物，执行局部避障算法，若没有识别出障碍物，则保持直行状态，继而提取下一幅图像进行处理，依次重复步骤2、3，直到被处理的单幅图像中识别出草坪边界；4)单目视觉测深度：运用单目视觉测深度算法计算出当前单幅图像中草坪边界各点与割草机的距离；若所述草坪边界最小距离大于设置的安全阈值，割草机保持匀速前行，此过程中割草机不断接近草坪边界，用d表示当前边缘离割草机的距离、d表示前述单幅图像检测出的草坪边界初始距离、v表示割草机匀速直行时的速度、t表示前述提取单幅图像的时间点与当前时间点之间的时间间隔，故可用d＝d-vt更新所述割草机与工作区域边缘的距离，直到当前割草机离草坪边界距离小于等于所述阈值，控制驱动电机使割草机向草坪边界内方向反向调头，跳转至步骤2，依次重复步骤2、3、4，直到割草机摄像头检测到工作终点标识物时，割草机停止工作。进一步的，所述局部避障方法包括以下步骤：通过所述障碍物检测方法识别到障碍物后，运用单目视觉测深度方法得到像素坐标系中障碍物的投影各点在实际相机坐标系中的深度集合Z，进一步可得到障碍物各点离割草机的距离集合Z，并求出集合Z；用z表示一个目标点的深度，根据下述目标点从像素坐标转换到相机坐标的公式可求出目标点在相机坐标系中的三维坐标值：其中，为目标点在像素坐标系中的坐标值，为目标点在相机坐标下的坐标值，K为相机内参(需前期标定获得)，z为目标点深度；通过求出的距离集合Z可求出，障碍物投影区域在实际相机坐标中的坐标集合A，求出该坐标集合A中点在相机坐标y轴方向上的最大差值w，w即为障碍物最大长度；当距离集合Z中的最小距离Zmin小于等于所设置的安全距离时，结合障碍物最大长度w和最大宽度Smax，差速控制驱动轮两电机，实现割草机的转向，使割草机自主避开障碍；所述单目视觉测深度方法需要提取前后两幅图像，分别识别出前后两幅图像中的障碍物特征，匹配两幅图像中对应的障碍物各点，并去除误匹配，得到障碍物的匹配点对；根据相似三角形原理，可得出下列等式：其中，f表示相机的焦距；z1和z2分别表示提取该幅图像时相机与障碍物的距离；L表示障碍物的大小；L1和L2分别表示前后两幅图像中障碍物在成像平面中的大小；进一步，可得根据运动学公式z1-z2＝vt，其中v为割草机移动的速度，t为提取前后两幅图像之间的时间间隔，最终可求得提取前一幅图像时障碍物点离割草机的距离z1：其中θ为摄像头成像平面与水平方向的夹角。所述割草机微控制单元需具有高效的图像处理能力，以满足割草工作所需求的事实性；所述割草机通过在终点位置放置标识物体使割草机感知工作已完成，当割草机检测到所述标识物体时，割草机停止工作；进一步的，步骤2)中所述障碍物检测算法实施前，需要采集草坪及障碍物的样本图片；对采集到的样本草坪图片，分别计算出rgb图像的R、G、B通道的平均值R0、G0、B0，所述(R0，G0，B0)作为草坪背景的基准色值；用采集到的各类别障碍物图片训练卷积神经网络的到障碍物分类模型；提取所获取的样本图像的纹理特征，用于训练支持向量机纹理特征三分类器模型，三分类的分类对象是草坪，草坪边界以及障碍；对图片的每个像素点(Ri，Gi，Bi)，求其与基准色值的比值：(Ri’，Gi’，Bi’)＝(Ri/R0,Gi/G0,Bi/B0)求上述颜色比值(Ri’，Gi’，Bi’)各个元素Ri’，Gi’，Bi’的相似度，该相似度的值在[0,1]之间，若相似度值越接近1，则代表该像素点与草坪背景基准色越接近，设置相似度阈值，像素小于该阈值的区域被判定为障碍区域；像素相似度大于阈值的像素区域为疑似草坪区域，被判定为疑似草坪区域的需再通过所述的纹理特征分类模型分类，若分类结果为非草坪类，则判断图像的该区域为障碍区域，衡量两个像素点颜色相似度(SIMILATION)公式如下：其中，本专利技术中n为rgb彩色图像的通道数即为3；v1、v2、v3为Ri’，Gi’，Bi’；则上述公式就转换为下列形式：其中，i＝1，2，3，…….N,N为像素点总数；Ri’，Gi’，Bi’如上述为一个像素点的R、G、B值相对于草坪背景基准色R0、G0、B0的比值，即(Ri’，Gi’，Bi’)＝(Ri/R0,Gi/G0,Bi/B0)。进一步的，所述的割草机车体底部对称布置四轮，前两轮为万向轮，后两轮分别由两个相同的电机驱动，所述割草机上设有具有图像处理能力的微控制单元。本专利技术的有益效果是：本专利技术能够自动控制割草机进行割草，能够按照既定路线进行割草工作，在割草过程中，充电站能够为割草机提供电能，使用方便，通过障碍物检测、局部避障及单目视觉测深度对割草过程中的障碍物判断和避让，有效保护了装置的安全，通过方法计算的方式确保了避障的精确性。附图说明图1为割草机单目摄像模块的布置方式以及所设置的各坐标系示意图；图2展示了自主有序的直线往返模式割草路径示意图；图3为单目视觉测深度算法中的相似三角形原理；图4为本专利技术的使用流程图；具体实施方式下面用具体实施例说明本专利技术，并不是对本专利技术的限制。一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，所述的单目视觉的智能割草机包括割草机、安装在割草机前方的单目摄像模块、微控制单元、光电编码器、防碰撞开及充电站，所述的方法包括以下步骤：1)移动割草：所述充电站安装于割草工作区域外侧，割草机从充电站出发到达待割草坪的一侧，以直线往返的方式移动割草；2)障碍物检测：所述割草机各电机工作中保持转动，在割草机工作中，所述单目摄像模块不断采集前方草坪图像，持续提取单幅图像进行处理；通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，所述的单目视觉的智能割草机包括割草机、安装在割草机前方的单目摄像模块、微控制单元、光电编码器、防碰撞开及充电站，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：1)移动割草：所述充电站安装于割草工作区域外侧，割草机从充电站出发到达待割草坪的一侧，以直线往返的方式移动割草；2)障碍物检测：所述割草机各电机工作中保持转动，在割草机工作中，所述单目摄像模块不断采集前方草坪图像，持续提取单幅图像进行处理；通过障碍物检测算法进行检测，从而判断出图像中是否存在草坪边界或者障碍物；3)局部避障：当被检测图像被判断出存在草坪边界时，割草机反向调头工作；若单幅图像中没有识别到草坪边界，此时再判断障碍物是否存在，若图像中被检测出存在障碍物，执行局部避障算法，若没有识别出障碍物，则保持直行状态，继而提取下一幅图像进行处理，依次重复步骤2、3，直到被处理的单幅图像中识别出草坪边界；4)单目视觉测深度：运用单目视觉测深度算法计算出当前单幅图像中草坪边界各点与割草机的距离；若所述草坪边界最小距离大于设置的安全阈值，割草机保持匀速前行，此过程中割草机不断接近草坪边界，用d表示当前边缘离割草机的距离、d表示前述单幅图像检测出的草坪边界初始距离、v表示割草机匀速直行时的速度、t表示前述提取单幅图像的时间点与当前时间点之间的时间间隔，故可用d＝d‑vt更新所述割草机与工作区域边缘的距离，直到当前割草机离草坪边界距离小于等于所述阈值，控制驱动电机使割草机向草坪边界内方向反向调头，跳转至步骤2，依次重复步骤2、3、4，直到割草机摄像头检测到工作终点标识物时，割草机停止工作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，所述的单目视觉的智能割草机包括割草机、安装在割草机前方的单目摄像模块、微控制单元、光电编码器、防碰撞开及充电站，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：1)移动割草：所述充电站安装于割草工作区域外侧，割草机从充电站出发到达待割草坪的一侧，以直线往返的方式移动割草；2)障碍物检测：所述割草机各电机工作中保持转动，在割草机工作中，所述单目摄像模块不断采集前方草坪图像，持续提取单幅图像进行处理；通过障碍物检测算法进行检测，从而判断出图像中是否存在草坪边界或者障碍物；3)局部避障：当被检测图像被判断出存在草坪边界时，割草机反向调头工作；若单幅图像中没有识别到草坪边界，此时再判断障碍物是否存在，若图像中被检测出存在障碍物，执行局部避障算法，若没有识别出障碍物，则保持直行状态，继而提取下一幅图像进行处理，依次重复步骤2、3，直到被处理的单幅图像中识别出草坪边界；4)单目视觉测深度：运用单目视觉测深度算法计算出当前单幅图像中草坪边界各点与割草机的距离；若所述草坪边界最小距离大于设置的安全阈值，割草机保持匀速前行，此过程中割草机不断接近草坪边界，用d表示当前边缘离割草机的距离、d表示前述单幅图像检测出的草坪边界初始距离、v表示割草机匀速直行时的速度、t表示前述提取单幅图像的时间点与当前时间点之间的时间间隔，故可用d＝d-vt更新所述割草机与工作区域边缘的距离，直到当前割草机离草坪边界距离小于等于所述阈值，控制驱动电机使割草机向草坪边界内方向反向调头，跳转至步骤2，依次重复步骤2、3、4，直到割草机摄像头检测到工作终点标识物时，割草机停止工作。2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的智能割草机自主有序割草方法，其特征在于，所述局部避障方法包括以下步骤：通过所述障碍物检测方法识别到障碍物后，运用单目视觉测深度方法得到像素坐标系中障碍物的投影各点在实际相机坐标系中的深度集合Z，进一步可得到障碍物各点离割草机的距离集合Z，并求出集合Z；用z表示一个目标点的深度，根据下述目标点从像素坐标转换到相机坐标的公式可求出目标点在相机坐标系中的三维坐标值：其中，为目标点在像素坐标系中的坐标值，为目标点在相机坐标下的坐标值，K为相机内参(需前期标定获得)，z为目标点深度；通过求出的距离集合Z可求出，障碍物投影区域在实际相机坐标中的坐标集合A，求出该坐标集合A中点在相机坐标y轴方向上的最大差值w，w即为障碍物最大长度；当距离集合Z中的最小距离Zmin小于等于所设置的安全距离时，结合障碍物最大长度w和最大宽度Smin，差速控制驱动轮两电机，实现割草机的转向，使割草机自主避开障碍；所述单目视觉测深度方法需要提取前...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文敏，徐向纮，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33