用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，包括：获取收割机前方作物的点云数据，将点云数据从极坐标转换到世界坐标系内；建立感兴趣区，将感兴趣区以外的点云数据剔除；去除点云数据中的噪音点；基于少量第一控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字表面模型；基于少量第二控制点采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字地面模型；将数字表面模型减去数字地面模型，得到冠层高度模型，进而获得冠层高度。本发明专利技术可以探测收获机械前方冠层高度、地面高度，为收获机械割台高度的智能控制提供数据依据。

On line detection method of canopy height for automatic control of header height of harvesting machinery

【技术实现步骤摘要】
用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法
本专利技术属于智能化农业生产领域，具体涉及一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法。
技术介绍
当前收割机作业过程中的谷粒损失率约为2％～4％，割台高度对谷粒损失率影响很大。为了减少谷粒损失率，作业人员需要根据作物的冠层高度和地面高度不断调整操纵杆。根据作物冠层高度、地面高度等信息实现割台高度的自动控制，可减轻作业人员工作量，提高控制精度。农业上常借助激光雷达技术，对作物冠层高度进行快速、无损和准确的测量，当前的测量手段主要有高空遥感、固定位置地面雷达和无人机载雷达，然而这些方法均未不能用于收获机械的实时控制。目前用于割台高度控制的常用信息采集方法包括采用超声波和仿形机构。采用超声波测量作物冠层高度时超声波容易受到干扰，测量精度和可靠性不高。仿形机构主要用于感知地面起伏变化情况，作为割台高度控制依据，无法检测作物冠层高度。因此，需要研究作物冠层高度、地面高度在线估算方法，为收获机械割台高度的智能控制提供数据依据，增强联合收割机对不同地形、不同品种、不同生长状况的作物的适应性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，本用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法可以估算收获机械前方冠层高度、地面高度，为收获机械割台高度的智能控制提供数据依据。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，包括以下步骤：(1)、通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到世界坐标系内；(2)、建立感兴趣区，将感兴趣区以外的点云数据剔除；(3)、去除点云数据中的噪音点；(4)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O-XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最大的点云，将寻找到的点云均作为第一控制点，将所有第一控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第一控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字表面模型；(5)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O-XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最小的点云，将寻找到的点云作为第二控制点，将所有第二控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第二控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字地面模型；(6)、将数字表面模型减去数字地面模型，得到冠层高度模型，进而获得冠层高度。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的步骤(1)具体包括：将激光雷达安装在收割机中间位置，分别建立激光雷达坐标系OL-XLYLZL和收割机坐标系OV-XVYVZV；通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到激光雷达笛卡尔坐标系OL-XLYLZL内，将激光雷达坐标系OL-XLYLZL内的点云数据转换到收割机坐标系OV-XVYVZV内；将收割机坐标系OV-XVYVZV内的点云数据转换到世界坐标系O-XYZ内。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述的步骤(2)具体包括：将收割机前方的一定范围设为感兴趣区，剔除感兴趣区以外的点云数据；所述的步骤(3)具体包括：设定强度阈值，滤除点云数据中反射强度小于强度阈值的点云数据，并采用KD-Tree点云去噪方法去除点云数据中的噪音点。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤(4)中基于XOY平面上的第一控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字表面模型具体为：(4.1)、将映射到XOY平面上的所有第一控制点放入点集中，将点集划分为两个点数相等的子点集；(4.2)、在子点集中构造Delaunay三角网；(4.3)、分别连接两个子点集所构成的Delaunay三角网的底线和顶线；(4.4)、从底线到顶线合并两个子点集的Delaunay三角网，并利用Lawson局部优化算法对合并后的三角网进行优化，得到符合Delaunay规则的三角网；(4.5)、将步骤(4.4)最终生成的三角网映射到O-XYZ三维空间坐标系中，得到数字表面模型。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤(5)中基于XOY平面上的第二控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字地面模型具体为：(5.1)、将映射到XOY平面上的所有第二控制点放入点集中，将点集划分为两个点数相等的子点集；(5.2)、在子点集中构造Delaunay三角网；(5.3)、分别连接两个子点集所构成的Delaunay三角网的底线和顶线；(5.4)、从底线到顶线合并两个子点集的Delaunay三角网，并利用Lawson局部优化算法对合并后的三角网进行优化，得到符合Delaunay规则的三角网；(5.5)、将步骤(5.4)最终生成的三角网映射到O-XYZ三维空间坐标系中，得到数字地面模型。本专利技术的有益效果为：本用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法可以通过数字地面模型获取收获机械前方的地面高度，通过冠层高度模型获取收获机械前方的冠层高度，为收获机械割台高度的智能控制提供数据依据，增强联合收割机对不同地形、不同品种、不同生长状况的作物的适应性。附图说明图1为本实施例的工作流程图。图2为本实施例的激光雷达坐标系和收割机坐标系定义示意图。图3为本实施例的激光雷达点云数据的极坐标与笛卡尔坐标关系示意图。图4为本实施例的感兴趣区ABCD示意图。图5为本实施例的不规则三角网示意图。具体实施方式下面根据图1至图5对本专利技术的具体实施方式作出进一步说明：本实施例以麦田为对象，用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法,步骤如图1所示，具体如下：(一)、数据预处理：激光雷达通过支架安装在收割机中间位置，分别建立激光雷达坐标系OL-XLYLZL和收割机坐标系OV-XVYVZV，如图2所示。通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到激光雷达笛卡尔坐标系OL-XLYLZL内，将雷达坐标系OL-XLYLZL内的点云数据转换到收割机坐标系OV-XVYVZV内，将收割机坐标系OV-XVYVZV内的点云数据转换到世界坐标系O-XYZ内；然后建立感兴趣区，将感兴趣区以外的点云剔除；最后去除点云数据中的噪声点。(1.1)坐标系转换：(a)激光雷达坐标系OL-XLYLZL以下标L表示，坐标原点设在激光雷达内部接收器中心，XL为雷达前方，YL与XL垂直且方向向左，ZL垂直于XLOLYL平面向上。收割机坐标系OV-XVYVZV即车辆坐标系以下标V表示，坐标原点与收割机质心重合，当收割机在水平路面上处于静止状态时，XV平行于地面指向车辆前方，YV指向驾驶员左侧，ZV垂直于XVOVYV平面向上。激光雷达输出数据为极坐标形式，如图3所示，因此需要通过式(1)将极坐标转换为笛卡尔坐标；式中，R为探测点(DataPoint)到坐标原点OL的距离，角度ω和α如图3所示，ω为探测点与坐标原点OL连线与其在XLOLYL平面投影的夹角，α为探测点与坐标原点OL连线在XLOLYL平面投影与YL轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到世界坐标系内；(2)、建立感兴趣区，将感兴趣区以外的点云数据剔除；(3)、去除点云数据中的噪音点；(4)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O‑XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最大的点云，将寻找到的点云均作为第一控制点，将所有第一控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第一控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字表面模型；(5)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O‑XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最小的点云，将寻找到的点云作为第二控制点，将所有第二控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第二控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字地面模型；(6)、将数字表面模型减去数字地面模型，得到冠层高度模型，进而获得冠层高度。

【技术特征摘要】
1.一种用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到世界坐标系内；(2)、建立感兴趣区，将感兴趣区以外的点云数据剔除；(3)、去除点云数据中的噪音点；(4)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O-XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最大的点云，将寻找到的点云均作为第一控制点，将所有第一控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第一控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字表面模型；(5)、将步骤(3)获得的点云数据所在坐标系O-XYZ的XOY水平面划分为多个尺寸一致的单元格，以每个单元格为底面，建立多个直方体，在每个直方体内分别寻找高程值最小的点云，将寻找到的点云作为第二控制点，将所有第二控制点映射到XOY平面上，基于XOY平面上的第二控制点并采用Delaunay不规则三角网生成法建立数字地面模型；(6)、将数字表面模型减去数字地面模型，得到冠层高度模型，进而获得冠层高度。2.根据权利要求1所述的用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体包括：将激光雷达安装在收割机中间位置，分别建立激光雷达坐标系OL-XLYLZL和收割机坐标系OV-XVYVZV；通过激光雷达获取收割机前方作物的点云数据，将激光雷达输出的点云数据从极坐标转换到激光雷达笛卡尔坐标系OL-XLYLZL内，将激光雷达坐标系OL-XLYLZL内的点云数据转换到收割机坐标系OV-XVYVZV内；将收割机坐标系OV-XVYVZV内的点云数据转换到世界坐标系O-XYZ内。3.根据权利要求2所述的用于收获机械割台高度自动控制的冠层高度在线探测方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵奉奎，李旭东，王宇歌，苏珊珊，谢璐阳，朱少华，夏兆君，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32