一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法，包括GPS导航定位系统、双目视觉系统、路径规划和跟踪系统以及计算机等。GPS导航系统用于用户手动操作运输车时自动储存田间道路GPS坐标信息，并运用该坐标信息对搬运车的行走路径进行规划；双目视觉系统利用双目摄像头对田间道路进行识别，并提取其中线，通过立体匹配和三维重建恢复中线的三维信息；路径规划和跟踪系统利用GPS导航定位系统规划的岔路行驶方向，并利用双目视觉系统获取的道路位置坐标信息对搬运车欲行驶前方道路的中线进行跟踪，控制驱动电机和转向舵机的动作，从而实现搬运车在田间道路上的自动行驶，实现农用物资在田间与目的地之间的自动搬运，效率高，安全性好。

An automatic driving system and method of field road transporter

【技术实现步骤摘要】
一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法
本专利技术涉及自动行驶系统领域，尤其涉及一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法。
技术介绍
丘陵山区耕地面积占全国耕地面积的63.2％，是我国粮油糖作物及薯类、果桑茶麻、蔬菜等特色经济作物的重要生产基地，粮食生产总量达到全国的40％，在我国农业生产中占有重要地位。农产品及农用物资的运输是丘陵山区农业机械化的一个重要环节，贯穿农作物生产的整个过程。但由于自然环境和发展条件的制约，丘陵山区田间道路运输机械的发展存在以下问题：(1)受地理条件的限制，丘陵山区大部分耕地都具有一定的坡度，道路崎岖，交通不便，特别是种植方式多样，规模小而散，且地块之间多为田间小径，导致农业生产运输环节机械化水平低，发展差距大；(2)目前我国丘陵山区多釆用轨道车、手扶拖拉机、摩托车以及手推车进行农产品及农用物资的田间转运，存在着安全性较差、搬运效率低以及操控性较差等问题，不能完全满足丘陵山区的实际需求，缺乏先进可靠的中小型田间道路运输机械；(3)丘陵山区农民经济条件差，剩余劳动力大都是弱势群体，对农业装备的高新技术和高额费用接收能力弱；(4)基础设施建设落后，运输机械缺乏良好的田间道路支撑，导致农用物资和农产品的运输效率、安全性、可靠性不高。这些问题的存在使得田间道路上传统的肩挑背扛搬运方式已经不能满足现代农业的发展需求，智能化、自动化的运输机械成为现代农业领域的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：本专利技术一种田间道路搬运车的自动行驶系统，包括GPS导航定位系统、双目视觉系统、路径规划和跟踪系统以及计算机，所述双目视觉系统的信号输出端与所述GPS导航定位系统的信号输入端连接，所述GPS导航定位系统的数据传输端与所述计算机连接，所述GPS导航定位系统的信号输出端与所述路径规划和跟踪系统的信号输入端连接，所述路径规划和跟踪系统的信号输出端与所述田间道路搬运车的信号输入端连接；所述GPS导航定位系统用于用户手动操作运输车时自动存储田间道路GPS坐标信息，并运用该坐标信息对搬运车的行走路径进行规划；所述双目视觉系统为双目摄像头，所述双目摄像头安装于田间道路搬运车的车头位置，所述双目摄像头用于对田间道路图像的采集，所述计算机用于对道路图像的处理、道路特征提取、立体匹配和三维信息恢复；所述路径规划和跟踪系统利用GPS导航定位系统规划岔路行驶方向，利用双目视觉系统获取的道路位置坐标信息对搬运车欲行驶前方道路的中线进行跟踪，输出搬运车前轮所需转角控制驱动电机和转向舵机的动作，从而实现搬运车在田间道路上的往返自动行驶。本专利技术一种田间道路搬运车的自动行驶方法，包括以下步骤：S1：自动行驶前，操作人员手动操作搬运车沿需要行驶的田间道路完整行驶一次，GPS导航定位系统自动储存坐标信息；S2：自动行驶时，通过GPS导航定位系统预存的田间道路GPS坐标信息规划岔路行驶方向；通过双目视觉系统对田间道路进行识别、特征提取、特征匹配和三维重建精确获取可行驶道路中线的三维坐标信息；S3：在此基础上，路径规划和跟踪系统综合GPS导航定位系统的路径规划信息和双目视觉系统计算出的可行驶道路中线的精确信息，判断搬运车的姿态，计算搬运车前轮所需转角，实现对行驶电机和转向舵机的控制，完成搬运车在田间道路上的自动行驶。本专利技术的有益效果在于：本专利技术是一种田间道路搬运车的自动行驶系统及方法，与现有技术相比，本专利技术实现田间道路上(特别是丘陵山地复杂道路)的自动行驶，实现农用物资在田间与目的地之间的自动搬运，效率高，安全性好。附图说明图1是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的整车系统图；图2是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的GPS导航定位路径规划流程图；图3是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的道路图像处理流程图；图4是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的道路特征提取和优化流程图；图5是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的道路特征匹配和三维重建流程图；图6是本专利技术实施例田间道路搬运车自动行驶系统及方法的路径规划和跟踪流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：结合图1所示，一种田间道路搬运车的自动行驶系统主要包括：GPS导航定位系统10、双目视觉系统20、路径规划和跟踪系统30以及计算机；所述GPS导航定位系统10用于路径信息存储和规划行驶路径；所述双目视觉系统20利用双目摄像头对田间道路进行处理，并提取其中线，通过立体匹配和三维重建恢复中线的三维信息；所述路径规划和跟踪系统30利用GPS导航系统10和双目视觉系统20获取的道路位置坐标信息对搬运车欲行驶前方道路的中线进行规划和跟踪，判断搬运车的姿态，计算搬运车前轮所需转角，实现对电机和舵机的控制，完成搬运车在田间道路上的自动行驶。结合图2所示，GPS导航定位系统工作流程：开机后，操作者选择需要行驶的道路，若不是首次行驶，操作者打开自动操作模式，系统自动定位；若是首次行驶，操作者打开手动操作模式，并手动操作运输车沿田间道路完整行驶一次，行使过程中GPS系统自动储存道路信息，生成路径坐标。结合图3所示，道路图像处理的工作原理是：利用双目摄像头采集道路视频并取帧，分析对比RGB、Lab、HSI、HSV四种不同颜色空间下田间道路图像分割处理结果，选择能适应各种田间道路的HSV颜色空间进行图像处理。分离HSV颜色空间中的V分量对田间道路进行OTSU阈值分割和后处理，得到明显的道路区域和非道路区域。同时，为解决路面上存在的阴影问题，利用HSV颜色空间中S分量对阴影不敏感的特点，通过多组试验选取合适的参数将S、V分量分别进行点运算后按不同权重加权融合，突出道路的阴影特征，并利用Otsu阈值分割提取阴影部分。最后，将阴影区域和非阴影道路区域合并后再次进行图像后处理，得到完整的道路信息。结合图4所示，道路特征提取和优化的工作原理是：根据田间道路无明显特征，且道路区域的灰度值差异小的特点，在图像处理的基础上，选取靠近摄像头三分之二的道路图像作为感兴趣区域(ROI)，对ROI进行分块操作并提取每块道路区域的坐标，计算道路的统计特征-质心点作为立体匹配基元。但实际环境中，田间道路路径是连续的，为解决因阴影、水渍等不利因素造成路径信息错误甚至缺失的问题，对所提取的质心点进行平滑处理，即采用最小二乘法对多个质心点进行曲线拟合后重新取点，以保证路径的连续性，消除错误路径信息点的影响。结合图5所示，道路特征匹配和三维重建的工作原理是：对于双目摄像头，道路的每一个质心点都对应着两幅图像中的两个像素点，这两个像素点之间存在着一定的联系，通过单应性矩阵和极线约束来描述左右两幅图像上道路质心点之间的相互关系，从而完成三维信息的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种田间道路搬运车的自动行驶系统，其特征在于：包括GPS导航定位系统、双目视觉系统、路径规划和跟踪系统以及计算机，所述双目视觉系统的信号输出端与所述GPS导航定位系统的信号输入端连接，所述GPS导航定位系统的数据传输端与所述计算机连接，所述GPS导航定位系统的信号输出端与所述路径规划和跟踪系统的信号输入端连接，所述路径规划和跟踪系统的信号输出端与所述田间道路搬运车的信号输入端连接；/n所述GPS导航定位系统用于用户手动操作运输车时自动存储田间道路GPS坐标信息，并运用该坐标信息对搬运车的行走路径进行规划；/n所述双目视觉系统为双目摄像头，所述双目摄像头安装于田间道路搬运车的车头位置，所述双目摄像头用于对田间道路图像的采集，所述计算机用于对道路图像的处理、道路特征提取、立体匹配和三维信息恢复；/n所述路径规划和跟踪系统利用GPS导航定位系统规划岔路行驶方向，利用双目视觉系统获取的道路位置坐标信息对搬运车欲行驶前方道路的中线进行跟踪，输出搬运车前轮所需转角控制驱动电机和转向舵机的动作，从而实现搬运车在田间道路上的往返自动行驶。/n

【技术特征摘要】
1.一种田间道路搬运车的自动行驶系统，其特征在于：包括GPS导航定位系统、双目视觉系统、路径规划和跟踪系统以及计算机，所述双目视觉系统的信号输出端与所述GPS导航定位系统的信号输入端连接，所述GPS导航定位系统的数据传输端与所述计算机连接，所述GPS导航定位系统的信号输出端与所述路径规划和跟踪系统的信号输入端连接，所述路径规划和跟踪系统的信号输出端与所述田间道路搬运车的信号输入端连接；
所述GPS导航定位系统用于用户手动操作运输车时自动存储田间道路GPS坐标信息，并运用该坐标信息对搬运车的行走路径进行规划；
所述双目视觉系统为双目摄像头，所述双目摄像头安装于田间道路搬运车的车头位置，所述双目摄像头用于对田间道路图像的采集，所述计算机用于对道路图像的处理、道路特征提取、立体匹配和三维信息恢复；
所述路径规划和跟踪系统利用GPS导航定位系统规划岔路行驶方向，利用双目视觉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘得雄，李云伍，王小娟，孙红伟，黄雪燕，王铭枫，徐俊杰，张植，张国勇，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50