基于三维点云的运输车粮箱动态均匀装载方法研究

为了解决联合收获机运输车协同作业时,运输车粮箱装载不均匀,导致粮箱装载利用率低的问题,提出了一种基于三维点云的动态均匀装载方法。该方法利用相机获取运输车粮箱内装载物的三维点云作为状态反馈信息,建立装载均匀性评估方式,以最均匀装载状态为目标,通过实时调整卸料装载点位置,使粮箱保持在均匀的装载状态。针对装载物相互遮挡对相机形成视觉盲区的问题,通过建立装载物的堆体模型和相机的遮挡模型,以最小期望误差为目标对盲区内装载物高度进行估计,并据此进行点云填充,从而得到能完整反映粮箱装载状态的三维点云。在搭建平台进行的实验中,对粮箱装载过程中可能出现的轻载、中载和重载3种装载状态进行测量,并对盲区点云位置进行估计,其盲区估计的平均误差低于5cm。仿真结果表明,动态均匀装载方法能在有限装载周期内,将粮箱从任意的初始装载状态装载为均匀状态。单次装载量的平均高度增量为2cm、粮箱的初始装载状态为空载时,装载物的最大高度方差为1cm2。单因素仿真结果表明,稳定状态下的装载物高度方差与单次装载量正相关。     

基于Kinect相机的苹果树三维点云配准

为建立具有真实彩色信息的果树三维点云形态结构模型,用Kinect相机获取不同视角下果树的原始三维点云,针对传统最近点迭代算法对待配准点云的空间位置要求苛刻的问题,提出了改进的点云配准算法。首先通过归一化对齐径向特征算法搜寻点云关键点,并使用快速点特征直方图描述子计算关键点处的特征向量。然后根据求得的特征向量估计2片点云关键点之间的空间映射关系,再基于随机抽样一致性算法提纯映射关系并完成点云的初始配准。最后利用最近点迭代算法完成点云的精确配准。实验结果表明,通过在最近点迭代算法前增加点云初始配准算法,有效地提高了点云配准的准确性和稳定性,能够对任意初始位置的2片点云进行准确匹配,平均配准误差为0.7 cm。     

基于插值算法的靶标三维激光点云数据补偿研究

农用车辆搭载二维LiDAR传感器沿果树行行驶可获得靶标的三维点云数据。果园环境复杂,靶标探测传感器易出现噪声或数据丢失的情况,同时,搭载传感器的农用车辆行驶速度不均匀会引起获取的三维点云数据分布不均匀。为减少上述问题引入的测量误差,提出了一种插值算法对靶标三维点云数据进行数据补偿。首先,分析靶标原三维点云数据中每两个激光扫描面之间的距离差,查看数据分布均匀程度;然后,设置期望的距离差值作为插值算法的输入变量,遍历计算整个数据向量中的插值点个数;最后,循环调用插值函数进行插值直到插值点个数递减为零。其中,插值算法单次作业流程为查找定位、计算插值扫描面个数、计算插值扫面数据、数据补偿与数据返回。试验结果表明,对仿真树的三维点云进行插值补偿,相邻扫描面之间距离差值的期望值为0.03 m和0.02 m时,分别插入了13组和22组数据。通过插值算法补偿后的靶标三维点云数据更加完整,为后期基于靶标三维点云数据提取计算施药参数奠定了基础。     

基于多角度Kinect v2的羊只三维模型重构方法研究

羊只的体尺参数是衡量其生长发育状况、生产性能和遗传特性的关键指标。重建羊只的三维模型可以为自动化获取多种羊只体尺参数提供数据基础,因此提出一种基于多角度Kinect v2的羊只三维模型重构方法。该方法通过放置在羊只顶部和左右两个侧面的Kinect v2设备,获取羊只的三维点云数据;利用这些数据中的点云之间的相对位置关系,进行点云坐标的转换和初始配准;采用ICP算法进行精确配准建立三维模型。结果表明：当Kinect v2深度相机高度为120 cm、俯视角为30°时,获取的点云质量较高,自动配准的平均误差为0.233 cm,平均耗时为12.89 s。根据模型计算出的羊只体高、体斜长、十字部高和腰脚宽等体尺参数与实际测量平均误差均在5%以内。     

基于RGB-D相机的果树三维重构与果实识别定位

为实现对果园果实机器人采摘提供科学可靠的技术指导,提出了一种基于RGB-D相机的苹果果树三维重构以及进行果实立体识别与定位的方法。使用RGB-D相机快速获取自然光照条件下果树的彩色图像和深度图像,通过融合果树图像彩色信息和深度信息实现了果树的三维重构;对果树的三维点云进行 R-G 的色差阈值分割和滤波去噪处理,获得果实区域的点云信息;基于随机采样一致性的点云分割方法对果实点云进行三维球体形状提取,得到每个果实质心的三维空间位置信息和果实半径。实验结果表明,提出的果树三维重构和果实立体识别与定位方法具有较强的实时性和鲁棒性,在0.8~2.0 m测量范围内,顺光和逆光环境中果实正确识别率分别达95.5%和88.5%;在果实拍摄面的点云区域被遮挡面积超过50%的情况下正确识别率达87.4%;果实平均深度定位偏差为8.1 mm;果实平均半径偏差为4.5 mm。     

遮挡条件下多视角甜椒果实点云三维重构方法

为进行表型原位自动化测量,实现甜椒数字化育种和管理,针对原位果实表型测量中的目标遮挡问题,提出一种多视角甜椒果实点云的三维重构方法。通过虚拟叶片的方法,创建增强数据集,建立基于YOLO v5算法的甜椒果实识别模型,实现对不同遮挡程度果实的识别,同时,构建考虑果实位置与遮挡程度的果实表型采集算法,实现多视角的果实三维数据采集。最后,配准甜椒果实三维点云,提取甜椒表型参数,并通过温室甜椒果实表型,对点云重构方法的有效性进行验证。相较手动测量数据,果实果宽平均相对误差为1.72%,果高平均相对误差为1.60%。试验结果表明,本文所提出的甜椒原位表型点云重构方法,可为遮挡条件下作物表型提供有效的解决思路和可行方法。     

基于多视角三维点云融合的采棉机器人视觉感知方法

针对传统采棉机器人因单一视角和二维图像信息带来的视觉感知局限问题,本文提出了一种多视角三维点云配准方法,以增强采棉机器人实时三维视觉感知能力。采用4台固定位姿的Realsense D435型深度相机,从不同视角获取棉花点云数据。通过AprilTags算法标定出深度相机RGB成像模块与Tag标签的相对位姿,并基于深度相机中RGB成像模块与立体成像模块坐标系间的转换关系,解算出各个相机间点云坐标的对应变换,进而实现点云间的融合配准。结果表明,本文配准方法的全局配准平均距离误差为0.93cm,平均配准时间为0.025s,表现出较高的配准精度和效率。同时,为满足采棉机器人感知的实时性要求,本文对算法中点云获取、背景滤波和融合配准等步骤进行了效率分析及优化,最终整体算法运行速度达到29.85f/s,满足采棉机器人感知系统实时性需求。     

基于Kinect v2传感器的果树枝干三维重建方法

针对果树三维重构中存在建模精度低、成本高、拓扑结构差等问题,提出一种基于Kinect v2传感器的果树表型三维重建与骨架提取方法。首先,使用Kinect v2传感器采集不同视角下的果树点云数据;其次,对植株点云进行尺度不变特征变换的特征点检测,对关键点使用快速点特征直方图算法进行特征向量计算,通过随机抽样一致性方法提纯点云的初始位置,经初始变换后使用改进的迭代最近点算法进行精配准、拼接形成完整点云;最后,使用Delaunay三角剖分解构点云数据对缺失点云进行填充,使用Dijkstra最短路径算法对最小生成树进行求取,通过迭代去除冗余分量对骨架进行简化,使用圆柱拟合算法估算枝干骨架,将枝干骨架变为封闭凸包多面体,实现果树的枝干三维重建。实验结果表明：采用本文所提建模方法点云平均配准误差为0.52cm,枝干平均重构误差不超过3.52%,重建效果良好。研究成果可为果园评估作物状态、智能化修剪等研究提供数据支持。     

基于Kinect相机的油麦菜自动化三维点云重建

为了解决传统三维点云重建过程中人工调参费时、费力,且精度得不到保障等问题,提出了一种三维点云自动化配准算法,并应用于油麦菜三维重建。使用Kinect相机采集油麦菜不同视角下的点云数据,通过配准实验分析配准参数的变化规律,继而建立了配准评价体系,实现了两片点云的自动化配准,并通过最小化匹配误差积累将多幅点云变换到同一基准坐标系下,实现了油麦菜三维重建。对随机选取的12株油麦菜进行自动化三维重建,结果表明,在两片点云重叠率不低于30%的前提下,本文算法可获得最优参数组合,自动全局配准平均距离误差为0.65cm,平均耗时为44.05s,具有较高的配准精确度和稳定性。本文算法能有效减少配准误差积累、构建较高精度的完整结构,可为其他作物三维重建提供参考。     

基于几何模型的绿萝叶片外部表型参数三维估测

为快速高效获取叶类植物叶片的外部表型参数、掌握植株生长状况，以绿萝叶片为研究对象，提出一种基于几何模型的叶长、叶宽与叶面积的三维估测方法。利用微软Kinect V2相机，自80cm高度垂直位姿获取绿萝叶片局部点云，并进行直通滤波去噪与包围盒精简等预处理，测量得到点云外形参数，输入预先建立的SAE网络分类预测得到几何模型参数，并基于曲面参数方程建立叶片几何模型。采用粒子群优化算法计算几何模型离散点云和局部点云间的空间距离，进行空间匹配，利用遗传算法求解最优匹配模型的内部模型参数，输出最优匹配模型的叶长、叶宽与叶面积作为估测结果。实验共采集150片绿萝叶片的局部点云数据，将估测结果和真实值进行数学统计与线性回归分析，得出叶长、叶宽与叶面积估测的平均误差分别为0.46cm、0.41cm和3.42cm2，叶长估测R2和RMSE分别为0.88和0.52cm，叶宽R2和RMSE分别为0.88和0.52cm，叶面积R2和RMSE分别为0.95和3.60cm2。实验表明，该方法对于绿萝叶片外形参数的估测效果较好，具有较高实用价值。     

基于三维点云的群体樱桃树冠层去噪和配准方法

樱桃树的栽培密度影响其冠层的光照分布,通过研究群体樱桃树的三维结构,可分析不同栽植密度下温室甜樱桃树冠层光照分布规律,指导樱桃树的科学种植,进而提高甜樱桃产量和品质。高质量的点云数据是构建群体樱桃树三维结构的基础,而点云去噪和点云配准是点云数据预处理的关键环节。本文提出一种基于三维点云的群体樱桃树去噪和配准方法,搭建群体樱桃树三维信息采集平台,使用2台固定的DK深度相机获取群体樱桃树彩色点云数据;提出基于颜色区域生长的二分类方法,设置颜色阈值分割点云并进行二分类处理,可有效去除彩色点云数据中的异常无效点,并设置点云离散度和RGB值,作为点云去噪评价标准;结合人工标记法和双相机位姿矩阵,提出基于颜色特征改进的ICP方法,解决传统ICP配准算法多依赖初始位姿且配准速度较慢的问题。该方法通过对点云粗配准,得到较好的初始位姿,使用SIFT算法提取颜色特征点,将颜色特征与ICP算法结合进行点云精配准,然后使用PCL中随机采样一致性算法,去除错误匹配点,有效减少配准时间,提高配准精度。以夏季和冬季的群体樱桃树20组点云数据为实验对象,对比分析ICP算法、NDT算法、SAC-IA算法和本文配准方法的配准精度和配准时间,结果表明,本文配准方法平均耗时分别为5.01、4.30s,均方根误差分别为2.316、2.100cm,有效减少了配准时间和配准误差,验证了本文算法的有效性和普适性。     

基于快速点特征直方图的树木点云配准

随着农林业智能化与信息化发展,树木三维重建技术成为国内外研究的热点.为获取具有颜色信息的树木三维点云,需配准不同视角下的彩色点云数据,为果树三维重建提供基础数据.为此采用仿真树模拟果树,提出一种基于快速点特征直方图(FPFH)的树小点云配准方法,通过添加标定物增加具有稳定FPFH特征的点云个数,从而提高点对配准精度.首...     

基于RGB-D相机的单株玉米株高测量方法

玉米株高是反映作物长势的重要指标。为了实现田间单株玉米株高的快速测量，提出了一种基于RGB-Depth（RGB-D）相机的玉米株高测量方法。以拔节期玉米为观测对象，首先利用RGB-D相机获取田间玉米的彩色图像和深度图像。对玉米彩色图像进行灰度化、二值化和去噪处理，提取出包含待测玉米的二值图像。利用改进的分水岭分割算法对玉米的灰度图像进行分割，对分割结果进行圆形拟合操作，定位玉米的中心区域。对玉米的二值图像进行骨架化处理，检测骨架的交叉点和末端点，确定玉米骨架的中心点，并检索其到末端点的最短路径。对各条路径的点云数据进行求差与比较，确定玉米的最高点，并对最高点附近的点云数据进行直方图统计，获得地面点。最后，通过计算玉米最高点和地面点的差值，实现单株玉米株高参数的测量。对玉米样本进行测试试验的结果表明：单株玉米株高的平均测量误差为1.62cm，均方根误差（RMSE）为1.86cm，测量精度满足实用要求。     

基于点云的谷粒高通量表型信息自动提取技术

在进行水稻的数字化考种、表型与基因关联分析和数字农业仿真模拟时,需要大量的谷粒表型信息作数据支撑。本文提出了一种基于三维点云的谷粒高通量表型信息自动提取方法,能同时自动获取谷粒的三维模型和40个表型参数,实现谷粒形状的定量和定性描述。首先,通过对谷粒点云数据进行聚类分析,完成谷粒点云的分类;其次,实现谷粒的三维重建,对谷粒离散点云进行柱面构网,获取谷粒点云的三维模型数据;最后,根据不同表型参数的特点,实现了谷粒的三维表面积和体积、长、宽、高、3个主成分剖面的周长和面积等11个基本参数与长宽比、长高比和体积比等11个衍生参数以及18个形状因子的自动提取。利用Handyscan 700型手持式激光扫描仪获取的谷粒高精度点云数据进行实验,成功实现了谷粒表型参数的自动提取,测量结果可达毫米级。基于主成分方法分析了各表型参数的权重。以游标卡尺测量值和Geomagic Studio测量值作为真值,长、宽、高的平均相对误差为1.14%、1.15%和1.62%,体积和表面积的相对误差为零,3个主成分剖面面积的平均相对误差为1.82%、2.12%和2.43%。本文方法与人工测量方法及软件测量方法相比,精度相当,且具有批量、自动、人工干预少(仅数据采集阶段需要人工操作)以及效率高的特点。     

基于变尺度格网索引与机器学习的行道树靶标点云识别

针对行道树连续喷雾施药方式严重污染环境,果园对靶施药技术难以推广至复杂城区环境等问题,应用车载2D LiDAR获取街道三维点云数据,研究行道树靶标识别方法。构建变尺度格网点云索引结构,实现邻域快速搜索及点云在线处理;提取高程、深度、密度、协方差矩阵等11个点云球域特征,分析特征分布特性,采用基于径向基核函数的支持向量机算法融合特征,学习树冠点云分类器;采用FIFO缓冲区保存点云帧序列,实现行道树靶标在线识别。实验结果表明,该方法能够实现行道树靶标精确识别,在测试集上的分类错误率小于0.8%,检出率大于99.4%,虚警率小于0.9%,鉴别力最强的4个特征从高到低依次是高程均值、深度均值、高程范围和高程方差。     

复杂环境下肉牛三维点云重建与目标提取方法

基于点云采集技术的非接触式测量能够缓解肉牛在采集体尺体重等参数时的应激问题,但采集肉牛的三维数据耗时长且易受环境干扰而产生大量无关噪点,难以适应实际养殖环境需求。为解决该问题,本研究开发了一种非接触式肉牛三维点云重建与目标提取系统与方法,采集的肉牛三维点云可为肉牛育种育肥提供大量标准化和三维量化表型数据。三维点云采集系统由Kinect DK深度相机、红外对射光栅触发器和射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）触发器组成,可在肉牛自由通过步行道的瞬间实现肉牛点云的多角度瞬时采集。肉牛点云目标提取方法基于C++语言与点云处理库（Point Cloud Library,PCL）开发,通过空间直通滤波、统计学离群点滤波、随机抽样一致（Random Sample Consensus,RANSAC）形态拟合与点云抽稀、基于降维密度聚类的感知盒滤波等算法有效滤除与肉牛紧贴的栏杆等干扰,不破坏点云的完整性,实现肉牛点云的三维重建与分析。在养殖场中对20头肉牛进行了124次点云采集与目标提取试验。结果表明,重建的肉牛三维模型与肉牛真实形态1:1对应,系统的采集成功率为91.89%,采集的点云与真实值相比,体尺重建误差为0.6%。该系统与方法可以在无人干预的情况下,实现多角度肉牛点云数据的自动采集与三维重建,并从复杂环境中自动提取目标肉牛的点云,为非接触式肉牛体高、体宽、体斜长、胸围、腹围和体重等核心表型参数的测量提供重要的方法支撑,促进肉牛育种和育肥的标准化管理。     

基于无人机影像匹配点云的苗圃单木冠层三维分割

近年来较多的树冠提取算法以激光雷达数据为基础,然而激光点云数据量大、冗余多而且采集成本高。本文基于无人机影像匹配点云提取单木树冠轮廓,研究一种成本可控、能够补充甚至部分替代激光雷达的小范围森林制图方案。以福建省三明市某林场内苗圃地作为研究对象,在稠密的无人机影像匹配点云中截取2个25 m×25 m的样地作为测试样本。预处理后,首先构建植被冠层高度模型,以局部最大值法探测树冠位置并标记为种子点;从这些种子点形成的初始区域开始生长,迭代计算直到全部的影像匹配点云归并完毕;最后,将算法提取的树冠轮廓导入Arc GIS中获取树冠轮廓矢量边界,并与手绘参考树冠叠加,利用F测度实现精度的评定。依此方案,在2个林分范围内的树冠提取F测度均达到了89%以上,单木冠幅提取的误差在0.14 m以内。结果表明,该方案简单有效、精度可靠,适用于小范围、高精度的植被制图。     

基于SLAM的无人机飞行参数设定方法研究#br#

为克服无人机林间飞行环境复杂、作业多样化、点云数据质量难以评价等导致的飞行参数不合理、点云数据质量差的问题,提出一种基于同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)的无人机林间环境飞行参数设定方法。首先使用三维激光雷达所采集的林间点云数据进行建图,然后通过建图轨迹与GNSS-RTK数据轨迹进行对比分析,评价点云数据的质量,最后根据其均方根误差对无人机的最佳飞行高度与速度参数进行设定。分析结果表明：飞行速度固定时,机载激光雷达飞行轨迹的均方根误差与飞行高度成正相关。飞行高度固定时,机载激光雷达飞行轨迹的均方根误差与飞行速度成正相关。在平均高度为6~7 m,长度为100 m的林间,无人机的最佳飞行高度为12 m,最佳飞行速度为2 m/s,均方根误差为1.262 m。该方法满足评价点云数据质量的需求,同时为无人机林间环境飞行参数的设定提供理论支撑。