农业机器人视觉导航的预测跟踪控制方法研究

农用拖拉机的视觉导航技术可以帮助人员远离某些高温、高湿以及有毒害的作业环境,提高作业的自动化智能化程度,还能实现精确定点作业以促进农业可持续发展等。该文首先分析了轮式拖拉机跟踪引导路径的行为特点,建立起相应的非线性随机数学模型。而后,基于卡尔曼滤波的思想融合了各传感器的观测值给出预测跟踪控制方法。避免了视觉系统为主的计算耗时导致状态反馈滞后而产生的不利影响,改善了导航控制的鲁棒性和精度。仿真和初步试验结果都表明了此方法的有效性。     

农业机械机器视觉导航研究

该文对农业机械机器视觉导航的关键问题图像处理和路径控制进行了深入的研究,采用基于Hough变换和动态窗口技术的图像处理算法提取自然环境下的导航特征,根据系统辨识试验的结果和农业机械机器视觉导航的特点建立了仿真模型,并在通用型轮式拖拉机上建立试验系统对图像处理和控制算法进行验证,取得了良好的试验结果.     

基于机器视觉的玉米施肥智能机器系统设计概述

分析了采用机器视觉识别大田玉米的生长状况进而实现大田玉米定时、定点、变量精确施肥和实现农业机组的视觉自主导航和无人驾驶的机理。重点介绍了开发研制的玉米施肥智能机器系统的总体设计和所采取的相关技术的概况。     

基于扫描滤波的农机具视觉导航基准线快速检测方法

针对基于机器视觉的自动导航系统现有导航线提取算法易受外界环境干扰和处理速度较慢等问题,该文提出一种基于图像扫描滤波的导航线提取方法。首先获取不同农作物的彩色图像,使用2G-R-B算法对彩色图片进行灰度化处理,得到作物行和土壤背景对比性良好的图片。使用Otsu方法对图像进行分割,得到二值化的图像后,再采用腐蚀-中值滤波-膨胀的滤波方法对图像进行去噪处理。然后使用该文提出的扫描滤波导航线提取算法,将图像分成左右两部分,使用等面积三角形对两部分分别进行扫描后,再对扫描的结果进行滤波,从而提取作物行,得到导航线。试验结果表明,采用该方法处理一幅640×320像素的图像只需要76ms,可满足农机具实时导航的要求;与传统导航线提取算法相比,该算法计算速度快,适应能力强。     

采棉机视觉导航路线图像检测方法

采棉机视觉导航路线的检测是实现采棉机自主导航的重要前提。收获时期的棉田中主要有棉秆、棉花、棉桃、棉叶、杂草及田外区域等多种目标特征,并且机械采收会造成已收获区的棉枝上残留少许棉花,对采棉机田间作业路径的检测造成困难。该文主要通过分析已收获区、未收获区、田外区域、田端的不同颜色特征,对采棉机田间作业路径、棉田边缘、田端等的检测算法。首先采用3B-R-G、|R-G|、|R-B|及|G-B|等颜色分量差的方法,针对棉田内、外等不同区域的目标特征分别进行提取,并以设定的步长进行移动平滑处理,而后基于最低波谷点向未收获区方向寻找波峰上升临界点以及与前一帧直线检测结果相关联等方法,确定直线变换的候补点群,最后基于过已知点Hough变换提取导航直线;试验证明,该算法提取的直线能够准确贴合已收获区与未收获区分界、田侧边缘等,处理时间平均为56.10 ms/帧,满足采棉机田间实际生产作业的需求。该研究可为小麦、玉米等其他作物机械化收获时视觉导航路线的检测提供参考。     

基于知识的视觉导航农业机器人行走路径识别

目前的农业生产方式引起了环境污染、生态恶化等诸多问题,研制具有精确作业能力的视觉导航农业机器人因而被较多关注。针对导航视觉系统采集的农田非结构化自然环境彩色图像,探讨了用于行走路径识别的适宜的彩色特征,并结合农田作业时农业机器人行走路径的特点,运用路径知识启发机制识别出行走路径。与传统的阈值分割算法的对比处理试验表明,此识别算法可以明显地改善路径识别效果。     

基于良序集和垄行结构的农机视觉导航参数提取算法

根据田间作物垄行间杂草离散的特点,基于图像矩阵,运用像素子集的良序性,结合垄宽先验知识得到垄行轨迹中心。同时,系统选择图像的绿色成分为目标特征空间,滤掉了非绿色的背景噪声,为寻找垄行子集奠定了基础。在摄像头参数结构的可线性化映射区(图像中间约1/3区域),考虑移动平台的速度和系统图像采样间隔,在系统处理速度大于平台移动速率条件下,建立了单目视觉导航系统的动态方程。试验结果表明：航向角和位置参数平均误差分别约为1°和1 mm。该算法设计简洁,实现容易,可有效避免杂草等噪声的影响,对光照也有一定的适应性。     

基于光照无关图的农业机器人视觉导航算法

完成沿作物行的行走作业是农业机器人视觉导航系统的一个基础功能,但是由于田间环境的复杂性,比如阴影的存在和天气的恶劣变化等外界因素的影响使导航参数的提取变得困难。该研究针对农业机器人视觉导航中存在的阴影干扰问题,采用基于光照无关图的方法去除导航图像中的阴影,然后采用增强的最大类间方差法进行图像分割和优化的Hough变换提取作物行中心线,最终通过坐标转换获得导航参数。最后,通过作物行跟踪试验表明,基于光照无关图的阴影去除方法不仅满足了导航实时性的要求,而且使农业机器人在光照变化的情况下导航参数提取的鲁棒性有了更大的提高。     

基于机器视觉的板栗分级检测方法

为实现合格和缺陷板栗的分级,研究了1种基于BP神经网络与板栗图像特征的板栗分级方法。试验以罗田板栗为研究对象,提取的颜色及纹理等8个特征值,通过主成分分析提取相应的主成分得分向量构成模式识别的输入。利用BP神经网络方法建立了板栗分级模型。试验结果表明,在图像信息主成分因子数为3,中间层节点数为12时,建立的模型最佳,模型训练时的回判率为100%,预测时识别率达到了91.67%。研究结果表明基于机器视觉技术的针对缺陷板栗分级检测方法是可行的。     

基于三目视觉的自主导航拖拉机行驶轨迹预测方法及试验

为了实现自主导航拖拉机离开卫星定位系统时能够持续可靠工作,该文提出了基于三目视觉的拖拉机行驶轨迹预测方法。该方法将三目相机分解为长短基线2套双目视觉系统分时独立工作。通过检测相邻时刻农业环境中同一特征点的坐标变化反推拖拉机在水平方向上的运动矢量,并通过灰色模型预测未来时刻的运动矢量变化,最终建立不同速度下的前进方向误差模型。试验结果表明:拖拉机行驶速度为0.2 m/s时,46.5 s后前进方向误差超过0.1 m,对应行驶距离为9.3 m。行驶速度上升到0.5 m/s时,该时间和行驶距离分别降低到17.2 s和8.6 m。当行驶速度上升到0.8 m/s时,该时间和距离分别快速降低至8.5 s和6.8 m。行驶速度越高,前进方向误差增速越高。该方法可用于短时预测拖拉机的行驶轨迹,为自主导航控制提供依据。     

基于拖拉机作业轨迹的农田面积测量

为了精确测量拖拉机在农田作业时的作业面积,以评价拖拉机的作业效率。该文选用双星定位(GPS卫星和伽利略卫星)接收机采集定位数据,采用自适应卡尔曼滤波算法提高接收机单点定位精度,利用高斯投影算法将GPS接收机采集经纬度转化成平面坐标来计算面积。选用回耕法、梭形耕法、套耕法3种方法旋耕地块,利用安装拖拉机上的GPS识别出作业轨迹,利用图像处理计算3种方法的有效作业面积、实际作业面积和重漏耕面积。试验表明:卡尔曼滤波提高了GPS单点定位精度;面积测量相对误差为2.09%;地块1(回耕法)漏耕率为14.29%,重耕率为6.19%,地块2(梭形耕法)漏耕率为10.72%,重耕率为5.54%,地块3(套耕法)漏耕率为1.80%,重耕率为6.82%。随测量面积增加,测量精度越高;套耕法效率最高,梭形耕法其次;回耕法的漏耕率最大,作业效率最低。     

基于称重法的联合收获机测产方法

针对精准农业田间信息获取技术的研究,提出了一种基于称重法的联合收获机收获粮食产量分布信息测量方法。该方法利用传统联合收获机的粮食传输特点,采用了螺旋推进称质量式技术实现了联合收获机产量流量测量,解决了计量装置、动力直接传输和有效信号提取等问题。利用短时小波滤波等方法处理实时流量数据,结合全球定位系统（GPS）定位信息实现了联合收获机粮食流量动态计量以及田间粮食产量分布信息的获取。试验结果表明,台架试验误差小于2%。该方法可以完成粮食产量分布信息的获取工作。     

基于全方位视觉传感器的农业机械定位系统

利用全方位视觉传感器能提供传感器周围360°范围内信息的图像,通过全方位图像可准确获取物体方向角,基于该特点研发一种可以实现农业机械自动导航的定位系统。该系统硬件主要由全方位视觉传感器、人工标识、PC、PC软件和作业车构成。该计算算法首先通过全方位视觉系统的校正,得出相机的成像投影中心;通过图像处理提取人工标识的位置,估算出标识相对于相机的方向角,然后根据圆周角定理和几何关系计算出相机的位置来完成农业机械的定位。在面积为5×3 m2的水泥地面和白炽灯光的实验室中进行试验,平均选取10个位置进行试验,试验结果显示估算点和选取点间距离的平均误差小于3 cm。研究证明该定位系统是可行的。     

基于改进UKF的无轴承异步电机无速度传感器控制

基于传统卡尔曼滤波器的转速估计方法依赖于系统的精确数学模型,但目前通用的无轴承异步电机的数学模型是一个近似模型,针对该问题该文提出一种以实际转速为基准的改进的无轴承异步电机转速估算方案:首先,用残差归一化处理自动更新渐消因子并将其引入增益矩阵,以减小系统模型偏差对估算精度的影响,增强滤波器的稳定性;其次,用遗传算法自动更新噪声矩阵,使其具备补偿作用,再次优化转速估算精度,最终将估算精度控制在5 r/min左右,干扰误差控制在10 r/min左右,可有效应对建模误差和参数扰动对转速估算的影响,具备较高的鲁棒性和估算精度。最后,用d SPACE试验平台证明了所提方案的正确性和可行性,该研究为无轴承异步电机无速度传感器控制提供参考。     

基于GPS轨迹的农机垄间作业重叠与遗漏评价

为了有效评估农机作业过程的重漏程度,该文采用地理信息系统的空间分析方法,基于GPS轨迹数据分析农机垄间作业重叠区域面积和作业遗漏区域面积,提出表征农机作业完整性、无重叠的量化评估指标,即作业重叠率和作业遗漏率。基于农田作业机械GPS轨迹的历史数据,分别计算多个地块不同农作管理过程中的作业重叠率和作业遗漏率。其中,小麦收获作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达13.30%;施肥作业遗漏率高于重叠率,最高作业遗漏率达13.80%;喷药作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达12.93%,上述结果与实际作业情况相符。结果表明,农田作业机械无导航情况下的作业重叠与遗漏显著,导致作业成本高、作业效率低,甚至会影响农田环境安全。该研究方法为农机作业过程监管提供有效地评价技术手段。     

基于多学科技术融合的智能农机控制平台研究综述

农业机械的自动化和智能化包含内容广泛,有农机定位与导航,动态路径规划,机器视觉和远程监控等,牵涉到大量的工程技术学科,包括导航、图像、模型与策略、执行器以及数据链等。农机定位与导航一般采用基于农机运动学模型结合GPS(global positioning system)/IMU(inertial measurement unit)组合导航信息,在导航路径规划算法指引下实现农机轨迹跟踪的方法。建立的农机运动学模型精度,GPS数据的连续性以及惯导器件误差系数漂移等因素都会影响该方法的有效性。路径跟踪通常采用各种现代控制理论与方法,而面对复杂的田间作业环境变化,农机的自主避障以及动态路径规划能力也会影响轨迹跟踪精度。机器视觉的稳定性和目标特征信息分离度影响着农机环境感知能力,目前目标识别主要采用hough变换,hough变换的全局检测特性决定了该算法运算量较大,需要探究改进特征提取算法。远程监控农机作业是智能农机发展的一个方向,构建无线导航,控制和视频数据传输网络有助于提高农机的智能化水平,可以采用分布式哈希表(distributed hash table)来研究网络覆盖和互联技术。该文融合多个学科,从高精度定位与导航技术、复杂环境及工况下农机运动精确自主控制技术、稳定清晰的机器视觉感知技术和基于4G网络和新一代物联网的高覆盖数据传输技术几个方面,论述了智能农机在光机电液多个学科领域内的研究现状,并指出采用北斗地基增强网络和网络RTK(real-time kinematic)技术、惯导定位误差精确建模与补偿、环境感知与自主避障、立体结构自组网技术以及多机协作是现代农业机械的发展方向。以期为现代化智能农业机械的设计提供参考。     

3S技术在精准农业中应用的研究

阐述了3S技术的原理及其在精准农业中的应用,采用差分GPS大大提高定位精度,应用归一化植被指数NDVI值对叶面积指数和植株含氮量进行监测,依GPS定位导航将田块按网格取样,经分析后生产施肥处方图已指导变量施肥。     

精确林业GPS信标差分定位精度分析

利用设计的Trimble AgGPS132定位试验装置进行连续时间内的单机定位试验和信标差分定位试验,作出x、y坐标多次测量结果散点分布图和同一点的多次测量结果散点分布图,平均值、标准差等结合数据分析对比其精度,检验信标差分定位系统的静态符合度和动态符合度。试验结果表明：信标差分定位比单点定位精度高,误差小,信标差分定位比单点定位横、纵坐标精度提高12%到47%,AgGPS132信标差分试验系统的静态符合度和动态符合度都较好,符合精准度要求较高的精确林业的生产作业要求。在中国建立的导航信标信号覆盖区内,采用信标差分GPS系统具有信号连续、工作稳定、精度可靠、费用低廉等优点,因此信标差分技术在精确林业应用上将具有巨大的发展潜力。     

基于机器视觉的菠萝自动去眼方法与试验

菠萝加工过程中的去眼作业目前主要依赖人工手动操作,劳动成本高且作业效率低。为实现自动化菠萝去眼作业,该研究运用YOLOv5目标检测算法对菠萝眼进行快速识别,将所有角度相差90º的两张图片作为一组进行立体匹配分析以获取菠萝眼的三维位置信息。通过旋转菠萝和轴向移动去眼刀具将专用去眼刀具依次对准每一个菠萝眼并快速去除。试验结果表明：YOLOv5目标检测算法对菠萝眼识别效果良好,验证集的准确率、召回率和平均精度均值均高于96%;菠萝眼实际中心与探针刺入位置的平均误差为1.01 mm,最大误差为2.17 mm,均方根误差为1.09 mm;菠萝眼的完全去除率为89.5%、不完全去除率为6.2%,漏检率为4.3%,单个菠萝去眼时间为110.9 s,基本满足自动化去眼作业需要。研究结果可为菠萝自动去眼机研发提供技术参考。