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GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统设计与试验

为实现节能、节水,提高灌溉和土地利用效率,在对太阳能技术、节水灌溉技术、全球定位系统（global positioning system,GPS）导航技术等进行研究的基础上,研制一种基于 GPS 导航的太阳能驱动平移式喷灌机,并在此基础上设计开发导航控制系统。整个机组以太阳能光伏组件和蓄电池为电源,直流电动机作为动力,采用四轮差速转向。以喷灌机横向偏差和航向偏差作为控制输入变量,直流电机脉冲调制（pulse width modulation,PWM）转速调节电压增量作为输出变量,构建基于线性比例控制的导航控制器,实现了对喷灌机两侧车轮转速的调节控制。导航控制系统以32位先进精简指令集机器（advanced RISC machine,ARM）微控制器 STM32F103芯片为核心,集成导航控制器、转速操纵控制器、GPS、电子罗盘和转速传感器,采用控制器局域网（controller area network,CAN）总线结构进行通讯,实现喷灌机的自主导航控制。路径跟踪试验结果表明：喷灌机自动导航控制系统能基本满足喷灌作业要求,并能较好地实现路线跟踪,在以0.4、0.8 m/min 速度行驶30 m 过程中直线跟踪最大横向偏差不超过20 cm,系统可靠性较高。研究可为实现农业机械与太阳能技术相结合提供参考,对类似自走式喷灌机的发展提供依据。     

基于改进粒子滤波的农用车辆导航定位方法

针对农业机械导航系统中常用的Kalman滤波对多传感器数据进行融合的算法不适用于非线性农用车辆导航系统的问题,该文采用粒子滤波方法进行数据融合,以获得准确的导航定位信息;该算法增加抗野值步骤,有效削弱GPS跳变引起的误差;通过对重要密度函数进行改进,引入无迹卡尔曼滤波方法（UKF）,并采用不同重采样方法,有效抑制了粒子退化;增加MCMC步骤,减少了样本枯竭现象。仿真结果表明,改进后粒子滤波方法,可有效提高精度,减小导航误差,可满足农用车辆与作业机械的导航要求。     

基于机器视觉的草地蝗虫识别方法

为了准确、自动地提取蝗虫信息进行蝗灾测报,提出了一种基于机器视觉的草地蝗虫识别方法,用于超低空蝗灾预警系统所自动采集的视频中草地蝗虫头数信息的提取。该方法先根据跃起草地蝗虫的背景构成,把原始图像分为天空子图像和草地子图像;然后,采用帧间差分法检测两子图像中的运动区域;最后,运用蝗虫的形态特征因子对检测的运动区域进行再分类,识别跃起蝗虫。把自动识别的跃起蝗虫头数,带入建立的跃起蝗虫头数与和地面蝗虫头数之间的数学模型中,从而得到地面蝗虫的数量,进行地面上草地蝗虫的间接计数。试验结果表明:跃起草地蝗虫的识别率为80%～100%,由建立跃起蝗虫和地面蝗虫的之间模型计算的地面草地蝗虫的精度大于80%。因此,基于机器视觉的草地蝗虫识别方法能满足蝗虫精准测报的要求。     

基于自适应有限冲激响应-卡尔曼滤波算法的GPS/INS导航

导航定位系统一般采用卡尔曼滤波算法提高定位精度。传统卡尔曼滤波算法的性能很大程度上依赖观测噪声的先验统计信息,不精确的统计特性将会降低定位精度。针对此问题,该文提出一种基于FIR(finite impulse response)预测模型的卡尔曼滤波算法。将FIR预测模型与卡尔曼滤波结合,FIR预测模型的系数可以通过求解一个凸二次规划问题得到。该凸二次规划以目标的多项式运动规律为约束条件,以最小白噪声增益为目标函数,具有闭式解。仿真试验和实测结果均表明,在相同的参数设置条件下,基于FIR预测模型的卡尔曼滤波算法比传统的卡尔曼滤波算法具有更高的估计精度,仿真结果表明定位精度提高29.54%,实测结果表明X方向定位精度提高21.71%,Y方向定位精度提高22.62%。该算法可应用于GPS接收信号的降噪处理,提高目标状态的定位精度。     

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YOLOv5l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。     

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。