农业机器人避障算法的研究

为了保证农业自主移动机器人能够在非结构的农田环境下灵活自主的行走,一个关键的技术就是能够准确地判断农田中障碍物的方位以及机器人与障碍物之间的相对位置,从而选择正确的路径。为此,提出了一种距离传感器结合图像边缘检测技术的避障算法,通过超声波测距传感器与PSD(位置敏感传感器)红外测距传感器对农田中的障碍物进行检测,利用CCD摄像头采集机器人所处农田环境中的图像信息并在Linux系统中利用OpenCV函数库进行图像处理,得到图像的边缘信息,从而判断出可行的路径。     

基于双目相机与改进YOLOv3算法的果园行人检测与定位

针对复杂果园环境中行人难以精确检测并定位的问题,提出了一种双目相机结合改进YOLOv3目标检测算法的行人障碍物检测和定位方法。该方法采用ZED双目相机采集左右视图,通过视差原理获取图像像素点的距离信息;将双目相机一侧的RGB图像作为用树形特征融合模块改进的YOLOv3算法的输入,得到行人障碍物在图像中的位置信息,结合双目相机获得的像素位置信息计算出相对于相机的三维坐标。用卡耐基梅隆大学国家机器人工程中心开放的果园行人检测数据集测试改进的YOLOv3算法,结果表明,准确率和召回率分别达到95.34%和91.52%,高于原模型的94.86%和90.19%,检测速度达到30.26 f/ms。行人检测与定位试验表明,行人障碍物的定位在深度距离方向平均相对误差为1.65%,最大相对误差为3.80%。该方法具有快速性和准确性,可以较好地实现果园环境中的行人检测与定位,为无人驾驶农机的避障决策提供依据。     

基于信息融合的农业自主车辆障碍物检测方法

针对单一传感器在智能车辆环境感知中的局限性,提出一种基于摄像机与激光雷达信息融合的农业自主车辆前方障碍物检测方法。对单目摄像机获取的图像进行基于Ft（Frequency-tuned）算法的显著性检测,并生成显著图。同时对激光雷达反射点进行基于数据关联性评估的聚类分析,确定障碍物数量、边界与位置等先验信息。然后以激光雷达坐标相对应的图像像素坐标为种子点,由种子点激活经过处理的显著图,基于受限区域生长实现障碍物区域分割。试验结果表明,基于Ft算法的图像显著性检测具有更好的边缘检测效果,基于种子点的受限区域生长法可以有效地进行障碍物分割。在机器视觉的基础上融入激光雷达数据,可以更好地排除非障碍物的干扰,实现了障碍物的完整检出。     

多源传感器信息融合的农用小车路径跟踪导航系统

为解决四轮独立驱动农用小车在设施农业和畜牧业的物料运输和信息采集中的导航及控制问题,构建了农用小车导航控制系统,优化配置多个传感器,提出了基于CCD图像传感器、加速度计、电子罗盘及超声波等多传感器信息融合的导航控制方法。通过CCD获取标识路径信息,通过加速度计、电子罗盘获取小车姿态信息,通过超声波传感器判断障碍物,并给出路径特征提取、识别、多源信息融合自主导航控制和超声避障等算法,实现了小车的路径跟踪的导航控制,实验结果表明构建的导航控制系统及导航控制方法正确、有效。     

基于Q-学习的果园机器人避障算法研究

针对果园环境复杂、自动化程度低的问题,提出了基于Q-学习的果园机器人避障算法。该果园机器人搭载了激光雷达传感器。为了降低激光雷达数据的冗余度,首先对激光雷达数据进行截取,保留了机器人前进方向上一定角度内的数据,再将激光雷达的数据栅格化,采用数据差的方式标记出障碍物,将所有障碍物补齐为规定的正方形;然后,建立果园机器人的差速模型,对Q-学习的R值表、动作空间和动作选择策略进行建模,使得果园机器人能在果园路径规划过程中所获奖赏最大。MatLab仿真结果表明:该方法能够规划出一条较优路径。室内试验表明:机器人能平稳地避开所设障碍物,到达指定终点。     

手持式精准立木树高测量装置设计与试验

为解决森林资源调查中树高测量误差大,复杂林分环境树高测量难,倾斜立木树干长度测量不准等问题,以测量学、测树学、电子信息技术、传感器技术和图像处理技术为基础,研制了手持式精准立木树高测量装置。该装置集成了中央处理器、激光测距仪、高清摄像头、高精度陀螺仪传感器、液晶显示屏、存储器等元器件,利用激光测距传感器获取测量装置与被测树根间的距离,同时获取该装置的仰角信息,再利用图像中心确定树顶位置后获取第2个仰角信息,通过距离信息和角度信息解算测量树高。使用设备贴紧树干测量树干倾斜角度,对于干型弯曲的树木,利用边缘检测算法识别图像树干轮廓边缘,以轮廓近似法提取树干轮廓边缘点,获得树干边缘离散点坐标信息,将线性拟合求得的直线斜率转换为树干倾斜角,利用角度补偿算法完成长势倾斜立木的树长测量。试验结果表明树高测量精度可达98.04%,倾斜立木测量精度为96.89%,满足国家森林资源调查的精度要求。     

面向自动导航拖拉机的农田障碍物识别研究

实现农田障碍物的精确识别与有效避让是提高自动导航拖拉机智能化、保障作业安全的关键技术。为此,论述了基于激光测距传感器的自动导航拖拉机行进前方障碍物检测与识别方法。在自动导航拖拉机上加装LMS2 0 0激光测距传感器,构建避障测试平台,通过对激光数据解析、坐标系转换及障碍物边缘拟合,实现了障碍物方位、距离、宽度等特征信息的有效识别。针对典型农田障碍物—树木和障碍拖拉机,进行了障碍物检测试验。采用RTK-GPS接收机的定位数据标定障碍物,并进行了识别精度检验。树木的方位、距离和宽度的识别精度分别为0.5°、0.03m、0.03m。障碍拖拉机的方位、距离和宽度的识别精度分别为1.88°、0.13m、0.39m。试验结果表明:避障测试平台能够有效地识别自动导航拖拉机前方的障碍物。     

基于三维激光雷达与优化DBSCAN算法的果树定位方法

为提高果园喷雾机器人在果园行间行走的自主性和安全性,提出一种基于三维激光雷达与优化DBSCAN算法的果树定位方法。首先,采用三维激光雷达获取果园的环境信息,通过感兴趣区域提取、地面点云分割和体素滤波降采样对原始点云数据进行预处理;然后,对DBSCAN算法进行优化,构建KD树索引有序化实时点云数据,并使用KD树最近邻搜索替代传统DBSCAN算法的遍历搜索方式,最后根据数据点到激光雷达的距离自适应确定聚类密度阈值,实现行间不同距离的果树检测;最后,以果树聚类结果的冠层边缘点为果树的定位参考点,得到果树定位参考点的坐标,计算果园喷雾机器人与果树的相对位置。试验结果表明：优化的DBSCAN算法相较于传统DBSCAN算法检测的准确性和实时性均有明显提升,果树的横向定位平均误差为2.6%,纵向定位平均误差为1.6%。该方法能够满足果园喷雾机器人在行间果树定位的准确性和实时性要求,为精准农业装备在林果园环境下的自主导航和作业提供有效参考。     

基于图像像素点的前方车辆距离检测研究

为有效控制进而避免交通事故的发生,提出一种基于图像像素点检测前方车辆障碍物距离的方法。利用机器视觉检测到前方车辆可能存在的感兴趣区域,通过边缘特征确定前方车辆的位置,利用角点检测获取车辆在图像中的像素点位置,在对摄像机进行预先标定的基础上,通过透视投影的几何关系,计算出前方车辆距离的方法。     

轮式AGV沿葡萄园垄道行驶避障导航算法与模拟试验

针对轮式AGV沿葡萄园垄道循迹受到障碍物阻碍的问题,应用滚动优化原理提出了基于超声波测距与航向角检测的AGV防碰避障导航算法。采用交叉布置的8路超声波传感器检测垄道边界与障碍物,提出了同一障碍物匹配与类型判据及动态障碍物轨迹预测模型。以AGV横向位置偏差和航向偏角作为模糊控制器输入,获得AGV前轮期望导向角,为AGV绕行障碍物提供参考航向角。基于滚动优化原理提出了调节绕行偏角和调节车速的避障导航策略,设计了AGV绕行静态障碍物、减速或停车避让动态障碍物的导航算法。试验系统的上位机采用Lab VIEW开发的避障导航算法程序,实时将导航数据发送到下位机PLC来控制AGV转向。模拟试验结果表明,该导航算法实现AGV沿垄道预设路径纠偏行驶的同时,可导引AGV避免与垄道上的障碍物发生碰撞,验证了防碰避障导航算法的有效性,可为无人化轮式拖拉机等前轮导向车辆沿垄道循迹的防碰预警与避障技术提供参考。     

基于BDS的果园施药机自动导航控制系统

根据果园施药机自动导航喷药作业需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的施药机自动导航控制系统。该系统主要包括RTK-BDS接收机、导航控制器、转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘。其中转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘构成转向角闭环控制回路,该回路可根据导航控制器发送的施药机期望转向角实现转向角的随动控制。将施药机的运动学模型和纯追踪模型相结合,设计了施药机直线跟踪导航控制器,输入为位置坐标和方位角,输出为期望转向角。针对果园地形特点对施药机进行了导航路径规划,并在果园进行现场试验。试验结果表明:所设计的导航控制系统,在施药机行进速度为2 km/h时,直线跟踪最大误差不大于0.13 m,平均跟踪误差不大于0.03 m,能满足果园自动导航作业精度要求。     

自适应移动转向多功能园林修剪机械设计

为了提高园林修剪机械定位导航精度和自适应转向能力,提出了一种基于激光传感器的自适应移动转向导航系统,使园林修剪机械的导航系统具有了激光测距和障碍物特征扫描功能,大大提高了导航的精度和自动化程度。在自主导航路径规划和避障时,该套导航系统可以利用激光测距得到障碍物的实际距离,利用激光扫描得到的扫描亮度预测障碍物的尺寸,然后利用PC机的预设地图对修剪机当前位置进行预测和定位,并发出移动和转向控制指令,从而准确地实现导航功能。园林作业环境下试验发现,修剪机可以成功地对作业环境进行扫描,并通过自主避障和换行测试证明了激光传感器自适应移动和转向方法,对园林修剪机械的自主避障有着较好精确性和稳定性,达到了期望的要求。     

基于激光扫描的果树树形重构系统研究

为了实现果园机械自动对靶喷药中树形的识别,采用激光测距传感器进行果树二维图像的绘制,通过对车载激光传感器采集的果树点云信息的筛选和变换,完成果树点距离信息的选取;利用MATLAB的绘图功能,将筛选后的距离信息与二维图像的灰度值进行融合,实现扫描距离到图像灰度值的转变.实验表明,该系统可以很好地将扫描距离信息融人到二维灰度图像的绘制当中,使图像中所包含的信息量更大、更全面.     

基于激光视觉的智能识别苹果采摘机器人设计

为了提高苹果采摘视觉识别系统的精度,增强视觉系统的抗干扰能力和自适应能力,设计了一种新的苹果采摘机器人激光视觉识别系统,可以直接获得层次关系的深度图像,实现了果园非结构化环境中果实的识别与定位。为了测试激光识别系统苹果采摘机器人的采摘效果,在果园中对其采摘性能进行了测试:首先采用高清相机完成了对果实图像的采集,通过图像处理准确地实现了苹果的识别,在遮挡率低于50%时其识别率达到了90%以上;然后利用激光测距方法对苹果进行距离测量,成功定位了果实位置,其响应时间仅为3.58s,动作效率快,实现了苹果的高效率、高精度采摘功能。     

基于Harris和卡尔曼滤波的农业机器人田间稳像算法

针对田间颠簸环境影响农业机器人采集实时稳定图像问题，提出了基于Harris和卡尔曼滤波的农业机器人田间稳像算法。首先，利用摄像头获取田间抖动视频图像序列，进行图像子区域划分并计算各区域灰度均方差，进而确定各区域Harris角点阈值；通过自适应角点阈值设置，增加角点距离约束，完成图像角点检测。然后，对检测出的角点进行光流跟踪，计算出帧间运动估计参数。最后，利用自适应卡尔曼滤波算法对运动估计参数进行平滑操作并动态调整滤波平滑性能，获得精确运动估计矢量。测试结果表明，改进后的Harris角点检测算法区域平均分布标准差减小；自适应卡尔曼滤波算法在保证平滑随机运动前提下，跟踪主动运动性能平均提升30.75个百分点；稳像后的图像峰间信噪比提升15.93%,单帧处理时间为25.66 ms,满足农业机器人30 f/s高速图像采集时同步稳像对实时性要求。     

基于图像边缘检测技术的采摘机器人视觉系统设计

采摘机器人作业环境复杂,视觉系统往往不能准确对待采摘的果树或者果实进行准确的定位。为了提高采摘机器人视觉系统的定位精度,引入了图像边缘检测技术,通过提取待采摘果树或者果实的边缘,计算果实的位置坐标,为采摘机器人的自主行走定位和采摘作业提供可靠数据支持。为了验证方案的可行性,以待采摘果树的特征边缘提取为例,对系统的果树边缘提取的可行性及定位准确性进行了实验。实验结果表明:采用基于图像边缘检测技术的采摘机器人视觉系统可以成功地对果树进行定位,并输出果树的位置坐标,将位置坐标和实测位置坐标进行对比发现,其结果基本吻合,具有较高的定位精度。     

基于农业搬运机器人的障碍物视觉识别技术研究

【目的】随着农业自动化水平不断提升,研究农业搬运机器人如何优化搬运目标信息、定位及图像检索等功能具有重要现实意义。【方法】课题组提出了一种基于机器视觉的内容图像检索视觉识别技术,采用特征提取方法将图像纹理作为机器视觉障碍物特征识别的重要信息,通过实时更新障碍物信息,利用相似度距离计算,将采集的图像数据与数据库中的图像距离进行对比,并利用MATLAB仿真平台验证了CBIR系统对搬运机器人障碍物识别的精确度。【结果】利用小波滤波器优化的CBIR系统的对比结果优于其他方法的平均检索率,且前20张图像的检索率均能保持在98%以上。【结论】该方法有效提升了CBIR系统的障碍物检测性能及识别系统的精确度,可为系统数据库中障碍物图像特征对比提供高质量图像数据。     

基于超声波传感器的扫地机器人避障技术研究

本文基于超声波传感器对扫地机器人避障技术的运用进行研究,运用多组超声波传感器进行周围环境数据的收集,以确定障碍物的位置并改善测量的精度,达到准确避障。对超声波传感器内部电路进行设计,以提高扫地机器人避障技术的智能性和稳定性,对多组的传感器进行避障策略设计。     

基于小波多分辨率分解的农田障碍物检测

针对基于颜色或高度信息的农田障碍物检测方法仅能实现部分障碍物检测的缺点,提出了基于频率信息的检测方法.采用小波多分辨率分解,利用田间作物产生主频信息的总量优势及作物行分布规律确定作物所在频率层.在作物层上利用图像旋转投影法校正图像的同时,获得航位偏差和航向偏差;依据频率分布特性的改变,检测出发生行遮挡的疑似障碍物位置;依据非杂草类障碍物频率变化比较缓慢,在小波多分辨率分解的最高频率层上实现不发生作物行遮挡的疑似障碍物的检测;最后采用立体视觉匹配及频率信息的先验知识判定检测到的是否为障碍物.实验表明算法能检测出包括长满草的土堆、田头等各类障碍物,并能有效去除断垄干扰,单帧图像处理时间平均为79 ms.     

GPS坐标与方向、距离相互转换的计算公式推导

GPS是四旋翼飞行器最重要的传感器,它记录了飞行器在空间中的位置信息,GPS坐标信息可以用于控制飞行器的航向、定点飞行以及悬停,因此,对GPS经纬度坐标进行处理显得尤为重要。文章主要研究根据两点GPS经纬度坐标计算这两点距离、方向;根据一个GPS的坐标点、距离、方向计算出另一个点的GPS经纬度坐标。