基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的植保機(jī)械導(dǎo)航方式的研究

張永澤　艾長(zhǎng)勝

摘 要：現(xiàn)在農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制是采用GPS作為主要的傳感器，但是在植物生長(zhǎng)比較茂盛的地方，如在樹林或部分果園里GPS接收機(jī)的信號(hào)會(huì)被遮擋，這就會(huì)導(dǎo)致農(nóng)用機(jī)械導(dǎo)航失敗或碰到障礙物。本文以拖拉機(jī)作為研究平臺(tái)，針對(duì)GPS系統(tǒng)在該方面應(yīng)用的缺陷，提出了一種基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的控制方式。在拖拉機(jī)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)反饋拖拉機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角，采用PID控制器作為主要的減小導(dǎo)航路徑誤差的方法，主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在果園中的自主導(dǎo)航行駛。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；機(jī)器視覺；植保機(jī)械導(dǎo)航；GPS

0 引言

激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于測(cè)距及避障方面。Carmer and Peterson提出了激光雷達(dá)作為傳感器在機(jī)器人方面的應(yīng)用。由于激光雷達(dá)可進(jìn)行精確的位置測(cè)量，在農(nóng)用機(jī)械的自主導(dǎo)航方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，機(jī)器視覺在機(jī)器人方面也進(jìn)行了較多的研究，這得益于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)的成本較低及良好的性能。機(jī)器視覺可以與激光制導(dǎo)系統(tǒng)的性能相媲美。迄今為止，在果園植保機(jī)械方面應(yīng)用自主導(dǎo)航系統(tǒng)所取得的商業(yè)性效果甚微。但是，其他類似方面的應(yīng)用為這項(xiàng)研究提供了有價(jià)值的研究方法。文中使用激光雷達(dá)與機(jī)器視覺傳感器進(jìn)行初步的路徑識(shí)別，PID控制器進(jìn)行自主車輛的轉(zhuǎn)向控制，其在移動(dòng)機(jī)器人方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）激光雷達(dá)選擇日本的URG-04LX-UG，這是一種二維激光雷達(dá)測(cè)距傳感器，其測(cè)量范圍是240°，角度分辨率是0.35°，完全滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求。傳感器通過RS232或USB設(shè)備與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換。傳感器接收信號(hào)的發(fā)送通過SCIP2.0協(xié)議進(jìn)行傳輸，提高了信息傳輸?shù)男始皽?zhǔn)確性。

（2）機(jī)器視覺攝像頭采用SONY的 FCB-EX780S單反模擬彩色視頻攝像機(jī)與640×480為一幀的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，同時(shí)配備有圖像采集卡，將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

對(duì)于機(jī)器視覺，將顏色設(shè)定為路徑識(shí)別的鑒別標(biāo)準(zhǔn)。首先，輸入圖像，然后根據(jù)外界的實(shí)際環(huán)境確定閾值。當(dāng)外界環(huán)境條件較差時(shí)（光照不充足或有霧的天氣），選取較低的閾值；若環(huán)境條件較好，則選擇較高的閾值。進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定，將像素距離轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離，可消除在信號(hào)采集過程中由于自然光產(chǎn)生的噪聲影響。采用形態(tài)學(xué)處理方法確定行駛路徑，并采用最小二乘法確定植物兩側(cè)合適的邊界。最后，根據(jù)確定的邊界求解出路徑的中心位置作為規(guī)劃路徑，并與當(dāng)前位置進(jìn)行比較，確定出位置偏差。

2 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)測(cè)距信息的實(shí)時(shí)采集，完成命令的解讀。

（1）發(fā)送命令解讀。

“47 44 30 30 35 38 30 36 30 30 30 30 0A”

①“47 44”為命令表示符。

②“30 30 35 38”（每一位都加了30），表示起始步是從0058（十六進(jìn)制）開始的。

③“30 36 30 30”（每一位都加了30），表示結(jié)束步是從0600（十六進(jìn)制）開始的。

④“30 30 0A”所有命令都一樣（0A為結(jié)束的標(biāo)志）。

（2）接收命令解讀。

①“47 44 30 30 30 30 31 30 38 30 30 30 0A ”開頭，與發(fā)送的指令一樣。

②“30 30 50 0A”前兩個(gè)字節(jié)表示狀態(tài)位；第3個(gè)字節(jié)表示校驗(yàn)和；0A表示換行符。

③“32 38 57 33 64 0A”前4個(gè)字節(jié)表示時(shí)間戳；第5個(gè)字節(jié)表示校驗(yàn)和；0A表示換行符。

④“30 45 3C”表示第一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，按照指令說明上解碼。30-30=00，45-30=15，3C-30=0C，然后00、15、0C轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，每個(gè)只取6位，依此排列之后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的測(cè)量值。

⑤“30 45 3C 30 45 40 30 45 49 30 45 4E 30 45 4E……”（其余發(fā)送的數(shù)據(jù)都是3個(gè)為一組，中間不再用“0A”間隔，直到最后用兩個(gè)“OA”結(jié)束）

3 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的植保機(jī)械導(dǎo)航方式，對(duì)路徑導(dǎo)航方式的控制系統(tǒng)、路徑識(shí)別算法及激光雷達(dá)導(dǎo)航測(cè)距進(jìn)行了研究，并初步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但仍有大量工作需做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

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