兼容機(jī)器視覺(jué)的衛(wèi)星定位高精度農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)

摘要：本論文論述了兼容機(jī)器視覺(jué)的高精度衛(wèi)星定位智慧農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)田作業(yè)無(wú)人控制機(jī)中的應(yīng)用范例?；谌蛐l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、圖像識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)作業(yè)實(shí)施精確定時(shí)、定位、定量控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué) 高精度衛(wèi)星定位 農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛

引言

智慧農(nóng)業(yè)是基于信息和知識(shí)管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。應(yīng)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、圖像識(shí)別技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)作業(yè)實(shí)施精確定時(shí)、定位、定量控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑。農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是智慧精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)在大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動(dòng)化作業(yè)，可用于播種、收割等多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，極大精準(zhǔn)定位技術(shù)及應(yīng)用是智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。

1.基于兼容機(jī)器視覺(jué)的衛(wèi)星定位高精度智慧農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)）可以解決單純依靠衛(wèi)星定位導(dǎo)航存在難以獲取農(nóng)田場(chǎng)景下農(nóng)作物壟相對(duì)位置導(dǎo)致農(nóng)機(jī)輾軋、作物破壞等問(wèn)題發(fā)生，此技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用意義重大。自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)由人工控制、基于高精度北斗定位技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)的智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等三部分組成。原理框圖見(jiàn)圖1.。

在圖中，其中紅線(xiàn)部分標(biāo)志人工導(dǎo)航系統(tǒng)、黃線(xiàn)部分標(biāo)識(shí)是高精度北斗衛(wèi)星自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、藍(lán)線(xiàn)部分是機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。

在實(shí)際田間作業(yè)時(shí)，大片整齊農(nóng)田優(yōu)先采用高精度北斗衛(wèi)星自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，位置準(zhǔn)確度可達(dá)到厘米級(jí)。小片不規(guī)整農(nóng)田可采用機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)導(dǎo)航模式，位置精度也可達(dá)厘米級(jí)。同時(shí)保護(hù)農(nóng)田作物免受毀壞。

隨著電子控制技術(shù)的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量要求的提高，農(nóng)林拖拉機(jī)及機(jī)械機(jī)具的電控單元（ECU）越來(lái)越多，傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的布線(xiàn)方式已不可能滿(mǎn)足需求，應(yīng)用串行總線(xiàn)成為農(nóng)業(yè)車(chē)輛電控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)是“拖拉機(jī)和農(nóng)林業(yè)車(chē)輛---系列控制和通訊數(shù)據(jù)網(wǎng)”的標(biāo)準(zhǔn)，其從總體上規(guī)定了農(nóng)林拖拉機(jī)及其安裝、半安裝、牽引或者自行式器具的串行控制和通訊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，旨在標(biāo)準(zhǔn)化傳感器、執(zhí)行器、控制單元件、信息存儲(chǔ)和顯示單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ê透袷?，無(wú)論是裝載拖拉機(jī)或者器具上還是作為其部件，其是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)森林機(jī)械的串行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用CAN2.0B為基礎(chǔ)，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、操作員與ECU在線(xiàn)交互功能等，并且兼容J1939協(xié)議，常常被稱(chēng)為ISO Bus或者ISOBUS。

1.1.基于高精度北斗定位技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

高精度北斗定位技術(shù)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)由高精度衛(wèi)星定位接收機(jī)和農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)具體操作農(nóng)機(jī)完成自動(dòng)化精細(xì)作業(yè)。接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)送的定位信息，進(jìn)行厘米級(jí)精度的定位解算，并將解算結(jié)果反饋給農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)。農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)流動(dòng)站接收機(jī)提供的高精度定位解算結(jié)果，按照預(yù)先設(shè)定的軌跡線(xiàn)行駛，完成精細(xì)作業(yè)，控制流程見(jiàn)圖1黃線(xiàn)所示

無(wú)線(xiàn)通信模塊接收云端后臺(tái)發(fā)送的RTK差分報(bào)文給計(jì)算單元，計(jì)算單元將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給高精度定位模塊，高精度定位模塊通過(guò)解算獲得高精度的定位信息。

高精度定位模塊需要配合高精度定位天線(xiàn)才能正常工作，高精度定位天線(xiàn)采用可同時(shí)支持BDS B1/B2、GPSL1/L2、GLONASS G1/G2三系統(tǒng)六個(gè)頻點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)通信模塊主要作用是將設(shè)備的位置信息和其他信息發(fā)送給云端后臺(tái)，同時(shí)接收云端后臺(tái)的控制信息。無(wú)線(xiàn)通信模塊采用支持四頻點(diǎn)GSM/GPRS，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持串口消息指令，上下行速率可達(dá)85.6kbps。無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信天線(xiàn)可采用柔性天線(xiàn)，支持四頻點(diǎn)，可固定在外殼3上。

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)用機(jī)械作業(yè)的自動(dòng)路徑規(guī)劃和農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛，根據(jù)實(shí)際采集農(nóng)田邊界數(shù)據(jù)（或者預(yù)先輸入邊界數(shù)據(jù)），實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)路徑端點(diǎn)計(jì)算和邊距計(jì)算，給出最優(yōu)作業(yè)方向和最佳作業(yè)路徑方案。傳統(tǒng)的GPS面積計(jì)算，一般采用投影的方式，將經(jīng)緯度信息利用高斯-克呂格投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)后，再通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出田地面積。由于投影法計(jì)算公式過(guò)于復(fù)雜，再加上地球是非規(guī)則橢圓，計(jì)算出的數(shù)據(jù)存在很大誤差，并且傳統(tǒng)的測(cè)量方法僅僅適用于靜態(tài)測(cè)量，難以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)測(cè)量。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在同經(jīng)度或同緯度情況下，任意兩點(diǎn)的實(shí)際單位距離近似相等。在經(jīng)度和緯度與實(shí)際距離的換算中，可采用經(jīng)緯度單位距離與兩點(diǎn)間的經(jīng)緯度實(shí)際距離來(lái)計(jì)算任意兩點(diǎn)間的距離。從而可以將傳統(tǒng)的投影轉(zhuǎn)換面積測(cè)量方法簡(jiǎn)單化，僅僅依靠?jī)牲c(diǎn)間的距離與農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)寬度就可近似測(cè)量作業(yè)面積。

1.2. 機(jī)器視覺(jué)的智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺(jué)的智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：圖像傳感模塊，獲取導(dǎo)航路徑上的農(nóng)田圖像;圖像處理模塊，對(duì)農(nóng)田圖像進(jìn)行預(yù)處理，從農(nóng)田圖像中提取農(nóng)作物線(xiàn)和導(dǎo)航線(xiàn)，并計(jì)算農(nóng)機(jī)與導(dǎo)航線(xiàn)的橫向偏差值和航向角偏差值，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可靠性判斷;農(nóng)機(jī)路徑規(guī)劃模塊，根據(jù)導(dǎo)航線(xiàn)進(jìn)行田間作業(yè)路徑規(guī)劃.

通過(guò)掃描線(xiàn)對(duì)農(nóng)田場(chǎng)景進(jìn)行綠植或作物密度統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而確定農(nóng)作物線(xiàn)及智能農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航線(xiàn)，然后通過(guò)農(nóng)作物線(xiàn)上的密度及由導(dǎo)航線(xiàn)計(jì)算出的橫向偏差值和航向角偏差值來(lái)判斷當(dāng)前視覺(jué)導(dǎo)航結(jié)果的有效性;通過(guò)設(shè)置掃描線(xiàn)密集程度的方式控制農(nóng)作物線(xiàn)的識(shí)別速度，使其滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)導(dǎo)航實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)，通過(guò)后續(xù)的校驗(yàn)機(jī)制保障了農(nóng)作物線(xiàn)和導(dǎo)航線(xiàn)識(shí)別結(jié)果有效性，可有效提高智能農(nóng)機(jī)導(dǎo)航精度及穩(wěn)定性，為其他精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)如施肥、除草等提供有力支撐。

雙目相機(jī)由于安裝處理靈活、價(jià)格便宜，即可處理圖片又能獲取深度信息。可以conformal lattice規(guī)劃方法對(duì)農(nóng)機(jī)行進(jìn)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

假定農(nóng)機(jī)以較小的速度勻速前進(jìn)，若要求農(nóng)機(jī)以變化速度行駛，則在規(guī)劃時(shí)需要同時(shí)考慮規(guī)劃出合理的速度變化曲線(xiàn)，農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)農(nóng)機(jī)的位置與路徑點(diǎn)的偏差輸出正確的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，并控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向，使橫向偏差值和航向角偏差值減少，從而使得農(nóng)機(jī)不斷跟隨導(dǎo)航線(xiàn)行進(jìn)。轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電驅(qū)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、阿克曼轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。根據(jù)對(duì)農(nóng)機(jī)改造的不同，也可包括電控四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。消除圖像噪聲包括因農(nóng)機(jī)顛簸、光照變化以及物體陰影造成的圖像干擾是必須的。作物特征增強(qiáng)的方法是作用于任何突出的農(nóng)作物帶，提高農(nóng)作物帶識(shí)別速度和準(zhǔn)確度的方法，主要包括圖像的綠化處理、超綠指數(shù)及其變體指標(biāo)表征、形態(tài)學(xué)處理，根據(jù)選取的處理流程不同，也包括基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出便于聚類(lèi)的嵌入向量等操作。

背景可包含地面、泥土、非農(nóng)作物帶的其他綠色植被、天空、建筑、車(chē)輛及其他可能目標(biāo)。農(nóng)田作物與背景二值化分割是指將農(nóng)田作物與背景編碼為不同數(shù)值從而在同一圖像坐標(biāo)系中進(jìn)行區(qū)分，通常將農(nóng)田作物編碼為1，背景編碼為0。分割方法包含傳統(tǒng)圖像超綠指數(shù)的閾值分割方法、將遺傳算法和粒子群算法等加入進(jìn)行輔助分割方法和基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像語(yǔ)義分割方法等。

1）掃描線(xiàn)定義模塊：定義出農(nóng)田圖像中感興趣區(qū)域內(nèi)一組與圖像傳感模塊的鏡面垂直且相互平行的掃描線(xiàn)。

2）密度計(jì)算模塊：設(shè)置掃描線(xiàn)的寬度，形成以?huà)呙杈€(xiàn)為中心線(xiàn)的掃描區(qū)域，對(duì)每一掃描區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)密度進(jìn)行快速計(jì)算;根據(jù)每一掃描區(qū)域的特征點(diǎn)密度，形成特征點(diǎn)密度曲線(xiàn)，計(jì)算出距離特征點(diǎn)密度曲線(xiàn)每一個(gè)上升沿和下降沿中點(diǎn)最近的掃描線(xiàn)，并選取特征點(diǎn)密度最高的一條或一條以上作為農(nóng)作物線(xiàn);

3）導(dǎo)航與校驗(yàn)?zāi)K：將農(nóng)作物線(xiàn)作為農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航線(xiàn)，并根據(jù)導(dǎo)航線(xiàn)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)密度、橫向偏差值以及航向角偏差值判斷導(dǎo)航結(jié)果的可靠性。

田間作業(yè)路徑規(guī)劃是根據(jù)農(nóng)機(jī)與導(dǎo)航線(xiàn)的相對(duì)位置，通過(guò)規(guī)劃算法確定時(shí)序的、包含多個(gè)路徑點(diǎn)的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡。

導(dǎo)航與校驗(yàn)?zāi)K判斷橫向偏差值是否大于預(yù)設(shè)的門(mén)限，如大于了預(yù)設(shè)的門(mén)限，則說(shuō)明檢測(cè)出的導(dǎo)航線(xiàn)不是最優(yōu)選擇，判斷識(shí)別結(jié)果無(wú)效;以及導(dǎo)航與校驗(yàn)?zāi)K判斷航向角偏差值是否大于預(yù)設(shè)的門(mén)限，如大于了預(yù)設(shè)的門(mén)限，則說(shuō)明檢測(cè)出的導(dǎo)航線(xiàn)不是最優(yōu)選擇，判斷識(shí)別結(jié)果無(wú)效。

結(jié)論：

1.兼容視覺(jué)識(shí)別的衛(wèi)星定位高精度農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)很好地解決了大片農(nóng)田作業(yè)與小片不規(guī)整間植多作物農(nóng)田作業(yè)的矛盾，對(duì)農(nóng)田作物保護(hù)、提升作業(yè)效率具有強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

2.設(shè)備操作簡(jiǎn)便。只需要開(kāi)機(jī)并輸入所耕作地塊的地理位置編號(hào)，安裝在農(nóng)機(jī)上的導(dǎo)航終端設(shè)備就能夠自動(dòng)登錄系統(tǒng)，完成高精度自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。

3.采用ISO 11783接口標(biāo)準(zhǔn)，提升了控制端與不同農(nóng)機(jī)的適配能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在黑龍江精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用衛(wèi)星應(yīng)用 2015 年第 12 期

[2]CN201910526234.2 基于機(jī)器視覺(jué)的智能農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)及方法

[3]https：//blog.csdn.net/weixin_46723764/article/details/109270812

[4]《MXT906B技術(shù)手冊(cè)》 夢(mèng)芯公司

作者簡(jiǎn)介：張家同（1963.07-），民族：漢，性別：男，籍貫：江蘇東海，碩士研究生，畢業(yè)于成都電訊工程學(xué)院（現(xiàn)電子科技大學(xué)）無(wú)線(xiàn)電專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，研究方向：微波、電子對(duì)抗、汽車(chē)智能互聯(lián)、農(nóng)機(jī)無(wú)人駕駛技術(shù)等。

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