計算機視覺修正下的農(nóng)機導航與電液控制設(shè)計

孫 彬

（新疆昌吉職業(yè)技術(shù)學院，新疆 昌吉州 831100）

在工業(yè)4.0 時代，機械行業(yè)與信息技術(shù)的融合進一步加深，農(nóng)業(yè)機械的自動化、智能化程度得到了全面提升，夯實了我國農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，農(nóng)機自動化行駛的實現(xiàn)方式主要依賴于衛(wèi)星導航，這種情況下農(nóng)機只能按照事前規(guī)劃的路線行駛，而缺乏根據(jù)田間實際情況自動調(diào)整并選擇最佳路線的能力，農(nóng)機碰撞障礙物或者碾壓農(nóng)作物的情況時有發(fā)生。將計算機視覺修正技術(shù)應用到農(nóng)機導航與電液控制設(shè)計中，可以融合衛(wèi)星導航與視覺導航的優(yōu)勢，在科學規(guī)劃路線的前提下，還能根據(jù)田間障礙物或農(nóng)作物，自動修正農(nóng)機行駛路線，進一步提高了自動行駛控制的精確性。

1 基于計算機視覺修正的農(nóng)機導航原理

獲取農(nóng)田圖像信息并基于計算機分析結(jié)果為農(nóng)機進行導航，是實現(xiàn)農(nóng)機自動化駕駛的關(guān)鍵技術(shù)。筆者提出了一種基于計算機視覺修正的農(nóng)機導航系統(tǒng)，一方面借助于衛(wèi)星導航實現(xiàn)對農(nóng)機行駛方向、前進線路的控制，另一方面又能在視覺導航的幫助下，自動識別田間的障礙物和農(nóng)作物，不斷修正農(nóng)機行駛路線，讓農(nóng)機可以準確避讓障礙物和農(nóng)作物，不僅解決了農(nóng)機導航的延遲問題，而且進一步提高了農(nóng)機導航控制的精確性?；谟嬎銠C視覺控制的農(nóng)機導航原理如下：

在農(nóng)機的前端安裝有高分辨率的視覺設(shè)備，可用于掃描并獲取一定范圍內(nèi)的農(nóng)田圖像。需要對所得圖像信息進行預處理，目的是刪除一些成像質(zhì)量不高（如曝光、模糊、重復等）的圖像，以減少后期圖像分析處理花費的時間。將經(jīng)過預處理的田間圖像上傳到計算機，由計算機上的專門軟件對圖像進行進一步的分析。例如對像素圖像進行分割后，開展色彩分析與灰度變換，獲得圖像中的典型特征（如田壟、農(nóng)作物、障礙物等）。提取特征點并規(guī)劃農(nóng)機行駛路線，為農(nóng)機行駛提供指導[1]。

2 計算機視覺修正下的農(nóng)機導航設(shè)計

2.1 確定農(nóng)機作業(yè)范圍

在基于計算機視覺修正的農(nóng)機導航系統(tǒng)中，衛(wèi)星導航模塊是核心組成之一。目前一些比較先進的農(nóng)用機械，在移動終端和地面固定基站的配合下，導航的定位精度可以達到厘米級，基本上能夠滿足農(nóng)機日常導航行駛的精度要求。筆者在設(shè)計農(nóng)機衛(wèi)星導航系統(tǒng)時，將視覺導航與衛(wèi)星導航相結(jié)合，可以在特定作業(yè)范圍內(nèi)規(guī)劃出農(nóng)機的行駛路線，為農(nóng)機自動行駛提供路線引導。新導航系統(tǒng)定位作業(yè)范圍的原理如下：首先，利用衛(wèi)星導航確定農(nóng)機作業(yè)區(qū)域的經(jīng)緯度，得到作業(yè)區(qū)域的基本輪廓。對于直線段，可以直接用經(jīng)緯度標定；對于曲線段，在經(jīng)緯度的基礎(chǔ)上進行近似標定。其次，在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，選取某個角作為起點，沿著與直線邊平行的方向規(guī)劃農(nóng)機行駛路線，到達作業(yè)范圍的邊界后，按照相反的方向繼續(xù)規(guī)劃農(nóng)機行駛路線，這樣就能在作業(yè)范圍內(nèi)得到若干條相互平行的農(nóng)機行駛路線。最后，確定終點，利用視覺導航與衛(wèi)星導航相結(jié)合的方法確定了作業(yè)范圍。

2.2 計算機視覺導航的修正功能

使用農(nóng)機進行翻墾整地時，對農(nóng)機的行進方向沒有特別嚴格的要求，這種情況下只需要使用衛(wèi)星導航引導農(nóng)機行駛，即可滿足農(nóng)機自動化作業(yè)的要求。除了整地外，像農(nóng)機播種、農(nóng)機施肥、農(nóng)機收割等機械化作業(yè)，均要求農(nóng)機在行駛過程中不會對田壟和農(nóng)作物造成破壞。此時，常規(guī)的以衛(wèi)星導航為主的農(nóng)機自動化作業(yè)已經(jīng)難以滿足實際需求，針對這一問題筆者設(shè)計了計算機視覺導航修正功能。該功能的實現(xiàn)方式為：1）利用農(nóng)機前端的視覺設(shè)備，分析可視范圍內(nèi)的圖像信息，并精準識別出農(nóng)作物的中心線；然后對照農(nóng)機預設(shè)行駛路線與農(nóng)作物中心線之間的偏差角度，以此為依據(jù)進行視覺導航修正，讓農(nóng)機行駛路線逐漸調(diào)整并最終與農(nóng)作物中心線完全平行[2]。2）同樣是利用視覺設(shè)備標記出田壟的方向，并分析壟向與農(nóng)機行駛角度之間的偏差，利用視覺導航的修正功能，使壟向與農(nóng)機行駛角度保持一致，從而提高農(nóng)機行駛的精確性。

2.3 農(nóng)機視覺導航系統(tǒng)的特色功能

2.3.1 作物行分析

農(nóng)田作壟時，因為各種因素的影響可能導致田壟出現(xiàn)傾斜，如果農(nóng)機一直保持最初設(shè)定的方向行駛，容易出現(xiàn)農(nóng)機跨越作物行、碾壓農(nóng)作物的情況，造成嚴重的經(jīng)濟損失。同樣，農(nóng)機在轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭以后，作物行的方向和角度也會發(fā)生變化，必須及時調(diào)整農(nóng)機行駛的中心位置，才能保證行駛路徑的準確性。筆者基于計算機視覺導航技術(shù)中的“視覺對中”技術(shù)，設(shè)計了農(nóng)機作物行分析功能。利用農(nóng)機前端的視覺設(shè)備采集前方農(nóng)田的圖像信息，并利用計算機視覺識別技術(shù)找出視覺設(shè)備可視范圍內(nèi)作物行的具體位置[3]。根據(jù)可視范圍的不同，可識別的作物行的數(shù)量也不盡相同。為了提高作物行分析的準確性，一般要求在農(nóng)機視覺中心線的兩側(cè)至少有1 條作物行，并且以幾何線條的方式進行標線。這樣在可視范圍內(nèi)只存在3 條線，即1 條視覺中心線、2 條作物行標線。在農(nóng)機行駛過程中，通過不斷調(diào)整農(nóng)機前后輪胎的角度，讓農(nóng)機的視覺中心線與2 條作物行標線呈平行狀態(tài)，從而保證農(nóng)機在行駛時不會碾壓作物行上的農(nóng)作物。

2.3.2 輔助轉(zhuǎn)彎掉頭

依托計算機視覺導航技術(shù)的智能判斷與高速計算能力，配合阿克曼轉(zhuǎn)彎模型，幫助農(nóng)機在轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭的過程中可以對路徑上以及附近范圍內(nèi)的障礙物干涉問題作出科學判斷。當計算機發(fā)出轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭的指令后，在執(zhí)行機構(gòu)的控制下農(nóng)機的前輪會以轉(zhuǎn)彎中心為原點，向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)一定角度。農(nóng)機的外輪和內(nèi)輪偏轉(zhuǎn)角度不同，一般來說外側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角略大，內(nèi)側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角略小，兩者之間的差距為5°左右[4]。在農(nóng)機轉(zhuǎn)彎期間，保證前后4 個輪胎的中垂線始終聚集在同一個原點上。在農(nóng)機的前端有視覺設(shè)備，可以采集一定范圍內(nèi)的圖像信息。當前方有障礙物進入到視覺設(shè)備的可視范圍內(nèi)時，計算機會通過圖像分析判斷出障礙物的具體方位以及障礙物和農(nóng)機之間的距離，然后發(fā)出轉(zhuǎn)彎避障的指令。此時農(nóng)機會適當后退一定距離，然后提前進行轉(zhuǎn)彎，從而避開障礙物[5]。

3 視覺導航下農(nóng)機電液控制設(shè)計

3.1 電液控制流程設(shè)計

電液控制系統(tǒng)作為農(nóng)機的核心組成部分，主要作用就是實現(xiàn)速度與轉(zhuǎn)向的自動控制。從功能實現(xiàn)方式上來看，速度調(diào)控功能易于實現(xiàn)，利用農(nóng)機自身攜帶的測速軟件可以實時獲取農(nóng)機當前的行駛速度，然后通過擋位與油門的配合，實現(xiàn)對速度的靈活調(diào)節(jié)；相比之下，農(nóng)機調(diào)頭、轉(zhuǎn)向的控制原理更為復雜。因此，筆者在電液控制設(shè)計中主要針對農(nóng)機轉(zhuǎn)向控制功能展開了如下分析。

當農(nóng)機需要轉(zhuǎn)向時，農(nóng)機上的電液轉(zhuǎn)向控制器發(fā)出一個轉(zhuǎn)向指令，該指令經(jīng)過啟動功率放大器的放大處理后，作為輸入信號進入到控制閥組?？刂崎y組內(nèi)有兩套設(shè)備，分別是電液比例閥與轉(zhuǎn)向控制閥，根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向信號分別做出相應的動作，控制拉桿推動轉(zhuǎn)向。在農(nóng)機轉(zhuǎn)向的過程中，位于車輪處的轉(zhuǎn)角傳感器會實時采集農(nóng)機當前的角度，并將角度信號重新發(fā)送給電液控制轉(zhuǎn)向器。轉(zhuǎn)向器對比農(nóng)機當前角度以及預設(shè)的轉(zhuǎn)向角度，判斷兩者是否一致；如果不一致，則重新發(fā)出一個轉(zhuǎn)向指令，重復上述步驟，直到農(nóng)機完成轉(zhuǎn)向[6]。對農(nóng)機的電液控制流程進行設(shè)計優(yōu)化后，除了讓控制精度得到明顯提升外，還能縮短從轉(zhuǎn)向指令發(fā)出到執(zhí)行動作完成之間的時間間隔，讓農(nóng)機電液控制系統(tǒng)的響應速度得到加快，保證了農(nóng)機在緊急情況下也能避開障礙物。

3.2 底盤電液控制轉(zhuǎn)向改裝設(shè)計

為了滿足路徑?jīng)Q策最優(yōu)化的功能需求，筆者對農(nóng)機底盤電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了改裝設(shè)計，并配合高精度傳感器達到精確控制的目標。具體改裝方案如下：在前期調(diào)研中已經(jīng)充分掌握農(nóng)機的底盤結(jié)構(gòu)，找到液壓轉(zhuǎn)向裝置的安裝位置后，將其拆卸下來，重新?lián)Q上一個電控液壓轉(zhuǎn)向閥組，并將轉(zhuǎn)向閥組的進油口與出油口分別與液壓系統(tǒng)的兩條油路連接。使用邏輯控制閥來改變轉(zhuǎn)向閥組的運行狀態(tài)，以前端傳感器反饋的實時數(shù)據(jù)作為輸入信號，經(jīng)過計算機處理后生成轉(zhuǎn)向調(diào)控指令，邏輯控制閥根據(jù)接收到的指令實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的精準控制[7]。為了保證電液控制系統(tǒng)有足夠大的驅(qū)動力，在本次改裝設(shè)計中引入了一臺功率放大器。農(nóng)機自帶電池向電控系統(tǒng)輸出的電壓信號為0~12 V，該信號經(jīng)過功率放大器的V/I 轉(zhuǎn)換后，可以輸出最高為1 000 mA 的電流，完全能夠滿足大型農(nóng)機轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力需求。

3.3 轉(zhuǎn)向角度的監(jiān)測設(shè)計

農(nóng)機在正常行進時，電液控制的轉(zhuǎn)向角度始終處于動態(tài)變化過程，這樣才能保證農(nóng)機及時發(fā)現(xiàn)進入監(jiān)測范圍內(nèi)的障礙物?？紤]到農(nóng)機監(jiān)測裝置在采集周邊圖像信息時容易因為秸稈遮擋、機械振動等因素的干擾而降低監(jiān)測結(jié)果的精度，筆者在電液控制轉(zhuǎn)向角度的監(jiān)測設(shè)計中采取了兩種方法來提高測量精度[8]。方法之一是使用精度更高的傳感器；方法之二是進行轉(zhuǎn)向角度的軟件標定。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機械上使用的角度傳感器監(jiān)測范圍通常為0~90°，視覺系統(tǒng)受到分辨率的限制，在1 080 P 條件下修正的角度精度最高可以達到0.05°。在這種情況下，筆者采用了轉(zhuǎn)角測量與軟件修正相結(jié)合的模式，對轉(zhuǎn)向角度的軟件進行了重新標定。將軟件的均方根誤差設(shè)定為0.025，線性系數(shù)設(shè)定為0.1，使用專用的擬合軟件將人工測量數(shù)據(jù)與傳感器采集數(shù)據(jù)進行擬合，根據(jù)擬合結(jié)果調(diào)整農(nóng)機前輪轉(zhuǎn)動的角度，從而使轉(zhuǎn)向角度更加精準[9]。

3.4 避讓障礙物的邏輯設(shè)計

傳統(tǒng)農(nóng)機在田間行駛時，主要是借助于雷達來判斷周邊是否有障礙物；如果田間同時存在農(nóng)作物和障礙物，普通雷達無法將兩者精準區(qū)分，容易出現(xiàn)農(nóng)機碰撞障礙物的情況。為了進一步提高農(nóng)機的智能避障效果，筆者基于計算機視覺技術(shù)和衛(wèi)星導航技術(shù)，優(yōu)化了農(nóng)機避讓障礙物的底層邏輯。邏輯優(yōu)化后的農(nóng)機避障實現(xiàn)方式主要分為兩個步驟，首先是判斷障礙物的相對位置，包括障礙物相對于農(nóng)機的方位以及兩者之間的距離。例如，東南30°、2.4 m；然后分析障礙物的客觀狀態(tài)，包括障礙物的形狀、類型（石塊、牲畜或其他農(nóng)具等），以便于正確區(qū)分障礙物和農(nóng)作物[10]。農(nóng)機搭載的視覺設(shè)備可以在農(nóng)機行駛過程中實時獲取一定范圍內(nèi)的圖像信息，并利用微機對所得信息展開實時、連續(xù)分析，確定是否存在障礙物以及農(nóng)機與障礙物的相對位置和間隔距離。根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整農(nóng)機走向，達到精準避障、防止碰撞的效果。為了防止農(nóng)機調(diào)頭或轉(zhuǎn)彎時與障礙物接觸，設(shè)計時要求農(nóng)機避障時的最小轉(zhuǎn)彎半徑必須大于障礙物半徑的1.5 倍，且農(nóng)機與障礙物之間的最短距離不小于50 cm。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)機械化和自動化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，同時也是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措。計算機信息技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)自動化提供了支持，將計算機視覺技術(shù)應用于農(nóng)用機械的導航行駛中，可以通過作業(yè)區(qū)域的輪廓標定、行進路線的自動規(guī)劃，實現(xiàn)農(nóng)機的自動駕駛。另外，在農(nóng)機的行駛過程中，利用機載視覺設(shè)備獲取并分析周邊圖像信息，精確識別視覺范圍內(nèi)的障礙物和農(nóng)作物，然后在電液控制系統(tǒng)的幫助下不斷修正農(nóng)機行駛路線，讓農(nóng)機避讓障礙物和農(nóng)作物，進一步提高了農(nóng)機視覺導航與自動行駛的實用性。