基于激光雷達與機器視覺相結合的植保機械導航方式的研究

張永澤　艾長勝

摘 要：現在農用機械進行轉向控制是采用GPS作為主要的傳感器，但是在植物生長比較茂盛的地方，如在樹林或部分果園里GPS接收機的信號會被遮擋，這就會導致農用機械導航失敗或碰到障礙物。本文以拖拉機作為研究平臺，針對GPS系統在該方面應用的缺陷，提出了一種基于激光雷達與機器視覺相結合的控制方式。在拖拉機上安裝旋轉編碼器，實時反饋拖拉機的實際轉向及轉角，采用PID控制器作為主要的減小導航路徑誤差的方法，主要目標是設計基于激光雷達與機器視覺相結合的自主導航系統，實現拖拉機在果園中的自主導航行駛。

關鍵詞：激光雷達；機器視覺；植保機械導航；GPS

0 引言

激光雷達已被廣泛應用于測距及避障方面。Carmer and Peterson提出了激光雷達作為傳感器在機器人方面的應用。由于激光雷達可進行精確的位置測量，在農用機械的自主導航方面具有廣闊的應用前景。近年來，機器視覺在機器人方面也進行了較多的研究，這得益于機器視覺實現的成本較低及良好的性能。機器視覺可以與激光制導系統的性能相媲美。迄今為止，在果園植保機械方面應用自主導航系統所取得的商業性效果甚微。但是，其他類似方面的應用為這項研究提供了有價值的研究方法。文中使用激光雷達與機器視覺傳感器進行初步的路徑識別，PID控制器進行自主車輛的轉向控制，其在移動機器人方面已得到了廣泛的應用。

1 系統設計

（1）激光雷達選擇日本的URG-04LX-UG，這是一種二維激光雷達測距傳感器，其測量范圍是240°，角度分辨率是0.35°，完全滿足所設計系統的要求。傳感器通過RS232或USB設備與外圍設備進行信息交換。傳感器接收信號的發送通過SCIP2.0協議進行傳輸，提高了信息傳輸的效率及準確性。

（2）機器視覺攝像頭采用SONY的 FCB-EX780S單反模擬彩色視頻攝像機與640×480為一幀的標準鏡頭，同時配備有圖像采集卡，將模擬圖像信號轉換為數字圖像。

對于機器視覺，將顏色設定為路徑識別的鑒別標準。首先，輸入圖像，然后根據外界的實際環境確定閾值。當外界環境條件較差時（光照不充足或有霧的天氣），選取較低的閾值；若環境條件較好，則選擇較高的閾值。進行攝像機的標定，將像素距離轉換成實際距離，可消除在信號采集過程中由于自然光產生的噪聲影響。采用形態學處理方法確定行駛路徑，并采用最小二乘法確定植物兩側合適的邊界。最后，根據確定的邊界求解出路徑的中心位置作為規劃路徑，并與當前位置進行比較，確定出位置偏差。

2 初步實驗結果

利用串口調試助手實現測距信息的實時采集，完成命令的解讀。

（1）發送命令解讀。

“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（十六進制）開始的。

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

④“30 30 0A”所有命令都一樣（0A為結束的標志）。

（2）接收命令解讀。

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

②“30 30 50 0A”前兩個字節表示狀態位；第3個字節表示校驗和；0A表示換行符。

③“32 38 57 33 64 0A”前4個字節表示時間戳；第5個字節表示校驗和；0A表示換行符。

④“30 45 3C”表示第一個測量數據，按照指令說明上解碼。30-30=00，45-30=15，3C-30=0C，然后00、15、0C轉換成二進制，每個只取6位，依此排列之后轉換成十進制的測量值。

⑤“30 45 3C 30 45 40 30 45 49 30 45 4E 30 45 4E……”（其余發送的數據都是3個為一組，中間不再用“0A”間隔，直到最后用兩個“OA”結束）

3 結語

文中提出了一種基于激光雷達與機器視覺相結合的植保機械導航方式，對路徑導航方式的控制系統、路徑識別算法及激光雷達導航測距進行了研究，并初步進行了實驗驗證，但仍有大量工作需做進一步實驗研究。

參考文獻

[1]卿慧玲.基于激光雷達數據的三維重建系統的研究與設計[D].中南大學，2005.

[2]劉建，呂新民，黨革榮，等.植保機械的研究現狀與發展趨勢[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2003，31（B10）：202-204.