基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航設(shè)計(jì)

戴 峰

(江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 泰興 225400)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直是人類社會(huì)中最基本的生產(chǎn)活動(dòng)之一,隨著人口的增長(zhǎng)和城市化的加速,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化已經(jīng)成為全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求,自主導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化和自動(dòng)化提供了新的解決方案。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以通過對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中目標(biāo)物體的識(shí)別、跟蹤和定位,為機(jī)器智能化提供基礎(chǔ)[3-5]。因此,將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)中,具有重要的實(shí)用價(jià)值和研究意義。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國內(nèi)研究進(jìn)展

在國內(nèi),一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極開展了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航的研究。2018年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的智能化水稻收割機(jī),能實(shí)現(xiàn)水稻的自動(dòng)化收割;2019年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的田間玉米葉片病害智能診斷系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米葉片病害的自動(dòng)檢測(cè)和診斷;2020年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院提出基于機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)的高效果蔬菜園林樹木智能采摘技術(shù);2020年,海南大洋農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司開發(fā)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的智能化收獲系統(tǒng),能對(duì)水稻、玉米等作物進(jìn)行自主化收割;2021年中國電子科技集團(tuán)公司開發(fā)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的智能拖拉機(jī);2021年,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)機(jī)化研究院聯(lián)合開展農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化和自主化技術(shù)研究,其中包括基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航[6]。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前,國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。2016年澳大利亞昆士蘭大學(xué)開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的牛奶奶牛自動(dòng)化擠奶系統(tǒng),能自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別奶牛的乳房位置;2017年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的無人機(jī)農(nóng)業(yè)機(jī)器人,能自動(dòng)檢測(cè)、識(shí)別并采摘葡萄;2018年加拿大阿爾伯塔大學(xué)和薩斯卡通大學(xué)開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的馬鈴薯智能化種植系統(tǒng),能自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別馬鈴薯的品種和生長(zhǎng)情況;2019年歐洲農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)了利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的智能農(nóng)機(jī),以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量;2019年美國康涅狄格大學(xué)開發(fā)了基于激光雷達(dá)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的玉米自動(dòng)化收割系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米的高效、自動(dòng)化收割。國外的研究和產(chǎn)品開發(fā)表明,在農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航領(lǐng)域,各國都在積極探索和應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù),以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量[7-8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足以下要求:

1)精度高。農(nóng)業(yè)機(jī)械在自主導(dǎo)航過程中需要準(zhǔn)確地識(shí)別和定位目標(biāo),因此系統(tǒng)需要具備高精度的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和傳感器設(shè)備。

2)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。農(nóng)業(yè)機(jī)械在行駛過程中需要實(shí)時(shí)地接收和處理圖像信息,因此系統(tǒng)需要具備快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力,能夠在毫秒級(jí)別內(nèi)完成圖像處理。

3)穩(wěn)定性好。農(nóng)業(yè)機(jī)械在自主導(dǎo)航過程中需要保持穩(wěn)定,系統(tǒng)需要具備抗干擾和抗振動(dòng)的能力,能在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

4)可靠性高。農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主導(dǎo)航涉及到農(nóng)作物的種植和收獲,因此系統(tǒng)需要具備高可靠性和安全性,避免對(duì)農(nóng)作物的影響和損害。

5)易于維護(hù)。系統(tǒng)需要具備簡(jiǎn)單易用的用戶界面和維護(hù)接口,方便用戶進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試。

6)可擴(kuò)展性好。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性,能適應(yīng)新的技術(shù)和需求的變化。

2.2 整體設(shè)計(jì)方案

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)的整體控制方案如圖1所示,具體包括以下幾個(gè)方面:

圖1 整體控制方案

1)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)需要選擇合適的硬件設(shè)備,如相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元(IMU)等。其中,相機(jī)用于獲取農(nóng)田的圖像信息,激光雷達(dá)用于獲取農(nóng)田的三維信息,IMU用于獲取農(nóng)機(jī)的姿態(tài)信息[9]。

2)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤、路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)等。其中,圖像處理用于對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理,目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤用于檢測(cè)和跟蹤農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中的位置和方向,路徑規(guī)劃用于確定農(nóng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑,控制系統(tǒng)用于控制農(nóng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

3)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將獲取的信息傳輸給控制中心,控制中心根據(jù)信息進(jìn)行路徑規(guī)劃和控制。

4)安全設(shè)計(jì)。系統(tǒng)需要進(jìn)行安全設(shè)計(jì),包括防止碰撞、保護(hù)人員安全等。系統(tǒng)需要安裝傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)周圍的環(huán)境,避免碰撞和危險(xiǎn)情況的發(fā)生[10]。

2.3 工作原理

整個(gè)系統(tǒng)的核心是圖像處理和路徑規(guī)劃算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器的智能控制和作業(yè)優(yōu)化,提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率和質(zhì)量。導(dǎo)航系統(tǒng)工作過程為采集圖像數(shù)據(jù)—圖像處理—建立地圖—路徑規(guī)劃—控制指令輸出,即,使用相機(jī)等設(shè)備采集作業(yè)場(chǎng)地的圖像數(shù)據(jù),將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括圖像增強(qiáng)、去噪、特征提取等,以獲取所需的作業(yè)場(chǎng)地信息,如作物行、雜草、障礙物等,根據(jù)圖像處理得到的場(chǎng)地信息,構(gòu)建場(chǎng)地地圖,確定機(jī)器當(dāng)前的位置和行進(jìn)方向,根據(jù)機(jī)器當(dāng)前的位置和行進(jìn)方向,規(guī)劃最優(yōu)路徑,避免與障礙物相撞,并實(shí)現(xiàn)高效的作業(yè),最后,根據(jù)路徑規(guī)劃的結(jié)果,控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)和作業(yè),輸出相應(yīng)的控制指令。

2.4 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.4.1 PID控制模塊

基于PID控制器的反饋控制策略是一種常用的控制方法,通過實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)狀態(tài)誤差并對(duì)其進(jìn)行比例、積分、微分三項(xiàng)控制,以調(diào)整系統(tǒng)輸出,使系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤期望軌跡或狀態(tài)。在基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)中,PID控制器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械的位置誤差和姿態(tài)角誤差,并通過對(duì)機(jī)械的控制執(zhí)行器(如電機(jī)或液壓缸)施加合適的控制信號(hào),使機(jī)械能按照期望軌跡或狀態(tài)穩(wěn)定地行駛或轉(zhuǎn)向。

2.4.2 導(dǎo)航軟件功能模塊

導(dǎo)航軟件功能模塊主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航控制和人機(jī)交互(圖2)。

圖2 導(dǎo)航軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。負(fù)責(zé)與傳感器進(jìn)行通信,接收傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,同時(shí)將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2)路徑規(guī)劃模塊。基于農(nóng)田地形和作物生長(zhǎng)情況等因素,通過算法計(jì)算出最優(yōu)的路徑規(guī)劃方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主導(dǎo)航。

3)導(dǎo)航控制模塊。采用PID控制器對(duì)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)機(jī)械的精確導(dǎo)航和定位。

4)人機(jī)交互模塊。通過顯示器、鍵盤、觸摸屏等交互設(shè)備,向用戶提供農(nóng)田信息、機(jī)械狀態(tài)和導(dǎo)航結(jié)果等實(shí)時(shí)信息,同時(shí)用戶也可以通過輸入命令來調(diào)整導(dǎo)航參數(shù)和設(shè)定機(jī)械運(yùn)行模式。

導(dǎo)航軟件是實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航的關(guān)鍵部分,它不僅能提高機(jī)械的導(dǎo)航精度和運(yùn)行效率,還能大幅度減少人工操作,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和可行性,進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的農(nóng)業(yè)機(jī)械是一臺(tái)小型收割機(jī),安裝了自主導(dǎo)航系統(tǒng),并配備了相關(guān)的傳感器和攝像頭。按照試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中,監(jiān)測(cè)機(jī)械的導(dǎo)航精度和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量?jī)蓚€(gè)測(cè)定指標(biāo),及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)。

3.2 結(jié)果與分析

導(dǎo)航精度田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),可以看出在不同的試驗(yàn)條件下,基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的導(dǎo)航精度。

表1 導(dǎo)航精度田間試驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)采集質(zhì)量結(jié)果如表2所示,結(jié)果表明,圖像清晰度較高,達(dá)到90%以上,可以滿足農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航的要求;另一方面,圖像分辨率達(dá)到1 024×768,可以提供足夠的圖像信息供導(dǎo)航算法使用。但是,采集速率較低,只有5 fps,需要進(jìn)一步提高采集速率,以提高實(shí)時(shí)性。

表2 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量結(jié)果分析

4 結(jié)論

本文提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng),并在田間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有較高的導(dǎo)航精度和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,可以有效地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主導(dǎo)航能力和數(shù)據(jù)采集效率。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論:

1)本文所提出的基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航控制,具有較高的導(dǎo)航精度和穩(wěn)定性,能滿足實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求;

2)該系統(tǒng)采用了多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,能獲取豐富的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率;

3)本文所提出的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性和可拓展性,能適用于不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械,并且可以通過添加新的傳感器和算法進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能優(yōu)化。