淺析農(nóng)業(yè)機械機器的視覺導(dǎo)航技術(shù)

王立新 朱寧欣 初小兵 江浩 張玉良

摘 要：本文分析了農(nóng)業(yè)機械機器視覺導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械機器視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，如導(dǎo)航規(guī)劃技術(shù)、視覺信息處理技術(shù)、轉(zhuǎn)向控制技術(shù)等，提出了農(nóng)業(yè)機械機器視覺研究中需要解決的問題，包括圖像處理、控制算法和控制計算速度等多傳感器的信息融合等問題。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械機器；視覺導(dǎo)航技術(shù)

中圖分類號：S23 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180732022

前言

農(nóng)機自動導(dǎo)航是現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)機械的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥和化肥的自動噴施、收獲作業(yè)、間作除草、移栽耕作等領(lǐng)域，該技術(shù)經(jīng)過計算機械接觸桿導(dǎo)航、電纜導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、無線電或激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等方面的發(fā)展。農(nóng)作物通常是直線生長，彼此平行。本文就國內(nèi)外直線檢測與車輛導(dǎo)航問題做出了系統(tǒng)的分析與討論。

1 農(nóng)業(yè)機械機器視覺導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)特點

經(jīng)過實驗與調(diào)查，帶有視覺導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)機設(shè)備具有較強的自主性，在規(guī)劃了明確的路徑后，能夠自動地按照設(shè)定來作業(yè)，而這一作業(yè)流程大致可以分為2大階段：農(nóng)機導(dǎo)航的基本狀態(tài)；導(dǎo)航參考作業(yè)。而使農(nóng)業(yè)機械可以實現(xiàn)自動化作業(yè)的原因正是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)這一系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成：在農(nóng)業(yè)機械運動模型中，可以采集到傳感器信號；導(dǎo)航傳感器能夠?qū)崟r提供信息，方便人們及時了解狀況；導(dǎo)航規(guī)劃器作為整個系統(tǒng)的重要組成部分，對整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)格外重要；利用轉(zhuǎn)向控制器來處理整個導(dǎo)航計劃的信號等問題，方便一些農(nóng)業(yè)設(shè)備按照固定的進行農(nóng)業(yè)操作。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械機器視覺導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)特點，人們認為機器視覺導(dǎo)航主要可以應(yīng)用于以下場合：在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用。農(nóng)產(chǎn)品分揀機是農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用最早、應(yīng)用最廣泛的機器視覺技術(shù)之一，大多數(shù)時候用于檢測工作，即通過研究農(nóng)產(chǎn)品表面的一些物質(zhì)與其特性，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)將其分類和處理。這一技術(shù)多用于農(nóng)產(chǎn)品加工過程中，能夠有效提高農(nóng)產(chǎn)品檢測效率和反饋準(zhǔn)確度；機器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的使用。動植物的生長過程是細微的，所以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動需要隨時準(zhǔn)確地記錄下動植物的生長情況，才能夠有效把控動植物生長環(huán)境與狀況，更好地適應(yīng)動植物的生長需要；糧食識別與分類的應(yīng)用，它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高速濾波等方法對水稻、小麥、玉米等谷物進行識別和分類，根據(jù)水稻、小麥、玉米等谷物的應(yīng)力裂紋、形態(tài)、染色后的顏色特征，對水稻、小麥、玉米等谷類進行識別和分類。它還可以檢測農(nóng)副產(chǎn)品的質(zhì)量，如包裝、肉類、各種農(nóng)產(chǎn)品、蔬菜、瓜果制品的質(zhì)量等缺陷進行檢測等。

2 農(nóng)業(yè)機械機器視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)航規(guī)劃技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是整個技術(shù)體系的重要組成部分，對整個體系的正常運轉(zhuǎn)起著不可替代的作用，影響著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)水平。所以，在設(shè)計與規(guī)劃時就應(yīng)該密切關(guān)注這一環(huán)節(jié)的情況，從以下幾個方面來把控整體。要清楚農(nóng)機設(shè)備的速度與其他的一般機械是不同的，如拖拉機等。因此，要根據(jù)不同的農(nóng)機設(shè)施的情況來規(guī)劃和安排才能真正保證導(dǎo)航信息的準(zhǔn)確性和有效性；在具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，需要考慮農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航與運轉(zhuǎn)情況。不同的農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航參考狀態(tài)有很大的不同；農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域應(yīng)考慮農(nóng)機設(shè)備方向盤的角度，使設(shè)計人員能夠根據(jù)實際情況制定航行規(guī)劃，使導(dǎo)航規(guī)劃適應(yīng)農(nóng)機的運動狀態(tài)；必須準(zhǔn)確判斷農(nóng)機運動過程中可能出現(xiàn)的誤差，并提出控制措施，確保農(nóng)業(yè)機械能逐步完成導(dǎo)航目標(biāo)。然而，在導(dǎo)航規(guī)劃過程中，技術(shù)人員不僅要確定農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航參考信息，而且要盡可能地消除位置偏差，使農(nóng)業(yè)機械能夠順利運行。

2.2 視覺信息處理技術(shù)

在不同的農(nóng)業(yè)機械上使用視覺導(dǎo)航技術(shù)，需要有所調(diào)整。根據(jù)不同的環(huán)境，及時傳遞信息，準(zhǔn)確處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體內(nèi)容，才能夠保證視覺導(dǎo)航技術(shù)的合理發(fā)展與合理應(yīng)用。而在運行過程中，最重要的是視覺信息的真實性，真實的具體效果體現(xiàn)了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的好壞程度，所以在系統(tǒng)處理時要格外重視視覺信息處理技術(shù)。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，大多是在室外自然環(huán)境中進行的，因此視覺圖像處理主要針對分散而復(fù)雜的自然對象，在某一方面影響了視覺信息處理技術(shù)的處理。所以，從多種因素考慮，系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮多個方面，充分利用自然環(huán)境適應(yīng)技術(shù)來處理圖像，增強圖像分辨率，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的持續(xù)化發(fā)展。

2.3 轉(zhuǎn)向控制技術(shù)

轉(zhuǎn)向控制技術(shù)是一項對指令速度要求很高的技術(shù)，相關(guān)工作人員必須在要求范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)移速度，保證農(nóng)業(yè)機械能夠及時而準(zhǔn)確地獲取信息，得到指令，完成農(nóng)業(yè)工作。此外，裝有視覺導(dǎo)航技術(shù)的智能農(nóng)機，其運動區(qū)域不僅限于領(lǐng)域，還應(yīng)根據(jù)要求能夠行駛。所以，技術(shù)人員必須考慮農(nóng)機設(shè)備方向盤與地面的作用因素，促進農(nóng)機設(shè)備適應(yīng)野外、路面等多種環(huán)境。

3 農(nóng)業(yè)機械機器視覺研究中還需解決的問題

3.1 控制算法

面對復(fù)雜的自然環(huán)境，車輛運動不可避免地存在隨機擾動的可能性。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)這種方法能夠很好地控制整個系統(tǒng)。除此以外，實際汽車試驗的結(jié)果也證明，在已知或可預(yù)測的環(huán)境中，有效的模糊規(guī)則可以根據(jù)實驗、仿真和專家經(jīng)驗來制定，但由于實際環(huán)境的復(fù)雜性，無法預(yù)測所有可能的情況。所以，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)的能力。

3.2 圖像處理的計算速度

隨著人們采取圖像的環(huán)境變化和復(fù)雜度提升，圖像處理所需要的時間也越來越多。在不清楚未來發(fā)展情況的背景下，圖像處理速度越慢，后期工作的進展受到的影響就越大。無論是感性的反應(yīng)控制，還是由感知到模型到制定計劃再實施的傳統(tǒng)方法，都會因此不能及時而準(zhǔn)確的獲取信息，從而不能得到有效的控制。

3.3 多傳感器的信息溶合

機器視覺導(dǎo)航具有靈活性和實時性的優(yōu)點，但該方法依賴于導(dǎo)航特性，并與其他傳感器獲取的各種導(dǎo)航信息相結(jié)合。它能夠增強導(dǎo)航的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，合理處理地球轉(zhuǎn)彎等一些導(dǎo)航困難，從而達到自主駕駛的水準(zhǔn)。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)可以大致劃分為4個方面。分別為：收集圖像、處理圖像、機器視覺配件與系統(tǒng)報警。其中，最為重要的便是圖像的收集和處理部分。

在工作過程中，機器視覺可以通過灰度和顏色的對比得到邊界點和邊線，而有效的圖像處理算法可以提取出課程線。對于野外環(huán)境，利用大視場獲得對比度清晰的圖像，設(shè)置像素數(shù)目的閾值，并根據(jù)像素調(diào)整視場；在處理過圖像之后，可以憑借左右作物線來明確作業(yè)導(dǎo)航路線。因此，機器的辨別與處理在于獲取作物線從而取得導(dǎo)航路線與憑據(jù)。只要優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航系統(tǒng)，就能夠促進農(nóng)業(yè)的機械化加工。

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