兼容機器視覺的衛星定位高精度農機自動駕駛導航系統

摘要：本論文論述了兼容機器視覺的高精度衛星定位智慧農機自動導航系統在農田作業無人控制機中的應用范例。基于全球衛星導航定位系統（GNSS）、地理信息系統（GIS）、圖像識別技術和計算機自動控制系統等先進技術，對農業資源、農業作業實施精確定時、定位、定量控制，實現優質、高產、低耗、環保的可持續發展農業的有效途徑。

關鍵詞：機器視覺 高精度衛星定位 農機自動駕駛

引言

智慧農業是基于信息和知識管理的現代農業生產系統。應用全球衛星導航定位系統（GNSS）、地理信息系統（GIS）、圖像識別技術和計算機自動控制系統等先進技術，對農業資源、農業作業實施精確定時、定位、定量控制，實現優質、高產、低耗、環保的可持續發展農業的有效途徑。農機自動駕駛系統是智慧精準農業技術體系的重要組成部分，能夠實現在大面積耕地上的快速、高效、高精度、自動化作業，可用于播種、收割等多個生產環節，極大精準定位技術及應用是智慧農業的關鍵技術。

1.基于兼容機器視覺的衛星定位高精度智慧農機自動駕駛導航系統（以下簡稱自動導航系統）可以解決單純依靠衛星定位導航存在難以獲取農田場景下農作物壟相對位置導致農機輾軋、作物破壞等問題發生，此技術在精準農業生產中推廣應用意義重大。自動導航系統由人工控制、基于高精度北斗定位技術的農機自動導航系統、機器視覺的智能農機自動導航系統等三部分組成。原理框圖見圖1.。

在圖中，其中紅線部分標志人工導航系統、黃線部分標識是高精度北斗衛星自動導航系統、藍線部分是機器視覺自動導航系統。

在實際田間作業時，大片整齊農田優先采用高精度北斗衛星自動導航系統，位置準確度可達到厘米級。小片不規整農田可采用機器視覺自動導航模式，位置精度也可達厘米級。同時保護農田作物免受毀壞。

隨著電子控制技術的進步和農業作業質量要求的提高，農林拖拉機及機械機具的電控單元（ECU）越來越多，傳統點對點的布線方式已不可能滿足需求，應用串行總線成為農業車輛電控技術發展的必然趨勢。ISO 11783標準是“拖拉機和農林業車輛---系列控制和通訊數據網”的標準，其從總體上規定了農林拖拉機及其安裝、半安裝、牽引或者自行式器具的串行控制和通訊數據網絡，旨在標準化傳感器、執行器、控制單元件、信息存儲和顯示單元數據傳輸的方法和格式，無論是裝載拖拉機或者器具上還是作為其部件，其是應用于農業森林機械的串行網絡通信協議，采用CAN2.0B為基礎，支持實時數據通信、操作員與ECU在線交互功能等，并且兼容J1939協議，常常被稱為ISO Bus或者ISOBUS。

1.1.基于高精度北斗定位技術的農機自動導航系統

高精度北斗定位技術的農機自動導航系統由高精度衛星定位接收機和農機控制系統組成，負責具體操作農機完成自動化精細作業。接收機接收衛星發送的定位信息，進行厘米級精度的定位解算，并將解算結果反饋給農機控制系統。農機控制系統根據流動站接收機提供的高精度定位解算結果，按照預先設定的軌跡線行駛，完成精細作業，控制流程見圖1黃線所示

無線通信模塊接收云端后臺發送的RTK差分報文給計算單元，計算單元將報文轉發給高精度定位模塊，高精度定位模塊通過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才能正常工作，高精度定位天線采用可同時支持BDS B1/B2、GPSL1/L2、GLONASS G1/G2三系統六個頻點。無線通信模塊主要作用是將設備的位置信息和其他信息發送給云端后臺，同時接收云端后臺的控制信息。無線通信模塊采用支持四頻點GSM/GPRS，內置TCP/IP協議棧，支持串口消息指令，上下行速率可達85.6kbps。無線通信模塊的通信天線可采用柔性天線，支持四頻點，可固定在外殼3上。

為了實現農用機械作業的自動路徑規劃和農機的自動駕駛，根據實際采集農田邊界數據（或者預先輸入邊界數據），實現直線路徑端點計算和邊距計算，給出最優作業方向和最佳作業路徑方案。傳統的GPS面積計算，一般采用投影的方式，將經緯度信息利用高斯-克呂格投影轉換為平面坐標后，再通過數學運算得出田地面積。由于投影法計算公式過于復雜，再加上地球是非規則橢圓，計算出的數據存在很大誤差，并且傳統的測量方法僅僅適用于靜態測量，難以滿足動態測量。研究過程中發現在同經度或同緯度情況下，任意兩點的實際單位距離近似相等。在經度和緯度與實際距離的換算中，可采用經緯度單位距離與兩點間的經緯度實際距離來計算任意兩點間的距離。從而可以將傳統的投影轉換面積測量方法簡單化，僅僅依靠兩點間的距離與農業機械作業寬度就可近似測量作業面積。

1.2. 機器視覺的智能農機自動導航系統

基于機器視覺的智能農機自動導航系統，包括：圖像傳感模塊，獲取導航路徑上的農田圖像;圖像處理模塊，對農田圖像進行預處理，從農田圖像中提取農作物線和導航線，并計算農機與導航線的橫向偏差值和航向角偏差值，并對計算結果進行可靠性判斷;農機路徑規劃模塊，根據導航線進行田間作業路徑規劃.

通過掃描線對農田場景進行綠植或作物密度統計，進而確定農作物線及智能農機的導航線，然后通過農作物線上的密度及由導航線計算出的橫向偏差值和航向角偏差值來判斷當前視覺導航結果的有效性;通過設置掃描線密集程度的方式控制農作物線的識別速度，使其滿足農機導航實時性要求，同時，通過后續的校驗機制保障了農作物線和導航線識別結果有效性，可有效提高智能農機導航精度及穩定性，為其他精準農業作業如施肥、除草等提供有力支撐。

雙目相機由于安裝處理靈活、價格便宜，即可處理圖片又能獲取深度信息。可以conformal lattice規劃方法對農機行進軌跡進行規劃。

假定農機以較小的速度勻速前進，若要求農機以變化速度行駛，則在規劃時需要同時考慮規劃出合理的速度變化曲線，農機轉向系統通過農機的位置與路徑點的偏差輸出正確的方向盤轉角，并控制轉向執行機構完成轉向，使橫向偏差值和航向角偏差值減少，從而使得農機不斷跟隨導航線行進。轉向執行機構包括電控液壓轉向系統、電驅齒輪齒條傳動機構、阿克曼轉向系統或其他轉向系統等。根據對農機改造的不同，也可包括電控四輪獨立轉向系統。消除圖像噪聲包括因農機顛簸、光照變化以及物體陰影造成的圖像干擾是必須的。作物特征增強的方法是作用于任何突出的農作物帶，提高農作物帶識別速度和準確度的方法，主要包括圖像的綠化處理、超綠指數及其變體指標表征、形態學處理，根據選取的處理流程不同，也包括基于深度卷積神經網絡輸出便于聚類的嵌入向量等操作。

背景可包含地面、泥土、非農作物帶的其他綠色植被、天空、建筑、車輛及其他可能目標。農田作物與背景二值化分割是指將農田作物與背景編碼為不同數值從而在同一圖像坐標系中進行區分，通常將農田作物編碼為1，背景編碼為0。分割方法包含傳統圖像超綠指數的閾值分割方法、將遺傳算法和粒子群算法等加入進行輔助分割方法和基于深度卷積神經網絡的圖像語義分割方法等。

1）掃描線定義模塊：定義出農田圖像中感興趣區域內一組與圖像傳感模塊的鏡面垂直且相互平行的掃描線。

2）密度計算模塊：設置掃描線的寬度，形成以掃描線為中心線的掃描區域，對每一掃描區域內的特征點密度進行快速計算;根據每一掃描區域的特征點密度，形成特征點密度曲線，計算出距離特征點密度曲線每一個上升沿和下降沿中點最近的掃描線，并選取特征點密度最高的一條或一條以上作為農作物線;

3）導航與校驗模塊：將農作物線作為農機的導航線，并根據導航線對應的特征點密度、橫向偏差值以及航向角偏差值判斷導航結果的可靠性。

田間作業路徑規劃是根據農機與導航線的相對位置，通過規劃算法確定時序的、包含多個路徑點的車輛運動軌跡。

導航與校驗模塊判斷橫向偏差值是否大于預設的門限，如大于了預設的門限，則說明檢測出的導航線不是最優選擇，判斷識別結果無效;以及導航與校驗模塊判斷航向角偏差值是否大于預設的門限，如大于了預設的門限，則說明檢測出的導航線不是最優選擇，判斷識別結果無效。

結論：

1.兼容視覺識別的衛星定位高精度農機自動駕駛導航系統很好地解決了大片農田作業與小片不規整間植多作物農田作業的矛盾，對農田作物保護、提升作業效率具有強大的技術支撐。

2.設備操作簡便。只需要開機并輸入所耕作地塊的地理位置編號，安裝在農機上的導航終端設備就能夠自動登錄系統，完成高精度自動導航作業。

3.采用ISO 11783接口標準，提升了控制端與不同農機的適配能力。

參考文獻：

[1]北斗地基增強系統在黑龍江精準農業中的應用衛星應用 2015 年第 12 期

[2]CN201910526234.2 基于機器視覺的智能農機導航系統及方法

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

[4]《MXT906B技術手冊》 夢芯公司

作者簡介：張家同（1963.07-），民族：漢，性別：男，籍貫：江蘇東海，碩士研究生，畢業于成都電訊工程學院（現電子科技大學）無線電專業，高級工程師，研究方向：微波、電子對抗、汽車智能互聯、農機無人駕駛技術等。

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