視覺算法視角下的草坪修整機的運行分析*

吳妮真

（百色職業學院，廣西 百色533000）

在草坪的維護工作中，修整工作最為繁重，需要耗費大量的人力和物力進行維護，且工作效率低下。為了降低勞動強度、提高草坪修整速率，可以采用智能草坪修整機代替人工進行作業。智能草坪修整機是一種綜合性較強的機器人設備，集合了傳感控制技術、自動化技術及計算機通信等技術，具有降低人力消耗、工作效率高和安全系數高等優點。隨著計算機和信息技術的飛速發展，通過計算機模擬視覺的方式可以進行信息的采集和處理工作，即視覺算法技術。視覺算法的定義是以計算機視覺技術為基礎，將三維環境圖像轉化為二維圖像，以便于獲得圖像的相關信息，包括位置、尺寸和形態等信息。該技術已經廣泛地應用于醫療、航空等領域，具有成本低、精度高、自動化程度高等優點。目前，我國對于智能草坪修整機的主要研究工作為自主作業方面，如自動割草、自動充電和定時啟動等功能，很少有文獻將視覺算法應用于草坪修整機的智能化研究，其智能化程度還有很大的提升空間。智能草坪修整機能夠準確快速完成草坪修整工作，除了控制系統的調控，還需要末端機構能實現完整空間形狀的動作，即需要對其運動行為進行分析。因此，作者將基于視覺算法對草坪修整機進行設計，并進行運動分析。

1 視覺算法視角下的草坪修整機現狀

1.1 草坪修整機研究現狀

伴隨著我國城鎮化建設與美麗鄉村戰略的進一步深化，綠化植被覆蓋率已經成為衡量環境標準的重要指標，其中草坪作為城鎮建設中最為常見的綠化設施，其美觀性是提升居民生活質量與環境標準的重要條件，因此我國迅速開展對綠化草坪的建設工作，但是現有草坪修整技術不能滿足日益發展的綠化需求，雜草收集難度大、修整作業強度高以及技術的落后，嚴重制約了我國開展綠色中國的建設步伐，對草坪修整機的改進與完善成為時代發展的需求。在19世紀初期，英國學者就發明了第一臺人工草坪修整機械，在經過一個世紀的不斷完善與發展，在20世紀初期首次將內燃裝置作為主要動力，并在后續英國工業公司的支持下發明了拖拉機草坪修整機。

信息化時代的來臨為草坪修整機提供了新的發展契機，以智能化裝置為核心的草坪修整機層出不窮，在我國進行綠化草坪修整的修整機一般以手推式為主，該種草坪修整機的重量較輕，體積較小，使用簡便，但是單一的草坪修整方式導致效率低下，修整質量尚存疑問，并且在后續雜草的處理中較為復雜，在進行大規模草坪修整作業時，通常使用以燃油為能源動力的草坪修整機，該種修整機最大的優點就是能夠持續運行，運行效率較高，但是會在運行過程中產生大量噪音，只能在遠離城鎮的郊區進行草坪修整。

1.2 基于機械視覺的障礙技術研究現狀

機械視覺是在上世紀中期被研究者提出，使用視覺能夠將所觀測到的視覺信息在內部層層篩選，同時將運行的標準進行精確的制定。伴隨著科學技術的不斷發展，機械視覺技術理論得到了有效補充，并且相關基礎設施的價格也在逐漸走低，在各行各業中所占據的比例越來越重。進行機械視覺的障礙技術研究可分為兩部分，一是對單目視覺進行障礙技術研究，該種技術研究方式對裝置設備的配件要求較低，整體構造較為簡便，在運行過程中，首選采用機械設備對視覺算法的輸入，根據所進行視覺觀察的目標變化，通過小孔成像的原理對目標距離進行精確運算，以便后續目的的達成。例如，我國著名視覺算法研究學家李慶通過將視覺算法所運行的空間替換成HSI空間，使用canny視覺算法，實現對視覺過程中障礙物的端口的監測，以此來確定與實際障礙物的距離；二是對雙目視覺進行障礙技術研究，雙目顧名思義，就是其運行原理與人類雙眼相同，雙目對所觀測到的障礙物體積、距離等信息數據進行收集，由于雙目所處位置不同，因此觀測出的障礙物體積、距離存在差異，這種現象也可以理解為視差。如圖1所示，當障礙物所處距離越遠，視差越小；當障礙物所處距離越近，視差越大。

圖1 雙目視覺檢測原理

2 自動化草坪修整機的設計

針對上述概括中提出的視覺算法角度進行草坪修整機的研究，在此基礎上建造一種以視覺算法為載體，能夠將信息數據進行判定以及傳輸指令的發出，并將其中的應對措施進行PLC反饋，形成自動化運行機制結構系統。該機制結構系統主要分為結構系統與控制系統。在裝置的結構系統中，主要構件由主圓盤刀片、副圓盤刀片以及運行構件構成。結構系統主要作用是進行草坪修整機的全面優化，在控制系統中的運行驅動構件進行裝置啟動，并以此來改變運行速率。除此之外，該運行驅動構件為PLC程序設計，對不同情況的視覺檢測結果有著不同信息的反應，將反應結果傳輸到信息中心，實現對草坪修整機的自動化管理。

本文以型號為KAZZ 536HH草坪修整機為研究對象，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 KAZZ 536HH草坪修整機結構示意圖

2.1 結構系統設計

結構系統設計主要包括主圓盤刀片、副圓盤刀片以及運行構件組成，在主圓盤刀片中一共設置三個圓盤刀片，刀片之間的間隔距離為390mm，橫向切割的長度在1.2m左右，上述主圓盤與刀片被相互固定，在裝置啟動時通過驅動皮帶進行帶動運轉。為了進行視覺算法角度的草坪修整機研究，必須對原有KAZZ 536HH草坪修整機進行改造，改造示意圖如圖3所示，在主圓盤刀片上增加刀盤、強化鋼、推桿、曲線槽以及掛鉤。

圖3 草坪修整機主圓盤刀片

副圓盤刀片在運行時首先由軸柱上的深溝球進行刀片固定，承壓輪軸負責對整體圓盤刀片進行支撐，再使用副圓盤刀片上的自動化推桿進行旋轉，從而引起曲線槽運轉，實現自動化修整機的運行。在上述的推桿中，最大承受壓力指數在1000N以下，該標準能夠滿足日常運作需求，并且通過推桿的啟動與停止實現對修整機的控制。最后，在最終測試時，還要將該運作軸輪使用皮帶緊緊聯系，提高穩定性，并且將副圓盤刀片的兩端進行磁性閥門的設置，防止裝置運轉速率過快。

在進行結構系統的運行機制分析中，首先要明確KAZZ 536HH的圓盤刀片分為主要刀片以及次要刀片，而主圓盤刀片的長度為16英寸，副圓盤刀片的長度為13英寸，二者具備統一的結構設計，因此在進行草坪修整的過程中，該圓盤刀片迅速旋轉，將所要修整的草坪進行處理。得出該修整運動是修整機運轉速率與圓盤刀片的共同運轉速率合成，即該圓盤刀片上的任意一點都是該草坪修整機的運行軌跡，呈現余擺線，如圖4所示，用運行軌跡的公式可以表示為：

圖4 草坪修整機運行軌跡

在式（1）中r為進行切割的刀片半徑（m）；t為草坪修整機運轉的時間（min）；ω為圓盤刀片進行旋轉的速率（rad/s）；V則是該草坪修整機的運行速率（m/s）。

2.2 控制系統設計

控制系統的設計是實現自動化草坪修整機運行的核心，根據其運行流程主要可分為視覺算法實施以及運行驅動開展，在運行驅動環節中以PLC程序控制與信息傳輸接口為主要難點，并且完成后的運行驅動環節標準為以下四點：一是通過控制副圓盤刀片實現對閥門的人工閉合；二是通過按鈕實現對圓盤刀片的閉合；三是當草坪修整機出現意外事故時啟動預警機制，實現自我閉合；四是在個系統構件中安裝保護裝置。其運行環節如圖5所示。

圖5 控制系統運行環節示意圖

根據圖5可知，PC機能夠與PLC控制系統之間產生信息數據的傳輸，而PLC系統則可以借助預警系統對圓盤刀片進行控制，是控制系統中最為重要的核心程序，其運行原理首先是將內設相機所收集的信息進行處理，通過在PLC程序中的樣本檢測設定，成功運算出目標物與草坪修整機之間的距離以及目標物基本信息等，然后將所運算出的距離進行分類，一種是高于最高標準，一種是低于最低標準，最后一種是處于標準之內。針對不同情況，由PLC控制系統作出最終判斷，將判斷結構輸入自動化推桿之中，實現對草坪修整機的視覺算法控制。

3 視覺算法角度下的草坪修整機運行分析

在進行草坪修整的過程中，使用視覺算法角度能夠使得自動化修整范圍更加準確，促進修整機修整幅度的精確調整，提高草坪修整質量與效率。此外，采用視覺算法進行草坪障礙物以及修整度的測評，全程使用機械裝置，因此得出的修正準度與自動化程度較高，在使用過程中能夠實現較少人力成本的投入，修整速率較快。再者，在進行視覺算法的檢測中，由于內設相機自身具有失真性，因此必須對內設相機進行標定，使得相機所觀測到的空間信息精確度上升，促進草坪修整機的自動化運行。

3.1 視覺檢測

針對在草坪修整過程中出現的障礙物進行檢測，使用插值測量的方式，其測量示意圖如圖6所示。首先將草坪修整機的內設相機按照不同的高度進行排列，隨后經過插值計算，在視覺檢測系統中對障礙物坐標精確定位。

圖6 插值法示意圖

3.2 實驗分析

在上述對視覺檢測的方式以及原理進行分析后，采用編程手段對草坪修整機的運行狀況進行視覺算法模型，為了確保該實驗結果的準確性，對公園綠化草坪進行多次取樣，陰天10次，晴天10次，共計20次。通過數據分析得出表1。在表1中，可以明顯發現，該草坪修整機的運行狀況良好，自動化檢測系統與實際距離之間的差異維持在3.75mm，平均誤差為0.23%，因此得出基于視覺算法角度的草坪修整機運行是有效的、合理的，能夠滿足日常自動化草坪修整工程。

表1 視覺算法下的草坪修整機運行結果

4 結束語

本文結合國內外草坪修整機的發展現狀進行研究，發現現有草坪修整技術不能滿足日益發展的綠化需求，雜草收集難度大、修整作業強度高以及技術的落后，嚴重制約了我國開展綠色中國的建設步伐，對草坪修整機的改進與完善成為時代發展的需求。針對上述情況的出現，通過對機械視覺的障礙技術進行深入研究，結合KAZZ 536HH草坪修整機進行內部系統的優化改造，基于視覺算法角度為基礎，提出一種運行效率更高、自動化控制以及視覺檢測的新型草坪修整機，為后續草坪修整機的發展提供借鑒經驗，但現有技術知識有限，因此不能對其進行深入理解，在分析環節中還需完善。本文主要對其運動行為進行了分析。（1）草坪修整機采用視覺算法進行草坪環境數據的采集，通過對其運動行為進行分析，包括建立運動學模型和動力學模型，為草坪修整機的智能化設計奠定了基礎。（2）為驗證該草坪修整機的性能，對其實際草坪的修整試驗，結果表明：草坪修整機的性能穩定，可以完成草坪的修整工作。