計算機視覺修正下的農機導航與電液控制設計

孫 彬

（新疆昌吉職業技術學院，新疆 昌吉州 831100）

在工業4.0 時代，機械行業與信息技術的融合進一步加深，農業機械的自動化、智能化程度得到了全面提升，夯實了我國農業自動化發展的基礎。現階段，農機自動化行駛的實現方式主要依賴于衛星導航，這種情況下農機只能按照事前規劃的路線行駛，而缺乏根據田間實際情況自動調整并選擇最佳路線的能力，農機碰撞障礙物或者碾壓農作物的情況時有發生。將計算機視覺修正技術應用到農機導航與電液控制設計中，可以融合衛星導航與視覺導航的優勢，在科學規劃路線的前提下，還能根據田間障礙物或農作物，自動修正農機行駛路線，進一步提高了自動行駛控制的精確性。

1 基于計算機視覺修正的農機導航原理

獲取農田圖像信息并基于計算機分析結果為農機進行導航，是實現農機自動化駕駛的關鍵技術。筆者提出了一種基于計算機視覺修正的農機導航系統，一方面借助于衛星導航實現對農機行駛方向、前進線路的控制，另一方面又能在視覺導航的幫助下，自動識別田間的障礙物和農作物，不斷修正農機行駛路線，讓農機可以準確避讓障礙物和農作物，不僅解決了農機導航的延遲問題，而且進一步提高了農機導航控制的精確性。基于計算機視覺控制的農機導航原理如下：

在農機的前端安裝有高分辨率的視覺設備，可用于掃描并獲取一定范圍內的農田圖像。需要對所得圖像信息進行預處理，目的是刪除一些成像質量不高（如曝光、模糊、重復等）的圖像，以減少后期圖像分析處理花費的時間。將經過預處理的田間圖像上傳到計算機，由計算機上的專門軟件對圖像進行進一步的分析。例如對像素圖像進行分割后，開展色彩分析與灰度變換，獲得圖像中的典型特征（如田壟、農作物、障礙物等）。提取特征點并規劃農機行駛路線，為農機行駛提供指導[1]。

2 計算機視覺修正下的農機導航設計

2.1 確定農機作業范圍

在基于計算機視覺修正的農機導航系統中，衛星導航模塊是核心組成之一。目前一些比較先進的農用機械，在移動終端和地面固定基站的配合下，導航的定位精度可以達到厘米級，基本上能夠滿足農機日常導航行駛的精度要求。筆者在設計農機衛星導航系統時，將視覺導航與衛星導航相結合，可以在特定作業范圍內規劃出農機的行駛路線，為農機自動行駛提供路線引導。新導航系統定位作業范圍的原理如下：首先，利用衛星導航確定農機作業區域的經緯度，得到作業區域的基本輪廓。對于直線段，可以直接用經緯度標定；對于曲線段，在經緯度的基礎上進行近似標定。其次，在作業區域內，選取某個角作為起點，沿著與直線邊平行的方向規劃農機行駛路線，到達作業范圍的邊界后，按照相反的方向繼續規劃農機行駛路線，這樣就能在作業范圍內得到若干條相互平行的農機行駛路線。最后，確定終點，利用視覺導航與衛星導航相結合的方法確定了作業范圍。

2.2 計算機視覺導航的修正功能

使用農機進行翻墾整地時，對農機的行進方向沒有特別嚴格的要求，這種情況下只需要使用衛星導航引導農機行駛，即可滿足農機自動化作業的要求。除了整地外，像農機播種、農機施肥、農機收割等機械化作業，均要求農機在行駛過程中不會對田壟和農作物造成破壞。此時，常規的以衛星導航為主的農機自動化作業已經難以滿足實際需求，針對這一問題筆者設計了計算機視覺導航修正功能。該功能的實現方式為：1）利用農機前端的視覺設備，分析可視范圍內的圖像信息，并精準識別出農作物的中心線；然后對照農機預設行駛路線與農作物中心線之間的偏差角度，以此為依據進行視覺導航修正，讓農機行駛路線逐漸調整并最終與農作物中心線完全平行[2]。2）同樣是利用視覺設備標記出田壟的方向，并分析壟向與農機行駛角度之間的偏差，利用視覺導航的修正功能，使壟向與農機行駛角度保持一致，從而提高農機行駛的精確性。

2.3 農機視覺導航系統的特色功能

2.3.1 作物行分析

農田作壟時，因為各種因素的影響可能導致田壟出現傾斜，如果農機一直保持最初設定的方向行駛，容易出現農機跨越作物行、碾壓農作物的情況，造成嚴重的經濟損失。同樣，農機在轉彎或調頭以后，作物行的方向和角度也會發生變化，必須及時調整農機行駛的中心位置，才能保證行駛路徑的準確性。筆者基于計算機視覺導航技術中的“視覺對中”技術，設計了農機作物行分析功能。利用農機前端的視覺設備采集前方農田的圖像信息，并利用計算機視覺識別技術找出視覺設備可視范圍內作物行的具體位置[3]。根據可視范圍的不同，可識別的作物行的數量也不盡相同。為了提高作物行分析的準確性，一般要求在農機視覺中心線的兩側至少有1 條作物行，并且以幾何線條的方式進行標線。這樣在可視范圍內只存在3 條線，即1 條視覺中心線、2 條作物行標線。在農機行駛過程中，通過不斷調整農機前后輪胎的角度，讓農機的視覺中心線與2 條作物行標線呈平行狀態，從而保證農機在行駛時不會碾壓作物行上的農作物。

2.3.2 輔助轉彎掉頭

依托計算機視覺導航技術的智能判斷與高速計算能力，配合阿克曼轉彎模型，幫助農機在轉彎、調頭的過程中可以對路徑上以及附近范圍內的障礙物干涉問題作出科學判斷。當計算機發出轉彎、調頭的指令后，在執行機構的控制下農機的前輪會以轉彎中心為原點，向內側偏轉一定角度。農機的外輪和內輪偏轉角度不同，一般來說外側輪胎的轉角略大，內側輪胎的轉角略小，兩者之間的差距為5°左右[4]。在農機轉彎期間，保證前后4 個輪胎的中垂線始終聚集在同一個原點上。在農機的前端有視覺設備，可以采集一定范圍內的圖像信息。當前方有障礙物進入到視覺設備的可視范圍內時，計算機會通過圖像分析判斷出障礙物的具體方位以及障礙物和農機之間的距離，然后發出轉彎避障的指令。此時農機會適當后退一定距離，然后提前進行轉彎，從而避開障礙物[5]。

3 視覺導航下農機電液控制設計

3.1 電液控制流程設計

電液控制系統作為農機的核心組成部分，主要作用就是實現速度與轉向的自動控制。從功能實現方式上來看，速度調控功能易于實現，利用農機自身攜帶的測速軟件可以實時獲取農機當前的行駛速度，然后通過擋位與油門的配合，實現對速度的靈活調節；相比之下，農機調頭、轉向的控制原理更為復雜。因此，筆者在電液控制設計中主要針對農機轉向控制功能展開了如下分析。

當農機需要轉向時，農機上的電液轉向控制器發出一個轉向指令，該指令經過啟動功率放大器的放大處理后，作為輸入信號進入到控制閥組。控制閥組內有兩套設備，分別是電液比例閥與轉向控制閥，根據接收到的轉向信號分別做出相應的動作，控制拉桿推動轉向。在農機轉向的過程中，位于車輪處的轉角傳感器會實時采集農機當前的角度，并將角度信號重新發送給電液控制轉向器。轉向器對比農機當前角度以及預設的轉向角度，判斷兩者是否一致；如果不一致，則重新發出一個轉向指令，重復上述步驟，直到農機完成轉向[6]。對農機的電液控制流程進行設計優化后，除了讓控制精度得到明顯提升外，還能縮短從轉向指令發出到執行動作完成之間的時間間隔，讓農機電液控制系統的響應速度得到加快，保證了農機在緊急情況下也能避開障礙物。

3.2 底盤電液控制轉向改裝設計

為了滿足路徑決策最優化的功能需求，筆者對農機底盤電液控制轉向系統進行了改裝設計，并配合高精度傳感器達到精確控制的目標。具體改裝方案如下：在前期調研中已經充分掌握農機的底盤結構，找到液壓轉向裝置的安裝位置后，將其拆卸下來，重新換上一個電控液壓轉向閥組，并將轉向閥組的進油口與出油口分別與液壓系統的兩條油路連接。使用邏輯控制閥來改變轉向閥組的運行狀態，以前端傳感器反饋的實時數據作為輸入信號，經過計算機處理后生成轉向調控指令，邏輯控制閥根據接收到的指令實現轉向的精準控制[7]。為了保證電液控制系統有足夠大的驅動力，在本次改裝設計中引入了一臺功率放大器。農機自帶電池向電控系統輸出的電壓信號為0~12 V，該信號經過功率放大器的V/I 轉換后，可以輸出最高為1 000 mA 的電流，完全能夠滿足大型農機轉向機構的動力需求。

3.3 轉向角度的監測設計

農機在正常行進時，電液控制的轉向角度始終處于動態變化過程，這樣才能保證農機及時發現進入監測范圍內的障礙物。考慮到農機監測裝置在采集周邊圖像信息時容易因為秸稈遮擋、機械振動等因素的干擾而降低監測結果的精度，筆者在電液控制轉向角度的監測設計中采取了兩種方法來提高測量精度[8]。方法之一是使用精度更高的傳感器；方法之二是進行轉向角度的軟件標定。根據調查統計，現階段農業機械上使用的角度傳感器監測范圍通常為0~90°，視覺系統受到分辨率的限制，在1 080 P 條件下修正的角度精度最高可以達到0.05°。在這種情況下，筆者采用了轉角測量與軟件修正相結合的模式，對轉向角度的軟件進行了重新標定。將軟件的均方根誤差設定為0.025，線性系數設定為0.1，使用專用的擬合軟件將人工測量數據與傳感器采集數據進行擬合，根據擬合結果調整農機前輪轉動的角度，從而使轉向角度更加精準[9]。

3.4 避讓障礙物的邏輯設計

傳統農機在田間行駛時，主要是借助于雷達來判斷周邊是否有障礙物；如果田間同時存在農作物和障礙物，普通雷達無法將兩者精準區分，容易出現農機碰撞障礙物的情況。為了進一步提高農機的智能避障效果，筆者基于計算機視覺技術和衛星導航技術，優化了農機避讓障礙物的底層邏輯。邏輯優化后的農機避障實現方式主要分為兩個步驟，首先是判斷障礙物的相對位置，包括障礙物相對于農機的方位以及兩者之間的距離。例如，東南30°、2.4 m；然后分析障礙物的客觀狀態，包括障礙物的形狀、類型（石塊、牲畜或其他農具等），以便于正確區分障礙物和農作物[10]。農機搭載的視覺設備可以在農機行駛過程中實時獲取一定范圍內的圖像信息，并利用微機對所得信息展開實時、連續分析，確定是否存在障礙物以及農機與障礙物的相對位置和間隔距離。根據分析結果調整農機走向，達到精準避障、防止碰撞的效果。為了防止農機調頭或轉彎時與障礙物接觸，設計時要求農機避障時的最小轉彎半徑必須大于障礙物半徑的1.5 倍，且農機與障礙物之間的最短距離不小于50 cm。

4 結語

農業機械化和自動化是現代農業的發展趨勢，同時也是提高農業生產效率、促進農業經濟發展的重要舉措。計算機信息技術的發展為農業自動化提供了支持，將計算機視覺技術應用于農用機械的導航行駛中，可以通過作業區域的輪廓標定、行進路線的自動規劃，實現農機的自動駕駛。另外，在農機的行駛過程中，利用機載視覺設備獲取并分析周邊圖像信息，精確識別視覺范圍內的障礙物和農作物，然后在電液控制系統的幫助下不斷修正農機行駛路線，讓農機避讓障礙物和農作物，進一步提高了農機視覺導航與自動行駛的實用性。