基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航設計

戴 峰

(江蘇省泰興中等專業(yè)學校,江蘇 泰興 225400)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直是人類社會中最基本的生產(chǎn)活動之一,隨著人口的增長和城市化的加速,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[1-2]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求,自主導航技術(shù)的應用為農(nóng)業(yè)機械智能化和自動化提供了新的解決方案。計算機視覺技術(shù)可以通過對圖像進行處理和分析,實現(xiàn)對圖像中目標物體的識別、跟蹤和定位,為機器智能化提供基礎[3-5]。因此,將計算機視覺技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械的自主導航系統(tǒng)開發(fā)中,具有重要的實用價值和研究意義。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 國內(nèi)研究進展

在國內(nèi),一些研究機構(gòu)和企業(yè)積極開展了基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航的研究。2018年南京農(nóng)業(yè)大學開發(fā)了基于計算機視覺技術(shù)的智能化水稻收割機,能實現(xiàn)水稻的自動化收割;2019年中國農(nóng)業(yè)科學院研發(fā)了基于計算機視覺技術(shù)的田間玉米葉片病害智能診斷系統(tǒng),能實現(xiàn)對玉米葉片病害的自動檢測和診斷;2020年中國農(nóng)業(yè)科學院提出基于機器視覺和深度學習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)基于計算機視覺技術(shù)的智能化收獲系統(tǒng),能對水稻、玉米等作物進行自主化收割;2021年中國電子科技集團公司開發(fā)基于計算機視覺技術(shù)的智能拖拉機;2021年,中國農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)機化研究院聯(lián)合開展農(nóng)業(yè)機械智能化和自主化技術(shù)研究,其中包括基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航[6]。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前,國外相關(guān)研究機構(gòu)對農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)進行了大量研究。2016年澳大利亞昆士蘭大學開發(fā)了基于計算機視覺技術(shù)的牛奶奶牛自動化擠奶系統(tǒng),能自動檢測和識別奶牛的乳房位置;2017年瑞士聯(lián)邦理工學院開發(fā)了基于計算機視覺技術(shù)的無人機農(nóng)業(yè)機器人,能自動檢測、識別并采摘葡萄;2018年加拿大阿爾伯塔大學和薩斯卡通大學開發(fā)了基于計算機視覺技術(shù)的馬鈴薯智能化種植系統(tǒng),能自動檢測和識別馬鈴薯的品種和生長情況;2019年歐洲農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)了利用計算機視覺技術(shù)的智能農(nóng)機,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開發(fā)了基于激光雷達和計算機視覺技術(shù)的玉米自動化收割系統(tǒng),能實現(xiàn)對玉米的高效、自動化收割。國外的研究和產(chǎn)品開發(fā)表明,在農(nóng)業(yè)機械自主導航領(lǐng)域,各國都在積極探索和應用計算機視覺技術(shù),以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量[7-8]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 設計要求

基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)設計需要滿足以下要求:

1)精度高。農(nóng)業(yè)機械在自主導航過程中需要準確地識別和定位目標,因此系統(tǒng)需要具備高精度的計算機視覺技術(shù)和傳感器設備。

2)實時性強。農(nóng)業(yè)機械在行駛過程中需要實時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,能夠在毫秒級別內(nèi)完成圖像處理。

3)穩(wěn)定性好。農(nóng)業(yè)機械在自主導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的能力,能在復雜的環(huán)境中穩(wěn)定運行。

4)可靠性高。農(nóng)業(yè)機械的自主導航涉及到農(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,避免對農(nóng)作物的影響和損害。

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

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

2.2 整體設計方案

基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)的整體控制方案如圖1所示,具體包括以下幾個方面:

圖1 整體控制方案

1)硬件設計。系統(tǒng)需要選擇合適的硬件設備,如相機、激光雷達、慣性測量單元(IMU)等。其中,相機用于獲取農(nóng)田的圖像信息,激光雷達用于獲取農(nóng)田的三維信息,IMU用于獲取農(nóng)機的姿態(tài)信息[9]。

2)軟件設計。系統(tǒng)的軟件設計包括圖像處理、目標檢測和跟蹤、路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)等。其中,圖像處理用于對獲取的圖像進行處理,目標檢測和跟蹤用于檢測和跟蹤農(nóng)機在農(nóng)田中的位置和方向,路徑規(guī)劃用于確定農(nóng)機的運動路徑,控制系統(tǒng)用于控制農(nóng)機的運動。

3)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)需要進行數(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)信息進行路徑規(guī)劃和控制。

4)安全設計。系統(tǒng)需要進行安全設計,包括防止碰撞、保護人員安全等。系統(tǒng)需要安裝傳感器,實時監(jiān)測農(nóng)機周圍的環(huán)境,避免碰撞和危險情況的發(fā)生[10]。

2.3 工作原理

整個系統(tǒng)的核心是圖像處理和路徑規(guī)劃算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對機器的智能控制和作業(yè)優(yōu)化,提高農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率和質(zhì)量。導航系統(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,使用相機等設備采集作業(yè)場地的圖像數(shù)據(jù),將采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理,包括圖像增強、去噪、特征提取等,以獲取所需的作業(yè)場地信息,如作物行、雜草、障礙物等,根據(jù)圖像處理得到的場地信息,構(gòu)建場地地圖,確定機器當前的位置和行進方向,根據(jù)機器當前的位置和行進方向,規(guī)劃最優(yōu)路徑,避免與障礙物相撞,并實現(xiàn)高效的作業(yè),最后,根據(jù)路徑規(guī)劃的結(jié)果,控制機器的運動和作業(yè),輸出相應的控制指令。

2.4 關(guān)鍵部件的設計

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,通過實時反饋系統(tǒng)狀態(tài)誤差并對其進行比例、積分、微分三項控制,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)。在基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)中,PID控制器可以實時監(jiān)測機械的位置誤差和姿態(tài)角誤差,并通過對機械的控制執(zhí)行器(如電機或液壓缸)施加合適的控制信號,使機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 導航軟件功能模塊

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

圖2 導航軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。負責與傳感器進行通信,接收傳感器采集的數(shù)據(jù)并進行處理,同時將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)。

2)路徑規(guī)劃模塊。基于農(nóng)田地形和作物生長情況等因素,通過算法計算出最優(yōu)的路徑規(guī)劃方案,實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的自主導航。

3)導航控制模塊。采用PID控制器對機械的運動軌跡進行控制和調(diào)節(jié),以實現(xiàn)機械的精確導航和定位。

4)人機交互模塊。通過顯示器、鍵盤、觸摸屏等交互設備,向用戶提供農(nóng)田信息、機械狀態(tài)和導航結(jié)果等實時信息,同時用戶也可以通過輸入命令來調(diào)整導航參數(shù)和設定機械運行模式。

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

3 田間驗證試驗

3.1 試驗方法

為了驗證基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)的性能和可行性,進行了田間驗證試驗。試驗采用的農(nóng)業(yè)機械是一臺小型收割機,安裝了自主導航系統(tǒng),并配備了相關(guān)的傳感器和攝像頭。按照試驗方案進行試驗,記錄試驗數(shù)據(jù)。試驗過程中,監(jiān)測機械的導航精度和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量兩個測定指標,及時調(diào)整控制參數(shù)。

3.2 結(jié)果與分析

導航精度田間試驗結(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條件下,基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)較高的導航精度。

表1 導航精度田間試驗結(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,達到90%以上,可以滿足農(nóng)機自主導航的要求;另一方面,圖像分辨率達到1 024×768,可以提供足夠的圖像信息供導航算法使用。但是,采集速率較低,只有5 fps,需要進一步提高采集速率,以提高實時性。

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算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng),并在田間進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有較高的導航精度和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,可以有效地提高農(nóng)業(yè)機械的自主導航能力和數(shù)據(jù)采集效率。通過對實驗結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論:

1)本文所提出的基于計算機視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械自主導航系統(tǒng)能實現(xiàn)高精度的導航控制,具有較高的導航精度和穩(wěn)定性,能滿足實際農(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)具有較強的通用性和可拓展性,能適用于不同類型的農(nóng)業(yè)機械,并且可以通過添加新的傳感器和算法進行功能擴展和性能優(yōu)化。