农业机器人导航线提取算法的分析与实现

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1、第1章绪论1研究的目的和意义随着农业人口减少导致劳动力缺乏的问题同益突出，农业机械的应用越来越广泛。为进一步节省劳动力、降低劳动强度，现代农业对农业机械的自动化提出更高的要求。喷洒农药带来的环境压力也使得农业机械向自动化、智能化方向发展。这在农业生产中具体表现为实现自动播种、自动施肥、自动喷洒农药、自动收获等一系列目标，为达到这些目标需要稳定的设备载体。农用自行小车或称为农用AGV(AutomaticGuidedVehicle)作为最广泛应用的设备载体成为现代农业中重要的技术装备。由于工业中使用的AGV技术相对成熟，在农用AGV的研究初期

2、多是直接引用工业中已有的AGV技术。但是，由于农业生产环境复杂、劳动对象个体差异大，使得对农用AGV的要求远高于工业生产环境对AGV的要求。农用AGV首先通过导航技术确定下一步的行进路线，再据此确定当前的位置，最后根据控制策略实现对农用AGV控制。其中，如何通过导航获取准确的行进路线一直是研究的热点，这也是开发农用AGV实用设备的前提。而在已有的导航技术中，基于图像处理技术的机器视觉导航模式由于对农田作业环境适应性好受到越来越广泛的关注。使用图像处理技术进行导航对设备要求低、对农田环境适应性高，不需要像电磁导航那样铺设导线，自然天气变化对

3、其图像采集的影响较小。因此，机器视觉导航一直被视为农业AGV未来的发展方向。视觉导航是通过图像处理技术获取农用AGV的导航基准线来描述行进路线，现有方法多是提取一些标志点后再由这些点得到相应的直线作为导航基准线。这些研究都是建立在假设导航基准线为直线的基础上，但是在农用AGV行进中多次采集图像所得到的直线肯定无法保持一致，即行进过程中不断得到的导航基准线组合起来所描述的行进路线是一条折线，因此农用AGV的导航基准线采甩曲线更为合理。另一方面，由于田问．1．第1章绪论作业环境复杂，作物行、田埂、犁沟等目标物可能由于各种原因在图像中不再存在规

4、则的直线形式。因此，本课题研究中采用曲线作为导航基准线更符合农用AGV作业环境的要求，更能反映农用AGV的行进路线，从而提高农用AGV的导航精度，为开发实用农用AGV设备提供理论基础。1．2国内外研究现状机器视觉导航就通过采集行进道路方向的图像，从图像中确定农用AGV下一步的行进路线，也就是导航基准线。现有的方法多是通过引入成熟的图像处理算法形成，主要包括Hough变换、模型匹配、统计特性分析、虚交点分析等方法。这些方法都是假设导航基准线为一条直线，通过在图像中提取一些特征点，然后利用这些特征点拟合直线得到导航基准线。由于精确农业中作物规

5、则播种，作物行成为提取导航特征点重要参考。另外，Hough变换由于运算简单被广泛应用。因此采用Hough变换以作物行为参考对象提取导航基准线的方法被普遍采用。Searcy在1986年提出用Hough变换提取作物行的参数【l】。Marchant在1996年采用YHough变换提取作物线口1。Sogaard平HOlsen在1999年用彩色分量之问的数值运算结合Hough变换提取作物线【3】。Sogaard等2003年将彩色图像转为灰度图像后，以灰度重心确定作物的位置作为特征点利用Hough变换提取作物行参数确定导航基准线【41。Strand等

6、2005年融合多行作物信息，使用Hough变换提取作物行确定导航基准线【5】。张卫等2005年采用中间线检测准基准线提取代表作物行走向的准基准线，采用Hough变换得到真正的基准线及其参数【6J。但是，由于Hough变换需要准确的作物图像信息，而现有技术无法准确分割作物和背景，这制约了导航精度的提高。另外，作物出苗后个体间的差异将影响作物行的规则性，这影响了农用AGV在自动施肥、自动收获等苗后田间管理的应用。因此，许多研究在特征点和直线提取算法两方面进行了改进。为了解决由于自然环境引起的一些问题，Pla提出用田间图像的虚交点作为导航目标的

7、方法f7l。袁佐云等2005年针对基于计算机视觉的作物行中心线定位困难问题，提出了基于垂直投影法的作物行定位方法，利用稳健回归法对位置点进行线性拟合得到作物的行中心线【81。在特征点提取上，以犁沟线参照的研究最为有效。赵颖等2006年提出通过耕第l章绪论作区域和未耕作区域颜色差异获取犁沟线来确定导航基准线【91。Leemans等2006年通过改进Hough变换提取犁沟线来确定导航基准线【101，并据此在2007年开发了自动播种的实验样机【ll】。但是从图像中以这些目标提取直线的误差依然较大，这制约了实用设备的开发。对于直线提取算法的改进中

8、，主要是引入各种成熟的优化算法、图像处理技术。Olsen研究了使用正弦函数模型匹配灰度图像去寻找作物行中心线位置的方法【121。周俊等2003年用小波分解方法把图像分解后，再利用阈值分类法提取