精密自动除草机器人视觉系统开发

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1、学校代码：10255学号：2160744精密自动除草机器人视觉系统开发DevelopmentofVisualSystemforPrecisionAutomaticWeedingRobot作者姓名：张羽指导老师：张家梁专业名称：机械工程答辩日期：2018年5月25日东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注正高级工程吴汉熙答辩委员会主席上海电器科学研究院师彭倚天教授答辩委员会委员东华大学毛立民教授答辩委员会委员东华大学陈家新教授答辩委员会委员东华大学陈冰冰副教授答辩委员会委员东华大学舒畅讲师答辩委员会秘书东华大学东华大学学位论文原创性声明本人

2、郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影

3、印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学硕士学位论文摘要精密自动除草机器人视觉系统开发摘要机械式除草代替化学除草是解决食品安全问题的重要环节之一，机械式除草机器人具有减少劳动强度、自动控制和操作方便等特点，因此在农业领域具有广阔的应用前景。快速而准确地分离杂草、确定作物位置是除草机器人实现自动化精准除草的关键。本文提出了除草机器人视觉处理方案，为除草机器人自主导航和自动除草提供了可靠的实时数据支撑，主要工作如下：（1）对精密自动除草机器

4、人的功能分析，提出了嵌入式视觉的作物根部定位和导航处理方案。通过提取作物的位置坐标和保护区域半径，来界定植株保护区域和除草机器人工作区域；通过提取机器人与作物行垄的相对偏角和位置偏移量，来实现除草机器人的自主导航；通过开发TCP/IP通信模块，来实现视觉系统与控制系统的通信。（2）针对除草机器人运动工况，进行了相机选型，标定了相机内参、镜头畸变参数以及像平面尺寸对应关系用于图像畸变矫正。针对视觉系统的运行环境搭建了嵌入式视觉系统试验平台，完成了系统移植和环境配置。（3）针对作物稀疏分布情况下的视觉导航问题，提出了基于等距抽样查找作物行垄边界线特征点，然后进行直

5、线拟合确定边界线，求取边界线中线并与机器人中轴线比较，来确定机器人与作物行垄间的相对偏角和位置偏移量的导航信息提取方案。（4）为实现快速杂草分离，实现作物坐标和保护区域半径提取，提出了图像分割后使用开操作对图像进行杂草分离，采用面积法筛除杂草信息以保留作物轮廓信息，之后进行坐标和保护区域半径提取的作物特征信息提取方案。（5）为保证控制系统与视觉系统间通信的可靠性，通信模块设计了心跳检测机制，使得控制系统能够及时发现视觉系统异常并提供解决方案。为保证通信的及时性，利用多线程程序设计思想实现视觉系统服务器端与控制系统客户端的异步通信过程。I东华大学硕士学位论文摘要

6、（6）基于CLion软件开发环境使用C++语言，利用多进程、多线程的程序并发设计思想，完成了视觉系统软件的开发，并完成视觉系统软件向嵌入式平台的移植。（7）对嵌入式视觉系统进行了试验测试。视觉系统的导航模块处理一张800×600分辨率图像平均耗时0.375s，10°以内机器人偏角的计算误差在±0.5°以内；视觉系统的植株特征提取模块处理一张1280×720分辨率图像平均耗时0.409s，保护区域半径提取误差在5%以内；控制系统对视觉系统异常响应时间最长在1.5s左右。试验测试表明，视觉系统满足运动速度800mm/s的除草机器人对图像处理速度和系统响应速度的要求

7、。关键词：嵌入式，图像处理，除草机器人，视觉导航，作物识别II东华大学硕士学位论文ABSTRACTDEVELOPMENTOFVISUALSYSTEMFORPRECISIONAUTOMATICWEEDINGROBOTABSTRACTMechanicalweedinginsteadofchemicalweedingisoneoftheimportantlinkstosolvetheproblemoffoodsafety.Mechanicalweedingrobothasthecharacteristicsofreducinglaborintensity,autom

8、aticcontrolandconve