基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法.pdf

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1、第27卷第3期1262011年3月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVbl．27No．3M她201l基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法陈艳，张漫※，马文强，刘兆祥，籍颖(中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京100083)摘要：准确、可靠的位置信息是进行农业机械自动导航的前提。该文构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中，采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度：机器视觉通过图像处理获取导航基准线，并得到代表作物行特征的点；UKF(unscen

2、tedkalmanfilter，无迹卡尔曼滤波)滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波，并以电瓶车为平台，对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明，使用UKF滤波后的定位精度和稳定性得到了改善，x方向和】，方向标准偏差分别为2．43、0．07m，定位曲线得到了平滑，克服了使用单一传感器进行定位的弊端，能够满足自动导航系统的要求。关键词：机器，视觉，GPS，无迹卡尔曼滤波，导航doi．-10．39698．issn．1002—6819．2011．03．024中图分类号：$220．1文献标志码：A文章编号：1002-6819(20

3、11)一03—0126—05陈艳，张漫，马文强，等．基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法[J]．农业工程学报，2011，27(3)：126—130．ChenYah,ZhangMan，MaWenqiang，cta1．PositioningmethodofintegratednavigationbasedonGPSandmachinevision[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(3)：126—130．(inChinesewithEnglishabstracO0引言组合导航是未来导航技术应用的主要模

4、式，每种单一的传感器进行导航都有各自的独特性和局限性，把几种不同的传感器信息组合在一起，就能利用多种信息源互相补充，构成一种冗余度和准确度更高的多功能系统llJ。多传感器信息融合出现于20世纪80年代，经过多年的发展，出现了多种信息融合模型【2‘3】。Vijay等【4】研究了一种将视觉、激光雷达、速度传感器、惯性测量单元(IMU)等传感器信息进行融合的方法，使用模糊卡尔曼滤波算法实现传感器的信息的融合。在车速分别为1．8和3．1m／s的情况下，平均偏差分别为1．5和1．9cm，最大偏差不超过4cm。Francisco等【5】研究

5、了一种模糊逻辑模型融合GPS(globalpositioningsystem，全球定位系统)和视觉等传感器的信息，利用视觉的相对信息校正GPS的误差。主要方法是通过判别各传感器输出数据的有效性，利用基于传感器质量的权重值校正数据。GPS和摄像机是自动导航中使用较多的2种传感器[6-71，农田中作物收割与未收割的边界有时并非直线，单独使用GPS进行导航，在确定导航基准线方面存在一定的误差；机器视觉进行此类作业，可以实时提取出当前作物行的特征信息，提高了定位的精度，但是单独使收稿日期：2010-05—04修订13期：2010-08．

6、30项目基金：国家自然科学基金项目(30900869)；国家“863”计划项目(2006AAl0A304)作者简介；陈艳(1984一)，女。天津人，研究方向：农业电气化与自动化。北京中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，100083※通信作者：张漫(1975一)，女，陕西人，博士，副教授，中国农业工程学会会员(E040100008M)，主要从事农业电气化与自动化方面的研究。北京中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，100083。Email：∞u锄@c肌．edu．∞用机器视觉时，图像处理过程中有时会

7、出现漏检的情况，因此考虑将GPS和摄像机2种传感器结合起来进行导航。Kalman滤波算法是应用最广泛的传感器信息融合方法，该方法可对研究对象过去、现在和将来的状态做出线性最优估计，适于动态环境中传感器信息的实时融合p91。但是Kalman滤波器是一种线性滤波器，对于非线性系统无法得到满意的效果，因此本研究采用UKF(unscentedkalmanfilter)滤波算法进行信息的融合，该算法通过UT变换，用有限的参数近似系统状态量的统计特性，再通过预测和更新进行系统的估计，适合于非线性系统。1试验材料与方法1．1试验材料本文以改装

8、的四轮电瓶车为研究平台，进行组合导航定位系统的研究。该电瓶车由直流电机驱动，在方向盘的轴上安装了转向步进电机，在前轮连轫轴上安装了角度传感器，通过改装直流电机驱动器实现自动调节速度。GPS选择美国Trimble公司生产的RTKAgGPS332／MS750作为GP