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        基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的植保機(jī)械導(dǎo)航方式的研究

        2016-05-30 10:48:04張永澤艾長勝
        科技尚品 2016年1期
        關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺激光雷達(dá)

        張永澤 艾長勝

        摘 要:現(xiàn)在農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制是采用GPS作為主要的傳感器,但是在植物生長比較茂盛的地方,如在樹林或部分果園里GPS接收機(jī)的信號(hào)會(huì)被遮擋,這就會(huì)導(dǎo)致農(nóng)用機(jī)械導(dǎo)航失敗或碰到障礙物。本文以拖拉機(jī)作為研究平臺(tái),針對GPS系統(tǒng)在該方面應(yīng)用的缺陷,提出了一種基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的控制方式。在拖拉機(jī)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器,實(shí)時(shí)反饋拖拉機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角,采用PID控制器作為主要的減小導(dǎo)航路徑誤差的方法,主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的自主導(dǎo)航系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在果園中的自主導(dǎo)航行駛。

        關(guān)鍵詞:激光雷達(dá);機(jī)器視覺;植保機(jī)械導(dǎo)航;GPS

        0 引言

        激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于測距及避障方面。Carmer and Peterson提出了激光雷達(dá)作為傳感器在機(jī)器人方面的應(yīng)用。由于激光雷達(dá)可進(jìn)行精確的位置測量,在農(nóng)用機(jī)械的自主導(dǎo)航方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,機(jī)器視覺在機(jī)器人方面也進(jìn)行了較多的研究,這得益于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)的成本較低及良好的性能。機(jī)器視覺可以與激光制導(dǎo)系統(tǒng)的性能相媲美。迄今為止,在果園植保機(jī)械方面應(yīng)用自主導(dǎo)航系統(tǒng)所取得的商業(yè)性效果甚微。但是,其他類似方面的應(yīng)用為這項(xiàng)研究提供了有價(jià)值的研究方法。文中使用激光雷達(dá)與機(jī)器視覺傳感器進(jìn)行初步的路徑識(shí)別,PID控制器進(jìn)行自主車輛的轉(zhuǎn)向控制,其在移動(dòng)機(jī)器人方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        (1)激光雷達(dá)選擇日本的URG-04LX-UG,這是一種二維激光雷達(dá)測距傳感器,其測量范圍是240°,角度分辨率是0.35°,完全滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求。傳感器通過RS232或USB設(shè)備與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換。傳感器接收信號(hào)的發(fā)送通過SCIP2.0協(xié)議進(jìn)行傳輸,提高了信息傳輸?shù)男始皽?zhǔn)確性。

        (2)機(jī)器視覺攝像頭采用SONY的 FCB-EX780S單反模擬彩色視頻攝像機(jī)與640×480為一幀的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭,同時(shí)配備有圖像采集卡,將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

        對于機(jī)器視覺,將顏色設(shè)定為路徑識(shí)別的鑒別標(biāo)準(zhǔn)。首先,輸入圖像,然后根據(jù)外界的實(shí)際環(huán)境確定閾值。當(dāng)外界環(huán)境條件較差時(shí)(光照不充足或有霧的天氣),選取較低的閾值;若環(huán)境條件較好,則選擇較高的閾值。進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定,將像素距離轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離,可消除在信號(hào)采集過程中由于自然光產(chǎn)生的噪聲影響。采用形態(tài)學(xué)處理方法確定行駛路徑,并采用最小二乘法確定植物兩側(cè)合適的邊界。最后,根據(jù)確定的邊界求解出路徑的中心位置作為規(guī)劃路徑,并與當(dāng)前位置進(jìn)行比較,確定出位置偏差。

        2 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        利用串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)測距信息的實(shí)時(shí)采集,完成命令的解讀。

        (1)發(fā)送命令解讀。

        “47 44 30 30 35 38 30 36 30 30 30 30 0A”

        ①“47 44”為命令表示符。

        ②“30 30 35 38”(每一位都加了30),表示起始步是從0058(十六進(jìn)制)開始的。

        ③“30 36 30 30”(每一位都加了30),表示結(jié)束步是從0600(十六進(jìn)制)開始的。

        ④“30 30 0A”所有命令都一樣(0A為結(jié)束的標(biāo)志)。

        (2)接收命令解讀。

        ①“47 44 30 30 30 30 31 30 38 30 30 30 0A ”開頭,與發(fā)送的指令一樣。

        ②“30 30 50 0A”前兩個(gè)字節(jié)表示狀態(tài)位;第3個(gè)字節(jié)表示校驗(yàn)和;0A表示換行符。

        ③“32 38 57 33 64 0A”前4個(gè)字節(jié)表示時(shí)間戳;第5個(gè)字節(jié)表示校驗(yàn)和;0A表示換行符。

        ④“30 45 3C”表示第一個(gè)測量數(shù)據(jù),按照指令說明上解碼。30-30=00,45-30=15,3C-30=0C,然后00、15、0C轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制,每個(gè)只取6位,依此排列之后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的測量值。

        ⑤“30 45 3C 30 45 40 30 45 49 30 45 4E 30 45 4E……”(其余發(fā)送的數(shù)據(jù)都是3個(gè)為一組,中間不再用“0A”間隔,直到最后用兩個(gè)“OA”結(jié)束)

        3 結(jié)語

        文中提出了一種基于激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相結(jié)合的植保機(jī)械導(dǎo)航方式,對路徑導(dǎo)航方式的控制系統(tǒng)、路徑識(shí)別算法及激光雷達(dá)導(dǎo)航測距進(jìn)行了研究,并初步進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但仍有大量工作需做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

        參考文獻(xiàn)

        [1]卿慧玲.基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維重建系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].中南大學(xué),2005.

        [2]劉建,呂新民,黨革榮,等.植保機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(B10):202-204.

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