陳玉樓

(洛陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)導(dǎo)航的方案有很多：如用于軌道、壟溝行走的方案，這種方案要求道路具有特定的構(gòu)型；磁條/色帶引導(dǎo)行走的方案，這種方案則要求道路上設(shè)有引導(dǎo)帶，如果將這些方案使用在自主導(dǎo)航拖拉機(jī)設(shè)備上，均存在一定局限性，難以引導(dǎo)拖拉機(jī)進(jìn)行靈活的自主移動(dòng)。相比之下，用于無(wú)明顯引導(dǎo)標(biāo)志的普通路面的導(dǎo)航方案具有突出的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，受到了許多學(xué)者的關(guān)注。通常該類方案的核心算法分為兩部分：一部分為道路邊緣提??；另一部分為導(dǎo)航方向控制指令生成。道路邊緣的提取本次采用了激光測(cè)距掃描的方法，而航向采用了Sobel算子方向角比對(duì)的方法，最后通過(guò)控制左右輪的速度，實(shí)現(xiàn)航向的控制。

1 自主行走拖拉機(jī)總體設(shè)計(jì)

基于路徑識(shí)別的拖拉機(jī)自主行走驅(qū)動(dòng)方法較多，常用的是中心線算法，但這種算法具有一定的局限性。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，田間不可能劃分太多的中心線，如果設(shè)計(jì)一種方案可以直接將道路和農(nóng)作物區(qū)分開，在行走時(shí)有效避開農(nóng)作物，可以大大提高自主行走的能力和導(dǎo)航的效率。利用激光測(cè)距掃描的方法，可以實(shí)時(shí)地對(duì)路面和前方障礙物情況進(jìn)行掃描，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，激光掃描得到的波形會(huì)劇烈變化，利用這一原理，可以實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別和導(dǎo)航，如果將其使用在自主導(dǎo)航拖拉機(jī)設(shè)備上，可以有效提高導(dǎo)航效率。其基本框架如圖1所示。

圖1 基于激光測(cè)距的拖拉機(jī)導(dǎo)航設(shè)計(jì)框架

將激光測(cè)距掃描儀安裝在拖拉機(jī)自主導(dǎo)航設(shè)備上，可以有效區(qū)分道路邊緣和作物的邊緣，利用Sobel算子可以標(biāo)定圖像的方向角，為方向?qū)Ш教峁?zhǔn)確的信息，其導(dǎo)航的基本流程如圖2所示。拖拉機(jī)路徑識(shí)別主要利用激光掃描測(cè)距的方法，通過(guò)激光掃描波形的反饋，可以區(qū)分道路和農(nóng)作物，然后對(duì)掃描圖像進(jìn)行比對(duì)，利用Sobel算子，得到基本的航向角，最后完成路徑識(shí)別和導(dǎo)航。

2 基于激光測(cè)距的道路識(shí)別與路徑導(dǎo)航算法

基于激光測(cè)距在進(jìn)行道路識(shí)別時(shí)，由于道路兩旁有農(nóng)作物，在掃描到道路和作物時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，這是由于道路的地勢(shì)較為平坦，因此掃描得到的波形波動(dòng)性會(huì)較小。當(dāng)掃描到農(nóng)作物時(shí)，由于農(nóng)作物形狀并不平坦，得到的波形波動(dòng)會(huì)比較大，拖拉機(jī)可以根據(jù)激光測(cè)距掃描反饋回來(lái)的波形，識(shí)別道路，并進(jìn)行自主導(dǎo)航。為了使拖拉機(jī)通過(guò)激光測(cè)距掃描得到更加精確的道路識(shí)別信息，利用圖像處理的方法，對(duì)圖像背景進(jìn)行去除，保留關(guān)鍵信息。假設(shè)通過(guò)掃描得到數(shù)據(jù)為A，去除的掃描背景為B，去除后的數(shù)據(jù)為C，則有

C=A-B

(1)

其中，A表示拖拉機(jī)在理想的水平面上掃描得到的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谵r(nóng)田環(huán)境下，很難找到理想的水平面環(huán)境，于是將拖拉機(jī)放置在理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，激光掃描得到的激光序列如圖3所示。

圖2 拖拉機(jī)路徑識(shí)別和導(dǎo)航基本流程

圖3 激光掃描序列

由圖3可以看出：在掃描到道路時(shí)，其波形比較平坦，變化較為緩慢，而當(dāng)掃描到農(nóng)作物時(shí)，波形會(huì)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，從而可以有效地區(qū)分道路和農(nóng)作物。

采用二值化處理可以增強(qiáng)圖像的關(guān)鍵信息，使得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。在進(jìn)行二值化時(shí)，可以將前景值點(diǎn)灰度值設(shè)置為255，背景點(diǎn)灰度值為0，在r×r鄰域內(nèi)，二值化計(jì)算公式為

T(x,y)=m(x,y)+k·s(x,y)

(2)

其中，T(x,y)表示像素點(diǎn)的閾值；m(x,y)表示像素點(diǎn)的均值；s(x,y)表示像素點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差；k表示修正系數(shù)。假設(shè)像素點(diǎn)(i,j)處的灰度值為f(i,j)，則

(3)

(4)

(5)

導(dǎo)航方向采用計(jì)算比對(duì)的方法，計(jì)算比對(duì)算子有很多，本次主要使用的是Sobel算子，Sobel算子在許多圖像處理軟件中都有所集成，在進(jìn)行亮度比對(duì)方向角度時(shí)，其誤差較小。水平和垂直方向的Sobel表如圖4所示。

圖4 水平和垂直方向的Sobel表

利用像素點(diǎn)旁邊的8個(gè)像素進(jìn)行驗(yàn)算，然后求出導(dǎo)航方向角度，其符號(hào)用cxy表示，是θxy量化Δθ后，根據(jù)符號(hào)數(shù)N比對(duì)的符號(hào)，其表達(dá)式為

(6)

圖5 方向符號(hào)化量化幅度選值表

由圖5中選擇對(duì)比值之后，利用Sobel算法確定基本的航向，確定好航向后，轉(zhuǎn)換為拖拉機(jī)的左輪和右輪不同的速度之差，從而控制拖拉機(jī)沿著正確的方向行走。

3 拖拉機(jī)道路識(shí)別和路徑導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光測(cè)距在拖拉機(jī)道路識(shí)別和路徑導(dǎo)航上使用的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，創(chuàng)設(shè)了拖拉機(jī)田間仿真環(huán)境，并在拖拉機(jī)模型上安裝了激光測(cè)距儀，進(jìn)行了道路識(shí)別和路徑導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

為了仿真理想的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境，使掃描的壟間較為平坦，采用了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、在農(nóng)機(jī)模型上安裝了激光掃描設(shè)備，農(nóng)機(jī)模型如圖7所示。

在模型上安裝了激光掃描儀，然后利用航向符號(hào)比對(duì)進(jìn)一步提高導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了如圖8所示的結(jié)果。

圖6 拖拉機(jī)模型道路識(shí)別和路徑導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

圖7 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航拖拉機(jī)模型

圖8 拖拉機(jī)導(dǎo)航測(cè)試結(jié)果

首先對(duì)簡(jiǎn)單的單壟間行走進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：拖拉機(jī)可以準(zhǔn)確按照?qǐng)D中叉號(hào)所表達(dá)的位置完成自主導(dǎo)航。為了進(jìn)一步研究其導(dǎo)航的可靠性，利用復(fù)雜的多壟間行走對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)一步地進(jìn)行了測(cè)試，得到了如圖9所示的結(jié)果。

圖9 復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

為了增加導(dǎo)航的難度，采用跨壟間導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，對(duì)拖拉機(jī)導(dǎo)航的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：利用激光掃描技術(shù)，拖拉機(jī)可以準(zhǔn)確地完成復(fù)雜的多壟間行走自主導(dǎo)航。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于激光掃描的拖拉機(jī)自主導(dǎo)航算法的優(yōu)越性，對(duì)傳統(tǒng)方法和激光測(cè)距導(dǎo)航算法得到的道路識(shí)別與路徑導(dǎo)航誤差進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。由對(duì)比結(jié)果表明：采用激光掃描測(cè)距導(dǎo)航算法得到的路徑識(shí)別的誤差更小，導(dǎo)航更加準(zhǔn)確。

表1 道路識(shí)別與路徑導(dǎo)航誤差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

為了提高拖拉機(jī)的導(dǎo)航效率，基于激光掃描測(cè)距和Sobel算子，設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)確性較高的拖拉機(jī)自主路徑識(shí)別和導(dǎo)航的方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)激光掃描，可以有效地區(qū)分開道路和農(nóng)作物，得到了準(zhǔn)確的道路邊緣，道路邊緣的提取確定了拖拉機(jī)的移動(dòng)方向，確保了拖拉機(jī)一直沿著道路行走，不偏離道路區(qū)域而碾壓農(nóng)作物。利用機(jī)器視覺確定航向，進(jìn)一步提高了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性，相比傳統(tǒng)算法，其導(dǎo)航的誤差降低了一倍以上，具有較高的導(dǎo)航精度，因此將基于激光掃描測(cè)距和機(jī)器視覺兩種方法應(yīng)用在拖拉機(jī)自主導(dǎo)航方案上，對(duì)于提高導(dǎo)航準(zhǔn)確性和導(dǎo)航效率具有重要的作用。