基于双目视觉的果园割草机自主导航研究

作     者：刘高众 

作者单位：浙江农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马蓉

授予年度：2024年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：树干识别 双目视觉 路径生成 路径跟踪 割草机试验平台 

摘      要：随着劳动力成本上升、农业机械化的发展、果园标准化改造以及果园生草法的推广,使得果园自动导航割草机的需求日益迫切。为了在复杂环境下的果园行间实现果园割草机的自动导航驾驶,本文以自然梨园为研究环境,以双目相机为主要传感器获取果园环境测量数据,对果园割草机在果园中的果树树干识别及定位、果园行间道路路径提取、路径跟踪等关键技术进行了研究。本文主要研究内容如下: (1)本文通过实地果园调研,根据果园的地形环境以及作业要求确定了割草机的双目视觉导航方案,依据双目视觉导航系统各个模块的功能需求进行选型,搭建出基于双目视觉导航的割草机试验平台。 (2)本文引入目标检测算法到果园行间果树树干识别与定位中,通过双目相机在不同光照和杂草密度条件下采集果园行间图像,制定果树树干标注方案并构建出标准数据集。改进了YOLOv5s网络结构,并在同一环境下与其他模型进行对比试验,结果显示改进后的模型在保持高速度的同时提高了果树树干的检测精度。 (3)本文开发了基于双目视觉的果树树干定位方案,改进了SGBM立体匹配算法以提高其在果园环境中的抗干扰能力,并进行了双目立体匹配试验,结果显示果树树干二维定位精度平均误差率均在1.7%以内。随后,利用数值拟合方法对果园行间的导航路径进行了精确拟合,实现了将像素路径转换至世界坐标系下的路径。 (4)本文针对割草机建立了其运动学和动力学模型并构建割草机路径跟踪控制器。在运动学层面,采用反演法和滑模控制相结合,设计滑模切换函数和协调控制律,提高跟踪精度和轨迹平滑度,减小速度跳变。在动力学层面,应用积分滑模控制和分段趋近律,降低稳态误差并减弱抖振,确保系统稳定性。利用Simulink对本文提出的路径跟踪算法与对比方法进行仿真,结果验证了本文提出的算法有效性。 (5)本文通过实机导航试验验证了本文提出的双目视觉导航系统的可行性。在模拟果园环境中,进行了三次重复的行间导航试验,结果显示割草机的横向误差最大值不超过15.4cm,平均误差为5.0cm,均方根平均误差为3.4cm,表明该系统能满足果园行间作业的精确性要求。