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园区区域尺度农业巡检机器人图像分析系统研究

园区区域尺度农业巡检机器人图像分析系统研究

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作者：韩冰西北农林科技大学

学位级别：硕士

农作物的长势监测是农业生产中的一个重要的组成部分,可以为农业种植管理提供基础数据。针对图像畸变、可见光与红外热图像尺度不同等问题,本文提出一种基于户外动态监测多内容的生产环境的农业巡检机器人图像分析系统,通过集成多种算... 详细信息

农作物的长势监测是农业生产中的一个重要的组成部分,可以为农业种植管理提供基础数据。针对图像畸变、可见光与红外热图像尺度不同等问题,本文提出一种基于户外动态监测多内容的生产环境的农业巡检机器人图像分析系统,通过集成多种算法模块,解决农业生产环境的图像校正、可见光图像和红外热图像配准融合提取植物冠层温度以及农业生产环境大视域设计等问题。本文主要贡献如下:（1）针对光学成像造成的图像失真进而产生畸变的问题,分析了相机的基本参数,研究了张正友校正方法、基于Halcon库的相机校正方法、基于改进粒子群算法优化相机参数。通过自主搭建的农业巡检机器人平台,在户外条件下对机器人搭载的6个可见光镜头展开校正测试与分析,对上述3种算法的校正效果进行对比。结果表明,相比于张正友校正法和Halcon校正法,粒子群优化算法对机器人图像校正的重投影误差最大减少了0.0319 pixel,达到了有效的校正镜头的目的。（2）针对红外热图像与可见光图像尺度不同,难以高质量配准进而导致无法精准提取冠层温度的问题,首先研究了基于SIFT（Scale Invariant Feature Transform）配准、基于多尺度PIIFD（Partial Intensity Invariant Feature Descriptor）的图像配准和基于轮廓角点特征配准3种方法。通过将本模块的多算法融合应用到自主搭建的巡检机器人平台,在户外条件下展开了图像配准和温度提取方面的测试与分析,对3种配准方法在不同植物配准效率进行了验证,结果表明在猕猴桃园区巡检点处基于轮廓角点特征匹配方法的误差为:1.665 pixel,在葡萄园区巡检点处基于轮廓角点特征匹配方法的误差为:2.837 pixel,达到红外热图像与可见光图像配准融合提取冠层温度的目的。（3）鉴于镜头获得的视野范围有限,存在视野盲区的问题,采取改进粒子群算法优化的摄像机参数对摄像机进行标定。通过搭建视频流服务器环境,在学校局域网的条件下展开了视频推流、拉流方面的测试与分析,对视频流传输效果进行了验证,结果表明,本研究的方法通过推流拉流利用Web界面将7个摄像头组合得到一个大视域视野。为了适时服务于用户,设计并开发了农业巡检机器人图像分析系统,该系统实现了大视域界面展示和在巡检点处采集图像并进行匹配融合,通过温度检测算法提取冠层温度并展示的功能。

关键词：农业巡检机器人图像校正粒子群优化轮廓角点特征配准冠层温度提取

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西瓜棚巡检机器人自动导航关键技术研究

西瓜棚巡检机器人自动导航关键技术研究

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作者：姜毅重庆三峡学院

学位级别：硕士

农机自动导航是实现农业现代化的关键基础技术之一,对研究解决农机智能装备先进技术供给与需求具有重要的科研与应用价值,对研究更加智能和自动化程度更高的农业机器人对提升农业生产效率具有重要意义。针对农机在山区、农田、大棚、大... 详细信息

农机自动导航是实现农业现代化的关键基础技术之一,对研究解决农机智能装备先进技术供给与需求具有重要的科研与应用价值,对研究更加智能和自动化程度更高的农业机器人对提升农业生产效率具有重要意义。针对农机在山区、农田、大棚、大树等环境中进行作业,卫星导航性能极易受到环境影响,定位和导航服务性能大幅降低,存在受环境干扰导致GNSS定位失调、INS导航误差较大等问题。本文对兼顾大棚及农田环境下的西瓜巡检机器人自动导航展开研究,对农业机械定位技术进行分析,确定了RTK定位和IMU组合导航方案,设计出一套基于Kalman滤波的GNSS/INS组合导航的巡检机器人自主定位导航控制系统,使得巡检机器人可以实时高频采集高精度的位置和姿态信息,追踪作业路径轨迹以及动态避障,以及搭载相机等设备实现对农作物病虫害数据收集,进一步高效代替人工完成巡检工作。本文的主要研究内容如下:(1)巡检机器人导航系统方案设计。通过调研分析巡检机器人的实际项目需求,对机器人的硬件结构进行设计和选型。基于巡检机器人在大棚和农田环境下硬件系统的性能要求,机器人移动平台选用履带式的,进行巡检作业采用机械臂搭载相机的方式,选用工业控制机作为机器人的控制核心,通过CAN通信协议完成工控机与移动平台的信息接收,确定了RTK定位和IMU测姿的组合方式进行定位导航,以及使用多线激光雷达感知目标障碍物。巡检机器人软件系统是基于Linux的Ubuntu20.04开发设计,使用Qt designer设计人机交互平台发布机器人导航任务,核心控制基于ROS开发包括路径规划、目标定位以及动态避障等,实现巡检机器人的自动导航控制。(2)对GNSS/INS组合导航定位算法研究。首先,围绕巡检机器人在西瓜大棚中进行自动导航需求,设计出一套基于全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)的组合导航方案。其次,根据IMU输出的三轴角速度、加速度信息以及RTK设备输出高精度的三轴位置、速度信息,采用松耦合模式,通过Kalman滤波对INS误差实时校正,解算出巡检机器人的精准位置、速度和姿态信息,为实现机器人自动导航提供精准的定位信息。最后,设计滤波仿真实验,验证Kalman滤波算法对非线性状态估计的优化效果。(3)对机器人路径追踪控制方法研究。设计巡检机器人导航控制原理,通过对机器人移动平台进行运动学建模分析,根据导航控制原理以及预瞄点搜索追踪目标点,提出一种确定预瞄点、预瞄距离的方法,使用PID控制算法对巡检机器人自动导航转向进行控制并实时纠正航向偏差。设计试验,验证巡检机器人在大棚环境中自动导航追踪路径的稳定性和准确性。(4)对巡检机器人避障控制研究。设计出一种基于多线激光雷达检测障碍物的控制算法,通过建立激光雷达坐标及转换,对获取的点云信息进行点云噪点过滤、分割地面和非地面点云预处理,对剩余的点云使用欧几里得算法进行聚类处理,得到的点云团簇用来判断障碍物大小,然后通过设定阈值判断控制机器人进行自动避让。设计巡检机器人自动导航过程中的避障试验,将避障控制算法集成到巡检机器人,在实际作业环境中验证巡检机器人的避障性能。

关键词：自动导航农业巡检机器人组合定位自动追踪

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