[发明专利]一种农业机器人的视觉导航策略

说明书

技术领域

本发明属于农业机器人导航领域，涉及一种导航策略，特别是涉及一种农业机器人的视觉导航策略。

背景技术

中国是农业大国，改革开放以来，随着科学技术的发展，农业机械的自动化与智能化水平不断提高，农业生产朝着规模化、智能化和精准化方向不断迈进。具备自主导航能力的农用车辆是当下精准化农业发展的关键技术之一，而自主导航中的视觉导航具有信息探测范围宽、目标信息完整、适应能力强等优势，成为目前农业机器人导航研究的主要方向。

现有的视觉导航系统中的导航路径求取都是识别出道路的两个边缘，然后通过两个边缘拟合出道路的中间线，进而跟踪导航。但是在农业机器人的作业环境中，农田路径不太规则，甚至没有两个明显的路径边缘；路径的宽窄不一，道路比较宽的时候在摄像机视野中甚至无法同时找到两个路径边缘；此外，在有些道路上机器人沿道路中心线行走并不是最佳选择，而是应该靠路径右边行走；另外，在农田环境中作业时，已耕地和未耕地、已收获和未收获的农田边界线经常会作为路径边缘用于导航，在这种情况下就很难通过找到路径的两个边缘来求取路径中间线获取导航路径。

发明内容

针对上述现有视觉导航的问题与缺陷，本发明公开了一种新的导航策略。此种导航策略基于机器视觉，通过控制预瞄点与道路右边缘的位置关系进行导航，大大的提高了导航的实时性与简便性。

实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种农业机器人的视觉导航策略，包括：预瞄点的选取模块，DSP图像处理模块，单片机控制模块，超声波避障模块。

预瞄点的选取模块：预瞄点是通过模仿驾驶员的驾驶行为，人为的假设车辆前方有跟踪的位置点，通过识别车辆前方道路中正确的预瞄点，使车辆跟踪预瞄点的方式来引导车辆正确行驶。预瞄点的位置主要由农业机器人的行驶速度、车体的尺寸和路径的宽度、路径和车体的相对位置以及导航基准决定，导航基准为沿道路右边缘行驶。

DSP图像处理模块：由安装在农业机器人的最前部CCD摄像头实时采集道路信息，经数字图像处理器DSP将其进行灰度化、阈值分割、形态学处理后，提取出图像中的路径右边缘信息与预瞄点坐标，结合摄像机的标定参数，最终确定世界坐标系中预瞄点的位置信息和跟踪预瞄点的导航参数，并把导航参数传送到单片机控制模块。

单片机控制模块：由STM32单片机负责农业机器人视觉导航系统中的电机控制器实现。采用模糊控制与PID控制相结合的双模控制器-模糊-PID混合控制器。模糊控制主要用来跟踪路径转弯和曲线曲率比较大的地方，PID控制主要用于跟踪近似直线的路径和曲率比较小的路径。通过指定曲率阈值制定一个控制器切换开关，在偏差大于阈值时切换为模糊控制，反之则切换为PID控制。STM32单片机在收到数字图像处理器DSP传来的导航参数信号后根据导航参数选择合适的控制器，并将导航参数作为控制器的输入，通过控制器输出正确的控制信号来控制驱动电机，进而实现农业机器人跟踪预瞄点自主导航。

超声波避障模块：超声波传感器用来感知道路的障碍物信息，并把障碍物信息及时传送到单片机控制模块，单片机控制模块会以最高优先级来处理障碍物信号，进行安全预警，保障农业机器人导航的安全性。

本发明的有益效果为：

(1)沿道路右边缘行驶，数字图像处理器DSP处理图像只需提取出路径右边缘信息，有效地避免了农田道路不规则等复杂环境影响，降低了计算的复杂度，极大地提高了导航的实时性。

(2)通过跟踪预瞄点进行导航，操作简便，适用性强。

(3)通过超声波传感器感知道路的障碍物信息，并进行安全预警，保障了农业机器人视觉导航的安全性与可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例的总体结构框图；

图2为本发明的预瞄点位置示意图；

图3是DSP系统工作流程图；

图4是单片机控制流程图；

图5是超声波传感器控制流程图。

具体实施方式

CCD摄像头安装在农业机器人的最前部，以一定的角度倾斜向下，主要负责采集农业机器人前方的路况信息。数字图像处理器DSP把采集到的图像进行实时处理后，提取出路径右边缘信息、预瞄点的坐标，结合摄像机的标定，最终确定世界坐标系中预瞄点的位置信息和跟踪预瞄点的导航参数，并把导航参数传送到单片机控制模块，然后进一步通过控制器来控制驱动电机从而实现农业机器人的路径跟踪；当遇到障碍物时，超声波传感器会把信息传送到单片机控制模块，控制模块以最高优先级来处理障碍物信号从而确保导航的安全性。

上面以具体实施例予以说明本发明的结构及工作原理，本发明并不局限于以上实施例，根据上述的说明内容，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。