[发明专利]一种基于ROS与图像处理的寻苗行走系统及其方法

权利要求书

1.一种基于ROS与图像处理的寻苗行走系统的寻苗行走方法，其特征在于：所述系统包括摄像头、上位机模块、电机控制系统和ROS系统；所述摄像头来获取图像信息，所述上位机模块获取并处理图像信息，所述电机控制系统与上位机模块通过ROS系统进行通讯，获取控制信息，输出控制信号控制电机旋转，控制车体行走；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、摄像头挂载于小车上，实时获取前方地面信息，将其发送给上位机模块；

步骤二、上位机模块接收图像信息，根据图像中的颜色信息来区分地面与作物，提取其中的绿色部分，将作物从图像中提取出来，获取作物的坐标信息；

步骤三、上位机模块处理作物信息，通过提取出的作物的坐标，利用最小二乘法找到作物所在直线，将直线在图像中标记出来；

步骤四、上位机模块计算获得直线与车体当前行进方向的偏角度，同时获得直线与图像中心点之间的偏移量，通过偏角度与偏移量计算车体需要调整正向的角速度w＝k*0.005-dist*0.08；其中k表示偏角度，dist表示偏移量；

步骤五、上位机模块创建话题，同时作为ROS系统中的一个节点，将角速度w数据发布到ROS系统中的话题内，等待被电机控制系统的控制信息接收模块接收；

步骤六、电机控制系统的控制信息接收模块作为ROS系统中另一个节点，订阅话题，从话题中接收上位机模块发送的角速度w；

步骤七、根据角速度w，通过公式：左轮速度v_left＝v-w*0.3，右轮速度v_right＝v+w*0.3，计算出车体调整需要的左右轮的速度，其中v是初始设定的前进线速度；

步骤八、根据计算出的速度，改变电机控制模块输出PWM信号的占空比，计算左轮角速度w_left＝50*v_left/v，右轮角速度w_right＝50*v_right/v，以此来控制电机旋转的速度，利用差速调控原理，控制车体前进与转向；

步骤九、利用编码器模块测量电机实际旋转速度，并且将速度信息发送回给电机控制模块；

步骤十、电机控制模块接收电机实际速度信息，利用PID调控，实时调整输出的PWM信号，其中PID的参数设置为：P＝50，I＝100，D＝0；

步骤十一、持续判断是否有新图像传入，若有新图像传入，重复步骤二至步骤十；否则等待一定时间后，结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二至步骤五中执行以下操作：

步骤1、提取图像的下半部分，只考虑离车体近的作物信息，避免受到远作物的位置信息影响；

步骤2、使用函数cv2.cvColor(),将新图像由RGB空间转换至HSV空间；

步骤3、设置绿色颜色提取范围，低边界low＝(35,60,60)，高边界high＝(80,255,255)，使该范围内颜色变成白色，其余变成黑色，得到二值化图像mask；从HSV空间中提取绿色部分，找到作物，获取作物信息；

步骤4、对mask图像进行形态学操作，利用cv2.morphologyEx()函数，先进行开运算，将白色部分先腐蚀再膨胀，再进行闭运算，将白色部分先膨胀再腐蚀，对作物信息进行处理，使其更加清晰准确；

步骤5、获取出白色部分中的所有坐标，通过这些坐标信息，利用最小二乘法，找到作物所在直线y＝kx+b，其中k＝(xy_sum-x_sum*y_sum/N)/(x_s_sum-x_sum*x_sum/N)，b＝y_sum/N-k*x_sum/N，其中xy_sum是横纵坐标乘积的和，x_sum是横坐标的和，y_sum是纵坐标的和，x_s_sum是横坐标的平方和，N表示点的数目；

步骤6、利用偏移量公式计算出直线与图像中心的偏移量；

步骤7、利用ROS系统发布话题，将偏角度k与偏移量dist发布到话题中，等待被电机控制模块订阅提取。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述上位机模块使用的是树莓派4B,通过程序编写对应的上位机控制模块，该上位机控制模块包括：

用于接收摄像头获取的实时图像信息的图像接收模块；

用于处理图像信息，获取作物位置信息，进而获取作物所在路径直线信息，计算得到路径直线偏角度与偏移量的图像处理模块；

用于向电机控制系统发送偏角度与偏移量的控制信息发送模块；

用于对电机控制系统发送的应答信息进行接收的应答信息接收模块。