激光传感器三维靶标检测系统的设计与研究

摘要

变量喷雾技术应用智能化方法和控制策略实现喷施对象的按需施药，能有效提高农药使用率、降低非靶标沉积、减少环境污染、促进精细农业的可持续发展。三维靶标信息的精确检测是智能变量喷雾执行的前提和依据，近年来随着实时传感器技术的发展，激光传感器相比于超声和红外等传感器具备检测精度高、性能稳定和不受采光影响等优点，因此，基于激光传感器的变量喷雾目标检测成为热点研究问题。本课题采用宽视角高速UTM-30LX型激光传感器作为三维靶标检测实时传感器，设计开发基于该激光传感器的室内滑台三维靶标检测系统和室外车载式三维靶标检测系统，研究激光传感器检测规则物体和树木等复杂三维靶标信息的精确性，主要研究工作内容如下所述：
　　（1）设计室内滑台三维靶标检测系统，验证室内条件下激光传感器检测精度。系统采用直线滑台作为运动平台、伺服电机作为运动驱动装置。激光传感器安装在直线滑台的运动滑块上，通过伺服电机控制滑块运动实现对激光传感器运动速度、距离精确控制。
　　以STM32F103VET6单片机为核心，完成控制系统硬件电路设计、软件程序编写。其中，硬件电路包括：单片机最小系统、电源转换、开关按键输入、数据通讯、伺服电机控制、光电测速等。软件包括：人机界面、系统初始化、开关按键输入、数据通讯、电机控制、滑块运动速度位置检测等单片机数据处理程序。
　　（2）设计室外车载式三维靶标检测系统，模拟实际检测中存在的路面不平、机器振动等场景，进一步验证室外条件下激光传感器检测精度。系统采用电动实验车作为激光传感器实时扫描检测的动力设备，电动实验车在实验过程中的速度信息，通过实验前场地标定测试实验获得。
　　（3）在室内、室外三维靶标检测系统的基础上，以规则物体、仿真树、实际树木为对象，分别设计不同间距、不同传感器移动速度下组合实验，实时扫描检测靶标物体，通过激光传感器数据采集软件UrgBenri读取、存储其轮廓特征数据信息，利用Matlab软件进行目标数据分析处理，重构靶标物体图像，并提取激光扫描测量的目标物体尺寸特征值。室内、室外实验条件下，与人工测量比较而言，激光传感器测得物体尺寸最大相对误差分别小于7.40％、6.50%。
　　（4）另一方面，针对树形结构不规则现象，引入一种基于边界距离场相似性评估方法，定量分析激光传感器扫描重构后物体图像与照相机拍摄物体图像两者外形轮廓相似度。室内、室外实验条件下，两者图像轮廓相似度计算值分别大于0.9200、0.8900。
　　（5）综合三维尺寸测量精确度以及轮廓相似度数据可知，在不同检测距离和传感器移动速度的室内、室外实验条件下，基于UTM-30LX型激光传感器的靶标检测精度、准确度较好，能为变量喷雾施药的执行提供有效喷雾量依据。