基于全景视觉的农业移动机器人自主导航研究

摘要

农业智能移动机器人是实现农业自动化的有效手段之一，它是大部分农业作业任务的移动作业平台。农业智能移动机器人的自主导航技术是一个首先要解决的问题，本文研究的主要内容是基于折反射全景视觉系统的农业移动机器人自主导航技术，包括全景视觉系统的结构和距离角度标定，农作物行图像采集和处理，作物行路径识别和导航控制参数提取以及导航控制方法的研究。
　　 分析了基于折反射原理的全景视觉系统主要的组成部分。根据农业机器人自主导航的要求和全景视觉系统的特点，采用通过对已知参考点分段抛物插值的方法进行了距离和角度标定，得到了物像点之间的对应关系。
　　 利用全景视觉系统对农业机器人周围的环境信息进行成像；用灰度世界假设算法对原始图像进行颜色校正处理，这对室外或环境不可控的机器视觉系统是关键的一步；然后利用归一化过绿特征值2×g-r-b对图像进行灰度化，进而利用最大类间方差法对图像进行二值化处理，得到了农作物行环境的二值图像；进一步用中值滤波算法去除二值图像中的脉冲噪声点的干扰，得到了较理想的农作物行目标和背景的二值化图像；最后利用全景视觉系统距离和角度标定的结果对绿色农作物目标像素进行了距离和角度校正，恢复了农作物行图像的空间直线特征。
　　 设计了农作物行导航参考路径识别和导航控制参数提取算法。在图像采集和处理的结果上，利用Hough变换识别农作物行导航路径的方向信息，结合数字罗盘的初始航向角度信息和当前航向角度信息，计算出了导航控制参数-航向角度偏差和横向距离偏差。
　　 设计了农业移动机器人的自主导航控制器。在分析农业移动机器人常用的导航控制方法特点的基础上，根据农业作业环境的特点，选择模糊控制作为本文农业移动机器人的导航控制方法，设计了模糊导航控制器。模拟农作物行导航试验表明，本文设计的视觉导航控制系统能够准确地识别农作行导航参考路径，并稳定地跟踪导舷路径线。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 农业移动机器人的研究目的和意义

1.2 农业移动机器人视觉导航的研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 移动机器人全景视觉系统结构及标定

2.1 全景视觉系统的结构

2.1.1 实现全景成像的方法

2.1.2 基于折反射原理的全景视觉系统的结构和分类

2.2 全景视觉系统的距离和角度标定

第三章 农田场景图像采集和处理

3.1 农田场景图像采集

3.1.1 视觉系统硬件设备

3.1.2 视觉系统软件设计

3.2 图像预处理

3.3 农作物和非农作物区域的识别

3.3.1 彩色图像的表示方法

3.3.2 图像灰度化

3.3.3 图像二值化

3.4 滤波处理

3.5 对农作物区域进行距离和角度变换

3.6 本章小结

第四章 导航参考路径与导航控制参数的提取

4.1 建立模拟的农田作物行环境

4.2 导航参考路径提取

4.3 计算导航控制参数

第五章 导航控制策略设计

5.1 农业机器人的运动学模型

5.2 模糊控制器的设计

5.2.1 模糊控制的基本原理

5.2.2 模糊控制器设计的基本过程

5.2.3 基于全景视觉导航的模糊控制器的设计

5.2.4 模糊控制器的效果验证

第六章 导航控制试验

6.1 农业移动机器人的硬件平台结构

6.2 视觉导航软件平台设计

6.2.1 界面设计

6.2.2 视觉导航软件流程设计

6.3 基于全景视觉的农作行路径跟踪导航试验

第七章 结论和展望

7.1 研究结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文