基于农业机器人试验平台的郁闭型果园视觉导航系统研究

摘要

陕西省是我国的果业生产大省，其中80％以上属于郁闭型果园，研发适合该类果园的智能化装备对于实现陕西省果园自动化生产具有重要意义，其中自主导航作为果园智能化装备的一大关键技术，仍是当下研究的热点和难点。本文针对郁闭型果园，结合二维码靶标与单目视觉测量技术，对视觉导航算法和控制系统进行了研究，并以西北农林科技大学自行研制的农业机器人试验平台为载体，对视觉导航控制系统进行了集成和实验室测试试验。本文的主要研究内容与结论如下:
　　(1)对农业机器人试验平台郁闭型果园视觉导航方案进行了研究分析，提出了基于单目视觉测量与二维码靶标相结合的视觉导航定位方法;确定了农业机器人试验平台视觉导航系统的整体方案，即通过电脑调用外接摄像头实时捕捉视频图像进行处理获取导航参数，采用超声波传感器进行避障检测，基于STM32单片机实现导航控制。
　　(2)对基于二维码靶标的视觉测量方法进行了研究。首先构建了基于二维码靶标的视觉测量模型;其次对郁闭型果园环境下靶标特征点的提取进行了研究，提出了通过灰度化、canny边缘检测、轮廓筛选、基于几何特征识别的去噪处理以及目标轮廓质心提取最终实现靶标特征点提取的图像处理方法;最后采用基于平面靶标的标定方法，利用matlab标定工具箱完成了摄像机内参数的标定。
　　(3)对导航路径规划和导航参数求解进行了研究。规划了农业机器人试验平台的果园导航路径，确定了二维码靶标在果园里的布置方案，并对农业机器人试验平台跟踪直行和转弯路径时的导航参数进行了求解。通过在农业机器人试验平台上搭建视觉检测系统，对视觉测量导航定位方法的实时性和定位误差进行了测试。测试结果表明采用该方法处理一帧图像实现视觉测量求得导航参数最长耗时0.23ms，实时性较好;以导航路径为基准，视觉测量最大定位偏差小于0.18m。
　　(4)对导航控制系统进行了设计开发和集成测试。选择STM32F407单片机作为主控芯片，基于MDK软件对控制程序进行设计，包括主控程序以及电脑与单片机串口通信、导航参数的读取与解算、超声波测距、霍尔测速、输出PWM波控制轮毂电机的子模块程序。最后在农业机器人试验平台上对导航控制系统进行了搭建集成，并对导航控制性能进行了测试。测试结果为当导航行驶速度0.55m/s时，直行最大偏差为0.14m，转弯最大偏差为0.22m，表明本文研究的视觉导航系统具有一定的有效性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 果园常见导航方式分析

1．3 农业机器人视觉导航的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

1．5 技术路线

第二章 农业机器人试验平台导航系统整体方案设计

2．1 视觉导航方案研究分析

2．1．1 导航方案的确定

2．1．2 单目视觉测量原理介绍

2．1．3 二维码原理与功能介绍

2．2 农业机器人实验平台视觉导航系统总体设计

2．2．1 总体方案设计

2．2．2 导航系统基本模块介绍

2．3 本章小结

第三章 基于二维码靶标的单目视觉测量方法研究

3．1 二维码靶标视觉测量模型建立

3．2 二维码靶标特征点提取的图像处理方法研究

3．2．1 图像分析与预处理

3．2．2 轮廓层级筛选

3．2．3 去噪处理

3．2．4 特征点提取与编号

3．3 摄像机内部参数标定

3．3．1 摄像机成像模型的选择

3．3．2 标定方法选择

3．3．3 基于2D靶标的摄像机标定原理

3．3．4 标定过程与结果

3．4 二维码靶标视觉测量重复性精度试验

3．4．1 平移测量重复性精度试验

3．4．2 旋转测量重复性精度试验

3．5 本章小结

第四章 果园导航路径规划与导航参数求解

4．1 果园导航路径规划

4．2 果园二维码靶标的布置方案设计

4．2．1 二维码靶标内部储存信息的确定

4．2．2 果园二维码靶标布置方案的确定

4．2．3 二维码靶标大小的确定

4．3 导航参数求解

4．3．1 行间直行时导航参数求解

4．3．2 地头转弯时导航参数求解

4．4 试验与分析

4．4．1 视觉测量的实时性试验

4．4．2 导航定位误差测量试验

4．5 本章小结

第五章 导航控制系统设计

5．1 农业机器人试验平台运动学模型建立

5．2 控制系统分析与控制器设计

5．2．1 控制系统分析与整体方案设计

5．2．2 模糊控制器的设计与仿真

5．2．3 PID控制器的设计

5．3 系统控制器仿真

5．4 本章小结

第六章 导航控制系统的软硬件集成与试验

6．1 导航控制系统的硬件选型

6．1．1 主控芯片

6．1．2 轮毂伺服电机

6．1．3 伺服驱动器

6．1．4 导航控制系统的硬件构架确定

6．2 导航控制系统软件设计

6．2．1 软件系统整体方案设计

6．2．2 软件程序设计

6．3 导航系统的搭建与试验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

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