基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)研究

　　摘要:機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用程度，已逐漸成為農(nóng)業(yè)智慧化水平的體現(xiàn)，而受農(nóng)業(yè)環(huán)境復(fù)雜性的限制，機(jī)器人的導(dǎo)航路徑規(guī)劃及定位精度問(wèn)題，仍是制約農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的主要因素之一。為此，設(shè)計(jì)了一種基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭采集農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境信息，建立機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航地圖;采用級(jí)聯(lián)分類(lèi)器區(qū)域檢測(cè)結(jié)合顏色標(biāo)定的方法，使用戶能夠根據(jù)具體環(huán)境，自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:農(nóng)業(yè)機(jī)器人沿用戶自主規(guī)劃的無(wú)軌道路徑，可自動(dòng)完成導(dǎo)航定位工作，并在路徑各目標(biāo)點(diǎn)獲得了亞米級(jí)的定位精度，滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞:路徑規(guī)劃;單目視覺(jué);視覺(jué)導(dǎo)航地圖;區(qū)域檢測(cè);顏色標(biāo)定

　　0引言物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有效地解決了農(nóng)業(yè)人工成本日益增加問(wèn)題，加速了農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展[1]。其中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)產(chǎn)品種植、管理、采摘及運(yùn)輸服務(wù)等方面的應(yīng)用[2-3]，不僅緩解了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足的問(wèn)題[4]，還大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中高溫、高濕環(huán)境對(duì)人體的傷害[5]，提高了工作效率。

　　機(jī)器人論文范例： 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀分析及產(chǎn)業(yè)對(duì)策研究

　　在野外農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常可以采用GPS實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航與定位，而在農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)等室內(nèi)環(huán)境下，受GPS定位精度大幅下降的影響，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用往往需要室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)的支持。為此，設(shè)計(jì)了一種基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)單目攝像頭采集農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境信息[6]，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑的用戶自主規(guī)劃、自動(dòng)定位與導(dǎo)航。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括應(yīng)用系統(tǒng)主控端與機(jī)器人下位機(jī)控制端兩部分，負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航 地圖建立、路徑規(guī)劃、機(jī)器人位置識(shí)別及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息更新等工作，從而保障機(jī)器人沿用戶自主規(guī)劃路徑移動(dòng)。應(yīng)用系統(tǒng)主控端通過(guò)攝像頭獲取農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境圖像，建立機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航地圖，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的位置識(shí)別;根據(jù)用戶的規(guī)劃路徑及起始位置信息，計(jì)算機(jī)器人的下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息(方向、姿態(tài)、速度等)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制信息發(fā)送至機(jī)器人下位機(jī)控制端，由下位機(jī)控制端實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按用戶規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)的控制操作。與此同時(shí)，下位機(jī)控制端將機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息(方向、姿態(tài)、速度等)，通過(guò)數(shù)據(jù)幀反饋至應(yīng)用系統(tǒng)主控端，以輔助主控端動(dòng)態(tài)修正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制指令。

　　2農(nóng)業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人采用3輪全向移動(dòng)方式，通過(guò)3個(gè)相互成120°鈍角的麥克納姆輪(Mecanum)構(gòu)成機(jī)器人的底盤(pán)移動(dòng)裝置，利用機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)速度與各運(yùn)動(dòng)輪之間的速度分解關(guān)系[7]，使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠遵循導(dǎo)航系統(tǒng)主控應(yīng)用端的指令，沿用戶自主規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)。其中，運(yùn)動(dòng)路徑由包含起點(diǎn)與終點(diǎn)在內(nèi)的多個(gè)分散目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成，主控端動(dòng)態(tài)更新機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制指令，以減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的累積偏差。

　　2.2下位機(jī)控制端硬件設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)控制端主要負(fù)責(zé)接收主控應(yīng)用端的控制指令、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑引導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)差速調(diào)控、狀態(tài)檢測(cè)等，包括通信模塊、微處理器、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及速度調(diào)節(jié)模塊等。

　　導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主控端通過(guò)通信模塊，將機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位信息、運(yùn)動(dòng)方向、速度等計(jì)算結(jié)果，發(fā)送至下位機(jī)微處理器，由下位機(jī)控制速度調(diào)節(jié)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。系統(tǒng)采用32位的STM32F103作為下位機(jī)微處理器，接收、執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)主控端的命令信息并檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài);微處理器根據(jù)命令信息，調(diào)節(jié)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)輪的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用雙路PWM信號(hào)的不同占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到控制機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)輪速度的目的。電源模塊為機(jī)器人下位機(jī)控制端的各個(gè)模塊，提供持續(xù)、穩(wěn)定的工作電壓。

　　3農(nóng)業(yè)機(jī)器人單目視覺(jué)定位與導(dǎo)航

　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)利用單目攝像頭，獲取機(jī)器人工作環(huán)境的視頻序列，構(gòu)建機(jī)器人定位及導(dǎo)航的視覺(jué)地圖;在視覺(jué)地圖中對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與跟蹤，并將機(jī)器人當(dāng)前位置的定位結(jié)果與用戶自定義的路徑信息一起，作為機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制的輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到機(jī)器人接下來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向和速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從路徑起點(diǎn)到終點(diǎn)的自動(dòng)導(dǎo)航。

　　3.1單目視覺(jué)定位原理

　　機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中，定位的準(zhǔn)確性是評(píng)判系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一。當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)利用單目攝像頭采集到農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境圖像后，利用透視變換完成三維運(yùn)行環(huán)境的二維圖像映射，實(shí)現(xiàn)世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[10]。此外，考慮到機(jī)器人自身的高度問(wèn)題，系統(tǒng)將機(jī)器人的頂部作為標(biāo)定平面，構(gòu)建視覺(jué)導(dǎo)航地圖。

　　3.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人的定位跟蹤

　　實(shí)時(shí)的位置信息獲取是機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一[13]，設(shè)計(jì)的基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了級(jí)聯(lián)分類(lèi)區(qū)域檢測(cè)結(jié)合顏色標(biāo)定的方法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位。系統(tǒng)首先通過(guò)Adaboost級(jí)聯(lián)分類(lèi)器，檢測(cè)機(jī)器人的位置區(qū)域框，再通過(guò)計(jì)算框內(nèi)標(biāo)定顏色塊中心位置，獲得機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位信息。

　　Adaboost級(jí)聯(lián)分類(lèi)器的核心是迭代[14]，主要包括離線訓(xùn)練和在線檢測(cè)兩部分。其中，離線訓(xùn)練階段利用采集到的機(jī)器人正、負(fù)樣本，根據(jù)Haar特征生成弱分類(lèi)器，并將弱分類(lèi)器按各自的權(quán)重聯(lián)合[15]，形成強(qiáng)分類(lèi)器，再將各級(jí)強(qiáng)分類(lèi)器級(jí)聯(lián)，生成農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)所需的級(jí)聯(lián)分類(lèi)器[16];在線檢測(cè)階段使用訓(xùn)練生成的級(jí)聯(lián)分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)機(jī)器人的檢測(cè)與識(shí)別，獲得導(dǎo)航地圖中機(jī)器人的外接矩形框及位置的相關(guān)參數(shù)值。

　　由于像素坐標(biāo)下，Adaboost級(jí)聯(lián)分類(lèi)器在線檢測(cè)階段，獲得的機(jī)器人外接矩形區(qū)域大小不固定，若直接以此區(qū)域中心為機(jī)器人定位坐標(biāo)，則可能產(chǎn)生較大的誤差波動(dòng)。因此，系統(tǒng)在機(jī)器人位置區(qū)域檢測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合顏色塊標(biāo)定法，完成了機(jī)器人的識(shí)別與跟蹤，并以顏色塊的中心坐標(biāo)為機(jī)器人的導(dǎo)航定位信息。

　　針對(duì)顏色塊標(biāo)定的識(shí)別與跟蹤，農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)選擇了RGB模型，其豐富而廣泛的色彩空間，能夠較好地滿足機(jī)器人跟蹤過(guò)程中因環(huán)境、光照引起的顏色變化需求[17-18]。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)顏色塊標(biāo)定的識(shí)別和跟蹤算法步驟如下:1)初始化:根據(jù)標(biāo)定塊的顏色、大小，初始化顏色塊RGB值及半徑閾值r，并以初始RGB值為基準(zhǔn)，設(shè)置標(biāo)定塊的RGB顏色范圍。

　　4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

　　為了驗(yàn)證導(dǎo)航地圖精度，在實(shí)驗(yàn)室依次測(cè)量30個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，并在導(dǎo)航地圖內(nèi)計(jì)算其相應(yīng)的坐標(biāo)值。對(duì)比驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量值與計(jì)算值得到:導(dǎo)航地圖中定位誤差的最大值為7cm，最小值為0，平均值為3.2cm;其定位誤差小于3cm的累計(jì)概率達(dá)到60%，定位誤差小于6cm的累計(jì)概率達(dá)到90%以上，較好地滿足了機(jī)器人應(yīng)用中的定位需求。此外，實(shí)驗(yàn)記錄機(jī)器人在路徑上7個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航定位坐標(biāo)計(jì)算值及實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值，得到機(jī)器人在各目標(biāo)點(diǎn)定位誤差的最大值為7.6cm，最小值為4.2cm，平均值為6.1cm。對(duì)比導(dǎo)航地圖精度驗(yàn)證結(jié)果得到:導(dǎo)航定位中機(jī)器人在各目標(biāo)點(diǎn)的定位效果，與導(dǎo)航地圖精度亦密切相關(guān)，且定位誤差僅略大于地圖精度誤差。

　　5結(jié)論

　　基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，利用透視變換完成機(jī)器人三維運(yùn)行環(huán)境的二維圖像映射，實(shí)現(xiàn)了世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，建立導(dǎo)航地圖。系統(tǒng)選擇中心控制方式，由主控端負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑自主規(guī)劃、位置識(shí)別、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新等計(jì)算工作，采用區(qū)域檢測(cè)結(jié)合顏色標(biāo)定的方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:基于單目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，具有良好的定位精度，滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行需求。

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　　作者：趙榮陽(yáng)1，吳桂云2，梁家海1，王青青1，姜重然2，王斌2

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