CN103196441A - 一种喷雾机械组合导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种喷雾机械组合导航方法及系统，包括DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置。DGPS惯性组合导航装置对喷杆喷雾机进行初步定位；喷幅边界机器视觉导航装置，采集泡沫轨迹图像，并传送至图像处理模块进行处理，识别泡沫轨迹，实现喷幅精确拼接。作物行机器视觉导航装置，采集作物行图像，并传送至图像处理模块处理，获得轨迹偏离信息，指示驾驶员调整喷杆喷雾机位置，实现精确导航。本发明导航方法及系统定位精度高，能有效防止重喷、漏喷等现象，且价格便宜，容易投入生产。

Description

一种喷雾机械组合导航方法及系统

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，尤其是一种喷雾机械组合导航方法和系统。

背景技术

DGPS导航能够输出高更新率的导航数据，提高GPS导航精度，能增强系统的抗干扰性、稳定性、可用性和完整性。但是由于GPS容易受到外界环境的干扰，且动态性能差，要得到连续可靠的定位信息就必须依赖其它手段。普通GPS导航系统精度低、亚米级精度不能满足农业需求，而高精度的价格昂贵。惯性导航不仅能够提供载体位置速度参数，还能提供载体的三维姿态参数，是完全自主的导航方式，在各个领域应用广泛。但是，惯性导航难以克服的缺点是其导航定位误差随时间累加，难以长时间独立工作。DGPS惯性组合导航系统既保持了二者的优点，又防止了导航定位误差随时间的积累，能提高导航系统的整体性能。机器视觉导航技术能根据摄像机对周围环境实时探测的信号，规划出所需路径，并能够沿着该路径，移动到预定目标处进行作业。而作物的等间距平行种植有利于精确导航的实现。喷雾机械均匀施药，雾滴粒径较小、易蒸发，不易辨别农药未喷洒和已喷洒的边界位置。多行连续喷洒时，重喷、漏喷现象严重，不利于植物的生长。如何精准定位喷幅边界是实现精确施药的关键问题。

农业机械装载导航系统有利于特定位置的精确定位。ZL200710028875.2公布了“一种农业机械导航的组合定位方法”，首先采用伪距差分GPS传感器测量得到农业机械初步定位的位置值，然后采用电子罗盘和微机械陀螺传感器对农业机械的航向角度进行测量，融合两种信息，获得农业机械定位和航向角度信息的精确估计。ZL201110096896.4公布了一种“基于GPS和机器视觉的组合导航定位系统及方法”，GPS定位装置，用于对导航车进行GPS定位，获得导航车的位置坐标、航向角度、以及行驶速度，并发送至融合定位装置；机器视觉定位装置，用于采集导航路径上的农田图像，对采集到的图像进行图像处理，提取导航路径，得到导航路径中已知点的位置坐标，并发送至融合定位装置；融合定位装置，用于对来自所述GPS定位装置以及机器视觉定位装置的信息进行空间配准和时间配准，并进行滤波处理，得到最终定位信息。ZL200610089594.3公布了一种“棉花喷药机导航路径识别方法”采用视觉系统和计算机采集图像并处理，实现自动识别、定点、定量喷药。以上系统都能实现农业机械的精确定位，而且可以应用到喷杆喷雾机，但无法实现喷杆喷雾机喷幅边界的精确拼接，导致喷杆喷雾机重喷、漏喷、越界喷等现象。

发明内容

针对现有技术中喷雾机重喷、漏喷、越界喷等缺陷，本发明提供一种喷雾机械组合导航方法及系统，通过集成GPS惯性导航装置、喷幅边界导航装置和作物行导航装置采集的信息，调整喷杆喷雾机位置，实现精确喷雾，防止重喷、漏喷、越界喷等现象，具体技术方案如下：

一种喷雾机械组合导航系统，由喷杆喷雾机、泡沫剂喷洒装置和导航系统组成，其特征在于：所述导航系统包括与车载计算机直接相连的DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置，所述喷雾机的喷杆悬挂于可移动动力机械3后方，用于采集作物行信息图像的摄像头A4安装在可移动动力机械3的车轮上方，采集喷幅边界信息的摄像头B2和摄像头C6安装在喷杆两端，泡沫剂喷洒装置A1和泡沫剂喷洒装置B7分别安装在所述喷杆上，并分别位于摄像头B2和摄像头C6的正下方。

所述可移动动力机械3包括拖拉机、汽车、三轮车等。

所述喷幅边界机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集泡沫轨迹图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹，并发送至车载计算机。

所述作物行机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集田间作物行图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取作物行中心线，获得轨迹偏离信息，并发送至车载计算机。

基于所述喷雾机械组合导航系统的喷雾机械组合导航方法，包括以下步骤： 

第一步：利用DGPS惯性组合导航装置对喷杆喷雾机定位，采集喷杆喷雾机初步位置信息，并发送至车载计算机；

第二步：利用喷幅边界机器视觉导航装置采集泡沫轨迹图像，对采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹信息，并发送至车载计算机；

第三步：利用作物行机器视觉导航装置采集作物行位置图像，对采集到的图像进行处理，提取轨迹偏离信息，并发送至车载计算机；

第四步：利用车载计算机对来自所述DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置所采集的信息进行集成，实现喷杆喷雾机的精确导航。

所述第二步和第三步中图像处理过程包括：图像预处理、分割图像、图像去噪、Hough变换、目标偏离信息提取、输出偏离信息。

一种喷雾机械组合导航系统及方法， 选取普通亚米级精度的DGPS惯性组合导航装置通过DGPS导航和惯性组合导航获得喷杆喷雾机的初步定位信息。喷幅边界导航装置由泡沫喷洒装置A1、泡沫喷洒装置B7和泡沫识别装置组成；泡沫喷洒装置A1和泡沫喷洒装置B7安装在喷杆5边缘，泡沫识别装置包括普通带网口的摄像头B2、摄像头C6和图像处理模块，摄像头B2和摄像头C6分别安装在泡沫喷洒装置A1和泡沫喷洒装置B7正上方。在田间喷杆喷雾机行驶到接近作物行末尾时，由泡沫喷洒装置A1或泡沫喷洒装置B7喷洒泡沫，为了区分泡沫和作物，选取一种与作物颜色差异很大的泡沫。换行时，通过对应摄像头B2或摄像头C6拍摄泡沫图像，传送至ARM图像处理单元，获取泡沫轨迹信息，判别目标偏离程度，并给出偏离信息，驾驶员收到信号后调整喷杆喷雾机的横向位置，使所用摄像头A(B)光轴对准泡沫轨迹，完成喷幅精确拼接，并对DGPS惯性组合导航装置采集的位置信息修正，以便下一步位置信息的提取。

作物行导航系统中，摄像头A4安装在可移动动力机械3的车轮上方，减少行走时的晃动干扰。实时采集作物行图像并传送至ARM图像处理单元，获取作物中心线位置，得到偏离轨迹信息，并传送给驾驶员，调整喷杆喷雾机的方向，使喷杆喷雾机对行行驶。

图像处理过程如下：图像预处理，提高目标和背景的对比度，更有利于提取信息；分割图像，将目标分离出来；去除噪声和杂点；Hough变换，获得作物行中心线图像或泡沫线轨迹；目标偏离判别，摄像头B2或摄像头C6的光轴是否对准泡沫轨迹或作物行中心。

所述喷雾机械组合导航系统，采取逐级递进导航：DGPS惯性导航粗定位——喷幅精确拼接——对行行驶，获取精确的喷幅边界信息。

本发明具有有益效果。本发明通过利用泡沫轨迹信息和作物行位置信息对DGPS导航信息进行修正，采用普通亚米级精度的DGPS导航装置实现厘米级精度田间导航，进行喷幅精确无缝拼接精准施药。

附图说明

图1是喷雾机械组合导航系统结构图

图2是图像处理流程 

图中：1泡沫喷洒装置A，2摄像头B，3可移动动力机械，4摄像头A，5喷杆，6摄像头C，7泡沫喷洒装置B，8喷头。 

具体实施方式

一种喷雾机械组合导航系统整体结构如图1所示，由喷杆喷雾机、泡沫剂喷洒装置和导航系统组成，导航系统包括与车载计算机直接相连的DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置，所述喷雾机的喷杆悬挂于可移动动力机械3后方，用于采集作物行信息图像的摄像头A4安装在可移动动力机械3的车轮上方，采集喷幅边界信息的摄像头B2和摄像头C6安装在喷杆两端，泡沫剂喷洒装置A1和泡沫剂喷洒装置B7分别安装在所述喷杆5上，并分别位于摄像头B2和摄像头C6的正下方。图1为了清楚表达，把泡沫喷洒装置A1与摄像头B2、泡沫喷洒装置B7与摄像头C6的位置稍微错开。可移动动力机械3可以为拖拉机、汽车、三轮车等。

喷幅边界机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集泡沫轨迹图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹，并发送至车载计算机。

作物行机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集田间作物行图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取作物行中心线，获得轨迹偏离信息，并发送至车载计算机。

一种基于所述喷雾机械组合导航系统的喷雾机械组合导航方法，包括以下步骤： 

第一步：利用DGPS惯性组合导航装置对喷杆喷雾机定位，采集喷杆喷雾机初步位置信息，并发送至车载计算机；

第二步：利用喷幅边界机器视觉导航装置采集泡沫轨迹图像，对采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹信息，并发送至车载计算机；

第三步：利用作物行机器视觉导航装置采集作物行位置图像，对采集到的图像进行处理，提取轨迹偏离信息，并发送至车载计算机；

第四步：利用车载计算机对来自所述DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置所采集的信息进行集成，实现喷杆喷雾机的精确导航。

所述第二步和第三步中图像处理过程包括：图像预处理、分割图像、图像去噪、Hough变换、目标偏离信息提取、输出偏离信息。

田间作业时，当可移动动力机械3即将行驶到作物行末尾时，由车载计算机控制泡沫喷洒装置A1或泡沫喷洒装置B7进行泡沫喷洒，至完成该行喷雾作业，然后驾驶员把可移动动力机械3转弯，开始另外一行的喷雾作业。DGPS导航惯性组合装置获得可移动动力机械3的初步位置信息，并传送至车载计算机。摄像头B2或摄像头C6采集泡沫轨迹图像，传送至图像处理模块处理，提取泡沫轨迹信息，传送到车载计算机，驾驶员收到信息后，调整可移动动力机械3的位置，直至摄像头B2或摄像头C6的光轴对准泡沫轨迹，同时也对DGPS导航惯性组合装置采集的位置信息进行了修正，以便位置信息的提取。通过安装在可移动动力机械3车轮上方的摄像头A4采集作物行图像，并传送至图像处理模块处理，提取作物行中心线位置信息，输出可移动动力机械3偏离信息并传送至车载计算机，驾驶员根据信息调整可移动动力机械3的位置，使可移动动力机械3进行喷幅精确无缝拼接精准施药，减少重喷、漏喷、越界喷等现象。

可移动动力机械3在田间作业时，为了区分泡沫和作物，选取一种与作物颜色差异很大的泡沫剂，标记喷幅边界位置。

也可以使光电报警装置或声音报警装置代替车载计算机作业，当可移动动力机械3位置偏离时，即根据偏离方向发出不同的报警信息。或者用一排LED显示灯，根据偏离距离，设定LED显示灯的显示数目。

喷幅边界的标记，也可以采用人工标记的方法，当可移动动力机械3行驶至作物行末尾时，由驾驶员下车，在喷幅边界做出明显标记，用摄像头B(C)对准标记，控制方向喷雾机械方向，实现喷幅精确拼接。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种喷雾机械组合导航系统，由喷杆喷雾机、泡沫剂喷洒装置和导航系统组成，其特征在于：所述导航系统包括与车载计算机直接相连的DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置，所述喷雾机的喷杆悬挂于可移动动力机械(3)后方，用于采集作物行信息图像的摄像头A(4)安装在可移动动力机械(3)的车轮上方，采集喷幅边界信息的摄像头B(2)和摄像头C(6)安装在喷杆(5)两端，泡沫剂喷洒装置A(1)和泡沫剂喷洒装置B(7)分别安装在所述喷杆(5)上，并分别位于摄像头B(2)和摄像头C(6)的正下方。

2.如权利要求1所述一种喷雾机械组合导航装置，其特征在于所述可移动的动力机械(3)包括拖拉机、汽车、三轮车等。

3.如权利要求1所述一种喷雾机械组合导航装置，其特征在于所述喷幅边界机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集泡沫轨迹图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹，并发送至车载计算机。

4.如权利要求1所述喷雾机械组合导航装置，其特征在于，所述作物行机器视觉导航装置包括：图像采集模块，用于采集田间作物行图像；图像处理模块，对图像采集模块采集到的图像进行处理，提取作物行中心线，获得轨迹偏离信息，并发送至车载计算机。

5.一种基于如权利要求1-4所述的喷雾机械组合导航装置的喷雾机械组合导航方法，其特征在于包括以下步骤： 

第一步：利用DGPS惯性组合导航装置对喷杆喷雾机定位，采集喷杆喷雾机初步位置信息，并发送至车载计算机；

第二步：利用喷幅边界机器视觉导航装置采集泡沫轨迹图像，对采集到的图像进行处理，提取泡沫轨迹信息，并发送至车载计算机；

第三步：利用作物行机器视觉导航装置采集作物行位置图像，对采集到的图像进行处理，提取轨迹偏离信息，并发送至车载计算机；

第四步：利用车载计算机对来自所述DGPS惯性组合导航装置、喷幅边界机器视觉导航装置和作物行机器视觉导航装置所采集的信息进行集成，实现喷杆喷雾机的精确导航。

6.如权利要求5所述的一种喷雾机械组合导航方法，其特征在于，所述第二步和第三步中图像处理过程包括：图像预处理、分割图像、图像去噪、Hough变换、目标偏离信息提取、输出偏离信息。