CN106017477A - 一种果园机器人的视觉导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种果园机器人的视觉导航系统，包括导航基准线识别模块，二维码定位模块，超声波避障模块和单片机控制模块四部分。本发明将基于自然环境进行导航基准线识别与基于二维码标识进行定位相结合进行视觉导航，采用超声波传感器进行安全避障，最后由单片机对果园机器人进行行走控制。本发明对于降低导航成本、解决单纯基于自然环境进行视觉导航在果园地头转弯适应性差的问题，以及提高导航的可靠性与实用性具有重要意义。

Description

一种果园机器人的视觉导航系统
技术领域
本发明属于果园机器人导航领域，涉及一种导航系统，特别是涉及一种果园机器人的视觉导航系统。
背景技术
我国是果品生产大国，但目前果园作业的自动化智能化程度仍然较低，果园作业仍以人力为主，劳动强度大，生产率低，极大制约了我国果品经济的发展。现阶段，智能农业装备的研究越来越受到关注，而自主导航是智能农业装备中研究的关键。果园环境中，由于果树枝叶的阻挡，GPS导航定位效果较差；激光导航易受环境影响，误差较大；电磁导航成本过高；视觉导航由于检测范围大，获取信息丰富，对于特定的果园环境有较好的适用性，但单纯依靠自然景物提取导航基准线极容易容易受到外界因素的影响，可靠性欠缺，因此引入人工标志进行视觉识别对于提高视觉导航的可靠性很有必要。二维码可人为设定需要的信息，且识别效果好可靠性高，而在果园环境中人工添加二维码标识牌并不复杂，成本较低，因此将基于自然环境进行导航基准线识别与基于二维码标识进行空间定位相结合，即采用二维码标识信息来判断果园机器人的空间行走信息，采用自然环境中提取的导航基准线信息用于确定果园机器人每一步该如何走，将两者结合起来进行视觉导航的研究，对于提高果园机器人视觉导航的可靠性与实用性，以及果园智能机器人的未来发展具有重要意义。
发明内容
本发明针对果园环境，公开了一种新的导航系统。此种导航系统基于机器视觉，采用二维码标识进行环境定位，大大的提高了导航的可靠性与实用性。
实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种果园机器人的视觉导航系统，包括：导航基准线识别模块，二维码定位模块，超声波避障模块和单片机控制模块。
导航基准线识别模块：由安装在果园机器人前端中心处的CCD摄像头实时采集包含果园路径的环境图像，经数字图像处理器DSP对其进行灰度化、阈值分割、形态学处理后，提取出果园环境图像中路径左右两侧的边缘信息，利用hough变换拟合出两侧的边缘直线，再采用中心线法求出两侧边缘直线的中心线，即为道路中心线也即导航基准线，最后结合摄像机的标定参数，将图像中的导航基准线参数转换为实际环境中的导航参数即航向角θ，并把θ传送到单片机控制模块。
二维码定位模块：将由果园环境的位置坐标信息生成的二维码打印为A3大小，贴在1.1米高的标识牌上，沿着果树行每隔5米均匀布置，并与果园道路中线成固定角度安放。USB摄像头由PC驱动，安装在果园机器人侧面，与二维码标识牌相对，实时采集二维码相关的图像信息，在PC中经图像预处理后对二维码进行识别得出果园机器人在果园环境中的位置坐标信息，并将该位置坐标信息映射为“直行”“地头左转”“地头右转”的命令信息，最后将命令信息传递到到单片机控制模块。
超声波避障模块：将超声波传感器安装在农业机器人的最前端，用于实时反馈前方的障碍物信息，并将障碍物信息传送到单片机控制模块，控制模块以最高优先级来处理障碍物信号，进行安全预警，以保障农业机器人导航的安全性与可靠性。
单片机控制模块：由STM32单片机通过串口通信接收导航基准线识别模块中DSP实时图像处理后传送来的导航参数即航向角θ、二维码定位模块中PC机传送来的“直行”“地头左转”“地头右转”的命令信息以及超声波避障模块中超声波传感器传送来的障碍物信息，然后，STM32单片机将接收到的信息进行融合处理，采用PID控制器，通过改变PWM波的占空比来控制驱动电机，改变果园机器人左右两驱动轮的速度实现直行、转弯以及停车操作，进而实现果园机器人在果园环境中的自主行走。
本发明的有益效果为：
(1)在果园机器人导航中引入二维码定位模块，通过二维码标识识别进行果园机器人定位，成本低实用性强，解决了传统导航中机器人定位代价高的问题。
(2)在视觉导航中兼并自然环境识别与人工标志识别，解决了单纯基于自然环境进行视觉导航在果园地头转弯适应性差的问题，提高了导航的可靠性与实用性。
(3)通过超声波传感器感知道路的障碍物信息，并进行安全预警，保障了果园机器人视觉导航的安全性与可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例的总体结构框图；
图2是DSP系统工作流程图；
图3是单片机系统控制流程图，其中θ为自然环境识别模块中提取的导航参数即航向角信息，“直行”“地头左转”为二维码定位模块中求取出来的空间行走的命令信息。
具体实施方式
CCD摄像头安装在果园机器人前端中心处，以一定的角度倾斜向下，负责采集果园路径相关的图像信息，并由数字图像处理器DSP进行实时处理后，提取导航基准线信息，结合摄像机的标定参数，最终确定实际环境中果园机器人的导航参数即航向角θ，并把θ传送到单片机控制模块。USB摄像头安装在果园机器人的侧面，与人工布置好的二维码标识牌相对，负责采集二维码相关的图像信息，并由PC机对二维码图像信息进行识别处理得出相关的“直行”、“地头左转”、“地头右转”的命令信息，最后将命令信息传递给单片机控制模块。超声波传感器安装在农业机器人的最前端，用于实时反馈前方的障碍物信息，并将障碍物信息传送到单片机控制模块。单片机控制模块将接收到的信息融合处理，采用PID控制器，通过改变PWM波的占空比来控制驱动电机，改变果园机器人左右两驱动轮的速度实现直行、转弯以及停车操作，进而实现果园机器人在果园环境中的自主行走。
上面以具体实施例予以说明本发明的结构及工作原理，本发明并不局限于以上实施例，根据上述的说明内容，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种果园机器人的视觉导航系统，其特征在于，包括导航基准线识别模块，二维码定位模块，超声波避障模块和单片机控制模块四部分；
其中所述导航基准线识别模块：由安装在果园机器人前端中心处的CCD摄像头实时采集包含果园路径的环境图像，经数字图像处理器DSP对其进行灰度化、阈值分割、形态学处理后，提取出果园环境图像中路径左右两侧的边缘信息，利用hough变换拟合出两侧的边缘直线，再采用中心线法求出两侧边缘直线的中心线，即为道路中心线也即导航基准线，最后结合摄像机的标定参数，将图像中的导航基准线参数转换为实际环境中的导航参数即航向角θ，并把θ传送到单片机控制模块；
所述的二维码定位模块：将由果园环境的位置坐标信息生成的二维码打印为A3大小，贴在1.1米高的标识牌上，沿着果树行每隔5米均匀布置，并与果园道路中线成固定角度安放；USB摄像头由PC驱动，安装在果园机器人侧面，与二维码标识牌相对，实时采集二维码相关的图像信息，在PC中经图像预处理后对二维码进行识别得出果园机器人在果园环境中的位置坐标信息，并将该位置坐标信息映射为“直行”“地头左转”“地头右转”的命令信息，最后将命令信息传递到到单片机控制模块；
所述的超声波避障模块：将超声波传感器安装在农业机器人的最前端，用于实时反馈前方的障碍物信息，并将障碍物信息传送到单片机控制模块，控制模块以最高优先级来处理障碍物信号，进行安全预警，以保障农业机器人导航的安全性与可靠性；
所述的单片机控制模块：由STM32单片机通过串口通信接收导航基准线识别模块中DSP实时图像处理后传送来的导航参数即航向角θ、二维码定位模块中PC机传送来的“直行”“地头左转”“地头右转”的命令信息以及超声波避障模块中超声波传感器传送来的障碍物信息，然后，STM32单片机将接收到的信息进行融合处理，采用PID控制器，通过改变PWM波的占空比来控制驱动电机，改变果园机器人左右两驱动轮的速度实现直行、转弯以及停车操作，进而实现果园机器人在果园环境中的自主行走。
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