CN202331202U

CN202331202U - 一种基于dsp和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统

Info

Publication number: CN202331202U
Application number: CN 201120247161
Authority: CN
Inventors: 杨福增; 刘珊; 陈丽萍; 王元杰; 徐新星; 陈晨宗
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-07-11

Abstract

一种基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统，包括双目视觉导航子系统和远程监控子系统，双目视觉导航子系统包括图像采集装置、DSP图像处理装置和控制装置。图像采集装置即双目CCD摄像机将采集的模拟视频信号传至视频解码器，并转换为数字视频信号，由DSP图像处理装置运用双目视觉技术处理，获得导航路径和障碍物的三维坐标，经过摄像机标定获得导航参数，输出给控制装置，即由单片机解码将控制信号传至液压系统，进而控制相应液压油路的通断以实现微型农业机械的前进、左右转向及机具升降。同时，还可以实时地将图像信息无线传至远程PC机，若出现突发状况(如自动导航系统失灵、前方有障碍等)，用户可远程控制机械。

Description

一种基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种农业机械的导航系统，尤其涉及一种适用于微型农业机械的基于DSP和双目视觉的导航与远程监控系统，可实现微型农业机械在田间的自主行走和用户的远程监控。

背景技术

我国是一个发展中的农业大国，近年来，虽然我国农业机械化水平已大幅提高，但智能化水平仍然较低，由于农田劳动环境恶劣，广大农民依然面临着劳动强度大、劳动条件恶劣、劳动效率低的困难。据统计，我国的稻谷、小麦等主要农作物的生产成本中，人工费用平均占到45％，而发达国家农产品人工费用不到10％。因此，采用智能农业机械导航系统代替人工操作具有不可言喻的优越性。目前，机器视觉技术已经较成熟地应用于工业、军事领域，在农业领域的关注也越来越广泛，但以单目视觉技术为主，其只能获得目标物的二维信息，而双目视觉具有高效率和高精度的优点，能够获得目标物的深度信息，为克服农田作业环境复杂、不确定因素多等困难提供了技术依据。

而且，农田作业环境的复杂多变，要求农业导航系统具有更高的实时性和精准性，这使得农业机械导航系统比一般工业机器人的应用难度更大，并对核心处理器提出了更高的要求。硬件装置作为各种技术的载体，其水平直接影响到系统的整体性能。传统的基于PC机的机器视觉系统体积庞大，功耗高，实时性较差，因此多用于算法研究和仿真；DSP即数字信号处理技术成熟的信号处理芯片因具有强大的处理能力和高运行速度，且体积小、功耗低，其技术和结构特性方面均比通用PC机具有较大的优势，能够满足在复杂的农田环境下进行大量的实时数据处理的需求，更有专门用于视频图像处理的DSP处理芯片，可以更加快速、准确地实现农业机器人导航。

因此本实用新型提出了一种能够满足农田路径导航实时性和精确度要求的基于DSP的微型农业机械导航系统，且与远程监控系统相耦合，能更好地保障农业机械工作的安全性和准确性。

发明内容

为了能够适应机电一体化的发展，实现农业机械的智能化，本实用新型提供了一种适用于微型农业机械的基于DSP的双目机器视觉导航与远程监控系统，可实现微型农业机械在田间的自主行走，或配备不同机具完成开沟、施肥、除草等作业，更有远程监控系统与之耦合，操作简便，安全可靠。

一种基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统，包括双目视觉导航子系统和远程监控子系统，其中双目视觉导航子系统包括三部分：图像采集装置、DSP图像处理装置和控制装置。图像采集装置即双目CCD摄像机采集到的模拟视频信号，传至视频解码器，将其转换为数字视频信号，由DSP图像处理装置处理图像，采用双目视觉技术，最终获得导航路径和障碍物的三维坐标，经过摄像机标定获得导航参数，并输出给控制装置，即由单片机经过解码将控制信号传输给液压驱动装置，进而控制相应液压油路的通断以实现农业微型机械的前进、左右转向以及机具的升降，同时还可以实时地将现场的图像信息无线传输给远程PC机，若出现自动导航系统失灵等突发状况，可以人为远程控制微型农业机械。

双目视觉导航子系统由以下三部分构成：

图像采集装置，包括两个CCD摄像机和两片视频解码器。视频解码器将CCD采集到的模拟视频数据转换为适用于图像处理的数字视频，作为DSP图像处理装置的输入信号。

DSP图像处理装置，包括DSP核心处理器、电源模块、外部数据存储器、FLASH单元以及视频编码器等外设单元。其中，图像处理算法的核心代码固化在FLASH单元中。

控制装置，包括1片单片机控制器和液压驱动装置。DSP图像处理装置将导航参数输出给单片机，由单片机经过解码将控制信号传输给液压驱动装置，进而控制相应液压油路的通断以实现农业微型机械的前进、左右转向以及机具的升降。

系统上电后，首先由DSP处理器对视频编解码器、FLASH单元、外部存储器等外设单元进行初始化，然后由两个CCD摄像机采集到的图像经过视频解码器解码存储到DSP的高速缓存中，DSP处理器通过中断请求一边从缓存中读取图像数据一边处理数据，处理数据时，运用双目视觉技术，从两个视点观察同一场景，以获取不同视角中的图像，在完成摄像机标定后，利用三角测量原理，经过立体匹配、深度信息提取及三维重建，解决两幅图像的像素点之间的对应关系，从而得到导航参数和障碍物的三维坐标，同时将图像数据存储到外部存储器，经过视频编码后用于远程传输。经过图像处理获得的导航参数传输给控制装置，从而实现微型农业机械的自主导航。

远程监控子系统包括无线数传模块、无线网桥模块、监控PC机等，该子系统可以远程传输两种信号：图像信号和控制信号。存储在DSP中的数字视频数据经过视频编码器编码，由前端无线网桥远程传输给PC机端的后端网桥，并显示在PC端的人机界面，当出现自动导航系统失灵等突发状况时，用户可通过人机界面发送控制命令，控制信号由无线发射模块发射，微型农业机械端的无线接收模块接收，然后传输给控制装置，实现对农业机械的远程控制。

综上所述，本实用新型提供的微型农业机械导航与远程监控系统，可实现微型农业机械在田间的自主行走，并对其进行远程监控。选用DSP高速图像处理器，满足了本实用新型对实时性的要求；采用双目视觉技术，实现了在获取导航路径的同时得到障碍物的深度信息，提高了导航的准确性；与远程监控装置耦合，可以实时监控机械的作业情况，增加了整个系统的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本实用新型。

图1是本实用新型的总体结构框图。

图2是本实用新型的系统示意图。

图3是本实用新型双目视觉导航子系统的结构框图。

图4是本实用新型远程监控子系统的示意图。

图中，1为双目视觉图像采集装置，2为控制装置，3为DSP图像处理装置，4为远程监控装置，5为远程监控子系统，6为双目视觉导航子系统，7为CCD摄像机，8为视频解码器，9为DSP处理器及其外设电路板，10为单片机控制器及其外围电路，11为液压系统，12为远程监控PC机，13为无线接收模块，14为无线发送模块，15为后端无线网桥，16为前端无线网桥，17为天线，18为视频编码器。

图1为本实用新型的总体结构框图。本实用新型包括四个部分：图像采集装置、DSP图像处理装置、控制装置和远程监控装置。由图像采集装置采集农田环境信息并进行视频解码，DSP图像处理装置处理采集到的图像信号，将得到的导航参数传至控制装置，由单片机驱动液压系统，进而控制相应液压油路的通断以实现微型农业机械的前进、左右转向等动作；同时，用户还可以通过无线远程监控装置对微型农业机械进行远程监控。

图2为本实用新型的系统示意图。本实用新型包括微型农业机械端的双目视觉导航子系统和远程监控子系统，双目视觉导航子系统包括图像采集装置、DSP图像处理装置和控制装置，远程监控子系统包括监控PC机、无线数传模块和无线网桥模块等。双目视觉导航子系统安装于微型农业机械，DSP图像处理装置将采集到的图像数据进行处理，输出导航参数，传至控制装置，进而控制机械动作，实现微型农业机械在田间的自动导航，并可配备不同机具进行开沟、喷药、除草等作业。

图3为本实用新型双目视觉导航子系统的结构框图。该子系统包括：2个CCD摄像机、2个视频解码器、DSP核心处理器及其外设单元、单片机控制器和液压系统。以DSP处理器为核心，视频解码器与处理器的VP口相连，CCD摄像机接到视频解码器，外部存储器与FLASH单元通过EMIF总线与处理器相连，单片机控制器通过串口与处理器通信。

图4为本实用新型远程监控子系统的示意图。该子系统包括：监控PC机、无线数传模块、前后端无线网桥等。前端无线网桥与视频编码器相连，后端网桥通过RJ45与监控PC机相连，构成图像信号无线传输网络；无线数传发射模块与监控PC机通过RS232接口相连，在微型农业机械端，无线数传接收模块通过RXD和TXD两通用口与单片机控制器相连，构成控制信号无线传输网络。

具体实施方式

如图1，本实用新型由四部分组成：图像采集装置、DSP图像处理装置、控制装置和远程监控装置。图像采集装置由CCD摄像机和视频解码器组成，DSP图像处理装置由DSP处理器及其外设单元组成，控制装置由单片机和液压系统组成，远程监控装置由监控PC机、无线数传模块和无线网桥模块组成。系统上电后，首先由DSP处理器对各个外设单元进行初始化，然后由两台CCD摄像机同时采集农田路径信息，由视频解码器进行解码，将PAL制模拟视频信号转换为数字视频信号，传至DSP图像处理装置的高速缓存中等待处理；图像处理核心代码固化在DSP的FLASH单元中，DSP处理器通过中断请求一边从缓存中读取图像数据一边处理数据，并存储图像数据；处理的最终结果是得到导航参数，传至单片机控制器，单片机经过解码将控制信号传至液压驱动系统，控制相应液压油路的通断以实现农业微型机械的前进、左右转向等动作；图像数据经过视频编码器编码，由前端无线网桥发送给PC机端的后端网桥，当出现突发状况时，用户可以通过人机界面发送控制命令，由无线发射模块发送给接收模块，传至单片机，控制液压系统，实现远程监控。

如图2，本实用新型包括：双目视觉导航子系统和远程监控子系统。双目视觉导航子系统安装于微型农业机械，通过图像采集、图像处理获得导航参数，控制信号由单片机传至液压驱动系统，进而控制农业机械相应液压油路的通断以实现其前进、左右转向以及机具的升降；而远程监控端起到辅助作用，在导航子系统失灵等不能正常工作的情况下，远程操作农业机械。

如图3为本实用新型的双目视觉导航子系统，其实现的主要功能为：采集图像，处理图像，得到导航参数，由单片机解码，控制液压驱动系统，实现农业机械的动作。该子系统是一个完整的系统，对不同农业机械具有普遍适用性，可安装于不同的机械，通过对核心代码稍作修改，即可实现不同的功用。该子系统是本实用新型的主要控制部分，完全自主导航大大减轻了劳动力，提高了农业机械的自动化水平。

如图4为本实用新型的远程监控子系统，包括图像信号无线传输网络和控制信号无线传输网络。图像信号的实时传输，使用户可以随时了解农业机械的工作情况；当机械无法正常工作时，用户可通过人机界面发送控制命令，直接控制机械动作。该子系统是本实用新型的辅助控制部分，将完全自主导航与半自主导航相结合，提高了本实用新型的安全性和实用性。

按照本实用新型的说明，根据具体工作需要修改核心代码，烧录到DSP的FLASH单元中，将双目视觉导航子系统安装于微型农业机械，通过无线模块连接监控PC机。使用时，系统经电启动便可实现自主导航，并可根据需要配备不同的机具实现开沟、施肥、除草等作业。

Claims

1.一种基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统，包括双目视觉导航子系统和远程监控子系统，其中双目视觉导航子系统包括三部分：图像采集装置、DSP图像处理装置和控制装置，其特征是：图像采集装置即双目CCD摄像机将采集到的模拟视频信号传至视频解码器，并转换为数字视频信号，由DSP图像处理装置处理图像，采用双目视觉技术，最终获得导航路径和障碍物的三维坐标，经过摄像机标定获得导航参数，并输出给控制装置，即由单片机经过解码将控制信号传输给液压驱动装置，进而控制相应液压油路的通断以实现农业微型机械的前进、左右转向以及机具的升降，同时，还可以实时地将现场的图像信息无线传输给远程PC机，若出现自动导航系统失灵等突发状况，可以人为地远程控制微型农业机械。

2.根据权利要求1所述的基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统，其特征在于所述的双目视觉导航子系统包括：2个CCD摄像机、2片视频解码器、1片DSP核心处理器、电源、外部存储器、FLASH、1片视频编码器、1片单片机控制器和液压驱动装置。

3.根据权利要求2所述的基于DSP和双目视觉的微型农业机械导航与远程监控系统，其特征在于所述的双目视觉导航子系统，以DSP处理器为核心，由两个CCD摄像机采集到的图像经过视频解码器解码存储到DSP的高速缓存中，DSP处理器通过中断请求一边从缓存中读取图像数据一边处理数据，同时将图像数据存储到外部存储器，经过视频编码后，通过前后端网桥进行远程传输，用于远程监控。