CN209657154U - 一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统 - Google Patents
一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，包括高清CCD相机，高性能PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、转向电机、制动电机、转向执行机构和制动执行机构。其特征在于：所述的高性能PC对高清CCD相机所获取的图像进行处理，若果树行间存在障碍物，主控制器将会控制制动电机使车辆紧急制动；若不存在障碍物，高性能PC将进一步提取出用于实现车辆自动导航的控制参量，主控制器通过模糊PID控制转向电机使车辆转角达到目标值，实现车辆在果园行间的自动导航。本实用新型在非结构化果园中可以准确判断行间是否存在障碍物，同时可以快速定位车辆当前位置，实现车辆自主行走作业，降低了系统成本，提高了工作安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种非结构化果园自动导航系统，具体涉及一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，属于果园农业机械控制领域。
背景技术
随着农业产业结构不断优化调整，水果生产已经成为了农民增收致富的重要途径。中国的水果生产在世界上位居前列。这不仅仅体现在种植面积上，也体现在水果产量上。但是，我国果园机械化作业的起点与欧美各国相比较低，基础与欧美各国相比略显薄弱，发展较为缓慢。
20世纪80年代以来，计算机和信息技术迅猛发展，农业机器人已成为智能农机装备和精准农业的重要组成部分。自动导航系统集成了环境感知、精准定位和路径规划等功能，可使机械在无人操控的情况下实现多功能作业，提高了果园作业效率和质量，降低了劳动成本，该项技术是实现现代化果园的重要途径之一。
GNSS是一种典型的全局定位方法，用户可在果园车辆上配备一台高精度GNSS来实现自动导航。但是对于非结构化果园，由于果树树冠密集，卫星信号受到极大干扰，使作业机械可能失控，系统安全性能受到极大影响。激光扫描仪由于其在复杂、未知的环境中具备精细的环境感知能力，被广泛应用于导航定位中，但是由于其本身存在着获取特征信息较少的缺陷，在非结构化果园中，会受到行间杂草和障碍物等影响，无法准确获得导航信息，造成导航系统的稳定性和避障能力下降。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题与缺陷，本实用新型提供了一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，该系统能有效克服GNSS传感器和激光扫描仪在非结构化果园中存在的局限性，同时CCD相机具有获取信息全面、价格低等优势，能够在市场大范围内普及。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，是由高清CCD相机，高性能PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、转向电机、制动电机、转向执行机构和制动执行机构组成，其特征在于：所述的高清CCD相机通过螺栓连接安装在果园车辆的前端，所述的高清CCD相机与高性能PC通过USB串口进行通信，所述的霍尔编码器安装在车辆前轮轴上并与主控制器相连，所述的转向电机和制动电机分别安装在车辆转向执行机构和车辆制动执行机构上，并分别与电机驱动器相连，所述的电机驱动器与主控制器相连，所述的主控制器与高性能PC通过RS232双向连接。
所述的主控制器由转向控制模块、制动控制模块、存储模块和通信单元组成，所述的高性能PC包括操作系统、存储单元、GPU和CPU微处理器单元和GUI监控界面。
本实用新型基于上述组成，其工作原理是：果园车辆在果树行间行走作业时，CCD相机采集果树行间图像信息，由高性能PC对所采集的图像信息进行处理，首先判断果树行间是否存在障碍物，若存在障碍物，主控制器将会控制制动电机转动，使车辆紧急制动；若不存在障碍物，高性能PC将进一步提取出用于实现车辆自动导航的控制参量，并将解算出的车辆目标转向角传输给主控制器，编码器采集车辆当前前轮转角信息并传输给主控制器，主控制器通过模糊PID控制将转角信息转换成控制信号输出给电机驱动器，驱动器通过控制转向电机转动从而带动车辆转向执行机构动作，使车辆转角达到目标值，从而实现车辆在果园行间的自动导航。
本实用新型一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导系统的有益效果是：所提供的基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导系统可以使车辆在非结构化果园中准确判断行间是否存在障碍物，是否需要采取紧急制动策略，同时可以快速定位车辆当前位置并拟合出导航基准线，实现了果园车辆的自主行走作业，降低了系统成本，提高了工作的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本实用新型一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统结构框图。
图2为本实用新型一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统数据处理及控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本实用新型作更进一步的说明。
一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，是由高清CCD相机，高性能PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、转向电机、制动电机、转向执行机构和制动执行机构组成，其特征在于：所述的高清CCD相机通过螺栓连接安装在果园车辆的前端，所述的高清CCD相机与高性能PC通过USB串口进行通信，所述的霍尔编码器安装在车辆前轮轴上并与主控制器相连，所述的转向电机和制动电机分别安装在车辆转向执行机构和车辆制动执行机构上，并分别与电机驱动器相连，所述的电机驱动器与主控制器相连，所述的主控制器与高性能PC通过RS232双向连接。
本实用新型通过CCD相机采集的图像数据，获取果园行间障碍物信息和导航基准线。
CCD相机将采集得到的图像信息通过USB串口传给高性能PC，高性能PC对所获取的图像进行预处理，采用SSD算法对行间障碍物信息进行检测，判断是否存在障碍物，若存在障碍物，主控制器将会控制制动电机转动，使车辆紧急制动；若不存在障碍物，高性能PC将对图像信息进行进一步处理。
首先利用同态滤波和中值滤波技术对图像中阴影和噪点进行去除，其次利用k-means算法对图像进行分割，提取出感兴趣区域，再利用Candy算子对经过开运算填充处理后的感兴趣区域进行边缘检测，获得离散点数据，最后通过Hough变换拟合出导航基准线即果树行间中心线，并结合车辆自身位置，解算出用于车辆自动导航的控制参量，并将目标转向角传输给主控制器。
霍尔编码器采集车辆当前前轮转角信息并传输给主控制器，主控制器通过模糊PID控制将转角信息转换成控制信号输出给电机驱动器，驱动器通过控制转向电机转动从而带动车辆转向执行机构动作，使车辆转角达到目标值，从而实现车辆在果园行间的自动导航。
Claims (3)
1.一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，包括高清CCD相机，高性能PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、转向电机、制动电机、转向执行机构和制动执行机构，其特征在于：所述的高清CCD相机通过螺栓连接安装在果园车辆的前端，所述的高清CCD相机与高性能PC通过USB串口进行通信，所述的霍尔编码器安装在车辆前轮轴上并与主控制器相连，所述的转向电机和制动电机分别安装在车辆转向执行机构和车辆制动执行机构上，并分别与电机驱动器相连，所述的电机驱动器与主控制器相连，所述的主控制器与高性能PC通过RS232双向连接。
2.据权利要求1所述的一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，其特征在于：所述的主控制器由转向控制模块、制动控制模块、存储模块和通信单元组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的非结构化果园车辆自动导航系统，其特征在于：所述的高性能PC包括操作系统、存储单元、GPU和CPU微处理器单元和GUI监控界面。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112824991A (zh) * | 2019-11-21 | 2021-05-21 | 西北农林科技大学 | 一种基于bds的拖拉机整地作业越界预警系统 |
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