农业机械视觉导航系统技术研究

1、2007年9月 农 机 化 研 究 第9期农业机械视觉导航系统技术研究伦冠德（潍坊学院 机电工程系，山东 潍坊 261061）摘 要：机器视觉导航技术是农业机械装备中应用智能控制的重要研究方向。为此，分析了机器视觉信息处理的主流理论框架模型及其存在的不足，提出了一种改进了的机器视觉信息处理的农业机械导航视觉系统结构，并探讨了农业机械机器视觉导航系统的特点及其关键技术。农业机械机器视觉导航研究具有广阔的发展前景。关键词：计算机应用；机器视觉；综述；农业机械；导航中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1003188X(2007)090235030 引言机器视觉是指由人类设计并在计

2、算机环境下实现的模拟或再现与人类视觉有关的某些智能行为的技术。研究机器视觉的目的是要实现对人类视觉的模拟和延伸，完成对物体的形状和类别的识别1。机器视觉技术目前已应用于许多领域，随着计算机技术和信息采集与处理技术的发展，机器视觉在自走式农业机械的田间自动导航系统的研究，成为探索在农业机械装备中应用智能控制等高新技术研究的重要方向。1 机器视觉信息处理根据麻省理工学院的Marr教授创立的视觉计算理论，视觉可以看作是从三维环境的图像中抽取、描述和解释信息的过程。它可以划分为6个主要部分:感知、预处理、分割、描述、识别和解释。再根据实现上述各种过程所涉及的方法和技术的复杂性将它们归类，可以分为3个处

3、理层次2，3，如图1所示。图1 Marr框架的三级表达分解1.1 视觉信息处理分类1) 早期视觉处理：目的是抽取观察者周围景物表面的物理特性，提供了图像中各物体轮廓的信息，是物体图像特征的集合，称这种二维表达为基素表达。2) 中期视觉处理:它是在以观察者为中心的坐标系中描述目标表面的取向、边界、深度等特性。根据这些描述，可以重建物体边界，按表面和体积分割景物；但在以观察者为中心的坐标系中只能得到可见表面的描述，得不到遮挡表面的描述，称为二维半表达。3) 后期视觉处理：用二维半表达中得到表面信息建立适用于视觉识别的三维形状描述，这个描述与观察者的视角无关，是在以物体为中心的坐标收稿日期：2006

4、-10-15作者简介：伦冠德（1969-）,男，山东潍坊人，讲师，工学硕士，(E-mail)guandelun。系中描述三维物体的形状及其空间组织。 1.2 存在的问题Marr理论使得人们对视觉信息的研究有了明确的内容和较完整的基本体系，是这一领域研究的主流理论框架，但是它也存在着一些问题。1) Marr框架将视觉处理的早期感知看成是被接受信号的过程，给什么图像，系统就处理什么图像。这与生物视觉系统不符，人类视觉是主动的，对外界刺激不是简单的被动反应，而是有选择地感知有兴趣的信息。2) Marr框架立足于建立通用视觉模型，不针对具体问题，为了保证通用性和可计算性必须采用一些简单的通用假设和基本

5、约束，而正是这些不现实的模型假设制约了机器视觉的发展。目前的计算机和传感器还远未达到生物视觉处理具备的高速并行计算能力、丰富的视觉感知能力和知识推理能力，因此试图建立一种不基于具体目的的通用机器视觉- 235 -2007年9月 农 机 化 研 究 第9期 系统是不现实的。3) Marr框架认为视觉任务就是由2D图像恢复3D场景，但是由于成像过程中存在的种种畸变和干扰，使作为成像过程逆过程的视觉过程极为困难。而且真实世界极为复杂，用高度结构化的描述做出3D模型的精确表达也是十分困难的，甚至是不可能的。因此，视觉任务不应总以恢复3D场景为目标，在很多情况下并不需要建立3D模型。的描述，主要采用针对

6、不同类别导航特征的改进Hough变换算法抽取导航特征，得到导航信息的非图像表达。图像理解在图像分析的基础上，进一步研究图像中目标的性质和它们之间存在的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，主要是根据摄像机与导航特征的几何关系进行坐标变换，得到农业机械相对于导航基准的横向位置偏差和方向角误差。3 结构特点及关键技术3.1 结构特点农业机械是根据探测到的路径信息，沿适当轨迹到达路径，并跟踪路径进行农田作业。因此，可以将导航过程分为两个阶段：一是农业机械由初始状态到达导航基准；二是跟踪导航基准作业，可将整个导航过程称为导航规划。以导航规划为核心的农业机械机器视觉导航系统，主要

7、的构成元素包括导航传感器、农业机械的运动模型、导航规划器和转向控制器。导航传感器除机器视觉传感器以外，还有提供如当前速度和导向轮角度这样的农业机械状态信息传感器。传感器输出的信号将农业机械的状态信息分别提供给农业机械运动模型和转向控制器，机器视觉传感器则采集农作物行、田垄、犁沟、已收割作物的边缘等导航信息，将采集到的视觉信息进行处理。通过导航特征的抽取、识别和理解，得到导航基线以及当前的横向位置和方向角误差送给导航规划器。导航2 机器视觉信息处理的改进农业机械导航机器视觉系统的信息处理工作过程是指获得图像并产生导航基准的过程，就是根据导航任务这一目标，在有关农业作业环境和导航特征的知识的指导下

8、，用机器视觉传感器进行图像的采集，由图像采集卡采样和量化得到一个由灰度值组成的二维矩阵数字图像送入计算机，在计算机中对数字图像进行处理、分析和理解，最终得到在作业环境中农业机械位姿信息的过程。农业机械导航视觉信息的处理过程，如图2所示2。图2 农业机械导航视觉信息处理过程作业环境导航特征先验知识规划器用于规划农业机械运行的路径，由农业机械运动模型可以得到当前车辆的运动状态，综合当前农业机械位姿状态和运动状态进行规划产生适当的操向角使农业机械在期望的轨迹上运行。转向控制器根据导航规划器给出的操向角控制信号、农业机械的当前状态和运动状态，控制农业机械的转向系统，使其产生适当的转向角度。4图像处理着

9、重强调在图像间进行变换，使图像中有效信息得到增强，主要采用低通滤波，直方图处理等方法，扩展导航图像特征的动态范围，滤除干扰。图像分析则主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得其客观信息从而建立对图像路径控制农业机械图3 农业机械及其视觉系统结构- 236 -2007年9月 农 机 化 研 究 第9期 3.2 需要解决的关键问题1) 视觉信息处理。对于农业机械来说，对周围环境的感知主要是靠视觉信息传感器，是整个导航系统的信息源泉。因此，视觉信息能否正确、实时地处理对导航系统具有决定性的作用，是研究中关键的技术之一。由于是室外自然光线下作业，而且图像处理的对象是分散、不规则、复杂程度很大的

10、自然物，这就要求图像处理算法的效率和鲁棒性能够适应复杂多变的自然环境条件下图像实时处理的要求。目前，视觉信息处理的内容主要包括:图像的增强和滤波、图像的分割和压缩、区域表达和边界描述、图像数学形态学处理以及图像特征的抽取、分析和理解等。2) 导航规划。导航规划是导航控制系统核心，要综合农业机械行驶的速度，车辆相对导航基准的初始姿态，当前导向轮角度等运动状态和当前位姿误差做出迅速、准确的判断和决策，使农业机械完成各个阶段的导航目标。在同一初始条件下导航，到达导航基准有多条路径可以选择，阶段目标在于快速到达基准，消除位置偏差。到达基准后，在纠正相对于基准的位置误差的同时为保证农业车辆工作装置平稳作

11、业，应尽量保持车辆姿态与导航基准一致，减少由于微小位置误差引起的反复调整，避免过度控制。这就需要采用多种控制策略，基于车辆运动的连续性，在控制律的切换过程中需要平滑的过渡，整个导航规划的过程是一个非线性过程。3) 转向控制系统，需要快速准确地完成操向控制指令，通过执行机构完成转向。与室内移动机器人或是路面自动导航智能车辆不同的是农业机械既有可能在路面上跑运输，又有可能在田间作业，转向控制器需要考虑车辆导向轮与地面之间相互作用的影响，能够适应各种不同的地面条件。目前，农业机械上较多采用的是全液压转向，转向控制系统一般是在现有转向系统上改制的电液控制系统。因此，在转向控制器的设计中还需要考虑到液压

12、系统的动态特性。4 结束语农业机械机器视觉导航是当今智能农业机械领域的一个研究热点，也是机器视觉和人工智能应用的一个重要领域。视觉导航研究涉及了农业机械、人工智能、图像处理、自动控制等诸多学科，在自动喷洒农药肥料、收割作业、中耕除草、插秧耕作等许多方面有着重要的意义和广阔的发展前景。 参考文献：1 邓继忠,张泰岭,石 江.机器视觉技术在农业机械中的应用J.农机化研究,2001(2):91-93. 2 杨为民.农业机械机器视觉导航研究D.西安:西安交通大学,2003.3 傅雷鸣,薛金林.计算机视觉技术及其在农业机械中的研究与应用J.中国农机化,2004(6):62-64. 4 杨为民.农业机械机

13、器视觉导航研究J.农业工程学报,2004,20(1):160-165.The Study for Agriculture Machinery Vision Guidance System TechniqueLUN Guan-de(Mechanical and Electrical Engineering Department, Weifang University, Weifang 261041, China)Abstract: It was an important study direction to apply the technology of machine vision guida

14、nce in intelligence control for agriculture machinery equipment. The paper analyzed the information processing and the deficiency to the machine visual mainstream theory frame model, proposed a structure for agriculture machinery guidance vision system based on improved machine visual information processing, and discussed the characteristic and the essential technology for agriculture machinery machine vi