PDF《电驱锄草机器人系统设计与试验》

6 I l l u s t r a t i o no f v i s i o ns y s t e m

1 . 相机

2 . 工控机

3 . 显示器 移栽作物 通常与土壤、 残茬等有明显的色彩差异, 在外形尺寸上较杂草有显著优势, 且在 位置 分布上较 为规则.根据以上特征, 设计了一种快速识别绿 叶移栽作物的方法[

1 3 ] , 算法流程如图7所示. 图7作物识别算法流程图 F i g .

7 F l o wc h a r t o f c r o pd e t e c t i o na l g o r i t h m 利用改进的超绿特征( g-r >

T且g-b >

T ) 从 农田背景中分割作物, 将彩色图像二值化, 分割阈值 T利用 O T S U [

1 4 ] 算法自动获取.基于 H A G U E等[

1 5 ] 提出的一种小孔成像相机模型, 由相机外部参数、 栽 种行距和作物行宽度划分作物行区域.图像坐标和 地面坐标的数学关系为 x w = ( Z x i- I x )

2 f c ( - y i- I y )

2 t a n (

1 )

7 1 第 5期 李南 等:电驱锄草机器人系统设计与试验 y w = ( Z y i- I y )

2 f c c o s ( - y i- I y )

2 s i n (

2 ) 式中 I x ― ― ―图像宽度 I y ― ― ―图像高度 x i 、 y i ― ― ―图像坐标系中的横、 纵坐标 x w、 y w― ― ―地面坐标系中的横、 纵坐标 f c ― ― ―相机焦距 Z ― ― ―镜头中心到主光轴与地面交点的距离 ( 近似值) ― ― ―相机前倾角 在二值图像中各个作物行区域内, 基于张春龙 等[

9 ] 提出的一维刀苗距离提取方法, 利用苗草在外 形尺寸上的差异, 根据像素直方图确定作物在图像 中的上、 下边界.结合作物行区域边界, 划定作物包 围盒.在最靠近图像下边缘的作物包围盒内进行中 值滤波, 滤除细小噪声, 从而准确获得作物的中心, 计算刀苗距和锄草刀对行偏差, 并根据式(

1 ) 、 (

2 ) 换算成实际距离. 视觉系统软件基于 Mi c r o s o f t V i s u a l S t u d i o2

0 1

0 平台开发, 在完成 图像采集、 处理 和 信息 发送 的同 时, 将锄草机器人前进速度、 对行偏差、 图像处理结 果等信息显示在屏 幕上, 为驾驶员 操作提 供参 考. 驾驶员可通过触摸屏、 键盘对系统进行设置和操作. 系统主界面及图像处理结果如图 8所示. 图8系统软件主界面 F i g .

8 Ma i ni n t e r f a c eo f s o f t w a r e

2

2 伺服控制方法 电驱锄草机器人利用2块FreescaleMC

9 S

1 2 D G

1 2 8双核单片机控制板, 分别控制锄草刀 驱动电动 机和导向机构驱动电动机;

4台MO T E C a ML D型智 能伺服驱动器作为电动机驱动模块;

R I

3 0 O/

1 0

0 0 A R ・

3 4 K B型旋转编码器作为拖拉机 速度监测传感器;

N P N常开型霍尔开关用作锄刀初 始相位检测. 伺服控制系统在功能上可分为通信单元、 测速 单元、 锄草刀相位提取单元、 锄草刀运动规划单元、 导向机构转角提取单元和导向机构运动规划单元, 伺服控制原理如图 9所示. 图9伺服控制原理图 F i g .

9 P r i n c i p l eo f s e r v oc o n t r o l 通信单元通 过RS232串 口接 收工 控机 发送 的 刀苗距和对行偏差, 并将部分单片机计算结果上传;

测速单元运用累加器 P A N T测量编码器的脉冲数, 实时检测机器人行进速度;

锄草刀相位提取单元和 导向机构转角提取单元通过访问驱动器获得电动机 相位, 并利用接近开关设定初始相位, 以消除累积误 差;

锄草刀运动规划单元融合刀苗距、 前进速度、 锄 草刀相位及转速信息, 控制锄草刀在接近作物时快 速旋转避苗;