農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)研究.pdf

1、目前隨著人口老齡化的加劇及生活水平的不斷提高，人類在高強(qiáng)度、高壓力、高危險(xiǎn)勞動(dòng)方面迫切需要機(jī)器能夠代替人類勞動(dòng)，從而把人類從生命的過度消耗中解脫出來。與傳統(tǒng)機(jī)器相比，現(xiàn)代化的機(jī)器人更能適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，代替人類完成更加復(fù)雜的任務(wù)。在機(jī)器人研究和發(fā)展的過程中智能化是發(fā)展的主題，一些模仿人類行為的高級(jí)機(jī)器人正在逐步走進(jìn)我們視野，但是作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展并不十分迅速，智能化水平有待提高。
　　 機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)自主移

2、動(dòng)，依靠的是先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，而在導(dǎo)航系統(tǒng)中視覺導(dǎo)航是最直接最有效的方法，因而研究機(jī)器人視覺導(dǎo)航有著十分重要的意義。尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)器人，由于其工作環(huán)境具有范圍廣闊、差異明顯且易受周圍環(huán)境影響等特殊性質(zhì)，研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人的視覺導(dǎo)航就有著更加深刻和現(xiàn)實(shí)的意義。目前，由于機(jī)器人視覺系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)軟硬件資源要求都比較高，現(xiàn)有的通用微處理器無法滿足高速性和實(shí)時(shí)性的要求。所以本系統(tǒng)使用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320DM642作為處理核心

3、，構(gòu)建視覺系統(tǒng)。
　　 本文以農(nóng)田環(huán)境下機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)為研究對(duì)象，包含系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的選擇及圖像處理算法的仿真等方面。
　　 本文研究內(nèi)容包括:
　　 (1)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì):采集系統(tǒng)由視頻圖像采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、DM642信息處理模塊、圖像顯示模塊及電源模塊組成，以硬件平臺(tái)作為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)視覺導(dǎo)航軟件。
　　 (2)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì):基于DSP\BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及

4、CSL庫編寫圖像采集程序，DSP/BIOS及CSL函數(shù)庫能簡(jiǎn)化軟件開發(fā)，由庫函數(shù)配置和控制硬件，從而縮短開發(fā)周期減少未知錯(cuò)誤發(fā)生概率。
　　 (3)圖像采集:采用CCD高清攝像頭采集PAL制式的壟溝圖像信息，對(duì)采集程序進(jìn)行分析說明。采集到的圖像為YUV色彩空間，這種色彩空間各分量間干擾較小，適合下一步的圖像處理。
　　 (4)系統(tǒng)優(yōu)化:根據(jù)農(nóng)田壟溝環(huán)境的實(shí)際情況提出重采樣的方案，以此保證處理的實(shí)時(shí)性。由于壟溝環(huán)境變化量不

5、大，采樣的頻率可以適當(dāng)降低，正是利用這一點(diǎn)給圖像處理過程留下了更充足的處理時(shí)間。
　　 (5)實(shí)驗(yàn)仿真:通過對(duì)采集到的圖片進(jìn)行MATLAB仿真處理，研究對(duì)壟溝圖像處理的算法，包括灰度變換、閾值分割、背景去除、平滑濾波、腐蝕、有效區(qū)域提取、邊緣檢測(cè)，通過邊緣信息找出路徑中點(diǎn)，最后采用最小二乘法擬合出行走方向信息，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供依據(jù)。
　　 本文所研究的機(jī)器人視覺平臺(tái)可以完成圖像的采集與處理，應(yīng)用DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系

6、統(tǒng)內(nèi)核，可以定義DM642的全部屬性，也可以完成程序的在線調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)度功能。使用CSL函數(shù)庫可以方便的配置和控制外設(shè)，省去了為使用DSP器件外設(shè)而進(jìn)行的編程工作，也可提高程序的規(guī)范化和兼容性。通過對(duì)壟溝環(huán)境的考察分析，對(duì)采集來的每秒25幀視頻圖像重新采樣，減少數(shù)據(jù)處理量，這樣同樣的時(shí)間內(nèi)圖像處理上就可以增加算法，保證圖像特征的可靠性。圖像處理算法結(jié)果可以使農(nóng)業(yè)機(jī)器人清晰識(shí)別田間壟溝環(huán)境，運(yùn)用最小二乘法估算識(shí)別運(yùn)動(dòng)路徑，最小二乘法可以濾