農業(yè)機器人視覺導航系統(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，人類在高強度、高壓力、高危險勞動方面迫切需要機器能夠代替人類勞動，從而把人類從生命的過度消耗中解脫出來。與傳統(tǒng)機器相比，現(xiàn)代化的機器人更能適應復雜多變的環(huán)境，代替人類完成更加復雜的任務。在機器人研究和發(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機器人正在逐步走進我們視野，但是作為一個農業(yè)大國，我國農業(yè)機器人的發(fā)展并不十分迅速，智能化水平有待提高。
　　 機器人要想實現(xiàn)自主移

2、動，依靠的是先進的導航系統(tǒng)，而在導航系統(tǒng)中視覺導航是最直接最有效的方法，因而研究機器人視覺導航有著十分重要的意義。尤其是農業(yè)機器人，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，研究農業(yè)機器人的視覺導航就有著更加深刻和現(xiàn)實的意義。目前，由于機器人視覺系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)運算，對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時性的要求。所以本系統(tǒng)使用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320DM642作為處理核心

3、，構建視覺系統(tǒng)。
　　 本文以農田環(huán)境下機器人視覺導航系統(tǒng)為研究對象，包含系統(tǒng)的軟硬件設計、實時系統(tǒng)的選擇及圖像處理算法的仿真等方面。
　　 本文研究內容包括:
　　 (1)視覺導航系統(tǒng)硬件設計:采集系統(tǒng)由視頻圖像采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、DM642信息處理模塊、圖像顯示模塊及電源模塊組成，以硬件平臺作為基礎，在此基礎上開發(fā)視覺導航軟件。
　　 (2)視覺導航系統(tǒng)軟件設計:基于DSP\BIOS實時操作系統(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，對采集程序進行分析說明。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)農田壟溝環(huán)境的實際情況提出重采樣的方案，以此保證處理的實時性。由于壟溝環(huán)境變化量不

5、大，采樣的頻率可以適當降低，正是利用這一點給圖像處理過程留下了更充足的處理時間。
　　 (5)實驗仿真:通過對采集到的圖片進行MATLAB仿真處理，研究對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，通過邊緣信息找出路徑中點，最后采用最小二乘法擬合出行走方向信息，為機器人運動提供依據(jù)。
　　 本文所研究的機器人視覺平臺可以完成圖像的采集與處理，應用DSP/BIOS實時操作系

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