基于激光掃描的聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航方法研究.pdf

1、為大力發(fā)展農(nóng)業(yè)車輛自動(dòng)化，解決谷類作物收獲作業(yè)過程中農(nóng)時(shí)緊張、收割作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)效率低下，且日趨嚴(yán)峻的勞動(dòng)力短缺等問題對(duì)作物生產(chǎn)帶來的不便，本文提出了一種基于激光掃描的聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航方法，對(duì)小麥的自動(dòng)化收割作業(yè)進(jìn)行了深入研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)研發(fā)了基于激光測(cè)距原理的三維激光信息采集裝置。分析激光測(cè)距技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，構(gòu)建了包含激光掃描儀、慣性測(cè)量元件以及具有俯仰和回轉(zhuǎn)兩個(gè)方向自由度的Pan Ti

2、lt Unit(PTU)云臺(tái)的三維信息采集裝置;建立了二維信息向三維空間轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了采集裝置的二維信息向三維空間的轉(zhuǎn)化;提出了一種信息采集裝置的自動(dòng)糾偏方法，根據(jù)激光坐標(biāo)系與其安裝平臺(tái)的固有特征在空間坐標(biāo)內(nèi)的位置關(guān)系，通過調(diào)整PTU云臺(tái)的回轉(zhuǎn)方向，使激光掃描儀與安裝平臺(tái)的正方向一致。三維激光信息采集裝置克服了以往研究中數(shù)據(jù)采集傳感器固定安裝對(duì)信息采集范圍的局限性，實(shí)現(xiàn)了激光掃描儀在垂直空間（俯仰）和水平空間（回轉(zhuǎn)）內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和定

3、位，實(shí)現(xiàn)了裝置初始安裝方位誤差的自動(dòng)調(diào)整，擴(kuò)大了激光測(cè)距系統(tǒng)的視野范圍。
　　(2)提出了基于激光測(cè)距技術(shù)的作物邊緣識(shí)別方法。根據(jù)激光掃描線上待收割作物的特征，對(duì)收割機(jī)自動(dòng)化作業(yè)導(dǎo)航基準(zhǔn)線的提取進(jìn)行研究。提出了一種基于改進(jìn)的線性回歸法的粗差點(diǎn)剔除方法，對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的粗差點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性;提出了基于鄰域均值微分算法和基于類間方差與類內(nèi)方差比值最大的Otsu算法的作物邊界識(shí)別方法，并通過對(duì)比分析確定本研

4、究采用基于Otsu算法為主進(jìn)行作物邊界識(shí)別;通過田間靜態(tài)試驗(yàn)，將基于Otsu算法檢測(cè)的作物邊緣線與實(shí)際作物邊緣線進(jìn)行對(duì)比，最大偏差為8.3 cm，平均偏差為5.4 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為3 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于Otsu算法的作物邊緣識(shí)別方法能夠有效的提取出待收割作物與已收割作物間的邊緣線。
　　(3)研究了基于激光掃描的收割機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控制方法。以搭載作物邊緣識(shí)別裝置的洋馬AG1100收割機(jī)為實(shí)際應(yīng)用對(duì)象，建立了雙履帶收割機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模

5、型，在農(nóng)田小麥動(dòng)態(tài)收割的情況下，根據(jù)導(dǎo)航基準(zhǔn)線計(jì)算出車輛的橫向偏差ε和航向偏差δ，設(shè)計(jì)了比例積分控制器，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)調(diào)整其修正系數(shù)λ1、λ2，并計(jì)算出收割機(jī)的理論轉(zhuǎn)角;通過已開發(fā)的CAN總線將轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，收割機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)上位機(jī)的命令執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向操作;構(gòu)建了基于激光測(cè)距技術(shù)的收割機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控界面;對(duì)搭載了基于激光掃描的作物邊緣識(shí)別系統(tǒng)的收割機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行小麥?zhǔn)崭铗?yàn)證，結(jié)果表明，當(dāng)收割機(jī)以1.0 m/s的速度進(jìn)行收

6、割作業(yè)時(shí)，其割臺(tái)行駛軌跡與實(shí)際作物邊緣的平均偏差為8.0cm，最大偏差為23.4cm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.6cm，證明了本文提出的聯(lián)合收割機(jī)導(dǎo)航方法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有效性和可靠性。
　　(4)提出了基于機(jī)器視覺的作物邊緣線快速提取方法。在激光測(cè)距系統(tǒng)邊緣識(shí)別精度較低的情況下，研究基于激光掃描與機(jī)器視覺相結(jié)合的導(dǎo)航基準(zhǔn)線提取方法。通過逆透視投影變換方法將圖像坐標(biāo)系與車輛坐標(biāo)系進(jìn)行匹配，采用激光測(cè)距系統(tǒng)快速限定圖像處理的感興趣區(qū)域，提高了圖像處