一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)，包括導航基準線識別模塊，二維碼定位模塊，超聲波避障模塊和單片機控制模塊四部分。本發(fā)明將基于自然環(huán)境進行導航基準線識別與基于二維碼標識進行定位相結(jié)合進行視覺導航，采用超聲波傳感器進行安全避障，最后由單片機對果園機器人進行行走控制。本發(fā)明對于降低導航成本、解決單純基于自然環(huán)境進行視覺導航在果園地頭轉(zhuǎn)彎適應(yīng)性差的問題，以及提高導航的可靠性與實用性具有重要意義。
【專利說明】
一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于果園機器人導航領(lǐng)域，涉及一種導航系統(tǒng)，特別是涉及一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是果品生產(chǎn)大國，但目前果園作業(yè)的自動化智能化程度仍然較低，果園作業(yè)仍以人力為主，勞動強度大，生產(chǎn)率低，極大制約了我國果品經(jīng)濟的發(fā)展?，F(xiàn)階段，智能農(nóng)業(yè)裝備的研究越來越受到關(guān)注，而自主導航是智能農(nóng)業(yè)裝備中研究的關(guān)鍵。果園環(huán)境中，由于果樹枝葉的阻擋，GPS導航定位效果較差;激光導航易受環(huán)境影響，誤差較大；電磁導航成本過高;視覺導航由于檢測范圍大，獲取信息豐富，對于特定的果園環(huán)境有較好的適用性，但單純依靠自然景物提取導航基準線極容易容易受到外界因素的影響，可靠性欠缺，因此引入人工標志進行視覺識別對于提高視覺導航的可靠性很有必要。二維碼可人為設(shè)定需要的信息，且識別效果好可靠性高，而在果園環(huán)境中人工添加二維碼標識牌并不復雜，成本較低，因此將基于自然環(huán)境進行導航基準線識別與基于二維碼標識進行空間定位相結(jié)合，即采用二維碼標識信息來判斷果園機器人的空間行走信息，采用自然環(huán)境中提取的導航基準線信息用于確定果園機器人每一步該如何走，將兩者結(jié)合起來進行視覺導航的研究，對于提高果園機器人視覺導航的可靠性與實用性，以及果園智能機器人的未來發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對果園環(huán)境，公開了一種新的導航系統(tǒng)。此種導航系統(tǒng)基于機器視覺，采用二維碼標識進行環(huán)境定位，大大的提高了導航的可靠性與實用性。
[0004]實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)，包括:導航基準線識別模塊，二維碼定位模塊，超聲波避障模塊和單片機控制模塊。
[0005]導航基準線識別模塊:由安裝在果園機器人前端中心處的CCD攝像頭實時采集包含果園路徑的環(huán)境圖像，經(jīng)數(shù)字圖像處理器DSP對其進行灰度化、閾值分割、形態(tài)學處理后，提取出果園環(huán)境圖像中路徑左右兩側(cè)的邊緣信息，利用hough變換擬合出兩側(cè)的邊緣直線，再采用中心線法求出兩側(cè)邊緣直線的中心線，即為道路中心線也即導航基準線，最后結(jié)合攝像機的標定參數(shù)，將圖像中的導航基準線參數(shù)轉(zhuǎn)換為實際環(huán)境中的導航參數(shù)即航向角Θ，并把Θ傳送到單片機控制模塊。
[0006]二維碼定位模塊:將由果園環(huán)境的位置坐標信息生成的二維碼打印為A3大小，貝占在1.1米高的標識牌上，沿著果樹行每隔5米均勻布置，并與果園道路中線成固定角度安放。USB攝像頭由PC驅(qū)動，安裝在果園機器人側(cè)面，與二維碼標識牌相對，實時采集二維碼相關(guān)的圖像信息，在PC中經(jīng)圖像預處理后對二維碼進行識別得出果園機器人在果園環(huán)境中的位置坐標信息，并將該位置坐標信息映射為“直行” “地頭左轉(zhuǎn)” “地頭右轉(zhuǎn)”的命令信息，最后將命令信息傳遞到到單片機控制模塊。
[0007]超聲波避障模塊:將超聲波傳感器安裝在農(nóng)業(yè)機器人的最前端，用于實時反饋前方的障礙物信息，并將障礙物信息傳送到單片機控制模塊，控制模塊以最高優(yōu)先級來處理障礙物信號，進行安全預警，以保障農(nóng)業(yè)機器人導航的安全性與可靠性。
[0008]單片機控制模塊:由STM32單片機通過串口通信接收導航基準線識別模塊中DSP實時圖像處理后傳送來的導航參數(shù)即航向角Θ、二維碼定位模塊中PC機傳送來的“直行” “地頭左轉(zhuǎn)” “地頭右轉(zhuǎn)”的命令信息以及超聲波避障模塊中超聲波傳感器傳送來的障礙物信息，然后，STM32單片機將接收到的信息進行融合處理，采用PID控制器，通過改變HVM波的占空比來控制驅(qū)動電機，改變果園機器人左右兩驅(qū)動輪的速度實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎以及停車操作，進而實現(xiàn)果園機器人在果園環(huán)境中的自主行走。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:
[0010](I)在果園機器人導航中引入二維碼定位模塊，通過二維碼標識識別進行果園機器人定位，成本低實用性強，解決了傳統(tǒng)導航中機器人定位代價高的問題。
[0011](2)在視覺導航中兼并自然環(huán)境識別與人工標志識別，解決了單純基于自然環(huán)境進行視覺導航在果園地頭轉(zhuǎn)彎適應(yīng)性差的問題，提高了導航的可靠性與實用性。
[0012](3)通過超聲波傳感器感知道路的障礙物信息，并進行安全預警，保障了果園機器人視覺導航的安全性與可靠性。
【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明:
[0014]圖1為本發(fā)明實施例的總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2是DSP系統(tǒng)工作流程圖；
[0016]圖3是單片機系統(tǒng)控制流程圖，其中Θ為自然環(huán)境識別模塊中提取的導航參數(shù)即航向角信息，“直行” “地頭左轉(zhuǎn)”為二維碼定位模塊中求取出來的空間行走的命令信息。
【具體實施方式】
[0017]CCD攝像頭安裝在果園機器人前端中心處，以一定的角度傾斜向下，負責采集果園路徑相關(guān)的圖像信息，并由數(shù)字圖像處理器DSP進行實時處理后，提取導航基準線信息，結(jié)合攝像機的標定參數(shù)，最終確定實際環(huán)境中果園機器人的導航參數(shù)即航向角Θ，并把Θ傳送到單片機控制模塊。USB攝像頭安裝在果園機器人的側(cè)面，與人工布置好的二維碼標識牌相對，負責采集二維碼相關(guān)的圖像信息，并由PC機對二維碼圖像信息進行識別處理得出相關(guān)的“直行”、“地頭左轉(zhuǎn)”、“地頭右轉(zhuǎn)”的命令信息，最后將命令信息傳遞給單片機控制模塊。超聲波傳感器安裝在農(nóng)業(yè)機器人的最前端，用于實時反饋前方的障礙物信息，并將障礙物信息傳送到單片機控制模塊。單片機控制模塊將接收到的信息融合處理，采用PID控制器，通過改變PffM波的占空比來控制驅(qū)動電機，改變果園機器人左右兩驅(qū)動輪的速度實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎以及停車操作，進而實現(xiàn)果園機器人在果園環(huán)境中的自主行走。
[0018]上面以具體實施例予以說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理，本發(fā)明并不局限于以上實施例，根據(jù)上述的說明內(nèi)容，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種果園機器人的視覺導航系統(tǒng)，其特征在于，包括導航基準線識別模塊，二維碼定位模塊，超聲波避障模塊和單片機控制模塊四部分； 其中所述導航基準線識別模塊:由安裝在果園機器人前端中心處的CCD攝像頭實時采集包含果園路徑的環(huán)境圖像，經(jīng)數(shù)字圖像處理器DSP對其進行灰度化、閾值分割、形態(tài)學處理后，提取出果園環(huán)境圖像中路徑左右兩側(cè)的邊緣信息，利用hough變換擬合出兩側(cè)的邊緣直線，再采用中心線法求出兩側(cè)邊緣直線的中心線，即為道路中心線也即導航基準線，最后結(jié)合攝像機的標定參數(shù)，將圖像中的導航基準線參數(shù)轉(zhuǎn)換為實際環(huán)境中的導航參數(shù)即航向角Θ，并把Θ傳送到單片機控制模塊； 所述的二維碼定位模塊:將由果園環(huán)境的位置坐標信息生成的二維碼打印為A3大小，貼在1.1米高的標識牌上，沿著果樹行每隔5米均勻布置，并與果園道路中線成固定角度安放;USB攝像頭由PC驅(qū)動，安裝在果園機器人側(cè)面，與二維碼標識牌相對，實時采集二維碼相關(guān)的圖像信息，在PC中經(jīng)圖像預處理后對二維碼進行識別得出果園機器人在果園環(huán)境中的位置坐標信息，并將該位置坐標信息映射為“直行” “地頭左轉(zhuǎn)” “地頭右轉(zhuǎn)”的命令信息，最后將命令信息傳遞到到單片機控制模塊； 所述的超聲波避障模塊:將超聲波傳感器安裝在農(nóng)業(yè)機器人的最前端，用于實時反饋前方的障礙物信息，并將障礙物信息傳送到單片機控制模塊，控制模塊以最高優(yōu)先級來處理障礙物信號，進行安全預警，以保障農(nóng)業(yè)機器人導航的安全性與可靠性； 所述的單片機控制模塊:由STM32單片機通過串口通信接收導航基準線識別模塊中DSP實時圖像處理后傳送來的導航參數(shù)即航向角Θ、二維碼定位模塊中PC機傳送來的“直行” “地頭左轉(zhuǎn)” “地頭右轉(zhuǎn)”的命令信息以及超聲波避障模塊中超聲波傳感器傳送來的障礙物信息，然后，STM32單片機將接收到的信息進行融合處理，采用PID控制器，通過改變PffM波的占空比來控制驅(qū)動電機，改變果園機器人左右兩驅(qū)動輪的速度實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎以及停車操作，進而實現(xiàn)果園機器人在果園環(huán)境中的自主行走。
【文檔編號】G05D1/02GK106017477SQ201610551111
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】楊福增, 王帥先, 王強, 朱利元
【申請人】西北農(nóng)林科技大學