基于机器视觉的小型插秧机导航研究

论文摘要

插秧机导航是精准农业的发展要求。然而目前文献中所记载的插秧机导航研究,主要是针对乘坐式插秧机,对于同样具有较高适用性的小型插秧机(步行式),其导航研究还未见有相关资料报道;另外,与GPS等导航方法相比,在小型插秧机上采用机器视觉导航具有更好的使用灵活性。为此本文针对小型插秧机的视觉导航做了如下研究:1)秧苗与背景土壤间的分割分析各种颜色空间与颜色因子(EXG、CIVE)用于实现图像灰度化;分析各种阈值提取方法用于实现灰度图像二值化。最终得到CIVE灰度级与OTSU方法的组合能较优实现图像分割。为减少捕获图片因光照、周围环境等因素变化而带来的信息丢失,研究采用自适应阈值与全局阈值进行加权组合的方法来完成图像分割。对于图像降噪则考虑采用形态学腐蚀方法实现。2)秧苗行的识别与导航信息提取通过Hough变换进行秧苗行的提取,并根据秧苗行在图像中成像特点,开展了导航基准线的选择研究;采用张正友的摄像头标定方法进行摄像头标定,并介绍了如何利用OpenCV中的有关函数实现摄像头内外参数的提取;通过构建插秧机视觉导航针孔成像模型,分析了秧苗行的成像原理,并从几何学角度对导航参数(位置偏差、角度偏差、田埂距离)进行了计算公式推导。3)为实现插秧机视觉导航所做的硬件改装分析插秧机的结构与动力组成,借助其原有液压系统,实现插秧机的电液控制改装。为更方便、有效地实现插秧机的小角度调整,设计了辅助转向机构(摆动尾轮)。针对从油缸的直线运动到尾轮的摆动,通过运动分析确定其较优传动机构。4)插秧机的视觉导航实验通过构建起的硬件平台与软件平台,开展所需导航实验。无线控制陆地与水田实验用于得到该导航系统的硬件性能参数;视觉导航陆地实验用于为水田导航做铺垫。陆地实验结果表明,目前该系统平均角度误差小于2.4°,平均位置偏差小于90mm,角度标准差约为4°,位置偏移标准差小于65mm。通过对所得数据的分析总结,得到了该导航系统的下一步改进方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.1.1 农机导航对于精准农业的重要性
• 1.1.2 插秧机导航对于水稻种植的必要性
• 1.1.3 小型插秧机机器视觉导航的研究必要性
• 1.2 农机视觉导航技术概述
• 1.3 农机视觉导航的研究现状
• 1.3.1 农机视觉导航的国外研究现状
• 1.3.2 农机视觉导航的国内研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 秧苗与背景土壤间的分割研究
• 2.1 图像分割概述
• 2.2 图像灰度化彩色空间介绍与选取
• 2.2.1 RGB 色彩空间
• 2.2.2 CIE-XYZ 色彩空间
• 2.2.3 HIS 色彩空间
• 2.2.4 LAB 与LUV 色彩空间
• 2.2.5 I1I2I3（I1I2I3new）色彩空间
• 2.2.6 秧苗图像色彩空间选取（即图像灰度化）
• 2.3 图像二值化阈值分割方法介绍与选取
• 2.3.1 最大类间方差法（OTSU）
• 2.3.2 最大熵方法
• 2.3.3 聚类方法
• 2.3.4 基于全局阈值的秧苗图像二值化
• 2.3.5 基于自适应阈值的秧苗图像二值化
• 2.4 分割图像的后处理
• 2.4.1 数字形态学腐蚀运算简介
• 2.4.2 分割后处理的实验结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 秧苗行的识别研究
• 3.1 Hough 变换原理
• 3.2 秧苗行位置直线的提取
• 3.3 秧苗行位置直线的选择研究
• 3.3.1 摄像头安装位置选择
• 3.3.2 秧苗行位置直线的选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 视觉系统的摄像机标定
• 4.1 摄像机模型综述
• 4.1.1 线性模型（针孔摄像机模型）
• 4.1.2 非线性模型
• 4.2 摄像机标定方法概述
• 4.3 基于OpenCV 的摄像机标定
• 4.4 摄像机标定的实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 插秧机的导航信息提取
• 5.1 自主插秧机作业流程概述
• 5.2 视觉定位坐标系的建立
• 5.3 自主插秧机位姿参数的提取
• 5.3.1 位置偏移提取
• 5.3.2 角度偏差提取
• 5.3.3 田埂距离提取
• 5.4 本章小结
• 第六章 实现插秧机视觉导航的硬件改装
• 6.1 插秧机的液压系统改装
• 6.2 插秧机辅助转向装置设计
• 6.3 本章小结
• 第七章 小型插秧机视觉导航系统的相关实验
• 7.1 视觉导航系统硬件组成
• 7.2 视觉导航系统软件设计
• 7.2.1 功能模块介绍
• 7.2.2 图像处理流程
• 7.2.3 软件平台设计
• 7.3 无线控制实验
• 7.3.1 无线控制陆地实验
• 7.3.2 无线控制水田实验
• 7.4 视觉导航陆地实验
• 7.4.1 实验过程简介
• 7.4.2 振动对导航系统的影响分析
• 7.4.3 陆地视觉导航的系统性能分析
• 7.4.4 陆地视觉导航的实验总结
• 7.5 视觉导航水田实验
• 7.6 本章小结
• 第八章 研究结论和展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果