基于视觉导航的果园机器人控制系统的研究与设计

论文摘要

近年来,机器人技术和视觉导航技术发展迅速,在农业领域中的拓展得到了广泛的关注。对农用视觉导航机器人技术进行研究与应用,不仅能够克服农业环境中的作业困难,降低劳动强度,提高经济效益,而且对加快农业的现代化进程有着现实意义。本研究在“863”项目（2008AA100903-7）资助下,以研制的新型履带式果园微耕机为对象,研究并设计了一套基于视觉导航的果园机器人控制系统。主要工作包括:（1）果园机器人控制系统的整体分析与设计。模块化地提出了果园机器人控制系统的体系结构并设计了其总体框架,将系统分为视觉子系统和运动控制子系统两个模块,对各子系统模块硬件进行选用与设计;（2）视觉子系统的设计。视觉子系统采用单目摄像头,经实验结果比较,选择基于OpenCV的改进两步法作为视觉子系统的标定方法,并深入地分析了果园机器人与导航路径的位置关系,推导出导航路径与预执行任务参数间的转换方程。采用高性能的TMS320DM642芯片作为处理的核心,根据两种规范化果园环境中的道路图像特点,详细地分析与设计了相适应的图像处理算法,并提出了基于两点法和预限制双边Hough变换法的中心线导航路径提取算法,分析了算法的稳定性和实时性;（3）运动控制子系统的设计。在运动控制子系统中,采用模糊控制法将导航路径参数（横向偏差和航向偏角）信息转换成相应的液压系统控制信号。使用MATLAB软件设计模糊控制器,并建立模糊控制系统模型,在SIMULINK环境中对模糊控制系统进行仿真,结果表明所设计的模糊控制器鲁棒强,准确性高,具有良好的控制效果,满足了设计需要;（4）果园机器人控制系统的软件实现。果园机器人控制系统的软件设计包括以DM642为处理核心的视觉子系统软件和以单片机AT89S52为控制核心的运动控制子系统软件两部分,对各部分中根据功能划分的子模块算法进行了详细的分析与设计,并给出了部分设计的程序。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的及意义
• 1.2 农林移动机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外果园移动机器人的发展情况概述
• 1.2.2 国内果园移动机器人的发展情况概述
• 1.3 研发果园机器人的几种关键技术
• 1.3.1 控制的体系结构
• 1.3.2 机器视觉
• 1.3.3 控制技术
• 1.4 论文的研究内容
• 第二章 果园机器人控制系统的总体设计及硬件平台搭建
• 2.1 履带式果园微耕机机总体介绍
• 2.1.1 原型履带式微耕机介绍
• 2.1.2 新型履带式微耕机介绍
• 2.2 果园机器人控制系统总体构建
• 2.2.1 控制系统的体系结构设计
• 2.2.2 控制系统的功能介绍
• 2.3 主要功能子模块的硬件设计
• 2.3.1 果园机器人控制系统的元器件选择
• 2.3.2 果园机器人控制系统硬件电路的选用与设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 摄像机标定技术研究
• 3.1 摄像机的成像几何模型
• 3.1.1 成像几何模型的确定
• 3.1.2 坐标系的建立
• 3.1.3 引入畸变问题的摄像机标定模型
• 3.2 摄像机标定方法及其选择
• 3.2.1 直接线性变换标定法
• 3.2.2 RTC 标定法
• 3.2.3 基于平面方格点的摄像机标定法
• 3.2.4 摄像机标定方法的初步选择
• 3.3 摄像机的安装及部分参数的确定
• 3.4 基于平面方格点的摄像机标定法
• 3.4.1 标定原理及特点
• 3.4.2 标定步骤
• 3.4.3 标定实验及结果
• 3.5 基于OpenCV 的改进两步法摄像机标定法
• 3.5.1 标定原理及特点
• 3.5.2 标定步骤
• 3.5.3 标定实验及其结果
• 3.6 两种标定方法对比分析
• 3.6.1 标定的可靠性
• 3.6.2 标定结果分析
• 3.6.3 标定方法确定
• 3.7 本章小结
• 第四章 果园机器人视觉导航参数的获取
• 4.1 果园图像的采集与导航路径分析
• 4.1.1 果园图像的采集
• 4.1.2 果林环境及其图像特点
• 4.1.3 导航路径的确定
• 4.2 导航路径提取
• 4.2.1 彩色图像模型空间转换
• 4.2.2 彩色图像感兴趣区域裁剪
• 4.2.3 彩色图像预处理
• 4.2.4 目标信息获取
• 4.2.5 导航路径提取
• 4.3 路径导航参数获取
• 4.3.1 路径提取参数的分析
• 4.3.2 坐标系的建立
• 4.3.3 导航直线在各坐标系中的映射分析
• 4.3.4 导航参数提取
• 4.3.5 参数获取的准确性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 运动控制策略的研究与仿真
• 5.1 行驶方向控制依据与方法
• 5.1.1 行驶控制依据与方法的选择
• 5.1.2 控制方案的确定
• 5.2 运动控制策略
• 5.2.1 模糊控制系统概述
• 5.2.2 模糊控制系统方案的确定
• 5.3 果园机器人模糊控制器的设计
• 5.3.1 模糊控制器的设计步骤
• 5.3.2 模糊控制器的具体设计
• 5.4 果园机器人模糊控制系统的设计
• 5.4.1 模糊控制系统建模
• 5.4.2 模糊控制系统仿真检验
• 5.5 本章小结
• 第六章 果园机器人控制系统的软件设计
• 6.1 控制系统软件设计介绍
• 6.1.1 视觉子系统软件分析
• 6.1.2 运动控制子系统软件分析
• 6.2 控制系统算法分析与软件设计
• 6.2.1 基于DSP 的软件设计
• 6.2.2 基于单片机的软件设计
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 图像处理中“感兴趣区域”提取算法
• 附录2 导航路径中线提取函数
• 致谢
• 作者简介