无人喷雾机农田路径识别与规划方法研究

发布时间：2020-04-19 10:10

【摘要】：传统人工施药作业具有效率低、强度大、易中毒等问题,不能及时、有效地防治病虫害,无人喷雾机能够提高作业效率,高效防治病虫害,是未来农业植保机械的必然选择。农田路径识别与规划是实现无人喷雾机自主作业的前提和保证,是无人植保机械重点研究方向。太阳光照、作物生长状况、农田地形等增加了无人喷雾机自主施药的难度。本课题为实现无人喷雾机农田自主施药作业,根据农田施药作业要求,对无人喷雾机的农田路径识别与规划进行研究,主要内容如下:(1)搭建了无人喷雾机平台和传感器系统。首先介绍了喷雾机的整机结构、转向机构和喷杆机构;针对自转向机构,建立转弯模型并计算出喷雾机最小转弯半径;设计了喷杆自动升降和折叠机构,以适应农田作物高度和作业区域宽度变化,喷雾机的最大喷幅为12m;将RealSense相机、Hokuyo UTM-30LX激光传感器和RTK-GPS等设备搭建在喷雾机平台上,获取农田彩色图像、障碍物位置、无人喷雾机位置和农田边界位置等信息;最后搭建了传感器系统,为无人喷雾机识别和规划农田路径提供数据支持。(2)提出了改进并行细化算法的农田路径识别方法。首先将采集的RGB农田图像转换成HSI颜色空间模型,有效减少光照影响;然后对图像进行高斯滤波,再采用最大类间方差法(OTSU)分割路径,根据农田窄长路径特征对其进行形态学处理和凸包变换;为了提取农田多行窄长路径线,分析Zhang快速并行细化算法的优缺点,并对细化算法进行改进提取直线路径。分别采用本文改进细化算法和传统Hough变换法对菜田、麦田和稻田三种典型农田环境下的路径进行自动识别,实验结果显示本文算法的平均路径识别提取率均高于95%,单幅图像平均耗时均小于95 ms,而传统Hough变换法的平均路径识别提取率低于93%,单幅图像平均耗时高于130 ms;与Hough变换拟合路径线相比,本文算法路径提取率更高,耗时更短,能够满足无人喷雾机自主作业路径识别的实时性和准确性要求。(3)提出了改进人工势场法的农田路径规划方法。首先融合农田边界信息、作物行信息、喷雾机最大作业幅宽、最小转弯半径、施药量和耗油量等信息,利用栅格法规划出喷雾机路径、药液补给点和燃油补给点。结合RealSense相机和Hokuyo UTM-30LX激光传感器对无人喷雾机进行局部路径规划,将图像中心路径信息转换成喷雾机的导航偏角,以调整喷雾机作业方向;根据激光传感器获取的障碍物位置信息选择收杆避障或转弯避障方式,若需转弯避障,采用提出的改进人工势场法规划局部避障路径。最后对路径规划进行仿真,仿真结果表明本文路径规划方法能够满足全覆盖作业要求,改进的人工势场法能够有效规划出局部避障路径。
【图文】：

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2.1 喷雾机结构2.1.1 整机结构本文研究的喷雾机型号是 3WPZ-500K 型自走式喷杆喷雾机，整机结构如图2.1 所示，，由江苏大学和南通广益公司共同研发设计（http://www.ntguangyi.com/content/?168.html）。3WPZ-500K 型自走式喷杆喷雾机主要由发电机组系统、蓄电池组、自转向行走系统、液压控制系统、输药系统和喷杆喷雾系统等构成。喷雾机采用油电混合技术，保证了机器的续航能力，降低油耗；采用电动四轮驱动实现差速转向，减少转弯半径，提高喷雾机通过能力，保证喷雾机可以在旱田和水田中行走；采用液压方式控制喷雾机喷杆自动折叠及高度调整，能够适应不同高度作物的喷雾作业任务。3WPZ-500K 型自走式喷杆喷雾机具体参数，如表 2.1 所示。

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左转示意图
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;S491

【参考文献】