CN204228168U

CN204228168U - 一种田间导航图像采集设备

Info

Publication number: CN204228168U
Application number: CN201420710780.4U
Authority: CN
Inventors: 韩永华
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2024-11-25

Abstract

本实用新型公开一种田间导航图像采集设备，整个设备包括采集设备防雨主体、图像采集***及导航路径检测***。该设备能解决以往基于机器视觉的农田车辆导航研究采集农田图像不便、人工采集图像处理效果和导航中车辆采集图像处理效果存在偏差的情况，可在雨天、雾天等各种天气进行农田图像采集。

Description

一种田间导航图像采集设备

技术领域

本实用新型属于机器视觉导航领域，尤其涉及一种田间导航图像采集设备。

背景技术

因农用车辆自动导航、辅助导航能有效降低农民工作强度，提高农业生产效率，减少农药中毒、皮肤晒伤等农业事故的发生并能促进精细农业发展而得到广泛研究。而基于机器视觉的农用车辆自动导航、辅助导航方法因获得信息量丰富、使用灵活、体积小、能耗低而被广泛采用。

基于机器视觉的农用车辆自动导航、辅助导航研究过程需解决的关键问题之一就是如何基于机器视觉有效提取作物行或作物已割未割边缘形成的导航路径，而要获得导航路径必须先要采集真实度较高的农田图像。在提出的导航方法还未经验证的情况下，采用将农用车辆进行改装后安装摄像头、位移传感器、编码器的方式来采集图像，不仅成本过高，改装车辆的运送不便还会成为远距离采集图像时的难题；采用人工在田间行走拍摄的方法来采集图像，虽简单方便，但因人的行进方式和车辆有很大差异，导致对人工采集图像进行研究获得的导航路径检测方法移栽到车辆后获得的导航检测结果往往出现较大偏差。

发明内容

本实用新型的目的在于针对基于机器视觉的农用车辆田间导航研究中农田图像采集不便、人工采集图像处理效果和车辆采集图像处理效果存在偏差、在未验证导航算法前提下改装农用车辆成本高、费时、费力的情况，提出一种低成本、易实现的农田图像采集车，以获得真实度较高的农田图像。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种田间导航图像采集设备，其特征在于，包括构成采集设备防雨主体的车厢、防雨棚、固定主支撑杆、可拆卸短支撑杆、摄像角度选择杆、液晶显示屏、声光报警器、驱动轮、从动轮、上固定板、下固定板及构成图像采集***的笔记本电脑和摄像头、导航路径检测***；

车厢两侧开有通风口，两个防雨棚分别安装在车厢两侧，且位于通风口上方；摄像头、摄像角度选择杆、多个可拆卸短支撑杆和固定主支撑杆依次串联，且固定主支撑杆和声光报警器分别安装在车厢顶部；液晶显示屏安装于车厢的车头上部；两个驱动轮安装在车厢的车头下方，两个从动轮安装在车厢的车尾下方；上固定板安装在车厢内的上部，下固定板安装在车厢内的下部，且上固定板位于通风口的上边缘位置，下固定板位于通风口的下边缘位置；笔记本电脑固定安装在下固定板上；笔记本电脑与摄像头相连；

导航路径检测***由嵌入式微控制器、电源模块、无线通信模块、磁导航传感器、两个伺服驱动模块组成；磁导航传感器安装在车厢的车头下部；所述电源模块为24V直流电源；伺服驱动模块包括依次相连的伺服驱动器、伺服电机、伺服减速器；无线通信模块包括通过无线电连接的无线通信接收模块和无线通信发射模块；伺服减速器与驱动轮相连；24V直流电源、伺服驱动模块均安装在车厢内，嵌入式微控制器、无线通信接收模块安装在PCB板上，所述PCB板固定于上固定板下表面上；磁导航传感器、声光报警器、液晶显示屏、伺服驱动模块、嵌入式微控制器、无线通信模块分别与24V直流电源相连；无线通信接收模块、磁导航传感器、液晶显示屏、声光报警器、两个伺服驱动器分别与嵌入式微控制器相连。

本实用新型的有益效果是：有效解决农用车辆田间导航研究中农田图像采集不便、人工采集图像处理效果和车辆采集图像处理效果存在偏差、在未验证导航算法前提下改装农用车辆成本高、费时、费力的问题，提高理论研究阶段农田图像处理算法实现的有效性、可靠性，缩短农用车辆自主导航、辅助导航实现进程。

附图说明

图1为采集设备防雨主体结构示意图；

图2为车辆主体侧剖图；

图3为图像采集***结构示意图；

图4为构成导航路径检测***的电气电子器件连接关系示意图；

图中，车厢1、防雨棚2、固定主支撑杆3、可拆卸短支撑杆4、摄像角度选择杆5、磁导航传感器6、液晶显示屏7、声光报警器8、驱动轮9、从动轮10、上固定板11、下固定板12、笔记本电脑13、摄像头14。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种田间导航图像采集设备，包括车厢1、防雨棚2、固定主支撑杆3、可拆卸短支撑杆4、摄像角度选择杆5、液晶显示屏7、声光报警器8、驱动轮9、从动轮10、上固定板11、下固定板12、笔记本电脑13、摄像头14、导航路径检测***；

车厢1主要起到通风、防雨、固定图像采集、导航路径检测设备的作用；车厢1两侧开有通风口，两个防雨棚2分别安装在车厢1两侧，且位于通风口上方，用于车辆主体两侧所加通风口的防雨；摄像头14、摄像角度选择杆5、多个可拆卸短支撑杆4和固定主支撑杆3依次串联，且固定主支撑杆3安装在车厢1顶部，固定支撑杆3顶端距地面140cm左右，每段可拆卸短支撑杆4、及摄像角度选择杆5的垂直高度为10cm，它们之间以及和固定主支撑杆3之间均可以采用螺纹结构连接；采集图像时可依据实际情况加装或拆除部分可拆卸短支撑杆4，以控制支撑杆总高度达到图像采集高度要求；摄像角度选择杆5安装好后，与水平方向的夹角从可调，以满足不同摄像条件的需要。

声光报警器8安装在车厢1顶部，用于提醒人们车辆运行过程中出现故障，如不能检测到路径等；液晶显示屏7安装于车厢1的车头上部，用于显示车辆当前工作状态；两个驱动轮9安装在车厢1的车头下，接受电机控制，实现车辆转向、行进，两个从动轮10安装在车厢1的车尾下方，配合驱动轮的动作。

上固定板11安装在车厢1内的上部，下固定板12安装在车厢1内的下部，且上固定板11位于通风口的上边缘位置，下固定板12位于通风口的下边缘位置；笔记本电脑13固定安装在下固定板12上；笔记本电脑13与摄像头14相连；

导航路径检测***由嵌入式微控制器、电源模块、无线通信模块、磁导航传感器6、两个伺服驱动模块组成；所述电源模块为24V直流电源；磁导航传感器6安装在车厢1的车头下部，用于捕捉铺设在地面上的磁带信号；无线通信模块包括无线通信发射模块和无线通信接收模块，两者通过无线电相连，用于实现遥控车辆起、停，速度设定等操作；24V直流电源、伺服驱动模块均安装在车厢1内，嵌入式微控制器、无线通信接收模块安装在PCB板上，所述PCB板固定于上固定板11下表面上；

如图4所示，伺服驱动模块包括依次相连的伺服驱动器、伺服电机、伺服减速器；伺服减速器与驱动轮9相连；磁导航传感器6、声光报警器8、液晶显示屏7、伺服驱动模块、嵌入式微控制器、无线通信模块分别与24V直流电源相连；无线通信模块、磁导航传感器6、液晶显示屏7、声光报警器8、两个伺服驱动器分别与嵌入式微控制器相连。本实用新型田间导航采集设备采用两驱动轮差速驱动方式，嵌入式微控制器分别控制两个伺服驱动器，使得两个驱动轮9可以有不同的速度，从而调节采集设备的运动方向。

所述的无线通信模块为现有技术，可以采用挪威NORDIC公司出品的低频无线通信模块NRF905（包括无线通信发射模块和无线通信接收模块）；嵌入式微控制器为现有技术，可以采用飞思卡尔公司设计的Kinetis系列全新一代微处理器MK60DN512Z。磁导航传感器可以采用天津隆鑫科教仪器公司XGS19006型 AGV磁导航传感器；声光报警器8可以采用杭州天冠科技公司LTE-1181型号产品。

一种田间导航图像采集设备的工作过程如下：

A．在待采集图像的农田里依据事先规划好的路径铺设磁带，并去除周围可能出现的金属、磁体等干扰；所述磁带为AGV导航磁带；

B．根据期望的图像采集高度安装可拆卸短支撑杆，依据选定的采集角度选择安装摄像角度选择杆；

C．打开农田图像采集车供电***，并通过无线通信模块设定车辆运行速度；

D．开启由笔记本电脑和摄像头组成的图像采集***，并启动、运行图像采集车；

E．通过嵌入式微控制器实时读取磁传感器检测到的磁带信号，根据磁带信号确定路径位置信息，并以此为依据控制两个驱动轮的速度；通过两个驱动轮的差速实现转向控制，导航车的位置矢量如式（1）所示：

（1）

式（1）中（）表示田间导航图像采集设备两后车轮轴心连线中间点在全局坐标系中的水平、垂直坐标，及两后车轮轴心连线与坐标系水平轴的夹角，（）与左右车轮速度、关系如公式（2）所示。

（2）

公式（2）中的为两后车轮轴心连线的长度。

嵌入式微控制器依据左右车轮需调节成的行驶速度控制发出PWM波的频率及占空比，控制伺服驱动器带动伺服电机引导驱动轮实现田间导航图像采集设备的行进、转弯。

F．当检测不到磁信号、或通过无线通信模块接收到停车命令时车辆停止运行，并发出声光报警信号提醒用户。

上述步骤A和步骤B的执行顺序可以互换，在车辆整个运行过程中，由电脑和摄像头组成的图像采集部分一直在工作，在农田导航研究初期将采集的图像存于硬盘，以备后续图像处理算法研究用；在已经研究出农田图像处理算法后，可在图像采集过程中，将采集的图像实时输送给图像处理模块，在线完成导航线检测、导航参数提取，然后和实际行走路径对比，以判断所采用图像处理算法的有效性。

上述农田图像采集过程，通过在设定好的采集路径上铺设磁带，依据采集设备上磁传感器对磁信号的检测能实现任意行走路径的农田图像采集，采集设备即农田图像采集车不仅使用简单、还可方便实现远距离运送。

针对同一农田铺设磁带后，先采用本实用新型设计的农田图像采集设备采集农田图像，再由人工沿着磁带行走采集图像，最后将本实用新型提出的图像采集***固定于拖拉机上，沿磁带铺设路径行驶采集图像；采用相同的图像去噪、作物边缘直线检测算法依次处理上述三种方式采集的图像，统计不同方式采集图像所提取作物边缘直线的正确率，发现人工采集图像边缘直线检测正确率达到95%，本实用新型给出的图像采集设备采集图像的边缘直线检测正确率为79%，采用拖拉机拍摄图像的边缘直线检测正确率为78%，说明本实用新型给出的农田图像采集方法、采集设备采集的图像能很好的表征真实车辆在行进过程中采集的图像。

Claims

1.一种田间导航图像采集设备，其特征在于，包括构成采集设备防雨主体的车厢（1）、防雨棚（2）、固定主支撑杆（3）、可拆卸短支撑杆（4）、摄像角度选择杆（5）、液晶显示屏（7）、声光报警器（8）、驱动轮（9）、从动轮（10）、上固定板（11）、下固定板（12）、导航路径检测***及构成图像采集***的笔记本电脑（13）和摄像头（14）；

车厢（1）两侧开有通风口，两个防雨棚（2）分别安装在车厢（1）两侧，且位于通风口上方；摄像头（14）、摄像角度选择杆（5）、多个可拆卸短支撑杆（4）和固定主支撑杆（3）依次串联，且固定主支撑杆（3）和声光报警器（8）分别安装在车厢（1）顶部；液晶显示屏（7）安装于车厢（1）的车头上部；两个驱动轮（9）安装在车厢（1）的车头下方，两个从动轮（10）安装在车厢（1）的车尾下方；上固定板（11）安装在车厢（1）内的上部，下固定板（12）安装在车厢（1）内的下部，且上固定板（11）位于通风口的上边缘位置，下固定板（12）位于通风口的下边缘位置；笔记本电脑（13）固定安装在下固定板（12）上；笔记本电脑（13）与摄像头（14）相连；

导航路径检测***由嵌入式微控制器、电源模块、无线通信模块、磁导航传感器（6）、两个伺服驱动模块组成；磁导航传感器（6）安装在车厢（1）的车头下部；所述电源模块为24V直流电源；伺服驱动模块包括依次相连的伺服驱动器、伺服电机、伺服减速器；无线通信模块包括通过无线电连接的无线通信接收模块和无线通信发射模块；伺服减速器与驱动轮（9）相连；24V直流电源、伺服驱动模块均安装在车厢（1）内，嵌入式微控制器、无线通信接收模块安装在PCB板上，所述PCB板固定于上固定板（11）下表面上；磁导航传感器（6）、声光报警器（8）、液晶显示屏（7）、伺服驱动模块、嵌入式微控制器、无线通信模块分别与24V直流电源相连；无线通信接收模块、磁导航传感器（6）、液晶显示屏（7）、声光报警器（8）、两个伺服驱动器分别与嵌入式微控制器相连。