亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种作业机械自动导航三标识定位装置及方法
技术领域：
本发明设有机械领域，涉及一种作业机械自动导航三标识定位装置及方法。
背景技术：
实现田间精确定位是农业机械实施精准农业作业的第一步；农业机械智能化和机器人化是目前及将来农业机械的发展方向。自动导航是实现农业机械智能化和机器人化的核心问题之一，而定位是实现自动导航的基础性难题，也是完成执行任务的前提。目前，GPS与普通机器视觉是农业机械自动导航定位研究的两大热门。但是，GPS存在障碍物阻碍微波传送时精度明显下降和普通视觉定位主要用于作物、田埂等直线导航，不能普遍使用的不足。全方位视觉传感器是一种新型的视觉传感器，它能提供360度范围的丰富的信息，图像不会随传感器的旋转改变图像，有利于减少车轮滑移和震动的部分负面影响，而且价格便宜，被广泛应用在机器人领域；在机器人定位方向也得到了应用，但其使用原理和方法一般是在作业环境中人工设置特征物体或利用自然的特征物体，通过图像处理技术抽取特征值，然后通过图像匹配找到特征点或特征点区域来分析拓扑定位；该定位一般计算过程复杂、运行时间长，实用性不太好。发明专利一种自动导航定位装置及方法(ZL200910044412. 4)，针对作业的车辆、机器人，尤其是作业环境比较固定，田间、温室、厂房等，以及GPS技术不能使用的区域，利用全方位视觉传感器和计算机视觉图像处理技术开发的一种自动导航定位装置及方法，该发明可代替GPS在一些特殊场合进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、价格便宜。该发明使用了 4个标识配合全方位视觉传感器来完成定位。发明专利一种农业机械的田间道路自动导航定位装置及方法(ZL201110007784. 7)，针对田间道路较窄，布置4个标识费时，妨碍农业机械的行驶、使用GPS价格贵且存在使用限制等缺点，利用全方位视觉传感器和2个标识发明的一种道路定位方法。发明专利一种自动导航定位装置及方法(ZL200910044412. 4)要求四个标识并且矩形布置，一方面考虑到田间布置标识的困难，另一方面，矩形的精度也难以保证；田埂可能也存在一侧不方便布置标识的情况，造成4个标识无法全部布置。发明专利一种农业机械的田间道路自动导航定位装置及方法(ZL201110007784. 7)比较适合短距离道路使用，在较大面积中使用的精度降低。东京大学博士论文文献“Study on Localization Systemfor Agricultural Vehicle Navigation UsingOmnidirectional Vision，，中，石开究农业机械的全方位视觉定位系统，提到了 4个标识图像特征识别过程中可能由于环境噪音等原因出现图像特征提取失败，造成其中I个标识信息丢失，出现3个标识的情况，但不是作为一个定位系统，且如何实现定位的方法没有做出具体的研究和分析。因此，有必要设计一种作业机械自动导航定位装置及方法。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种作业机械自动导航三标识定位装置及方法，该作业机械自动导航三标识定位装置及方法能简化标识空间布置和主标识判别，减少图像处理过程，提高精度，可代替GPS进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、成本低。发明的技术解决方案如下:一种作业机械自动导航三标识定位装置，包括作业机械和3个有色标识U、L2和L3 ;有色标KL1和有色标识L2均设置在作业区同一侧的边界处(如作业田间同一侧的田埂上)；有色标KL3设置在作业区另一边界处(如另一条田埂处)，且有色标识L3和有色标识L2的连线L2L3与有色标识L1和有色标识L2连线L1L2垂直；作业机械上通过三脚架安装有全方位视觉传感器；作业机械上还设有用于执行定位数据计算功能的计算机；全方位视觉传感器与计算机连接。

有色L1和有色标识L2之间的距离小于或等于150m。所述全方位视觉传感器包括上盖、下盖、曲面镜面、中心针、透明外罩、USB摄像机和USB线；所述曲面镜面与所述上盖粘合在一起，所述上盖通过螺纹旋装在所述透明外罩上；所述下盖中间空心，并伸出有螺口连接所述USB摄像机的镜头；所述曲面镜面为球面、抛物线曲面或双曲线曲面这里3个曲面都可以实现，本发明使用双曲面镜面，具有单一视点；所述透明外罩套在曲面镜面的外部；所述中心针固定在上盖上，穿过并粘合在曲面镜面的镜面中心；所述有色标识为圆形或圆锥形的人工有色标识，有色标识内设有增强颜色效果的光源。一种基于所述的作业机械自动导航三标识定位装置的作业机械自动导航三标识定位方法，包括以下步骤:步骤1:通过全方位视觉传感器采集向前位置的全方位图像；步骤2:在所述的全方位图像中识别出各有色标志，并获取各有色标志相对于全方位视觉传感器的投影中心的方位角；步骤3:计算出作业机械的绝对位置坐标；完成作业机械定位。步骤2中识别出各有色标志的方法为:对全方位图像进行逐行扫描，利用公式[re，be] = [R-(B+G)/2-1 B_G |，B- (R+G) /2-1 R-GI ]计算图像中每一个像素点红色像素强度re和蓝色像素强度be，标识采用红色/蓝色组合色标识，其中R、G、B分别为当前像素点的红、绿和蓝色强度分量；当当前像素点中的红色像素点强度大于预设红色量阈值时，则判定当前像素点为红色特征像素点；当当前像素点中的蓝色像素点强度大于预设蓝色量阈值时，则判定当前像素点为蓝色特征像素点；从而抽取出红色和蓝色特征像素点；根据任意一个标识在图像中最大红色像素距离设置红色像素距离最大值，计算抽取出的任意两个红色像素间的欧几里得距离，当红色像素间欧几里得距离小于红色距离最大值时判断为一个红色特征像素点区域；根据任意一个标识在图像中最大蓝色像素距离设置蓝色像素距离最大值，计算抽取出的任意两个蓝色像素间的欧几里得距离，当蓝色像素间欧几里得距离小于蓝色距离最大值时判断为一个蓝色特征像素点区域；依次完成整个图像的特征像素点区域分区；这一部分的判断原理说明:比如一个有色标志的整个图像中的最大尺寸为50个像素，且由于任意两个有色标识的距离远远大于50个像素，那么如果两个红色像素的距离小于50，可以认为该2个像素属于同一个标识，否则属于不同的标识。在图像上以左上角为原点，定义直角坐标系u，v，每个像素的坐标为(u，v)分别以像素为单位；利用下式计算红色或蓝色特征像素点区域的像素点的重心；然后计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离；根据红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离约束值判断是否为标识，当计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离在距离约束值范围之内，即判断为一个标识；否则判断不是标识。这里的是组合标识是指一个标识中既有蓝色标识，又有红色标识
权利要求
1.一种作业机械自动导航三标识定位装置，其特征在于，包括作业机械和3个有色标识LpL2和L3 ;有色标识L1和有色标识L2均设置在作业区同一侧的边界处；有色标识L3设置在作业区另一边界处，且有色标识L3和有色标识L2的连线L2L3与有色标识L1和有色标识L2连线L1L2垂直； 作业机械上通过三脚架安装有全方位视觉传感器；作业机械上还设有用于执行定位数据计算功能的计算机；全方位视觉传感器与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的作业机械自动导航三标识定位装置，其特征在于，有色L1和有色标识L2之间的距离小于或等于150m。
3.根据权利要求2所述的作业机械自动导航三标识定位装置，其特征在于，所述全方位视觉传感器包括上盖、下盖、曲面镜面、中心针、透明外罩、USB摄像机和USB线； 所述曲面镜面与所述上盖粘合在一起，所述上盖通过螺纹旋装在所述透明外罩上；所述下盖中间空心，并伸出有螺口连接所述USB摄像机的镜头；所述曲面镜面为球面、抛物线曲面或双曲线曲面，具有单一视点；所述透明外罩套在曲面镜面的外部；所述中心针固定在上盖上，穿过并粘合 在曲面镜面的镜面中心；所述有色标识为圆形或圆锥形的人工有色标识，有色标识内设有增强颜色效果的光源。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的作业机械自动导航三标识定位装置的作业机械自动导航三标识定位方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:通过全方位视觉传感器采集向前位置的全方位图像； 步骤2:在所述的全方位图像中识别出各有色标志，并获取各有色标志相对于全方位视觉传感器的投影中心的方位角； 步骤3:计算出作业机械的绝对位置坐标；完成作业机械定位。
5.根据权利要求4所述的作业机械自动导航三标识定位方法，其特征在于，步骤2中识别出各有色标志的方法为: 对全方位图像进行逐行扫描，利用公式[re，be] = [R-(B+G)/2-1 B_G |，B-(R+G)/2-|R-G|]计算图像中每一个像素点红色像素强度re和蓝色像素强度be，标识采用红色/蓝色组合色标识，其中R、G、B分别为当前像素点的红、绿和蓝色强度分量； 当当前像素点中的红色像素点强度大于预设红色量阈值时，则判定当前像素点为红色特征像素点； 当当前像素点中的蓝色像素点强度大于预设蓝色量阈值时，则判定当前像素点为蓝色特征像素点； 从而抽取出红色和蓝色特征像素点； 根据任意一个标识在图像中最大红色像素距离设置红色像素距离最大值，计算抽取出的任意两个红色像素间的欧几里得距离，当红色像素间欧几里得距离小于红色距离最大值时判断为一个红色特征像素点区域；根据任意一个标识在图像中最大蓝色像素距离设置蓝色像素距离最大值，计算抽取出的任意两个蓝色像素间的欧几里得距离，当蓝色像素间欧几里得距离小于蓝色距离最大值时判断为一个蓝色特征像素点区域；依次完成整个图像的特征像素点区域分区； 在图像上以左上角为原点，定义直角坐标系U, V,每个像素的坐标为(u,v)分别以像素为单位；利用下式计算红色或蓝色特征像素点区域的像素点的重心；然后计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离；根据红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离约束值判断是否为标识，当计算红色特征像素点区域像素点重心和蓝色特征像素点区域像素点重心的距离在距离约束值范围之内，即判断为一个标识；否则判断不是标识；
6.根据权利要求4所述的作业机械自动导航三标识定位方法，其特征在于，步骤2中获取各有色标志相对于全方位视觉传感器的投影中心的方位角方法为:在全方位图像中，投影中心O和3个有色标识的坐标确定后，直接求得方位角01、02和θ3;其中01、02和Θ 3分别为OL1与OL2的夹角、OL2与OL3的夹角以及OL1与OL3的夹角。
7.根据权利要求5或6所述的作业机械自动导航三标识定位方法，其特征在于，步骤3中计算出作业机械的绝对位置坐标的步骤为: 采用三种方法计算3个候选位置点I1 I3的位置坐标，计算3个候选位置点I1 I3的重心，作为作业机械在工作区域的最终定位坐标(Xpy1)；
全文摘要
本发明公开了一种作业机械自动导航三标识定位装置及方法，所述的装置包括作业机械和3个有色标识L1、L2和L3；有色标识L1和有色标识L2均设置在作业区间同一侧的边界处；有色标识L3设置在作业区的另一边界处(如田埂上)，且有色标识L3和有色标识L2的连线L2L3与有色标识L1和有色标识L2连线L1L2垂直；作业机械上通过三脚架安装有全方位视觉传感器；作业机械上还设有用于执行定位数据计算功能的计算机；全方位视觉传感器与计算机连接。本发明能简化标识空间布置和主标识判别，减少图像处理过程，提高精度，可代替GPS进行定位，运行速度较快、使用范围广、实用性强、成本低。
文档编号G01C21/00GK103076014SQ201210587239
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月30日 优先权日2012年12月30日
发明者李明 申请人:湖南农业大学