计算机视觉修正下的农机导航与电液控制设计

孙 彬

（新疆昌吉职业技术学院，新疆 昌吉州 831100）

在工业4.0 时代，机械行业与信息技术的融合进一步加深，农业机械的自动化、智能化程度得到了全面提升，夯实了我国农业自动化发展的基础。现阶段，农机自动化行驶的实现方式主要依赖于卫星导航，这种情况下农机只能按照事前规划的路线行驶，而缺乏根据田间实际情况自动调整并选择最佳路线的能力，农机碰撞障碍物或者碾压农作物的情况时有发生。将计算机视觉修正技术应用到农机导航与电液控制设计中，可以融合卫星导航与视觉导航的优势，在科学规划路线的前提下，还能根据田间障碍物或农作物，自动修正农机行驶路线，进一步提高了自动行驶控制的精确性。

1 基于计算机视觉修正的农机导航原理

获取农田图像信息并基于计算机分析结果为农机进行导航，是实现农机自动化驾驶的关键技术。笔者提出了一种基于计算机视觉修正的农机导航系统，一方面借助于卫星导航实现对农机行驶方向、前进线路的控制，另一方面又能在视觉导航的帮助下，自动识别田间的障碍物和农作物，不断修正农机行驶路线，让农机可以准确避让障碍物和农作物，不仅解决了农机导航的延迟问题，而且进一步提高了农机导航控制的精确性。基于计算机视觉控制的农机导航原理如下：

在农机的前端安装有高分辨率的视觉设备，可用于扫描并获取一定范围内的农田图像。需要对所得图像信息进行预处理，目的是删除一些成像质量不高（如曝光、模糊、重复等）的图像，以减少后期图像分析处理花费的时间。将经过预处理的田间图像上传到计算机，由计算机上的专门软件对图像进行进一步的分析。例如对像素图像进行分割后，开展色彩分析与灰度变换，获得图像中的典型特征（如田垄、农作物、障碍物等）。提取特征点并规划农机行驶路线，为农机行驶提供指导[1]。

2 计算机视觉修正下的农机导航设计

2.1 确定农机作业范围

在基于计算机视觉修正的农机导航系统中，卫星导航模块是核心组成之一。目前一些比较先进的农用机械，在移动终端和地面固定基站的配合下，导航的定位精度可以达到厘米级，基本上能够满足农机日常导航行驶的精度要求。笔者在设计农机卫星导航系统时，将视觉导航与卫星导航相结合，可以在特定作业范围内规划出农机的行驶路线，为农机自动行驶提供路线引导。新导航系统定位作业范围的原理如下：首先，利用卫星导航确定农机作业区域的经纬度，得到作业区域的基本轮廓。对于直线段，可以直接用经纬度标定；对于曲线段，在经纬度的基础上进行近似标定。其次，在作业区域内，选取某个角作为起点，沿着与直线边平行的方向规划农机行驶路线，到达作业范围的边界后，按照相反的方向继续规划农机行驶路线，这样就能在作业范围内得到若干条相互平行的农机行驶路线。最后，确定终点，利用视觉导航与卫星导航相结合的方法确定了作业范围。

2.2 计算机视觉导航的修正功能

使用农机进行翻垦整地时，对农机的行进方向没有特别严格的要求，这种情况下只需要使用卫星导航引导农机行驶，即可满足农机自动化作业的要求。除了整地外，像农机播种、农机施肥、农机收割等机械化作业，均要求农机在行驶过程中不会对田垄和农作物造成破坏。此时，常规的以卫星导航为主的农机自动化作业已经难以满足实际需求，针对这一问题笔者设计了计算机视觉导航修正功能。该功能的实现方式为：1）利用农机前端的视觉设备，分析可视范围内的图像信息，并精准识别出农作物的中心线；然后对照农机预设行驶路线与农作物中心线之间的偏差角度，以此为依据进行视觉导航修正，让农机行驶路线逐渐调整并最终与农作物中心线完全平行[2]。2）同样是利用视觉设备标记出田垄的方向，并分析垄向与农机行驶角度之间的偏差，利用视觉导航的修正功能，使垄向与农机行驶角度保持一致，从而提高农机行驶的精确性。

2.3 农机视觉导航系统的特色功能

2.3.1 作物行分析

农田作垄时，因为各种因素的影响可能导致田垄出现倾斜，如果农机一直保持最初设定的方向行驶，容易出现农机跨越作物行、碾压农作物的情况，造成严重的经济损失。同样，农机在转弯或调头以后，作物行的方向和角度也会发生变化，必须及时调整农机行驶的中心位置，才能保证行驶路径的准确性。笔者基于计算机视觉导航技术中的“视觉对中”技术，设计了农机作物行分析功能。利用农机前端的视觉设备采集前方农田的图像信息，并利用计算机视觉识别技术找出视觉设备可视范围内作物行的具体位置[3]。根据可视范围的不同，可识别的作物行的数量也不尽相同。为了提高作物行分析的准确性，一般要求在农机视觉中心线的两侧至少有1 条作物行，并且以几何线条的方式进行标线。这样在可视范围内只存在3 条线，即1 条视觉中心线、2 条作物行标线。在农机行驶过程中，通过不断调整农机前后轮胎的角度，让农机的视觉中心线与2 条作物行标线呈平行状态，从而保证农机在行驶时不会碾压作物行上的农作物。

2.3.2 辅助转弯掉头

依托计算机视觉导航技术的智能判断与高速计算能力，配合阿克曼转弯模型，帮助农机在转弯、调头的过程中可以对路径上以及附近范围内的障碍物干涉问题作出科学判断。当计算机发出转弯、调头的指令后，在执行机构的控制下农机的前轮会以转弯中心为原点，向内侧偏转一定角度。农机的外轮和内轮偏转角度不同，一般来说外侧轮胎的转角略大，内侧轮胎的转角略小，两者之间的差距为5°左右[4]。在农机转弯期间，保证前后4 个轮胎的中垂线始终聚集在同一个原点上。在农机的前端有视觉设备，可以采集一定范围内的图像信息。当前方有障碍物进入到视觉设备的可视范围内时，计算机会通过图像分析判断出障碍物的具体方位以及障碍物和农机之间的距离，然后发出转弯避障的指令。此时农机会适当后退一定距离，然后提前进行转弯，从而避开障碍物[5]。

3 视觉导航下农机电液控制设计

3.1 电液控制流程设计

电液控制系统作为农机的核心组成部分，主要作用就是实现速度与转向的自动控制。从功能实现方式上来看，速度调控功能易于实现，利用农机自身携带的测速软件可以实时获取农机当前的行驶速度，然后通过挡位与油门的配合，实现对速度的灵活调节；相比之下，农机调头、转向的控制原理更为复杂。因此，笔者在电液控制设计中主要针对农机转向控制功能展开了如下分析。

当农机需要转向时，农机上的电液转向控制器发出一个转向指令，该指令经过启动功率放大器的放大处理后，作为输入信号进入到控制阀组。控制阀组内有两套设备，分别是电液比例阀与转向控制阀，根据接收到的转向信号分别做出相应的动作，控制拉杆推动转向。在农机转向的过程中，位于车轮处的转角传感器会实时采集农机当前的角度，并将角度信号重新发送给电液控制转向器。转向器对比农机当前角度以及预设的转向角度，判断两者是否一致；如果不一致，则重新发出一个转向指令，重复上述步骤，直到农机完成转向[6]。对农机的电液控制流程进行设计优化后，除了让控制精度得到明显提升外，还能缩短从转向指令发出到执行动作完成之间的时间间隔，让农机电液控制系统的响应速度得到加快，保证了农机在紧急情况下也能避开障碍物。

3.2 底盘电液控制转向改装设计

为了满足路径决策最优化的功能需求，笔者对农机底盘电液控制转向系统进行了改装设计，并配合高精度传感器达到精确控制的目标。具体改装方案如下：在前期调研中已经充分掌握农机的底盘结构，找到液压转向装置的安装位置后，将其拆卸下来，重新换上一个电控液压转向阀组，并将转向阀组的进油口与出油口分别与液压系统的两条油路连接。使用逻辑控制阀来改变转向阀组的运行状态，以前端传感器反馈的实时数据作为输入信号，经过计算机处理后生成转向调控指令，逻辑控制阀根据接收到的指令实现转向的精准控制[7]。为了保证电液控制系统有足够大的驱动力，在本次改装设计中引入了一台功率放大器。农机自带电池向电控系统输出的电压信号为0~12 V，该信号经过功率放大器的V/I 转换后，可以输出最高为1 000 mA 的电流，完全能够满足大型农机转向机构的动力需求。

3.3 转向角度的监测设计

农机在正常行进时，电液控制的转向角度始终处于动态变化过程，这样才能保证农机及时发现进入监测范围内的障碍物。考虑到农机监测装置在采集周边图像信息时容易因为秸秆遮挡、机械振动等因素的干扰而降低监测结果的精度，笔者在电液控制转向角度的监测设计中采取了两种方法来提高测量精度[8]。方法之一是使用精度更高的传感器；方法之二是进行转向角度的软件标定。根据调查统计，现阶段农业机械上使用的角度传感器监测范围通常为0~90°，视觉系统受到分辨率的限制，在1 080 P 条件下修正的角度精度最高可以达到0.05°。在这种情况下，笔者采用了转角测量与软件修正相结合的模式，对转向角度的软件进行了重新标定。将软件的均方根误差设定为0.025，线性系数设定为0.1，使用专用的拟合软件将人工测量数据与传感器采集数据进行拟合，根据拟合结果调整农机前轮转动的角度，从而使转向角度更加精准[9]。

3.4 避让障碍物的逻辑设计

传统农机在田间行驶时，主要是借助于雷达来判断周边是否有障碍物；如果田间同时存在农作物和障碍物，普通雷达无法将两者精准区分，容易出现农机碰撞障碍物的情况。为了进一步提高农机的智能避障效果，笔者基于计算机视觉技术和卫星导航技术，优化了农机避让障碍物的底层逻辑。逻辑优化后的农机避障实现方式主要分为两个步骤，首先是判断障碍物的相对位置，包括障碍物相对于农机的方位以及两者之间的距离。例如，东南30°、2.4 m；然后分析障碍物的客观状态，包括障碍物的形状、类型（石块、牲畜或其他农具等），以便于正确区分障碍物和农作物[10]。农机搭载的视觉设备可以在农机行驶过程中实时获取一定范围内的图像信息，并利用微机对所得信息展开实时、连续分析，确定是否存在障碍物以及农机与障碍物的相对位置和间隔距离。根据分析结果调整农机走向，达到精准避障、防止碰撞的效果。为了防止农机调头或转弯时与障碍物接触，设计时要求农机避障时的最小转弯半径必须大于障碍物半径的1.5 倍，且农机与障碍物之间的最短距离不小于50 cm。

4 结语

农业机械化和自动化是现代农业的发展趋势，同时也是提高农业生产效率、促进农业经济发展的重要举措。计算机信息技术的发展为农业自动化提供了支持，将计算机视觉技术应用于农用机械的导航行驶中，可以通过作业区域的轮廓标定、行进路线的自动规划，实现农机的自动驾驶。另外，在农机的行驶过程中，利用机载视觉设备获取并分析周边图像信息，精确识别视觉范围内的障碍物和农作物，然后在电液控制系统的帮助下不断修正农机行驶路线，让农机避让障碍物和农作物，进一步提高了农机视觉导航与自动行驶的实用性。