一种基于田间导航图像采集设备的田间障碍物检测方法

摘要

本发明公开了一种基于田间导航图像采集设备的田间障碍物检测方法，该方法首先通过田间导航图像采集设备采集农田图像，然后将农田图像进行去噪灰度化、小波变换、最大类间方差分割等操作，最后得到图像投影曲线，根据曲线的跳变点来判断农田中的障碍物。该方法克服了现有农田障碍物检测方法对障碍物高度、颜色敏感的缺点，能有效提高农田障碍物检出率，增强农田导航安全；田间导航图像采集设备解决了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。

主权项

一种基于田间导航图像采集设备的田间障碍物检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采集彩色农田图像，并将采集到的彩色农田图像通过公式I＝(R+G+B)/3转换成第一灰度图像F，公式中R指采集的彩色图像中红色分量灰度值，G指绿色分量灰度值，而B指蓝色分量灰度值，I表示第一灰度图像F的亮度值；(2)再将彩色农田图像通过公式I'＝2×G‑R‑B转换成第二灰度图像F1，I'表示第二灰度图像F1的灰度值；(3)采用最大类间方差法(简称OTSU)对第二灰度图像F1进行分割，获得二值图像F3；(4)获取二值图像F3中像素值为零的坐标，将第一灰度图像F中相同坐标位置处的像素值置零，获得第三灰度图像F4；(5)对第三灰度图像F4进行5级Haar小波分解，得到5级分辨率不同的子图像及近似级子图像，并按下式计算图像小波分解后2～5级各级子图像的总频率：C_l＝C_lh+C_ld+C_lv式中l为小波多分辨率分解的第l级，h为l级水平分解系数图像，d为l级对角分解系数图像，v为l级垂直分解系数图像，C_lh为l级水平分解系数图像的总频率，C_ld为l级对角分解系数图像的总频率，C_lv为l级垂直分解系数图像的总频率；其中，C_lx(x＝h,d,v)由以下公式得到：$C_{\mathrm{lx}}=\frac{1}{M\times N}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_{\mathrm{lx}}{(i,j)}^2$式中M×N为小波多分辨率分解第l级各方向子图像的大小，f_lx(i,j)为坐标点(i,j)处的小波多分辨率分解系数；(6)通过步骤(5)的计算找到总频率最多的级，将小波分解后获得的近似级及子图像总频率最多的级的小波分解系数保留，其它级子图像的小波分解系数置零后，重构成新的图像；(7)对步骤(6)重构后的新图像进行两次OTSU分割获得图像F5；(8)求图像F5中像素值的平方，然后将求平方后的像素值按图像行相加，投影成曲线，曲线的跳变点即为农田中的障碍物；所述步骤1和步骤2中的彩色农田图像是通过田间导航图像采集设备采集得到，所述田间导航图像采集设备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)、导航路径检测系统及构成图像采集处理系统的笔记本电脑(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；导航路径检测系统由嵌入式微控制器、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；所述田间导航图像采集设备采集图像的过程如下：(1.1)在待采集图像的农田里依据事先规划好的路径铺设磁带；(1.2)启动摄像头(14)和笔记本电脑(13)，摄像头(14)开始采集图像信息，并将图像信息存入到笔记本电脑(13)；(1.3)磁导航传感器(6)检测磁带的信号，并将磁带信号传送给嵌入式微控制器，嵌入式微控制器读取磁带信号，并根据磁带信号计算路径位置信息，通过路径位置信息控制两个伺服驱动器；当磁导航传感器(6)检测不到磁带信号、或无线通信接收模块接收到无线通信发射模块发送的停车命令时，车辆停止运行，嵌入式微控制器控制声光报警器(8)报警；(1.4)两个伺服驱动器分别接受嵌入式微控制器的控制信号，并通过伺服电机、伺服减速器控制驱动轮(9)的转速，从而控制田间导航图像采集设备的行进与转弯，使得田间导航图像采集设备在事先规划好的路径上行进；摄像头(14)在行进路线上采集到的图像即为基于视觉方法检测田间导航路径时所需农田图像。