玉米行间导航线实时提取(4) - 玉米科学杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部|论文发表- 玉米科学

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玉米行间导航线实时提取(4)

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摘要：

由图图像采集过程中存在大量随机干扰（如底盘抖动、刮风导致苗带摆动以及缺苗等），因此本文采用卡尔曼滤波方法确定导航线偏角[29-31]。

导航线偏角卡尔曼滤波模型采用状态空间模型描述：

式中xt和xt-1分别表示t和(t-1)时刻导航线相对于底盘中轴线的偏角状态；yk表示t时刻的观测值；f为系统参数，为一维离散数据，取值为 1；uk-1表示(t-1)时刻系统的控制量，ut-1=0；g为测量系统参数，为一维离散数据，取值1；qt表示高斯白噪声；rt为观测高斯白噪声。

qt、rt均符合高斯分布，设高斯分布的协方差矩阵分别为过程噪声Qt和观测误差Rt。由试验可知相机晃动造成的苗带识别误差最大，可归属于观测误差Rt，经过反复试验，确定观测噪声Rt=0.3；刮风导致玉米叶片晃动属于环境因素，引起的误差较小，属于过程误差，经过试验，确定过程噪声Qt=0.02。基于上述分析建立导航线偏角滤波模型时间更新和状态更新模型：

式中和x?t-1分别表示t和(t-1)时刻的预估状态值；Pt-1表示(t-1)时刻的最优误差协方差；Jt表示卡尔曼增益；I表示系统模型维数，I=1；Pt表示t时刻的最优误差协方差，其中初始误差协方差=0.01。

通过玉米苗带图像视频采集系统采集底盘静止状态下车轮正前方苗带视频和底盘以0.5 m/s速度行走时车轮正前方苗带视频。底盘静止状态下，设置车轮与苗带对齐，理论航向角为0，底盘沿着苗带行走，通过人工标定图像苗带获取导向线。视频采集过程中风速3.4～5.4 m/s（微风），光照37 600 LX，温度35.2 ℃。

底盘静止时的导航线提取结果及其滤波效果如图12a，可见基于卡尔曼滤波处理获取的航向角与人工航向角的误差显著减小。底盘静止状态下理论航向角应该保持不变，但是刮风导致玉米苗带随风摆动，产生航向角变化。对于底盘运动工况，由于底盘晃动、叶片摆动和缺苗等因素影响，航向角变化如图12b，可见通过卡尔曼滤波可以获取稳定的航向角，与人工航向角的误差显著减小。

图12 不同底盘状态下的航向角曲线Fig.12 Heading angle curve under different chassis state

5 试验结果与分析

为了判断导航线提取的准确性，以人工提取的玉米苗带导航线作为评价标准，验证本文算法的准确性。通过人工标定视频图像最合理的导航线，定义人工与本文算法提取的导航线之间的夹角为误差角，用于评价本文算法的准确性。当误差角度大于5°，视为导航线提取无效。

对采集的玉米苗带视频进行导航线提取，随机挑选100帧图像进行人工提取导航线，本文算法提取导航线与人工提取结果的平均误差为1.157°，单帧图像导航线提取耗时平均97.56 ms（标准偏差8 ms）。

采用文献算法处理拍摄的玉米苗带视频，并针对拍摄的玉米图像进行文献算法参数调试，确保能够准确分割玉米苗带和土壤背景后，进行算法导航线提取准确性和算法耗时对比，结果如表1所示，提取效果如图13所示。文献[21]采用Hough变换提取导航线，该方法的玉米苗带识别率为84%，导航线提取准确率为78%，单帧图像处理耗时 420 ms。文献[22]采用垂直投影法提取导航线，该方法的玉米苗带识别率为 65%，导航线提取准确率为40%，单帧图像耗时360 ms。文献[21]和文献[22]的苗带识别率较低的主要原因是算法对整幅图像进行处理，非行走区域的杂草、秸秆等噪声影响苗带中心线的识别。此外，由于相机晃动，相机采集的图像覆盖区域也会有很大偏移，因此由苗带中心线拟合出的导航线会产生跳动现象，甚至可能出现导航线跳出车轮正前方的可行走区域，导致无法进行田间导航行走。

表1 不同算法的导航线提取准确率和耗时对比Table 1 Comparison of accuracy and time-consuming of different algorithms for navigation line extraction算法Algorithm耗时Time-consume/ms本文算法Algorithm in this paper 96 97.56准确率Accuracy/%文献[21] Literature [21] 78 420文献[22] Literature [22] 40 360

图13 不同算法的玉米行间导航线提取效果对比Fig.13 Comparison of extraction effects of navigation lines between corn rows by different algorithms

2019年7月16日，在安徽省肥东县杨清传家庭农场开展田间试验，玉米平均株高62 cm，行距60 cm，高地隙植保机底盘离地间隙1.1 m，轴距1.6 m，轮距1.3 m。传动系统采用HST（Hydraulic Stepless Transmission）静液压变速箱，能够实现底盘无极变速。转向系统采用伺服电机驱动全液压转向器，车轮转向精度为0.1°。采用拉杆式直线位移传感器（品牌：MIRAN，型号：PR1，精度：0.01 mm）测量高地隙植保机转向油缸伸缩位移，标定车轮转角和油缸位移关系，获得车轮转角。通过北斗移动基站（北斗信通，型号C201-AT-680）获得底盘行驶速度和位置坐标，将底盘作业速度信号反馈给静液压变速箱控制器，控制底盘作业速度为0.5 m/s。选择玉米苗带为直线的区域开展试验，试验前检查传感器参数、动态ROI区域提取是否正常，试验过程中实时监测底盘位置坐标、车轮转角。

文章来源：《玉米科学》网址: http://www.ymkxzz.cn/qikandaodu/2021/0119/685.html