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视觉算法视角下的草坪修整机的运行分析

发布时间:2021-12-13 16:46所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:草坪修整机的主要组成部分为控制模块、信息采集模块、移动模块、动力驱动模块和修整模块。通过采用视觉算法进行草坪环境数据的采集,并对其运动行为进行分析,包括建立运动学模型和动力学模型,为草坪修整机的智能设计奠定基

  摘要:草坪修整机的主要组成部分为控制模块、信息采集模块、移动模块、动力驱动模块和修整模块。通过采用视觉算法进行草坪环境数据的采集,并对其运动行为进行分析,包括建立运动学模型和动力学模型,为草坪修整机的智能设计奠定基础。为验证该草坪修整机的性能,进行了试验,结果表明该草坪修整机性能稳定可用于草坪的修整工作。当前我国所研发的草坪修整机受制于固定尺寸的限制,在特殊条件下不能进行高效修整作业,出现运行效率低下,修整质量不达标等情况。就上述情况,文章提出了基于视觉机械系统的自动化草坪修整机,通过对内部设置相机,将修整过程中的照片进行视觉算法设计,提高其实用价值。

  关键词:视觉算法;草坪修整机;运行分析

计算机视觉算法

  在草坪的维护工作中,修整工作最为繁重,需要耗费大量的人力和物力进行维护,且工作效率低下。为了降低劳动强度、提高草坪修整速率,可以采用智能草坪修整机代替人工进行作业。智能草坪修整机是一种综合性较强的机器人设备,集合了传感控制技术、自动化技术及计算机通信等技术,具有降低人力消耗、工作效率高和安全系数高等优点。随着计算机和信息技术的飞速发展,通过计算机模拟视觉的方式可以进行信息的采集和处理工作,即视觉算法技术。视觉算法的定义是以计算机视觉技术为基础,将三维环境图像转化为二维图像,以便于获得图像的相关信息,包括位置、尺寸和形态等信息。

  农业技术论文范例: 基于计算机视觉数据对大棚作物生长趋势的挖掘

  该技术已经广泛地应用于医疗、航空等领域,具有成本低、精度高、自动化程度高等优点。目前,我国对于智能草坪修整机的主要研究工作为自主作业方面,如自动割草、自动充电和定时启动等功能,很少有文献将视觉算法应用于草坪修整机的智能化研究,其智能化程度还有很大的提升空间。智能草坪修整机能够准确快速完成草坪修整工作,除了控制系统的调控,还需要末端机构能实现完整空间形状的动作,即需要对其运动行为进行分析。因此,作者将基于视觉算法对草坪修整机进行设计,并进行运动分析。

  1视觉算法视角下的草坪修整机现状

  1.1草坪修整机研究现状

  伴随着我国城镇化建设与美丽乡村战略的进一步深化,绿化植被覆盖率已经成为衡量环境标准的重要指标,其中草坪作为城镇建设中最为常见的绿化设施,其美观性是提升居民生活质量与环境标准的重要条件,因此我国迅速开展对绿化草坪的建设工作,但是现有草坪修整技术不能满足日益发展的绿化需求,杂草收集难度大、修整作业强度高以及技术的落后,严重制约了我国开展绿色中国的建设步伐,对草坪修整机的改进与完善成为时代发展的需求。

  在19世纪初期,英国学者就发明了第一台人工草坪修整机械,在经过一个世纪的不断完善与发展,在20世纪初期首次将内燃装置作为主要动力,并在后续英国工业公司的支持下发明了拖拉机草坪修整机。信息化时代的来临为草坪修整机提供了新的发展契机,以智能化装置为核心的草坪修整机层出不穷,在我国进行绿化草坪修整的修整机一般以手推式为主,该种草坪修整机的重量较轻,体积较小,使用简便,但是单一的草坪修整方式导致效率低下,修整质量尚存疑问,并且在后续杂草的处理中较为复杂,在进行大规模草坪修整作业时,通常使用以燃油为能源动力的草坪修整机,该种修整机最大的优点就是能够持续运行,运行效率较高,但是会在运行过程中产生大量噪音,只能在远离城镇的郊区进行草坪修整。

  1.2基于机械视觉的障碍技术研究现状

  机械视觉是在上世纪中期被研究者提出,使用视觉能够将所观测到的视觉信息在内部层层筛选,同时将运行的标准进行精确的制定。伴随着科学技术的不断发展,机械视觉技术理论得到了有效补充,并且相关基础设施的价格也在逐渐走低,在各行各业中所占据的比例越来越重。进行机械视觉的障碍技术研究可分为两部分,一是对单目视觉进行障碍技术研究,该种技术研究方式对装置设备的配件要求较低,整体构造较为简便,在运行过程中,首选采用机械设备对视觉算法的输入,根据所进行视觉观察的目标变化,通过小孔成像的原理对目标距离进行精确运算,以便后续目的的达成。

  例如,我国著名视觉算法研究学家李庆通过将视觉算法所运行的空间替换成HSI空间,使用canny视觉算法,实现对视觉过程中障碍物的端口的监测,以此来确定与实际障碍物的距离;二是对双目视觉进行障碍技术研究,双目顾名思义,就是其运行原理与人类双眼相同,双目对所观测到的障碍物体积、距离等信息数据进行收集,由于双目所处位置不同,因此观测出的障碍物体积、距离存在差异,这种现象也可以理解为视差。当障碍物所处距离越远,视差越小;当障碍物所处距离越近,视差越大。

  2自动化草坪修整机的设计

  针对上述概括中提出的视觉算法角度进行草坪修整机的研究,在此基础上建造一种以视觉算法为载体,能够将信息数据进行判定以及传输指令的发出,并将其中的应对措施进行PLC反馈,形成自动化运行机制结构系统。该机制结构系统主要分为结构系统与控制系统。在装置的结构系统中,主要构件由主圆盘刀片、副圆盘刀片以及运行构件构成。结构系统主要作用是进行草坪修整机的全面优化,在控制系统中的运行驱动构件进行装置启动,并以此来改变运行速率。除此之外,该运行驱动构件为PLC程序设计,对不同情况的视觉检测结果有着不同信息的反应,将反应结果传输到信息中心,实现对草坪修整机的自动化管理。

  2.1结构系统设计

  结构系统设计主要包括主圆盘刀片、副圆盘刀片以及运行构件组成,在主圆盘刀片中一共设置三个圆盘刀片,刀片之间的间隔距离为390mm,横向切割的长度在1.2m左右,上述主圆盘与刀片被相互固定,在装置启动时通过驱动皮带进行带动运转。

  为了进行视觉算法角度的草坪修整机研究,必须对原有KAZZ536HH草坪修整机进行改造,在主圆盘刀片上增加刀盘、强化钢、推杆、曲线槽以及挂钩。副圆盘刀片在运行时首先由轴柱上的深沟球进行刀片固定,承压轮轴负责对整体圆盘刀片进行支撑,再使用副圆盘刀片上的自动化推杆进行旋转,从而引起曲线槽运转,实现自动化修整机的运行。在上述的推杆中,最大承受压力指数在1000N以下,该标准能够满足日常运作需求,并且通过推杆的启动与停止实现对修整机的控制。

  最后,在最终测试时,还要将该运作轴轮使用皮带紧紧联系,提高稳定性,并且将副圆盘刀片的两端进行磁性阀门的设置,防止装置运转速率过快。在进行结构系统的运行机制分析中,首先要明确KAZZ536HH的圆盘刀片分为主要刀片以及次要刀片,而主圆盘刀片的长度为16英寸,副圆盘刀片的长度为13英寸,二者具备统一的结构设计,因此在进行草坪修整的过程中,该圆盘刀片迅速旋转,将所要修整的草坪进行处理。得出该修整运动是修整机运转速率与圆盘刀片的共同运转速率合成,即该圆盘刀片上的任意一点都是该草坪修整机的运行轨迹。

  2.2控制系统设计

  控制系统的设计是实现自动化草坪修整机运行的核心,根据其运行流程主要可分为视觉算法实施以及运行驱动开展,在运行驱动环节中以PLC程序控制与信息传输接口为主要难点,并且完成后的运行驱动环节标准为以下四点:一是通过控制副圆盘刀片实现对阀门的人工闭合;二是通过按钮实现对圆盘刀片的闭合;三是当草坪修整机出现意外事故时启动预警机制,实现自我闭合;四是在个系统构件中安装保护装置。

  PC机能够与PLC控制系统之间产生信息数据的传输,而PLC系统则可以借助预警系统对圆盘刀片进行控制,是控制系统中最为重要的核心程序,其运行原理首先是将内设相机所收集的信息进行处理,通过在PLC程序中的样本检测设定,成功运算出目标物与草坪修整机之间的距离以及目标物基本信息等,然后将所运算出的距离进行分类,一种是高于最高标准,一种是低于最低标准,最后一种是处于标准之内。针对不同情况,由PLC控制系统作出最终判断,将判断结构输入自动化推杆之中,实现对草坪修整机的视觉算法控制。

  3视觉算法角度下的草坪修整机运行分析

  在进行草坪修整的过程中,使用视觉算法角度能够使得自动化修整范围更加准确,促进修整机修整幅 度的精确调整,提高草坪修整质量与效率。此外,采用视觉算法进行草坪障碍物以及修整度的测评,全程使用机械装置,因此得出的修正准度与自动化程度较高,在使用过程中能够实现较少人力成本的投入,修整速率较快。再者,在进行视觉算法的检测中,由于内设相机自身具有失真性,因此必须对内设相机进行标定,使得相机所观测到的空间信息精确度上升,促进草坪修整机的自动化运行。

  3.1视觉检测

  针对在草坪修整过程中出现的障碍物进行检测,使用插值测量的方式。首先将草坪修整机的内设相机按照不同的高度进行排列,随后经过插值计算,在视觉检测系统中对障碍物坐标精确定位。

  3.2实验分析

  在上述对视觉检测的方式以及原理进行分析后,采用编程手段对草坪修整机的运行状况进行视觉算法模型,为了确保该实验结果的准确性,对公园绿化草坪进行多次取样,阴天10次,晴天10次,共计20次。可以明显发现,该草坪修整机的运行状况良好,自动化检测系统与实际距离之间的差异维持在3.75mm,平均误差为0.23%,因此得出基于视觉算法角度的草坪修整机运行是有效的、合理的,能够满足日常自动化草坪修整工程。

  4结束语

  本文结合国内外草坪修整机的发展现状进行研究,发现现有草坪修整技术不能满足日益发展的绿化需求,杂草收集难度大、修整作业强度高以及技术的落后,严重制约了我国开展绿色中国的建设步伐,对草坪修整机的改进与完善成为时代发展的需求。针对上述情况的出现,通过对机械视觉的障碍技术进行深入研究,结合KAZZ536HH草坪修整机进行内部系统的优化改造,基于视觉算法角度为基础,提出一种运行效率更高、自动化控制以及视觉检测的新型草坪修整机,为后续草坪修整机的发展提供借鉴经验,但现有技术知识有限,因此不能对其进行深入理解,在分析环节中还需完善。

  本文主要对其运动行为进行了分析。(1)草坪修整机采用视觉算法进行草坪环境数据的采集,通过对其运动行为进行分析,包括建立运动学模型和动力学模型,为草坪修整机的智能化设计奠定了基础。(2)为验证该草坪修整机的性能,对其实际草坪的修整试验,结果表明:草坪修整机的性能稳定,可以完成草坪的修整工作。

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  作者:吴妮真

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《视觉算法视角下的草坪修整机的运行分析》

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