全自动割草机器人的智能控制技术研究

摘要.............................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 第1章绪论.. (1)

1.1 课题研究的背景和意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.3 主要工作内容 (6)

1.4 论文章节安排 (6)

第2章草地视觉识别算法 (8)

2.1 概述 (8)

2.2 草地识别算法设计 (8)

2.2.1 模式识别理论 (8)

2.2.2 草地模式识别算法 (9)

2.3 图像采集基础 (10)

2.3.1 YUV格式简介 (10)

2.3.2 YUV转RGB格式 (11)

2.4 HSI颜色算法 (11)

2.4.1 HSI颜色模型简介 (11)

2.4.2 RGB与HSI转换 (12)

2.5 常用的图像边缘检测算法 (13)

2.5.1 Roberts边缘检测算子 (14)

2.5.2 Sobel边缘检测算子 (14)

2.5.3 Prewitt边缘检测算子 (15)

2.5.4 Laplacian边缘检测算子 (16)

2.5.5 Canny边缘检测算子 (16)

2.6 草地模式识别算法实现 (18)

2.6.1 草地模式识别具体流程 (18)

2.6.2 草地识别效果分析 (19)

第3章基于视觉的运动转向控制算法 (22)

3.1 概述 (22)

3.2 SURF算法 (22)

3.3 视觉的角度反馈 (23)

3.3.1 摄像头视觉角度建模 (23)

3.3.2 角度算法流程 (24)

3.4 实验结果和分析 (25)

3.5 本章小结 (26)

第4章智能非接触避障算法 (28)

4.1 概述 (28)

4.2 车载摄像头视野处理 (28)

4.2.1 视野畸变 (28)

4.2.2 视野分割和位置关系 (29)

4.3 基于超声波的避障设计 (30)

4.3.1 超声波传感器简介 (30)

4.3.2 超声波测距原理 (31)

4.3.3 超声波测距电路原理图 (32)

4.4 智能避障算法 (33)

4.4.1 割草机常用避障技术 (33)

4.4.2 割草机非接触避障算法设计 (33)

4.5 本章小结 (34)

第5章基于视觉的自动回归充电算法 (36)

5.1 割草机自动充电技术 (36)

5.1.1 传统自动回归充电技术分析 (36)

5.1.2 基于视觉自动回归充电技术分析 (37)

5.2 充电座的模式识别算法 (38)

5.2.1 充电座可识别外观设计 (38)

5.2.2 充电座外观模式识别算法设计 (39)

5.3.1 S型自动搜索回归方案 (41)

5.3.2 扇形自动搜索回归方案 (41)

5.3.3 扩展方形的搜索回归方案 (42)

5.3.4 沿边行走回归方案 (43)

5.4 远距离自动目标跟踪算法 (44)

5.4.1 跟踪距离视野分割算法 (44)

5.4.2 远距离跟踪算法 (44)

5.5 近距离自动对接充电算法 (45)

5.6 本章小结 (46)

第6章总结和展望 (47)

6.1 本文的主要工作与创新点 (47)

6.2 未来工作展望 (48)

参考文献 (50)

攻读学位期间的研究成果 (53)

致谢 (54)

浙江理工大学硕士学位论文全自动割草机器人的智能控制技术研究

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

随着我国城市化的建设和发展，每年都会在城市绿化上增加大量的投入，而草坪最为园林绿化中不可缺少的植物材料，更是在居民居住生活区域和城市绿化区域担当着重要的角色。但是草坪在给人们带来绿色人造环境的同时其自身又必须保持其一定的美观和生长高度，因而需要注入大量的人力和物力进行维护。在国外发达国家，居家草坪的种植和维护是当地法律要求的，因而整个草坪的维护机械和产业发展的较好，而在我国这才刚刚起步。对于公共草坪，常由环卫部门的工作人员定期的维护，但对于家庭的院落而言，则需要请人工进行维护，随着劳动力成本日益增加，对于家庭来说都将成为一笔不小的开支，如果家庭自己购买传统的割草机设备，又变成一件费时费力的工作。传统的割草设备技术较为落后，据有关数据统计其落后于现有汽车、车床等产业20年左右，因此亟需一款能够替代人工和传统割草机的出现，这就是智能割草机器人。

智能割草机器人是智能机器人的一种，常采用的是轮式/履带式小车的形态，结合定位、路径规划、运动控制和人机交互等[1]，能够实现全自动的草坪维护作业。现有的智割草机都采用智能控制和传感技术，集成环境感知、决策、行为控制等功能，能在无人值守、无人工干预的情况下，自主完成预先设定的工作以及完成自身的充电、停靠之类的维护工作，从而实现对于家庭草坪日常维护且无需人工干预的目标，将人们从日常繁琐的工作中解脱出来，并且降低生产维护成本和劳动力，给人们生产和生活带来了极大的方便。其与传统的割草机器相比具有以下特点[2]：

(1)传统的割草机智能水平较低，甚至可以说没有实现智能化，比如常见的手持式或者手推式割草机，其都需要人工进行操作，并带有一定的限制，而智能割草机器人是能够实现全自动的独立自主的工作，其根据自身携带的大量传感器设备，获取其周围工作环境中的各种信息，并在系统程序的控制下自行的识别判断所在环境，可以做到将人工的参与降到最低点，甚至在不久的将来能够诞生不需要人工干预的智能割草机器人设备；

(2)由于传统割草机需要人工参与和实时操作，自然而然的存在一定的风险性，但是智能割草机器人凭借其自身携带的大量传感单元，并且在复杂的系统控制下，具有更高的检测范围和检测精度，排除并且避开环境中的不安全因素，并且能够采取一定的措施保护其自身机身的安全。当然在一定程度上讲智能割草机器人如其他机器设备一样，更不会如同