Измерители диаметра и эксцентриситета. Измеритель диаметра кабеля, трубы, прутка и катанки. Измерители толщины,. Измеритель толщины. Контроль изоляции. ЗАСИ. Машинное зрение.

Роботизация сельского хозяйства: применение компьютерного зрения

Автоматизация процессов в сельском хозяйстве, в частности автономный контроль сорной растительности, ставит перед нами задачу управления транспортными платформами и рабочими органами в условиях нестабильной окружающей среды. Это требует формализации состояния внешней среды, что включает в себя:

Такая информация необходима для мониторинга и формирования программы обработки участка.

Локализация растений и определение их положения могут быть реализованы с помощью геоинформационных систем (ГИС).

Сельскохозяйственный сектор активно внедряет автономную навигацию, основанную на глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС), однако ее доступность ограничена. Для решения этой проблемы ГНСС можно дополнить системами, использующими реактивные датчики и визуальную информацию.

Совокупность средств получения и обработки визуальной информации будет составлять систему технического зрения (СТЗ) сельскохозяйственных робототехнических комплексов (СХ РТК). СТЗ будет опираться на детальную информацию о структуре окружающей среды, включая объекты, полевые структуры, естественные или искусственные маркеры и препятствия.

Для эффективной навигации с использованием данных СТЗ требуется высокая плотность информации. 3D-изображение (например, сглаженное RGBD-изображение или в формате облака точек) предоставляет больше информации о структуре окружающей среды по сравнению с двумерными данными (например, RGB-изображения от обычной камеры, ИК-изображения и др.).

2D-данные необходимы для определения морфологических свойств растений на обрабатываемом участке и формирования информации для раличных систем прогнозирования.

Таким образом, данные СТЗ могут быть использованы не только для навигации, но и для мониторинга состояния посевов и отдельных растений, локализованных в конкретной точке обрабатываемого участка.

В настоящем исследовании рассматривается проблема выбора оптимальной системы технического зрения для решения задач определения местоположения сельскохозяйственной техники, работающей по технологии RTK (Real Time Kinematic), а также объектов в окружающем пространстве.

Системы технического зрения играют определяющую роль в реализации алгоритмов позиционирования, движения, навигации робототехнических систем и управления их бортовыми системами. По этой причине они считаются ключевым элементом любой робототехнической системы (РТК).

Для получения исчерпывающей информации об окружающей среде, целесообразно использовать в качестве системы технического зрения комбинацию сенсоров различной физической природы. Это позволит сформировать комплексную модель внешней среды. Для расширения спектра получаемой информации о среде возможно дополнение системы инфракрасными и ультрафиолетовыми сенсорами.

К основным ограничениям функционирования систем технического зрения в составе РТК относятся: большой объем передаваемой для обработки информации, а также ограниченный радиус обзора в условиях неблагоприятной погоды (туман, дождь, снегопад).

Состав современных систем технического зрения РТК может изменяться в зависимости от условий предполагаемого функционирования РТК, поставленных перед ней задач и множества других параметров, определяемых на этапе проектирования.

Рис. 1. Пример состава СТЗ РТК сельхозназначения, работающего в условиях априори неизвестной динамически изменяющейся среды 

В общем случае сенсоры систем телеуправления (СТЗ) могут быть представлены следующими системами:

Несмотря на разнообразие сенсоров, наиболее распространенным видом являются телевизионные камеры. Для регистрации рабочей сцены РТК и формирования геометрической текстурированной модели внешней среды они используются в составе стереосистем.

Автономная навигация сельскохозяйственных роботов (СХ) РТК на основе стереозрения возможна, например, в рядах саженцев. В качестве ориентиров могут использоваться необрезанные края, гребни, борозды, искусственные маркеры, валки и даже щетина.

Недавно была разработана система стереозрения, использующая трехмерную структуру рядов культур для автоматического наведения. Для подобных систем характерны проблемы, связанные с высокой вычислительной нагрузкой и пустыми пикселями в некоторых местах (особенно в тех, которые находятся вдали от сенсора). Решение этих проблем возможно с помощью использования кадра с уменьшенным разрешением и алгоритмов фильтрации.

В ряде работ показана возможность использования краев полей культур в качестве ориентиров для автономной навигации РТК, указаны трудности с вычислительной обработкой данных и ограничения при сильном солнечном свете, когда проецируемая тень трактора находится в зоне действия системы трехмерной визуализации.

Тринокулярное зрение позволяет использовать несколько базовых длин, которые дополняют друг друга, для более точного измерения глубины на разных диапазонах, в частности, для формирования данных системы сегментации и выделения почвы.

LIDAR и стереозрение представляют собой взаимодополняющие технологии, демонстрирующие повышенную эффективность при совместном использовании. Исследования показывают, что комбинация этих датчиков приводит к более точным результатам по сравнению с применением одиночных систем.

Камера TOF (Time-of-Flight), использующая непрерывную волновую модуляцию, может быть эффективно реализована в качестве основного навигационного датчика для сельскохозяйственной техники. Существуют коммерческие системы автоматического наведения, основанные на трехмерном зрении, уже внедренные в сельское хозяйство.

К примеру, компания CLAAS разработала интеллектуальную трехмерную камеру стереозрения CAM PILOT, способную отслеживать различные объекты окружающей среды, такие как гребни, валки и ряды культур (например, виноградники). Она использует двумерные изображения и методы обработки трехмерных данных, как в отдельности, так и в комбинации.

Компания IFM electronic предлагает интеллектуальный трехмерный датчик TOF, в котором излучатель расположен отдельно от приемника. Данная система, специально разработанная для наружного использования, нечувствительна к помехам, таким как солнечный свет или материалы с различными отражающими характеристиками. Она способна обнаруживать контурные линии полосы для автоматической навигации и автоматически распознавать до 20 различных объектов на расстоянии до 35 метров.

Французская компания Naio Technologies разработала коммерческого полевого робота для механической прополки, использующего стереозрение для автономной навигации между рядами культур. Изначально они использовали LIDAR (импульсную модуляцию) для навигации по рядам, но позже модернизировали систему зрения до стереозрения, что позволило добиться более точного позиционирования и поведения робота, а также обнаруживать более мелкие растения.

Роботизированные системы сбора плодов станут экономически эффективными при условии круглосуточной работы. Камеры SWIR (Short Wave Infrared) обладают большим потенциалом для применения в сельском хозяйстве ночью благодаря способности выводить инфракрасный поток.

В настоящем анализе рассматриваются основные типы датчиков и их применимость в различных задачах регистрации.

Стереозрение:

Камера TOF (Time-of-Flight):

LIDAR

Достоинства лидарных систем:

Недостатки лидарных систем:

Регистрация окружающей среды с помощью РТК:

Осуществляется комбинированным использованием вышеупомянутых сенсоров. Как правило, для получения информации о глубине и текстуре рабочей сцены применяются различные методы интеграции данных. Функционирование различных камер в разное время суток может существенно отличаться. Например, RGB-камеры имеют ограниченную применимость в ночное время. Однако использование нескольких камер различного спектрального диапазона и интеграция получаемой информации позволяют получить более точное изображение (рис. 2).

Предварительная алгоритмическая обработка полученной информации с применением цифровых и иных фильтров для повышения качества изображения и компенсации оптических и иных искажений является важным этапом функционирования систем трехмерного зрения (СТЗ).

Рис. 2. 3D-реконструкция растений при использовании CTЗ в разных условиях

СТЗ в задачах мониторинга

В современных роботизированных комплексах для сельского хозяйства (РТК) задачи кластеризации, сегментации и распознавания объектов окружающей среды решаются с помощью алгоритмов компьютерного зрения, машинного обучения или нейронных сетей.

Для систем контроля хода уборки (СХ РТК) актуальны задачи распознавания положения растений и оценки их характеристик. Рассмотрим базовые технологии, не связанные с использованием видеокамер.

В контексте автономного контроля состояния растений робот должен идентифицировать целевые объекты. Это означает разделение алгоритмом распознавания растений на две категории: пригодные и непригодные. Обычно задача решается поэтапно: робот анализирует одно растение, принимает решение относительно его состояния и переходит к следующему.

Для успешного выполнения этой задачи необходима предварительная подготовка базы данных с изображениями годных и негодных растений. В научной работе, посвященной идентификации ростков сахарной свеклы, было проанализировано 217 предварительно сделанных снимков. В результате было выделено 19 признаков, обеспечивающих максимальный процент успешного распознавания – 96%. Авторы подчеркивают, что при использовании системы в полевых условиях точность, вероятно, снизится на 10-15%, но предлагают компенсировать это поправкой с использованием дополнительного признака – расположения ростков (обычно «пригодные» растения высаживаются рядами).

Одним из фундаментальных методов, используемых для задач распознавания в сельском хозяйстве, является интерферометрия. Интерферометрия исторически применялась для измерения роста растений или изменений движения под воздействием различных раздражителей. В настоящее время различные интерферометрические методы исследуются с использованием трехмерного подхода для инспекции семян и контроля качества.

Например, для обнаружения зараженных семян дыни была использована оптическая когерентная томография (ОКТ) на основе интерферометрии белого света (рис. 3). ОКТ и интерферометрия обладают рядом преимуществ: высокой точностью, возможностью структурного анализа и высоким разрешением. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, ограниченный диапазон работы, рассеяние световых лучей на высокотекстурированных поверхностях, относительность измерения, чувствительность к вибрациям, трудоемкость в реализации и эксплуатации.

Применение подобных методов затруднено в полевых условиях. Альтернативой может стать метод Structure from Motion (SfM) по комплексной информации с камер оптического спектра и в УФ- и ИК-диапазонах.

Рис. 3. 3D-реконструкция семян дыни, основанная на данных, полученных при интерферометрии

Недавно был представлен метод визуального распознавания кочанного овоща, получивший название «визуальная локализация Радиччи». Исследователи провели серию экспериментов по оценке эффективности данного алгоритма с использованием различных камер съемки. Несмотря на низкое качество исходных изображений, алгоритм демонстрировал высокую точность обнаружения. В ходе экспериментальных исследований не было зафиксировано ни одного случая ложного срабатывания.

Система технического зрения в системе управления РТК для контроля сорной растительности

Внедрение системы технического зрения (СТЗ) в систему управления робототехническим комплексом (РТК) направлено на повышение качества принятия решений за счет предоставления дополнительной информации.

Основные функции СТЗ:

Для оптимизации работы сенсоров и повышения качества получаемой информации предлагается схема (рис. 4), включающая следующие взаимосвязанные подсистемы:

Рис. 4. Предлагаемая структура системы управления РТК для автономного контроля сорной растительности с использованием данных СТЗ

На начальных этапах реализации проекта предусматривается создание системы передачи информации, поступающей от системы телеуправления (СТЗ), в случае дистанционного оперативного управления робототехническим комплексом (РТК). Данная система потребует также внедрения механизмов приема и передачи навигационной информации от систем позиционирования для обеспечения информационного сопровождения работы РТК при дистанционном управлении.

В дальнейшем планируется создание базы данных знаний (впоследствии – база знаний), которая будет хранить актуальную информацию о состоянии объекта, а также основные положения по обработке земельных участков. Эта база данных будет использоваться для распознавания образов на изображениях и автономного формирования траектории движения РТК на основе карты местности.

Выводы

В настоящее время существует широкий спектр технологий машинного зрения, применяемых в сельскохозяйственной робототехнике. Несмотря на то, что эти технологии становятся все более доступными, они не обладают универсальностью и требуют алгоритмической обработки. Кроме того, в различных областях робототехники используются разные комбинации сенсоров, что обуславливает необходимость разработки индивидуальных конфигураций датчиков с учетом специфики решаемой задачи.

В данной работе предлагается решение по интеграции систем машинного зрения (СТЗ) в систему управления робототехническим комплексом (РТК) для решения задач контроля сорной растительности, локализации элементов в рабочем пространстве РТК и мониторинга. Для эффективного определения сорняков достаточно использовать средства локализации транспортных платформ на основе данных LIDAR и стереокамер. В свою очередь, задачи мониторинга целесообразно выполнять с помощью мультиспектральных камер, охватывающих оптический, инфракрасный и ультрафиолетовый спектры.

Exit mobile version