[發(fā)明專利]基于3D LiDAR的果園行末、行首識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110178103.7
• 申請(qǐng)日: 2021-02-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112991435B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何雄奎;劉偉洪;劉亞佳;宋堅(jiān)利;曾愛(ài)軍;袁常健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/70
• 分類號(hào): G06T7/70;G06T7/66;G06V10/25;G06V10/762;G01S13/88
• 代理公司: 北京中安信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11248
• 代理人: 李彬;徐林

1.一種基于3D?LiDAR的果園行末、行首識(shí)別方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1、果園行間原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；

以果園作業(yè)機(jī)具上搭載的3D?LiDAR的幾何中心為原點(diǎn)，構(gòu)建果園作業(yè)機(jī)具的機(jī)體坐標(biāo)系{V}；其中，在該坐標(biāo)系中，x軸垂直于輪軸且正向指向果園作業(yè)機(jī)具的前進(jìn)方向，y軸平行于輪軸且正向指向果園作業(yè)機(jī)具左側(cè)，z軸垂直于x軸、y軸所在平面且正向指向上方；

在果園作業(yè)機(jī)具行進(jìn)過(guò)程中，3D?LiDAR以一定的頻率采集目標(biāo)果園行間的三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在機(jī)體坐標(biāo)系{V}下，第k幀三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)記為P_k；

S2、興趣區(qū)域選擇；

以機(jī)體坐標(biāo)系{V}的原點(diǎn)為中心，x軸正方向保留1.5倍株距d_tre，負(fù)方向保留0.5倍株距d_tre；y軸正、負(fù)方向均保留0.75倍行距d_row；z軸正方向取正無(wú)窮，負(fù)方向取0.5倍3D?LiDAR的安裝高度h_lidar；對(duì)三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)P_k進(jìn)行裁剪，作為所選興趣區(qū)域的三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)P_k′；

S3、果樹(shù)位置等效、定位直線擬合與分組；

S3.1、歐幾里得聚類，獲得每一棵果樹(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集

S3.1.1、創(chuàng)建一個(gè)kd-tree的搜索算法指針tree，將步驟S2獲得的興趣區(qū)域的三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)P_k′所對(duì)應(yīng)的指針，作為搜索算法指針tree的成員函數(shù)SetInputCloud()的輸入?yún)?shù)，由此完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)搜索方式kd-tree的創(chuàng)建；

S3.1.2、將需聚類的目標(biāo)點(diǎn)云設(shè)為步驟S2獲得的興趣區(qū)域的三維原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)P_k′，分別設(shè)置最小距離閾值為聚類點(diǎn)的最小數(shù)目為12、聚類點(diǎn)的最大數(shù)目為5000，將搜索方式設(shè)為步驟S3.1.1創(chuàng)建的kd-tree方式；其中，d_tre為株距；

S3.1.3、經(jīng)過(guò)該算法將產(chǎn)生i個(gè)數(shù)組，即i個(gè)類別，亦即i棵果樹(shù)(i＝0，1，2，...)，獲得每一棵果樹(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集

S3.2、樹(shù)干的體心等效與投影；

S3.2.1、求解步驟S3.1獲得的每一棵果樹(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中分別沿x軸、y軸、z軸三個(gè)方向的最值坐標(biāo)

S3.2.2、分別求解三個(gè)軸向最值坐標(biāo)的中點(diǎn)，即得到該果樹(shù)的體心坐標(biāo)其中，

S3.2.3、令求得的所有樹(shù)干體心坐標(biāo)的z值為0，則對(duì)于第i棵樹(shù)，其體心坐標(biāo)表示為獲得第k幀的所有樹(shù)干體心集合Q_k；

S3.3、定位直線擬合與分組；

S3.3.1、首先以機(jī)體坐標(biāo)系{V}的x軸為分割線，將第k幀的所有樹(shù)干體心集合Q_k分為左右兩組Q_l、Q_r，然后以機(jī)體坐標(biāo)系{V}的y軸為分割線將第k幀的所有樹(shù)干體心集合Q_k分為前后兩組Q_f、Q_b，最后使用最小二乘法分別對(duì)四組樹(shù)干體心集合Q_l、Q_r、Q_f、Q_b進(jìn)行擬合，分別獲得四條直線方程：左直線L_l、右直線L_r、前直線L_f、后直線L_b；

S3.3.2、根據(jù)四條直線方程L_l、L_r、L_f、L_b存在的真假狀態(tài)，將直線存在記為1，不存在記為0，則四條直線存在的真假狀態(tài)組合方式共有2⁴＝16種，獲得四條直線存在的真假狀態(tài)組合方式與果園作業(yè)機(jī)具在果園中所處位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；所述果園作業(yè)機(jī)具在果園中所處位置包括進(jìn)入樹(shù)行、到達(dá)行末、離開(kāi)樹(shù)行和踏入樹(shù)行；

S4、行末、行首識(shí)別；

根據(jù)步驟S3.3獲得的四條直線存在的真假狀態(tài)組合方式與果園作業(yè)機(jī)具在果園中所處位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

當(dāng)四條直線中，L_b為1、L_f為0、L_l為0、L_r為0，或

L_b為1、L_f為0、L_l為0、L_r為1，或

L_b為1、L_f為0、L_l為1、L_r為0，果園作業(yè)機(jī)具處于到達(dá)行末的狀態(tài)時(shí)，即為準(zhǔn)確識(shí)別了果園行末；

當(dāng)四條直線中，L_b為0、L_f為1、L_l為0、L_r為0，或

L_b為0、L_f為1、L_l為0、L_r為1，或

L_b為0、L_f為1、L_l為1、L_r為0，果園作業(yè)機(jī)具處于踏入樹(shù)行的狀態(tài)時(shí)，即為準(zhǔn)確識(shí)別了果園行首。