玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法及系统，包括以下步骤：利用激光雷达获取收获机前方作业场景的3D点云，处理3D点云数据，计算3D点云各点对应离地高度；根据3D点云各点对应离地高度，区分大豆与玉米，提取高于大豆部分的玉米作物3D点云集合；根据点云集合中点的分布提取玉米感兴趣区域ROI；利用粒子群算法对ROI区域中的点进行聚类，获取每行玉米对应点的聚类结果；利用最小二乘法对聚类后各类别中的点进行线性拟合，得到玉米大豆复合种植带中各行玉米行线。本发明专利技术能够实时精确的检测玉米大豆带状复合种植模式下玉米作物带中各行玉米的行线位置，为玉米大豆带状复合种植模式下玉米收获机智能控制提供基础数据。提供基础数据。提供基础数据。

【技术实现步骤摘要】
玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法及系统


[0001]本专利技术属于农业机械智能化
，尤其涉及一种玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法及其系统。

技术介绍

[0002]大豆、玉米是我国的大宗农产品，是保障我国粮食安全的重要作物。玉米大豆带状复合种植技术能充分利用光照、土地资源，缓解作物之间争地矛盾，增加土地产出率，已受到我国的大面积推广。玉米大豆带状复合种植模式下，玉米作物带中各株玉米之间的间距与株距都将缩小，玉米叶片相互遮挡，且作物带整体呈连续块状，难以精准定位玉米行线位置。玉米的对行收获能够有效降低玉米收获的损失，为了保证收获机在收玉米时玉米植株到摘穗锟中心线之间的距离保持在合理水平，需要机手掌握良好的驾驶技术，且长时间保持精神高度集中，易疲劳，无法持续长久。如果能够提供一种玉米行线检测方法，对玉米的精准收获会有很大帮助。
[0003]目前，玉米行线检测的研究主要集中在玉米单独种植的收获场景中，针对玉米大豆带状复合种植模式下玉米收获行线检测的研究鲜有报道，现有技术中有使用双目相机采集作物图像，通过作物颜色信息和深度信息获取玉米行线位置，也有使用偏差检测感器获取玉米行线位置。然而以上方法主要适用于传统玉米种植模式下玉米行距大，单株玉米相对独立好区分的情况，均无法精确提取玉米大豆带状复合种植模式下密集种植的玉米行线位置，有较大偏差，从而大大降低后续对行收获自动控制效果，导致收获损失增大，难以实现玉米不减产的生产目标。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术的一个方式的目的之一是提供一种玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，采用激光雷达获取作业场景的点云信息，经坐标变换后得出点云高度，区分玉米与大豆作物的点云之后提取ROI区域，最后对点进行线性拟合，得到玉米大豆复合种植带中各行玉米行线，能够实时精确的检测玉米大豆带状复合种植模式下玉米作物带中各行玉米的行线位置，为玉米大豆带状复合种植模式下玉米收获机智能控制提供基础数据。
[0005]本专利技术的一个方式的目的之一是提供一种实现所述玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法的系统，该系统包括点云处理模块、点云提取模块、ROI提取模块、点聚类模块和行线获取模块；采用激光雷达获取作业场景的点云信息，经坐标变换后得出点云高度，区分玉米与大豆作物的点云之后提取ROI区域，最后对点进行线性拟合，得到玉米大豆复合种植带中各行玉米行线，能够实时精确的检测玉米大豆带状复合种植模式下玉米作物带中各行玉米的行线位置，为玉米大豆带状复合种植模式下玉米收获机智能控制提供基础数据。
[0006]注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本专利技术的一个方式并不需要实
现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。
[0007]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008]一种玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1：获取并处理点云数据：利用激光雷达获取收获机前方作业场景的3D点云，处理3D点云数据，计算3D点云各点对应离地高度；
[0010]步骤S2：提取玉米点云集合：根据步骤S1计算的3D点云各点对应离地高度，区分大豆与玉米作物带，提取高于大豆部分的玉米作物3D点云集合；
[0011]步骤S3：提取玉米感兴趣区域ROI：根据步骤S2中点云集合中点的分布提取玉米感兴趣区域ROI；
[0012]步骤S4：获取点的聚类结果：利用粒子群算法对步骤S3中获取的ROI区域中的点进行聚类，获取每行玉米对应点的聚类结果；
[0013]步骤S5：线性拟合得出玉米行线：利用最小二乘法对步骤S4聚类后各类别中的点进行线性拟合，得到玉米大豆复合种植带中各行玉米行线。
[0014]上述方案中，所述步骤S1中处理3D点云数据的具体步骤为：根据激光雷达标定外参，利用坐标变换公式对收获机的世界坐标系与激光雷达坐标系进行匹配，获取收获机世界坐标系下3D点云。
[0015]进一步的，所述坐标变换公式如下：
[0016][0017]其中，X，Y，Z为3D点云在收获机的世界坐标系下的三维坐标；
[0018]X
′
，Y
′
，Z
′
为3D点云在激光雷达坐标系下的三维坐标；
[0019]R为激光雷达坐标系到收获机的世界坐标系的旋转矩阵；
[0020]T为激光雷达坐标系到收获机的世界坐标系的平移矩阵。
[0021]上述方案中，所述步骤S1中计算3D点云各点对应离地高度采用公式如下：
[0022][0023]h
i
＝H
‑
Y
[0024]其中，L为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至激光雷达的直线距离；
[0025]X为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至激光雷达的水平距离；
[0026]Y为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至水平基准面的垂直距离；
[0027]H为收获机的世界坐标系下激光雷达的离地高度；
[0028]h
i
为收获机的世界坐标系下3D点云中各点的离地高度。
[0029]上述方案中，所述步骤S2的具体步骤包括：
[0030]步骤S2.1：设定相邻作物带的高度差距阈值η，根据步骤S1计算的3D点云各点离地高度，从一侧到另一侧依次将相邻作物带高度差小于高度差距阈值η的3D点云分别标记为同一个作物带，如果相邻的作物带高度差大于或等于高度差距阈值η，表示从一个作物带变化到另一个作物带，分别得到多个作物带的3D点云块；
[0031]步骤S2.2：计算步骤S2.1的每个作物带的3D点云块的平均高度，并输入预设第一
高度区间和第二高度区间，且第一高度区间大于第二高度区间，将平均高度在第一预设区间的3D点云块判定为玉米作物带，将平均高度在第二高度区间的3D点云块判定为大豆作物带；
[0032]步骤S2.3：根据大豆作物带平均高度h
s
与设定的高度波动阈值σ，提取所有高度大于(h
s
+σ)的玉米作物3D点云集合。
[0033]上述方案中，所述步骤S3的具体步骤包括：
[0034]步骤S3.1：构建与激光雷达安装点高度相同的水平基准面；
[0035]步骤S3.2：将步骤S2获取的收获机的世界坐标系下玉米作物3D点云投影至所步骤S3.1构建的水平基准面；
[0036]步骤S3.3：在水平基准面中根据点的分布动态提取玉米作物感兴趣区域ROI。
[0037]进一步的，所述步骤S3.3提取玉米作物感兴趣区域ROI的公式如下：
[0038][0039][0040]其中，R
v
为ROI区域上下边界纵坐标；
[0041]R
h
为ROI区域左右边界横坐标；
[0042]n为基准面中点的数量；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取并处理点云数据：利用激光雷达获取收获机前方作业场景的3D点云，处理3D点云数据，计算3D点云各点对应离地高度；步骤S2：提取玉米点云集合：根据步骤S1计算的3D点云各点对应离地高度，区分大豆与玉米作物带，提取高于大豆部分的玉米作物3D点云集合；步骤S3：提取玉米感兴趣区域ROI：根据步骤S2中点云集合中点的分布提取玉米感兴趣区域ROI；步骤S4：获取点的聚类结果：利用粒子群算法对步骤S3中获取的ROI区域中的点进行聚类，获取每行玉米对应点的聚类结果；步骤S5：线性拟合得出玉米行线：利用最小二乘法对步骤S4聚类后各类别中的点进行线性拟合，得到玉米大豆复合种植带中各行玉米行线。2.根据权利要求1所述的玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，其特征在于，所述步骤S1中处理3D点云数据的具体步骤为：根据激光雷达标定外参，利用坐标变换公式对收获机的世界坐标系与激光雷达坐标系进行匹配，获取收获机世界坐标系下3D点云。3.根据权利要求2所述的玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，其特征在于，所述坐标变换公式如下：其中，X，Y，Z为3D点云在收获机的世界坐标系下的三维坐标；X
′
，Y
′
，Z
′
为3D点云在激光雷达坐标系下的三维坐标；R为激光雷达坐标系到收获机的世界坐标系的旋转矩阵；T为激光雷达坐标系到收获机的世界坐标系的平移矩阵。4.根据权利要求1所述的玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，其特征在于，所述步骤S1中计算3D点云各点对应离地高度采用公式如下：h
i
＝H
‑
Y其中，L为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至激光雷达的直线距离；X为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至激光雷达的水平距离；Y为收获机的世界坐标系下3D点云中各点至水平基准面的垂直距离；H为收获机的世界坐标系下激光雷达的离地高度；h
i
为收获机的世界坐标系下3D点云中各点的离地高度。5.根据权利要求1所述的玉米大豆复合种植模式下的玉米收获行线检测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：步骤S2.1：设定相邻作物带的高度差距阈值η，根据步骤S1计算的3D点云各点离地高度，从一侧到另一侧依次将相邻作物带高度差小于高度差距阈值η的3D点云分别标记为同一个作物带，如果相邻的作物带高度差大于或等于高度差距阈值η，表示从一个作物带变化到另一个作物带，分别得到多个作物带的3D点云块；步骤S2.2：计算步骤S2.1的每个作物带的3D点云块的平均高度，并输入预设第一高度
区间和第二高度区间，且第一高度区间大于第二高度区间，将平均高度在第一预设区间的3D点云块判定为玉米作物带，将平均高度在第...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立章，崔志鸿，刘朋，胡金鹏，余杨，柴晓玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：