一種基于人工標(biāo)識(shí)的自動(dòng)投餌作業(yè)船視覺導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)工程和機(jī)器視覺領(lǐng)域，是一種采用圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等 對(duì)青蝦養(yǎng)殖自動(dòng)作業(yè)船進(jìn)行視覺導(dǎo)航的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著人民生活水平的提高，高蛋白水產(chǎn)品消費(fèi)量逐年增加。據(jù)資料顯示， 2014年上半年我國水產(chǎn)品養(yǎng)殖面積達(dá)到762. 98萬公頃，水產(chǎn)品產(chǎn)量2616. 38萬噸，并將繼 續(xù)保持逐年增長的趨勢。如今，我國的養(yǎng)殖業(yè)已有了不菲的成績，養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量已達(dá)到了 全世界水產(chǎn)品總量70 %，成為世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，并且水產(chǎn)品出口量連續(xù)多年世界第 一。青蝦營養(yǎng)價(jià)值豐富，味道鮮美，強(qiáng)大的需求促使青蝦的養(yǎng)殖規(guī)模迅速增長。而且，隨著 海外市場需求量的增加，優(yōu)質(zhì)青蝦是我國重要的出口水產(chǎn)品。近年來隨著青蝦價(jià)格的持續(xù) 上漲，而且其養(yǎng)殖技術(shù)操作相對(duì)簡單，青蝦養(yǎng)殖市場前景被廣泛看好，使得目前我國青蝦養(yǎng) 殖水域面積急劇增加。
[0003] 但我國青蝦養(yǎng)殖業(yè)的自動(dòng)化水平卻顯得相當(dāng)滯后，目前的養(yǎng)殖工作中，養(yǎng)殖飼料 投放大部分采用人工的方式進(jìn)行，這種工作方式的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度較大，特別是在養(yǎng)殖 面積大的情況下勞動(dòng)強(qiáng)度是巨大的。而且在整個(gè)養(yǎng)殖投餌過程基本上還是依靠養(yǎng)殖戶根據(jù) 個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，有撒料不均勻、計(jì)量不準(zhǔn)確和喂料不準(zhǔn)時(shí)等諸多缺點(diǎn)。
[0004] 基于以上情況，考慮采用已安裝自動(dòng)投餌機(jī)的作業(yè)船，結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)航控制的方式 來投餌。一般的導(dǎo)航方式采用的是非視覺信息的導(dǎo)航方式，如GPS導(dǎo)航。GPS導(dǎo)航雖定位 較精確，但是價(jià)格昂貴，對(duì)于普通養(yǎng)殖農(nóng)戶來說，成本加大。視覺導(dǎo)航是人工智能駕駛或輔 助駕駛的關(guān)鍵技術(shù)步驟，是通過視覺數(shù)據(jù)的處理（一般是圖像數(shù)據(jù)），提取環(huán)境中有用的信 息，為行駛決策提供可靠的依據(jù)。從青蝦養(yǎng)殖技術(shù)經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)養(yǎng)殖池塘要求：蝦塘面積最 適宜為3~5畝，一般呈現(xiàn)的是東西長、南北寬，塘深1. 2米以上，水深1米以上，呈矩形平 面分布，其相對(duì)環(huán)境適合考慮使用視覺導(dǎo)航的方法。如果把養(yǎng)殖水域環(huán)境中加入一些設(shè)定 的人工標(biāo)識(shí)物，通過若干臺(tái)相機(jī)拍攝圖像再進(jìn)行圖像處理，獲得相應(yīng)的導(dǎo)航信息，保證作業(yè) 船在預(yù)定的路徑上行駛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問題，結(jié)合目前青蝦養(yǎng)殖池塘環(huán)境的基本情況，本發(fā)明采用已安裝自動(dòng) 投餌機(jī)的作業(yè)船，蝦塘周邊人為設(shè)置一些標(biāo)識(shí)物，采用圖像處理技術(shù)，得到自動(dòng)投餌作業(yè)船 的導(dǎo)航信息，提出一種基于人工標(biāo)識(shí)的青蝦養(yǎng)殖自動(dòng)投餌作業(yè)船視覺導(dǎo)航的方法，實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)投餌作業(yè)船的自動(dòng)行駛投餌。該發(fā)明對(duì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高養(yǎng)殖業(yè)自動(dòng)化水平和降低養(yǎng) 殖成本，具有十分重要的意義。
[0006] -種基于人工標(biāo)識(shí)的自動(dòng)投餌作業(yè)船視覺導(dǎo)航方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，在蝦塘前后左右指定位置設(shè)置特定的人工標(biāo)識(shí)物，不同的人工標(biāo)識(shí)物表示 不同的導(dǎo)航信息；導(dǎo)航信息包括表示直行控制信號(hào)和表示轉(zhuǎn)彎控制信號(hào)兩類人工標(biāo)識(shí)物， 直行控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí)物采用"田"字形圖案編碼區(qū)分不同航線，以"田"字型圖案左上角 方格為最高位，右下角方格為最低位，按從右至左、自下而上的方向進(jìn)行二進(jìn)制編碼，其中 黑色方格表示"1"，白色方格表示"0";轉(zhuǎn)彎控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí)物分為三類，綠色圓形圖案表 示左轉(zhuǎn)彎信號(hào)，紅色圓形圖案表示停止轉(zhuǎn)彎信號(hào)，藍(lán)色圓形圖案表示右轉(zhuǎn)彎信號(hào)；
[0008] 步驟2,自動(dòng)投餌作業(yè)船選用三個(gè)攝像頭，分別在自動(dòng)投餌作業(yè)船的前、后、右邊安 裝固定，對(duì)攝像頭采集的圖像通過船體控制單元進(jìn)行圖像處理，前后方攝像頭A、B是為得 到控制直線行駛信號(hào)，右邊攝像頭C是為得到控制轉(zhuǎn)彎和停止轉(zhuǎn)彎信號(hào)；
[0009] 步驟3,船體控制單元首先根據(jù)前方攝像頭A來判斷自身的位置和姿態(tài)并制定相 應(yīng)控制策略，控制自動(dòng)投餌作業(yè)船的行駛狀態(tài)；若前方攝像頭A拍攝的圖像中心在標(biāo)識(shí)物 的左邊，則船頭應(yīng)向右邊偏轉(zhuǎn)；若前方攝像頭A拍攝的圖像中心在標(biāo)識(shí)物的右邊，則船頭應(yīng) 向左邊偏轉(zhuǎn)；船頭偏轉(zhuǎn)直至前方標(biāo)識(shí)物在采集圖像的中間位置；
[0010] 步驟4,當(dāng)前方攝像頭A拍攝的標(biāo)識(shí)物在采集圖像的中間位置，此時(shí)應(yīng)根據(jù)后方攝 像頭B拍攝圖像中標(biāo)識(shí)物的位置來判斷船的位置；若后方攝像頭B拍攝的圖像中心在標(biāo)識(shí) 物右邊，可判斷此時(shí)自動(dòng)投餌作業(yè)船船體位于航線的右邊，則船頭應(yīng)向左邊偏轉(zhuǎn)；若后方攝 像頭B拍攝的圖像中心在標(biāo)識(shí)物左邊，可判斷此時(shí)自動(dòng)投餌作業(yè)船船體位于航線的左邊， 則船頭應(yīng)向右邊偏轉(zhuǎn)；若后方標(biāo)識(shí)物在采集圖像中間，則自動(dòng)投餌作業(yè)船在指定航線上行 駛；
[0011] 步驟5,按步驟4偏轉(zhuǎn)完成后，按照此策略反復(fù)動(dòng)態(tài)調(diào)整船的位置和姿態(tài)，使自動(dòng) 投餌作業(yè)船能按照預(yù)定軌跡直線行駛；
[0012] 步驟6,當(dāng)自動(dòng)投餌作業(yè)船右邊攝像頭C拍攝到左、右塘岸轉(zhuǎn)彎控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí) 物的信號(hào)時(shí)，自動(dòng)投餌作業(yè)船船體控制單元根據(jù)識(shí)別的導(dǎo)航信息，控制和改變自動(dòng)投餌作 業(yè)船的相應(yīng)行駛狀態(tài)；當(dāng)檢測到左（右）轉(zhuǎn)彎導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，船頭左（右）轉(zhuǎn)直至檢測到停止 轉(zhuǎn)彎信號(hào)，停止轉(zhuǎn)彎后船即到下一個(gè)航線上；
[0013] 步驟7,重復(fù)步驟3-6,直至完成本次自動(dòng)投餌作業(yè)船的投餌作業(yè)。
[0014] 進(jìn)一步，步驟1中所述人工標(biāo)識(shí)物的設(shè)置，還包括，在蝦塘前后塘岸按照航線間隔 設(shè)置表示直行控制信號(hào)的人工標(biāo)識(shí)物，其中同一航線兩端的人工標(biāo)識(shí)物圖案編碼一致；每 對(duì)靠近前（后）塘岸一側(cè)的轉(zhuǎn)彎控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí)物與前（后）塘岸水平距離相同。
[0015] 進(jìn)一步，步驟2中所述自動(dòng)投餌作業(yè)船上攝像頭的設(shè)置方法為：前后方攝像頭A、 B沿船身中軸線安裝在同一高度；攝像頭C沿自動(dòng)投餌作業(yè)船船身右側(cè)安裝，高度與前后方 攝像頭A、B高度一致。
[0016] 進(jìn)一步，步驟4中，所述根據(jù)后方攝像頭B拍攝圖像中標(biāo)識(shí)物的位置來判斷自動(dòng)投 餌作業(yè)船的位置的方法，還包括，自動(dòng)投餌作業(yè)船船頭在偏轉(zhuǎn)過程中的角度是按照偏轉(zhuǎn)前、 后兩個(gè)距離比來確定的；偏轉(zhuǎn)前距離比為：后方攝像頭B拍攝的圖像中心與后方兩個(gè)相鄰 標(biāo)識(shí)物距離比；偏轉(zhuǎn)后距離比為：前方攝像頭A拍攝的圖像中心與前方兩個(gè)相鄰標(biāo)識(shí)物距 離比；這一偏轉(zhuǎn)過程直至偏轉(zhuǎn)前后距離比相等。
[0017] 進(jìn)一步，所述直行控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí)物中心與轉(zhuǎn)彎控制信號(hào)人工標(biāo)識(shí)物中心處在 同一水平面上。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：自動(dòng)投餌作業(yè)船采用視覺導(dǎo)航方式沿著預(yù)定航線行駛，通 過對(duì)設(shè)置的人工標(biāo)識(shí)物進(jìn)行圖像處理獲取其表達(dá)的導(dǎo)航信息，判斷自動(dòng)投餌作業(yè)船的位置 和航向，制定出相應(yīng)的控制策略，控制自動(dòng)投餌作業(yè)船按預(yù)定的航線自主行駛。本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)在于能節(jié)省大量的人工操作，減輕青蝦養(yǎng)殖者的勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)青蝦養(yǎng)殖業(yè)的自動(dòng)化、 智能化提供了依據(jù)，有利于青蝦養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明基于使用視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的總體環(huán)境平面俯視圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)使用的自動(dòng)作業(yè)船簡圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明采用的人工標(biāo)識(shí)物；
[0022] 圖4為作業(yè)船行駛規(guī)則流程圖；
[0023] 圖5為左轉(zhuǎn)彎示意圖；
[0024] 圖6為右轉(zhuǎn)彎示意圖；
[0025] 圖7為航線上作業(yè)船的控制調(diào)整策略示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合【附圖說明】和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0027] 目前比較常用的利用視覺的導(dǎo)航方法主要分為兩種：利用人工標(biāo)識(shí)物識(shí)別法及圖 像場景識(shí)別法。人工標(biāo)識(shí)物識(shí)別法指的是在工作場景中加入一些人工的標(biāo)識(shí)物（例如箭 頭，圖形，旗幟等等），將這些標(biāo)識(shí)物從圖像中識(shí)別出來，以確定位置或規(guī)劃路徑。本發(fā)明提 供了一種基于人工標(biāo)識(shí)的青蝦養(yǎng)殖自動(dòng)作業(yè)船視覺導(dǎo)航方法，針對(duì)青