吳妮真

（百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色533000）

在草坪的維護工作中，修整工作最為繁重，需要耗費大量的人力和物力進行維護，且工作效率低下。為了降低勞動強度、提高草坪修整速率，可以采用智能草坪修整機代替人工進行作業(yè)。智能草坪修整機是一種綜合性較強的機器人設(shè)備，集合了傳感控制技術(shù)、自動化技術(shù)及計算機通信等技術(shù)，具有降低人力消耗、工作效率高和安全系數(shù)高等優(yōu)點。隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通過計算機模擬視覺的方式可以進行信息的采集和處理工作，即視覺算法技術(shù)。視覺算法的定義是以計算機視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，將三維環(huán)境圖像轉(zhuǎn)化為二維圖像，以便于獲得圖像的相關(guān)信息，包括位置、尺寸和形態(tài)等信息。該技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、航空等領(lǐng)域，具有成本低、精度高、自動化程度高等優(yōu)點。目前，我國對于智能草坪修整機的主要研究工作為自主作業(yè)方面，如自動割草、自動充電和定時啟動等功能，很少有文獻將視覺算法應(yīng)用于草坪修整機的智能化研究，其智能化程度還有很大的提升空間。智能草坪修整機能夠準確快速完成草坪修整工作，除了控制系統(tǒng)的調(diào)控，還需要末端機構(gòu)能實現(xiàn)完整空間形狀的動作，即需要對其運動行為進行分析。因此，作者將基于視覺算法對草坪修整機進行設(shè)計，并進行運動分析。

1 視覺算法視角下的草坪修整機現(xiàn)狀

1.1 草坪修整機研究現(xiàn)狀

伴隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)與美麗鄉(xiāng)村戰(zhàn)略的進一步深化，綠化植被覆蓋率已經(jīng)成為衡量環(huán)境標(biāo)準的重要指標(biāo)，其中草坪作為城鎮(zhèn)建設(shè)中最為常見的綠化設(shè)施，其美觀性是提升居民生活質(zhì)量與環(huán)境標(biāo)準的重要條件，因此我國迅速開展對綠化草坪的建設(shè)工作，但是現(xiàn)有草坪修整技術(shù)不能滿足日益發(fā)展的綠化需求，雜草收集難度大、修整作業(yè)強度高以及技術(shù)的落后，嚴重制約了我國開展綠色中國的建設(shè)步伐，對草坪修整機的改進與完善成為時代發(fā)展的需求。在19世紀初期，英國學(xué)者就發(fā)明了第一臺人工草坪修整機械，在經(jīng)過一個世紀的不斷完善與發(fā)展，在20世紀初期首次將內(nèi)燃裝置作為主要動力，并在后續(xù)英國工業(yè)公司的支持下發(fā)明了拖拉機草坪修整機。

信息化時代的來臨為草坪修整機提供了新的發(fā)展契機，以智能化裝置為核心的草坪修整機層出不窮，在我國進行綠化草坪修整的修整機一般以手推式為主，該種草坪修整機的重量較輕，體積較小，使用簡便，但是單一的草坪修整方式導(dǎo)致效率低下，修整質(zhì)量尚存疑問，并且在后續(xù)雜草的處理中較為復(fù)雜，在進行大規(guī)模草坪修整作業(yè)時，通常使用以燃油為能源動力的草坪修整機，該種修整機最大的優(yōu)點就是能夠持續(xù)運行，運行效率較高，但是會在運行過程中產(chǎn)生大量噪音，只能在遠離城鎮(zhèn)的郊區(qū)進行草坪修整。

1.2 基于機械視覺的障礙技術(shù)研究現(xiàn)狀

機械視覺是在上世紀中期被研究者提出，使用視覺能夠?qū)⑺^測到的視覺信息在內(nèi)部層層篩選，同時將運行的標(biāo)準進行精確的制定。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械視覺技術(shù)理論得到了有效補充，并且相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的價格也在逐漸走低，在各行各業(yè)中所占據(jù)的比例越來越重。進行機械視覺的障礙技術(shù)研究可分為兩部分，一是對單目視覺進行障礙技術(shù)研究，該種技術(shù)研究方式對裝置設(shè)備的配件要求較低，整體構(gòu)造較為簡便，在運行過程中，首選采用機械設(shè)備對視覺算法的輸入，根據(jù)所進行視覺觀察的目標(biāo)變化，通過小孔成像的原理對目標(biāo)距離進行精確運算，以便后續(xù)目的的達成。例如，我國著名視覺算法研究學(xué)家李慶通過將視覺算法所運行的空間替換成HSI空間，使用canny視覺算法，實現(xiàn)對視覺過程中障礙物的端口的監(jiān)測，以此來確定與實際障礙物的距離；二是對雙目視覺進行障礙技術(shù)研究，雙目顧名思義，就是其運行原理與人類雙眼相同，雙目對所觀測到的障礙物體積、距離等信息數(shù)據(jù)進行收集，由于雙目所處位置不同，因此觀測出的障礙物體積、距離存在差異，這種現(xiàn)象也可以理解為視差。如圖1所示，當(dāng)障礙物所處距離越遠，視差越?。划?dāng)障礙物所處距離越近，視差越大。

圖1 雙目視覺檢測原理

2 自動化草坪修整機的設(shè)計

針對上述概括中提出的視覺算法角度進行草坪修整機的研究，在此基礎(chǔ)上建造一種以視覺算法為載體，能夠?qū)⑿畔?shù)據(jù)進行判定以及傳輸指令的發(fā)出，并將其中的應(yīng)對措施進行PLC反饋，形成自動化運行機制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該機制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。在裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，主要構(gòu)件由主圓盤刀片、副圓盤刀片以及運行構(gòu)件構(gòu)成。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要作用是進行草坪修整機的全面優(yōu)化，在控制系統(tǒng)中的運行驅(qū)動構(gòu)件進行裝置啟動，并以此來改變運行速率。除此之外，該運行驅(qū)動構(gòu)件為PLC程序設(shè)計，對不同情況的視覺檢測結(jié)果有著不同信息的反應(yīng)，將反應(yīng)結(jié)果傳輸?shù)叫畔⒅行?，實現(xiàn)對草坪修整機的自動化管理。

本文以型號為KAZZ 536HH草坪修整機為研究對象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 KAZZ 536HH草坪修整機結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計主要包括主圓盤刀片、副圓盤刀片以及運行構(gòu)件組成，在主圓盤刀片中一共設(shè)置三個圓盤刀片，刀片之間的間隔距離為390mm，橫向切割的長度在1.2m左右，上述主圓盤與刀片被相互固定，在裝置啟動時通過驅(qū)動皮帶進行帶動運轉(zhuǎn)。為了進行視覺算法角度的草坪修整機研究，必須對原有KAZZ 536HH草坪修整機進行改造，改造示意圖如圖3所示，在主圓盤刀片上增加刀盤、強化鋼、推桿、曲線槽以及掛鉤。

圖3 草坪修整機主圓盤刀片

副圓盤刀片在運行時首先由軸柱上的深溝球進行刀片固定，承壓輪軸負責(zé)對整體圓盤刀片進行支撐，再使用副圓盤刀片上的自動化推桿進行旋轉(zhuǎn)，從而引起曲線槽運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動化修整機的運行。在上述的推桿中，最大承受壓力指數(shù)在1000N以下，該標(biāo)準能夠滿足日常運作需求，并且通過推桿的啟動與停止實現(xiàn)對修整機的控制。最后，在最終測試時，還要將該運作軸輪使用皮帶緊緊聯(lián)系，提高穩(wěn)定性，并且將副圓盤刀片的兩端進行磁性閥門的設(shè)置，防止裝置運轉(zhuǎn)速率過快。

在進行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運行機制分析中，首先要明確KAZZ 536HH的圓盤刀片分為主要刀片以及次要刀片，而主圓盤刀片的長度為16英寸，副圓盤刀片的長度為13英寸，二者具備統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此在進行草坪修整的過程中，該圓盤刀片迅速旋轉(zhuǎn)，將所要修整的草坪進行處理。得出該修整運動是修整機運轉(zhuǎn)速率與圓盤刀片的共同運轉(zhuǎn)速率合成，即該圓盤刀片上的任意一點都是該草坪修整機的運行軌跡，呈現(xiàn)余擺線，如圖4所示，用運行軌跡的公式可以表示為：

圖4 草坪修整機運行軌跡

在式（1）中r為進行切割的刀片半徑（m）；t為草坪修整機運轉(zhuǎn)的時間（min）；ω為圓盤刀片進行旋轉(zhuǎn)的速率（rad/s）；V則是該草坪修整機的運行速率（m/s）。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)自動化草坪修整機運行的核心，根據(jù)其運行流程主要可分為視覺算法實施以及運行驅(qū)動開展，在運行驅(qū)動環(huán)節(jié)中以PLC程序控制與信息傳輸接口為主要難點，并且完成后的運行驅(qū)動環(huán)節(jié)標(biāo)準為以下四點：一是通過控制副圓盤刀片實現(xiàn)對閥門的人工閉合；二是通過按鈕實現(xiàn)對圓盤刀片的閉合；三是當(dāng)草坪修整機出現(xiàn)意外事故時啟動預(yù)警機制，實現(xiàn)自我閉合；四是在個系統(tǒng)構(gòu)件中安裝保護裝置。其運行環(huán)節(jié)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)示意圖

根據(jù)圖5可知，PC機能夠與PLC控制系統(tǒng)之間產(chǎn)生信息數(shù)據(jù)的傳輸，而PLC系統(tǒng)則可以借助預(yù)警系統(tǒng)對圓盤刀片進行控制，是控制系統(tǒng)中最為重要的核心程序，其運行原理首先是將內(nèi)設(shè)相機所收集的信息進行處理，通過在PLC程序中的樣本檢測設(shè)定，成功運算出目標(biāo)物與草坪修整機之間的距離以及目標(biāo)物基本信息等，然后將所運算出的距離進行分類，一種是高于最高標(biāo)準，一種是低于最低標(biāo)準，最后一種是處于標(biāo)準之內(nèi)。針對不同情況，由PLC控制系統(tǒng)作出最終判斷，將判斷結(jié)構(gòu)輸入自動化推桿之中，實現(xiàn)對草坪修整機的視覺算法控制。

3 視覺算法角度下的草坪修整機運行分析

在進行草坪修整的過程中，使用視覺算法角度能夠使得自動化修整范圍更加準確，促進修整機修整幅度的精確調(diào)整，提高草坪修整質(zhì)量與效率。此外，采用視覺算法進行草坪障礙物以及修整度的測評，全程使用機械裝置，因此得出的修正準度與自動化程度較高，在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較少人力成本的投入，修整速率較快。再者，在進行視覺算法的檢測中，由于內(nèi)設(shè)相機自身具有失真性，因此必須對內(nèi)設(shè)相機進行標(biāo)定，使得相機所觀測到的空間信息精確度上升，促進草坪修整機的自動化運行。

3.1 視覺檢測

針對在草坪修整過程中出現(xiàn)的障礙物進行檢測，使用插值測量的方式，其測量示意圖如圖6所示。首先將草坪修整機的內(nèi)設(shè)相機按照不同的高度進行排列，隨后經(jīng)過插值計算，在視覺檢測系統(tǒng)中對障礙物坐標(biāo)精確定位。

圖6 插值法示意圖

3.2 實驗分析

在上述對視覺檢測的方式以及原理進行分析后，采用編程手段對草坪修整機的運行狀況進行視覺算法模型，為了確保該實驗結(jié)果的準確性，對公園綠化草坪進行多次取樣，陰天10次，晴天10次，共計20次。通過數(shù)據(jù)分析得出表1。在表1中，可以明顯發(fā)現(xiàn)，該草坪修整機的運行狀況良好，自動化檢測系統(tǒng)與實際距離之間的差異維持在3.75mm，平均誤差為0.23%，因此得出基于視覺算法角度的草坪修整機運行是有效的、合理的，能夠滿足日常自動化草坪修整工程。

表1 視覺算法下的草坪修整機運行結(jié)果

4 結(jié)束語

本文結(jié)合國內(nèi)外草坪修整機的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有草坪修整技術(shù)不能滿足日益發(fā)展的綠化需求，雜草收集難度大、修整作業(yè)強度高以及技術(shù)的落后，嚴重制約了我國開展綠色中國的建設(shè)步伐，對草坪修整機的改進與完善成為時代發(fā)展的需求。針對上述情況的出現(xiàn)，通過對機械視覺的障礙技術(shù)進行深入研究，結(jié)合KAZZ 536HH草坪修整機進行內(nèi)部系統(tǒng)的優(yōu)化改造，基于視覺算法角度為基礎(chǔ)，提出一種運行效率更高、自動化控制以及視覺檢測的新型草坪修整機，為后續(xù)草坪修整機的發(fā)展提供借鑒經(jīng)驗，但現(xiàn)有技術(shù)知識有限，因此不能對其進行深入理解，在分析環(huán)節(jié)中還需完善。本文主要對其運動行為進行了分析。（1）草坪修整機采用視覺算法進行草坪環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，通過對其運動行為進行分析，包括建立運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，為草坪修整機的智能化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。（2）為驗證該草坪修整機的性能，對其實際草坪的修整試驗，結(jié)果表明：草坪修整機的性能穩(wěn)定，可以完成草坪的修整工作。