基于禎內(nèi)編碼和DSP圖像處理的農(nóng)機(jī)避障控制

伍 坪

（三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明，365000）

農(nóng)機(jī)避障系統(tǒng)的設(shè)計對于提高其工作效率和作業(yè)質(zhì)量具有重要的意義，受到作業(yè)環(huán)境的影響，農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)意義上的攝像機(jī)和PC 機(jī)相連接組成的導(dǎo)航系統(tǒng)不太可行，因為這種方案不僅成本高，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性也比較低，系統(tǒng)的整體效率也不高。嵌入式DSP 處理器體積小、功能多、編程方便，可以將視頻采集、視頻編碼處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ芗捎谝惑w，并且利用計算機(jī)可以對多個地點進(jìn)行視覺掃描，如果將其使用在農(nóng)機(jī)避障系統(tǒng)的設(shè)計上，對于提高整個農(nóng)機(jī)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量會發(fā)揮重要的作用。

1 禎內(nèi)編碼技術(shù)

禎內(nèi)編碼是20 世紀(jì)70年代由Slepian 和Wolf 為無損編碼建立禎內(nèi)源編碼 （DSC） 信息理論界限，以及Wyner 和Ziv 在解碼器上使用SI（Service Information）進(jìn)行有損編碼的結(jié)果。無損DSC 指的是通過利用統(tǒng)計依賴性，分別對兩個相關(guān)隨機(jī)源進(jìn)行編碼和聯(lián)合解碼。

假設(shè)兩個統(tǒng)計依賴性的隨機(jī)序列分別為X 和Y，在對X 和Y 進(jìn)行編解碼的過程中，可以通過熵編碼實現(xiàn)RX和RY的速率，使得RX≥H(X)和RX≥H(Y)，其中H(X)和H(Y)分別是X 和Y 的熵。Slepian-Wolf（SW）定理證明了聯(lián)合解碼可以獲得更好的速率，并且能夠?qū)偹俾蔙X+RX給出更嚴(yán)格的界限。由SW 建立的允許速率區(qū)域?qū)?yīng)于圖1中的陰影區(qū)域，其表達(dá)式如下：

用SI 方法實現(xiàn)對視頻的解碼情形下，X 源取決于某些SI 的Y 源， 其對應(yīng)于圖1中所示的區(qū)域邊界上的灰色區(qū)域。不久之后，Wyner 和Ziv 在解碼器中建立了用于有損壓縮的邊界， 作為對SW 定理中SI 的擴(kuò)展。在這種情況下，X 源在編碼中不再取決于SI 的Y 源，而解碼器可以訪問SI 以產(chǎn)生具有一定失真D 的X 源。

本研究的禎內(nèi)視頻編碼系統(tǒng)方案是以解碼器驅(qū)動的， 系統(tǒng)中編碼器的奇偶校驗位的請求是經(jīng)由反饋信道執(zhí)行的，以保證成功解碼。若解碼的位平面的錯誤概率低于10-3，且其CRC 與從編碼器接收的CRC 匹配，則認(rèn)為解碼成功。

圖1 Slepian-Wolf 界限定義的可實現(xiàn)速率區(qū)域

2 DSP 高速視頻圖像處理系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究基于DSP 和幀內(nèi)編碼的農(nóng)機(jī)避障系統(tǒng)，主要任務(wù)是讓農(nóng)街在作業(yè)過程中，采用幀內(nèi)編碼和圖像處理技術(shù)對視頻圖像進(jìn)行分析與處理，對作業(yè)區(qū)內(nèi)的障礙進(jìn)行智能避繞。

視頻圖像的處理具有數(shù)據(jù)量大、精度高和耗時長的特點，需要具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的處理器進(jìn)行圖像處理， 本文采用了TI 公司生產(chǎn)的TMS320DM643 處理器作為處理核心， 該芯片專用于數(shù)字媒體和圖像處理應(yīng)用， 其工作主頻可達(dá)600 MHz， 處理性能高達(dá)4 800 MIPS，2個20 位的視頻口，具有8 路同步串行輸入/輸出的McASP 端口， 可實時實現(xiàn)多路音頻/視頻信號的輸入/輸出及編解碼運(yùn)算。DSP 高速視頻圖像處理系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 嵌入式高速數(shù)字圖像處理系統(tǒng)框圖

3 DSP 高速視頻圖像處理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

DSP 高速視頻圖像處理系統(tǒng)的核心是DSP 處理器單元和圖像采集單元。其中，圖像采集單元包括Camera 和視頻解碼器兩部分，其作用是將從Camera 采集來的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、量化得處理，為視頻解碼器提供原始樣本。DSP 處理器和視頻解碼器連接的示意如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于DSP 和幀內(nèi)編碼的農(nóng)機(jī)避障系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字圖像處理和幀內(nèi)編碼技術(shù)，其軟件設(shè)計主要考慮圖像處理和幀內(nèi)編碼算法的精確性和可靠性。軟件的開發(fā)設(shè)計采用TI 公司推出的用于開發(fā)DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境CCS。軟件完成對DSP 處理器外設(shè)、工作方式和相關(guān)寄存器的配置等設(shè)置后，會開啟視頻圖像采集線程；視頻圖像采集完成后， 會根據(jù)需求將圖像進(jìn)行幀內(nèi)編碼處理， 然后又DSP 處理器對目標(biāo)果實進(jìn)行等級分類。軟件算法流程如圖4所示。

圖3 DSP 處理器和視頻解碼器連接圖

圖4 軟件算法流程圖

4 避障控制策略的實現(xiàn)

農(nóng)機(jī)在實際的作業(yè)中可能會經(jīng)常會碰到障礙物，因此需要進(jìn)行避障處理。農(nóng)機(jī)避障控制系統(tǒng)是通過避免機(jī)器人在其路徑中與障礙物（其本質(zhì)上是靜態(tài)的）碰撞來確定機(jī)器人從其工作空間中的當(dāng)前位置到目的位置。本文進(jìn)行的農(nóng)機(jī)避障系統(tǒng)統(tǒng)一采用以下假設(shè)進(jìn)行分析處理。假設(shè)如下：

（1）對于農(nóng)機(jī)，當(dāng)前位置和目標(biāo)位置在給定的參考坐標(biāo)系中是已知的；

（2）農(nóng)機(jī)可以從一組固定的動作中選擇給定時間內(nèi)的任何移動策略；

（3）農(nóng)機(jī)分步執(zhí)行其操作，直到氣機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置。

為滿足給定的假設(shè)，避障系統(tǒng)遵循以下原則：

（1）首先，為了確定下一個目標(biāo)位置，農(nóng)機(jī)會嘗試將其前進(jìn)方向與目標(biāo)對齊。

（2）在對準(zhǔn)過程中，可能導(dǎo)致與前進(jìn)道路中的障礙物碰撞，因此，農(nóng)機(jī)必須將其前進(jìn)方向向左或向右轉(zhuǎn)動預(yù)定角度以避開障礙物。

（3）若農(nóng)機(jī)可以在沒有碰撞的情況下與目標(biāo)位置對齊，那么將不需要進(jìn)行避障。

（4）如果向左或向右旋轉(zhuǎn)航向方向，則需要機(jī)器人圍繞z 軸旋轉(zhuǎn)相同的角度，如果它被捆綁，則隨機(jī)打破。

考慮農(nóng)機(jī)在時間t 的初始位置是（xi(t)），yi(t)），同一個機(jī)器人的下一個位置（t+δt）是（xi(t+δt),yi(t+δt)），vi(t)是農(nóng)機(jī)Ri的速度，并且是農(nóng)機(jī)Ri的目標(biāo)或目標(biāo)位置，如圖5所示。

從圖5可以看出，農(nóng)機(jī)下一個目標(biāo)位置（xi(t +δt),yi(t+δt)）的表達(dá)式如下：

圖5 農(nóng)機(jī)從當(dāng)前位置i 到下一個位置

當(dāng)δt =1，式（3）和式（4）可以轉(zhuǎn)換為：

首先考慮，農(nóng)機(jī)當(dāng)前位置為（xi(t),yi(t)），下一個目標(biāo)位置（xi(t+δt),yi(t+δt)），這樣在兩點之間的連接，不應(yīng)觸及地圖中的障礙物，如圖6所示。

通過形成約束來最小化從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的總路徑長度，而不觸及障礙物，然后，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)fit1確定農(nóng)機(jī)的軌跡長度，fit1為：

圖6 農(nóng)機(jī)避障示意圖

公式（5）為線性模糊的目標(biāo)函數(shù)約束，可以防止農(nóng)機(jī)與障礙物的碰撞，用于評估路徑中存在的障礙物。

5 實驗測試與結(jié)果分析

為了驗證農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動定位和避障的可行性，本文采用Matlab 仿真軟件進(jìn)行了仿真與分析。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在實際作業(yè)過程中，對自身定位和障礙物檢測是實時的，所以本文以前面5 m 范圍的障礙物對避障方位。試驗仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，農(nóng)機(jī)的上方障礙物較多，因此農(nóng)機(jī)向右轉(zhuǎn)彎，計算到障礙物外切圓的圓心位置后，農(nóng)業(yè)機(jī)器人以起點、障礙物外切圓和終點的連接線作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的避障路線。實驗結(jié)果表明：農(nóng)機(jī)從起點成功到達(dá)終點，算法路徑為最優(yōu)避障路徑，證明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。

圖7 Matlab 仿真結(jié)果圖

6 結(jié)論

本文成功的基于禎內(nèi)編碼和DSP 圖像處理設(shè)計了一種路徑規(guī)劃控制方案， 設(shè)計了農(nóng)機(jī)自動避障策略，研究了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，同時利用MATLAB 仿真軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行避障仿真模擬，證實了系統(tǒng)的可靠性和可行性。