一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统及方法与流程

本发明涉及植保喷雾机自动驾驶，具体为一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统及方法。

背景技术：

1、玉米大豆复合种植通常由若干行玉米和若干行大豆按照一定行距、带距组合而成，田间同时存在玉米行、大豆行、带间区域和地头换行区域。由于玉米和大豆在植株高度、冠层形态、行距配置及药剂敏感性方面差异明显，植保喷雾机作业时必须沿作物行间或预定行走位置准确行驶，使车轮轮迹、喷杆位置和喷头喷施区域保持在合理范围内。若喷雾机偏离目标行走位置，容易造成压苗、漏喷、重喷、错喷，甚至使药液飘移或误喷至相邻作物带，引发药害，造成影响作物生长甚至死亡。因此，对行行走是复合种植植保喷雾作业精准、安全、高效实施的关键。

2、现有植保喷雾机多依靠卫星定位、惯性导航或预设轨迹进行自动行走，部分设备通过相机、激光雷达等传感器识别作物行并修正行驶方向。但在玉米大豆复合种植中，作物行类别交替、行距组合复杂，且存在缺苗断垄、杂草遮挡、作物倒伏、地面起伏和地头换行误差等情况，通用导航或单一作物行识别难以稳定生成适合底盘行走的目标导航线。尤其在前视图像中，玉米行、大豆行、土壤、杂草和阴影混杂，传统颜色阈值、边缘检测和霍夫变换等方法鲁棒性不足；普通深度学习模型又可能存在精度与实时性难以兼顾的问题。同时，带状复合种植田间具有明显的带状非均质性与多尺度行列特征，若导航偏差过大，会导致作业重叠、遗漏或邻行作物药害。

3、此外，现有自动驾驶喷雾机通常采用导航控制器负责路径规划与行走指令生成，车控控制器负责底盘执行。当作物行识别失败、目标导航线短时丢失、导航控制器异常或通信链路中断时，底盘控制系统往往缺少本地备用行走控制能力，难以在复杂田间环境下保证安全作业。同时，现有行走控制与喷雾控制之间联动不足，车辆发生偏航时若喷雾系统仍保持原喷雾状态，容易产生漏喷、重喷或药害，因此，设计一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统及方法是很有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，包括设在植保喷雾机上的前视作物行识别相机、边缘计算单元、导航控制单元、车控控制单元、车辆状态检测单元、底盘执行单元和喷雾联动控制单元；

3、所述边缘计算单元包括采用基于gsyolo的改进yolov11-segment实例分割模型的作物行实例分割模块和导航线提取模块；

4、所述分割模型包括用于提取作物行图像中的纹理特征、边缘特征和深层语义特征的主干网络、用于融合不同尺度图像特征的颈部网络和用于输出玉米行和大豆行实例掩膜的分割预测头；

5、所述导航线提取模块对目标作物行掩膜进行连通域分析，获得独立作物行区域，剔除面积小于预设阈值的小连通域，沿图像纵向方向计算目标作物行的横向质心，获得中心点序列，对因缺苗、遮挡或断行造成的缺失中心点进行插值补全，对中心点序列进行平滑处理，生成目标导航线；

6、所述目标导航线为在图像坐标系下由作物行实例掩膜提取得到的导航曲线，目标行走中心线为将目标导航线经坐标转换后得到的车辆坐标系或导航控制坐标系下的车辆跟踪路径，所述导航控制单元以所述目标行走中心线作为车辆对行跟踪的参考路径；

7、所述导航控制单元包括偏差计算模块和跟踪控制模块，所述偏差计算模块用于根据目标行走中心线和喷雾机当前位姿计算横向偏差和航向偏差；所述跟踪控制模块用于根据横向偏差、航向偏差、车辆速度和目标作业速度计算转向修正量和速度修正量；

8、所述车控控制单元包括备用行走控制模块，通过所述备用行走控制模块进行备用行走控制，所述备用行走控制包括：在所述目标导航线短时丢失时，基于最近有效目标导航线、最近若干帧目标行走中心线的变化趋势、车辆速度和转向角生成临时行走控制指令，使喷雾机低速短时保持；在所述目标导航线连续丢失、通信异常、识别置信度低于预设阈值或行走控制指令异常时，控制喷雾机降速、停车或切换至人工接管模式；

9、所述目标导航线短时丢失是指目标导航线丢失时间小于第一预设时间或车辆行驶距离小于第一预设距离；所述目标导航线连续丢失是指目标导航线丢失时间超过第二预设时间或车辆行驶距离超过第二预设距离。

10、通过设置于喷雾机前方的前视作物行识别相机采集作物行图像，由边缘计算单元采用改进的实例分割模型识别玉米行和大豆行，并基于作物行掩膜实时提取目标导航线；导航控制单元根据目标导航线计算横向偏差和航向偏差，生成目标速度和目标转向控制指令；车控控制单元根据控制指令控制底盘行走，并在异常情况下执行本地备用行走控制；喷雾联动控制单元根据对行偏差控制喷雾启停或分区喷雾，从而实现喷雾机在玉米大豆复合种植中的自主对行、稳定行走和安全喷雾作业。

11、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

12、本发明面向玉米大豆复合种植复杂行带结构，利用前视作物行识别相机获取实际作物行图像，能够适应玉米行和大豆行交替分布、行距差异和带间结构变化的作业环境；

13、本发明采用基于gsyolo的改进实例分割模型识别玉米行和大豆行，通过ghostconv、c3k2、sppf和c2psa等结构增强作物行特征提取和多尺度表达能力，并通过dcseghead动态卷积分割头提高模型在复杂农田场景下的实时性和分割精度，从而提升导航线提取稳定性；

14、本发明基于作物行实例掩膜进行类别筛选、连通域分析、质心计算、插值和平滑处理，能够在缺苗、断行、杂草干扰和光照变化情况下生成较稳定的目标导航线；

15、本发明将边缘计算单元、导航控制单元和车控控制单元进行分层协同，使作物行识别、导航线提取、偏差计算和底盘执行形成闭环控制，提高喷雾机自主对行行走精度；

16、本发明的车控控制单元内置备用行走控制逻辑，在目标导航线丢失、识别异常或通信异常时，能够执行短时保持、降速、停车或人工接管，提高田间作业安全性；

17、本发明将对行偏差与喷雾启停、分区喷雾和停车报警联动，能够减少偏航状态下的漏喷、重喷、错喷和药害风险；

18、本发明能够基于现有自走式喷杆喷雾机的车控、电源、传感器和执行机构进行改造部署，工程实现性强。

1.一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于，包括设在植保喷雾机上的前视作物行识别相机、边缘计算单元、导航控制单元、车控控制单元、车辆状态检测单元、底盘执行单元和喷雾联动控制单元；

2.根据权利要求1所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述主干网络包括ghostconv模块、c3k2模块、sppf模块和c2psa模块，所述ghostconv模块用于在降低计算量的同时生成冗余特征表达，所述c3k2模块用于增强局部纹理和边缘特征提取能力，所述sppf模块用于扩大感受野，所述c2psa模块用于增强作物行长距离连续结构和全局空间关系的表达能力；

3.根据权利要求2所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述分割预测头包括dcseghead动态卷积分割头，所述dcseghead动态卷积分割头基于共享掩膜特征、实例特征和动态卷积参数生成实例自适应掩膜，以适应不同田间场景下作物行形态、光照条件、遮挡程度和杂草干扰的变化，提高分割结果的准确性和实时性；

4.根据权利要求3所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述边缘计算单元还包括有效性判断模块，所述有效性判断模块用于根据识别置信度、掩膜面积、连续帧状态、曲率突变以及与上一有效导航线的偏差判断作物行识别结果是否有效，所述有效性判断模块根据识别置信度、掩膜面积、曲率变化量和与上一有效导航线的偏差判断第i物行实例是否有效，计算如下：

5.根据权利要求4所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述边缘计算单元还包括作物行掩膜后处理模块，所述作物行掩膜后处理模块用于对有效的作物行实例掩膜进行类别筛选、置信度筛选、形态学处理和噪声剔除，所述导航线提取模块用于根据作物行实例掩膜生成目标导航线，所述导航线提取模块对作物行实例掩膜进行类别筛选，获得目标作物行掩膜；

6.根据权利要求5所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述目标导航线可由平滑中心点序列进行曲线拟合得到，计算如下：

7.根据权利要求6所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述横向偏差为喷雾机车辆中心相对于目标行走中心线的横向距离；所述航向偏差为喷雾机当前行驶方向与目标行走中心线切线方向之间的夹角；

8.根据权利要求7所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述跟踪控制模块根据横向偏差、航向偏差、上一控制周期横向偏差和控制周期，计算目标转向角和目标速度，计算如下：

9.根据权利要求8所述的一种玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统，其特征在于：所述喷雾联动控制单元包括偏差接收模块、喷雾安全判断模块、喷雾分区控制模块、喷雾启停控制模块和报警输出模块，当所述横向偏差和航向偏差均小于第一阈值时，喷雾联动控制单元控制喷雾机构保持正常喷雾；当所述横向偏差或航向偏差大于等于第一阈值且小于第二阈值时，控制喷雾机降速或调整喷雾分区；当所述横向偏差或航向偏差大于等于第二阈值且小于第三阈值时，关闭对应喷雾分区或停止喷雾；当所述横向偏差或航向偏差大于等于第三阈值时，停止喷雾并触发停车报警；

10.一种基于权利要求1-9所述的玉米大豆复合种植田植保喷雾机自主对行行走系统的自主对行行走方法，其特征在于：包括如下步骤：