农业作业车辆作为主要载体几乎全程参与到农业生产的各个环节中,实际许多农业生产过程需要多辆农业作业车辆/机械主-从式协同才能完成相关任务。在大中型农场的生产过程中,主-从式协同作业显得尤为重要。在当前农村劳动力短缺和人力成本陡增的形势下,如何提高作业效率和装备的生产力已成为迫切需要解决的问题。由于目前智能化技术水平的限制,车辆的全自主作业在安全性和智能性上无法得到有效保证,与实际生产要求之间尚有较大差距,因此,少人参与下的主-从式作业方式是当前实现多车协同作业的有效途径之一。鉴于此,许多农业工程学者将其作为实现农业智能化和自动化的重要研究方向。多车主-从式协同运行主要需解决主-从车辆之间的跟随问题,本文提出了一种基于双目视觉的主-从式车辆跟随方法,并在两台电动车辆平台上开展了果园主-从式车辆自主跟随试验,为实现车辆的主-从式作业做出了有效的尝试。本文的主要研究内容和成果如下:1、提出了一种基于典型特征提取的主-从式车辆跟随方法:将双目视觉系统的典型参数标定对象一黑白棋盘格作为主车的引导特征,从而简化了引导车辆的特征描述,易于算法实现。棋盘格特征对背景干扰和光环境具有很强的适应能力,利用双目视觉能有效提取黑白棋盘格内角点三维信息,通过构建主-从车辆的运动学模型,将黑白棋盘格的内角点三维信息转化为主-从式跟随车辆间相对位姿参数信息,实现从车的自主跟随运行。2、构建了基于PC平台的双目视觉系统:为了快速验证方法的可行性,本文首先开展了基于PC平台的双目视觉系统开发,PC平台双目视觉系统的处理程序采用VS2010为软件开发环境,以OpenCV开源计算机视觉库作为图像处理的主要技术来源,搭建了集图像采集及处理、双目标定、双目匹配、三维重建等功能的软件上位机系统,利用该系统可以实现黑白棋盘格特征板内角点三维信息的实时提取,并可以将其实时转化为车辆间相对位姿参数信息,整个系统数据更新频率为4Hz。将相对位姿参数信息通过串口发送到车辆控制系统,以控制相应的执行机构。3、构建了基于嵌入式平台的双目视觉系统:为了实现实际机载式应用,降低系统成本,提高系统的实用性,在PC平台的开发基础之上,开展了处理算法和功能向嵌入式平台转化和移植的研究。本文嵌入式平台采用合众达公司的SEED-DIM3517嵌入式开发板和具备良好光环境适应性的通用微型监控摄像头组建双目视觉系统,对OpenCV进行了嵌入式平台移植,以QT为软件开发环境搭建上位机界面,在嵌入式平台上实现了黑白棋盘格特征板内角点三维信息的实时提取,并将计算后的相对位姿参数信息通过串口发送到车辆控制系统。4、对PC平台及嵌入式平台的双目视觉系统的各项性能进行了静态测试:两平台的双目视觉系统均能生成准确和稳定的相对位姿参数,对不同光强均体现出良好的适应性,基于PC平台的双目视觉系统输出位姿信息的平均频率为4Hz,而基于嵌入式平台的双目视觉系统平均频率为0.77Hz。以上测试表明,本文提出的基于双目视觉提取车辆位姿信息的方法是可行的,如果硬件系统具备足够的运算速度,可以将该算法进行嵌入式集成应用。5、构建了基于主-从式电动车辆的信息采集与控制系统:为了将所设计的双目视觉系统应用于实际车辆运行之中,选择一组主-从式电动车辆平台作为测试载体,开发了相应的信息采集与控制系统。该系统主要采用可扩展式CAN总线结构,各个CAN节点以32位STM32F103VET6单片机为核心,同时扩展出多路PWM输出、脉冲采集、AD输入、DA输出、串口、CAN总线等接口。该系统可以通过与双目视觉系统相互通信实现车辆速度、转向等信息的采集以及对速度、转向等执行机构的控制,具有良好的通用性与可扩展性。6、构建了一套基于无线通讯的车辆安全冗余系统:采用无线传输模块实现两车运动状态信息的互通互享,对车辆启动、停止、紧急情况急停与协同控制通信指令进行了定义,以应对双目视觉系统失效等突发情况;同时提出了跟随过程中目标丢失时的车辆控制策略,为车辆的安全运行提供冗余保障。7、将搭建的主-从式车辆跟随测试系统在实际果园环境中进行了动态性能测试:实验过程中系统相对位姿信息更新频率为4.0Hz,设定车辆速度为2km/h,目标跟随距离为1.6m,目标横向偏移为0mm,目标航向偏角为0°,果园单次测试路径长度为25m,在整个测试过程中,横向偏移平均偏差为3.68cm,车辆间距平均偏差为8.24cm,航向偏角平均偏差为2.32°,同时GPS记录轨迹表明,两车行驶路径基本重合。结果表明本文提出的跟随方法可以使从车有效获取主从车间的相对位姿信息,从而指导主-从式跟随车辆的自动跟随运动。