O emprego de veículos autônomos é uma prática comumente adotada para a melhoria da produtividade no setor agrícola. No entanto, o custo computacional é um fator limitante na implementação desses dispositivos autônomos. A alternativa apresentada neste trabalho consistiu no desenvolvimento de um dispositivo de hardware dedicado para a navegação de robôs móveis agrícolas, o qual indica áreas navegáveis e não navegáveis, além do ângulo de inclinação do veículo em relação à linha de plantio. O desenvolvimento do projeto foi baseado em um método de extração de características visuais locais por meio do processamento de imagens coloridas obtidas por uma câmera de vídeo. O circuito foi implementado por meio de uma ferramenta de desenvolvimento baseado em um FPGA de baixo custo. O circuito consiste nas etapas de classificação, processamento morfológico e extração das linhas de navegação. Na primeira etapa, os pixels são classificados a partir do modelo de cores HSL em classes que representam as áreas passíveis e não passíveis de navegação. Posteriormente, a etapa de processamento morfológico realiza as tarefas de filtragem, agrupamento e extração de bordas. O processamento morfológico é realizado por meio de um arranjo de unidades de processamento dedicadas. Cada unidade pode realizar uma operação básica de morfologia matemática. O elemento estruturante utilizado na operação, bem como a operação realizada pela unidade, é configurado por meio de parâmetros do projeto. O processo de extração das linhas de orientação é realizado por meio do método de regressão linear por mínimos quadrados. A arquitetura proposta no projeto permitiu o processamento em tempo real de imagens para a aplicação de navegação autônoma de robôs móveis em ambientes agrícolas. / The use of autonomous vehicles is a generally adopted practice to improve the productivity in the agriculture sector. However, the computer requirements are a limiting factor for implementation of these autonomous devices. The alternative shown in this paper is the design of a dedicated hardware for the autonomous agricultural robot navigation. The project development was based on a local visual feature extraction method by processing digital images obtained from a color video camera. The circuit was implemented through a development tool based on a low cost FPGA. The circuit consists of stages of classification, morphological processing and guidance line extraction. In the first stage, the pixels are classified through HSL color model into classes that represent suitable and unsuitable area for navigation. Then, the morphological processing stage performs filtering, grouping and edge detection tasks. The morphological processing is carried out by an arrangement of dedicated processing units. Each unit can perform a basic operation of mathematical morphology. The structuring element used in the operation and the operation performed by the unit are configured through project parameters. The guidance line extraction process is performed through the linear regression method by least square. The architecture proposed in the design allowed the real-time image processing in autonomous robot navigation applications in agricultural environments.

O emprego de veículos autônomos é uma prática comumente adotada para a melhoria da produtividade no setor agrícola. No entanto, o custo computacional é um fator limitante na implementação desses dispositivos autônomos. A alternativa apresentada neste trabalho consistiu no desenvolvimento de um dispositivo de hardware dedicado para a navegação de robôs móveis agrícolas, o qual indica áreas navegáveis e não navegáveis, além do ângulo de inclinação do veículo em relação à linha de plantio. O desenvolvimento do projeto foi baseado em um método de extração de características visuais locais por meio do processamento de imagens coloridas obtidas por uma câmera de vídeo. O circuito foi implementado por meio de uma ferramenta de desenvolvimento baseado em um FPGA de baixo custo. O circuito consiste nas etapas de classificação, processamento morfológico e extração das linhas de navegação. Na primeira etapa, os pixels são classificados a partir do modelo de cores HSL em classes que representam as áreas passíveis e não passíveis de navegação. Posteriormente, a etapa de processamento morfológico realiza as tarefas de filtragem, agrupamento e extração de bordas. O processamento morfológico é realizado por meio de um arranjo de unidades de processamento dedicadas. Cada unidade pode realizar uma operação básica de morfologia matemática. O elemento estruturante utilizado na operação, bem como a operação realizada pela unidade, é configurado por meio de parâmetros do projeto. O processo de extração das linhas de orientação é realizado por meio do método de regressão linear por mínimos quadrados. A arquitetura proposta no projeto permitiu o processamento em tempo real de imagens para a aplicação de navegação autônoma de robôs móveis em ambientes agrícolas. / The use of autonomous vehicles is a generally adopted practice to improve the productivity in the agriculture sector. However, the computer requirements are a limiting factor for implementation of these autonomous devices. The alternative shown in this paper is the design of a dedicated hardware for the autonomous agricultural robot navigation. The project development was based on a local visual feature extraction method by processing digital images obtained from a color video camera. The circuit was implemented through a development tool based on a low cost FPGA. The circuit consists of stages of classification, morphological processing and guidance line extraction. In the first stage, the pixels are classified through HSL color model into classes that represent suitable and unsuitable area for navigation. Then, the morphological processing stage performs filtering, grouping and edge detection tasks. The morphological processing is carried out by an arrangement of dedicated processing units. Each unit can perform a basic operation of mathematical morphology. The structuring element used in the operation and the operation performed by the unit are configured through project parameters. The guidance line extraction process is performed through the linear regression method by least square. The architecture proposed in the design allowed the real-time image processing in autonomous robot navigation applications in agricultural environments.

O emprego de sistemas computacionais na Agricultura de Precisão (AP) fomenta a automação de processos e tarefas aplicadas nesta área, precisamente voltadas à inspeção e análise de culturas agrícolas, e locomoção guiada/autônoma de robôs móveis. Neste contexto, no presente trabalho foi proposta a aplicação de técnicas de visão computacional nas tarefas citadas, desenvolvidas em abordagens distintas, a serem aplicadas em uma plataforma de robô móvel agrícola, em desenvolvimento no NEPAS/EESC/USP. Para o problema de locomoção do robô (primeira abordagem), foi desenvolvida uma arquitetura de aquisição, processamento e análise de imagens com o objetivo de segmentar, classificar e reconhecer padrões de navegação das linhas de plantio, como referências de guiagem do robô móvel, entre plantações de laranja, milho e cana. Na segunda abordagem, tais técnicas de processamento de imagens são aplicadas também na inspeção e localização das culturas laranja (primário) e milho (secundário), para análise de suas características naturais, localização e quantificação. Para as duas abordagens, a estratégia adotada nas etapas de processamento de imagens abrange: filtragem no domínio espacial das imagens adquiridas; pré-processamento nos espaços de cores RGB e HSV; segmentação não supervisionada JSEG customizada à quantização de cores em regiões não homogêneas nestes espaços de cores; normalização e extração de características dos histogramas das imagens pré-processadas para os conjuntos de treinamento e teste através da análise das componentes principais; reconhecimento de padrões e classificação cognitiva e estatística. A metodologia desenvolvida contemplou bases de dados para cada abordagem entre 700 e 900 imagens de cenas naturais sob condições distintas de aquisição, apresentando resultados significativos quanto ao algoritmo de segmentação nas duas abordagens, mas em menor grau em relação à localização de gramíneas, sendo que os milhos requerem outras técnicas de segmentação, que não aplicadas apenas em quantização de regiões não homogêneas. A classificação estatística, Bayes e Bayes Ingênuo, mostrou-se superior à cognitiva RNA e Fuzzy nas duas abordagens, e posterior construção dos mapas de classe no espaço de cores HSV. Neste mesmo espaço de cores, a quantificação e localização de frutos apresentaram melhores resultados que em RGB. Com isso, as cenas naturais nas duas abordagens foram devidamente processadas, de acordo com os materiais e métodos empregados na segmentação, classificação e reconhecimento de padrões, fornecendo características intrínsecas e distintas das técnicas de visão computacional propostas a cada abordagem. / The use of computer systems in Precision Agriculture (PA) promotes the processes automation and its applied tasks, specifically the inspection and analysis of agricultural crops, and guided/autonomous locomotion of mobile robots. In this context, it was proposed in the present work the application of computer vision techniques on such mentioned tasks, developed in different approaches, to be applied in an agricultural mobile robot platform, under development at NEPAS/EESC/USP. For agricultural mobile robot locomotion, an architecture for the acquisition, image processing and analysis was built, in order to segment, classify and recognize patterns of planting rows, as references way points for guiding the mobile robot. In the second approach, such image processing techniques were applied also in the inspection and location of the orange crop (primary) and maize crop (secondary) aiming its natural features, location and quantification. For both mentioned approaches, the adopted image processing steps include: filtering in the spatial domain for acquired images; pre-processing in RGB and HSV color spaces; JSEG unsupervised segmentation algorithm, applied to color quantization in non-homogeneous regions; normalization and histograms feature extraction of preprocessed images for training and test sets, fulfilled by the principal components analysis (PCA); pattern recognition and cognitive and statistical classification. The developed methodology includes sets of 700 and 900 images databases for each approach of natural scenes under different conditions of acquisition, providing great results on the segmentation algorithm, but not as appropriate as in the location of maize grass, considering other segmentation techniques, applied not only in the quantization of non-homogeneous regions. Statistical classification, Bayes and Naive Bayes, outperforms the cognitives Fuzzy and ANN on two approaches and subsequent class maps construction in HSV color space. Quantification and localization of fruits had more accurate results in HSV than RGB. Thus, natural scenes in two approaches were properly processed, according to the materials and methods employed in segmentation, classification and pattern recognition, providing intrinsic and different features of the proposed computer vision techniques to each approach.

O emprego de sistemas computacionais na Agricultura de Precisão (AP) fomenta a automação de processos e tarefas aplicadas nesta área, precisamente voltadas à inspeção e análise de culturas agrícolas, e locomoção guiada/autônoma de robôs móveis. Neste contexto, no presente trabalho foi proposta a aplicação de técnicas de visão computacional nas tarefas citadas, desenvolvidas em abordagens distintas, a serem aplicadas em uma plataforma de robô móvel agrícola, em desenvolvimento no NEPAS/EESC/USP. Para o problema de locomoção do robô (primeira abordagem), foi desenvolvida uma arquitetura de aquisição, processamento e análise de imagens com o objetivo de segmentar, classificar e reconhecer padrões de navegação das linhas de plantio, como referências de guiagem do robô móvel, entre plantações de laranja, milho e cana. Na segunda abordagem, tais técnicas de processamento de imagens são aplicadas também na inspeção e localização das culturas laranja (primário) e milho (secundário), para análise de suas características naturais, localização e quantificação. Para as duas abordagens, a estratégia adotada nas etapas de processamento de imagens abrange: filtragem no domínio espacial das imagens adquiridas; pré-processamento nos espaços de cores RGB e HSV; segmentação não supervisionada JSEG customizada à quantização de cores em regiões não homogêneas nestes espaços de cores; normalização e extração de características dos histogramas das imagens pré-processadas para os conjuntos de treinamento e teste através da análise das componentes principais; reconhecimento de padrões e classificação cognitiva e estatística. A metodologia desenvolvida contemplou bases de dados para cada abordagem entre 700 e 900 imagens de cenas naturais sob condições distintas de aquisição, apresentando resultados significativos quanto ao algoritmo de segmentação nas duas abordagens, mas em menor grau em relação à localização de gramíneas, sendo que os milhos requerem outras técnicas de segmentação, que não aplicadas apenas em quantização de regiões não homogêneas. A classificação estatística, Bayes e Bayes Ingênuo, mostrou-se superior à cognitiva RNA e Fuzzy nas duas abordagens, e posterior construção dos mapas de classe no espaço de cores HSV. Neste mesmo espaço de cores, a quantificação e localização de frutos apresentaram melhores resultados que em RGB. Com isso, as cenas naturais nas duas abordagens foram devidamente processadas, de acordo com os materiais e métodos empregados na segmentação, classificação e reconhecimento de padrões, fornecendo características intrínsecas e distintas das técnicas de visão computacional propostas a cada abordagem. / The use of computer systems in Precision Agriculture (PA) promotes the processes automation and its applied tasks, specifically the inspection and analysis of agricultural crops, and guided/autonomous locomotion of mobile robots. In this context, it was proposed in the present work the application of computer vision techniques on such mentioned tasks, developed in different approaches, to be applied in an agricultural mobile robot platform, under development at NEPAS/EESC/USP. For agricultural mobile robot locomotion, an architecture for the acquisition, image processing and analysis was built, in order to segment, classify and recognize patterns of planting rows, as references way points for guiding the mobile robot. In the second approach, such image processing techniques were applied also in the inspection and location of the orange crop (primary) and maize crop (secondary) aiming its natural features, location and quantification. For both mentioned approaches, the adopted image processing steps include: filtering in the spatial domain for acquired images; pre-processing in RGB and HSV color spaces; JSEG unsupervised segmentation algorithm, applied to color quantization in non-homogeneous regions; normalization and histograms feature extraction of preprocessed images for training and test sets, fulfilled by the principal components analysis (PCA); pattern recognition and cognitive and statistical classification. The developed methodology includes sets of 700 and 900 images databases for each approach of natural scenes under different conditions of acquisition, providing great results on the segmentation algorithm, but not as appropriate as in the location of maize grass, considering other segmentation techniques, applied not only in the quantization of non-homogeneous regions. Statistical classification, Bayes and Naive Bayes, outperforms the cognitives Fuzzy and ANN on two approaches and subsequent class maps construction in HSV color space. Quantification and localization of fruits had more accurate results in HSV than RGB. Thus, natural scenes in two approaches were properly processed, according to the materials and methods employed in segmentation, classification and pattern recognition, providing intrinsic and different features of the proposed computer vision techniques to each approach.