基于多源信息融合的温室芦笋采收机器人自主导航控制方法_汪小旵.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 nullnull 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于多源信息融合的温室芦笋采收机器人自主导航 控 制 方法 汪 小 旵 null null 胡 绍 炫 null 黄 薛 凯 null 谢 慎 亮 null nullnull 南京农业大学工学院 南 京 nullnullnullnullnullnull nullnull 江苏省现代农业设施农业技术与装备实验室 南京 nullnullnullnullnullnull 摘要 针对温室芦笋采收机器人在湿滑土壤环境中驱动系统易打滑 环境噪声干扰大 导致定位精度下降的问题 本文提出了一种融合 nullnullnull 里程计和激光雷达等多源传感器数据自主导航方法 在局部定位层面 设计引入打滑系 数的扩展卡尔曼滤波 nullnullnull 算法 实现对 nullnullnull 与里程计数据的高精度融合 在全局定位层面 引入变异交叉机制以 优化自适应蒙特卡洛定位 nullnullnullnull 算法 提升粒子滤波器全局搜索能力与鲁棒性 路径规划方面 提出基于目标方 向耦合的改进人工势场法 克服传统方法易陷入局部极小的问题 提高路径规划的稳定性与环境适应性 试验结 果表明 改进 nullnullnullnull 算法在 x y 方向定位平均偏差分别为 nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null 显著优于传统方法 nullnullnull 融合算法在 x y 方向定位标准偏差分别为 nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null 优于纯 nullnullnull 与 nullnullnullnull 定位方式 当行驶速度为 nullnull null nullnull null nullnull null nullnullnull 时 机 器人路径跟踪平均横向和纵向偏差在 nullnull nullnullnull null 和 nullnull nullnullnull null 以内 最大航向角偏差不超过 nullnullnull nullnullnullnull 该方法具备良好 的定位精度 有效提升了机器人在湿滑环境中作业可靠性 能够满足温室内自主行走系统高精度建图 定位和导航 需求 研究结果为采收机器人在农业环境中的行走应用提供了理论与技术支撑 关键词 温室 自主导航 激光 nullnullnullnull 多源信息融合 地图构建与实时定位 中图分类号 nullnullnullnullnullnull null nullnullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收稿 日期 nullnull nullnull nullnull 修回日期 nullnull nullnull nullnull 基金项目 江苏省重点研发计划项目 nullnullnullnullnullnull 作者简介 汪小旵 nullnull null 男 教授 博士生导师 主要从事设施农业装备智能化控制技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnull nullnull Autonomous Navigation and Control of Greenhouse Asparagus Picking obot Based on Multi sensor Information Fusion nullnullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null null College of Engineering Nanjing Agricultural University Nanjing nullnullnullnullnullnull China null Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facility Agriculture Technology and Equipment Nanjing nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull null null null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null null nullnullnull nullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null null null nullnullnull null null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null null nullnull null nullnull nullnull xnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull null nullnull nullnull ynullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null null nullnull null nullnull null nullnull null nullnull nullnull x nullnull y null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull null nullnull nullnullnullnull null null nullnullnull null null nullnullnull nullnull null null nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnull null nullnull null nullnull null nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null null null nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull null null nullnull null nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 0 引言 自主导航技术在设施农业机器人作业中能够提 高 生 产效率 降低人力成本 并优化作业质量 然 而 设施农业环境复杂 具有行间距狭窄 光照变化 大 卫星信号弱 障碍物分布随机等特点 均对导航 系统构成挑战 狭窄行间距限制转向与避障空间 光照变化干扰视觉感知并影响 null null 建图稳定性 卫星信号弱限制 nullnullnull 定位精度 随机障碍物增加 路径规划复杂度和鲁棒性要求 对机器人精准定位 与自主作业提出了巨大挑战 null nullnull 当前设施农业采收机器人在自主导航方面仍面 临 诸 多挑战 传统的固定轨道式和循迹式导航方式 存在布设成本高 灵活性差 环境适应性弱等问题 难以满足复杂动态环境下作业需求 null nullnull 近 年 来 基于 null null 的多源数据融合导航技术因具备高精度 定位 自主避障与路径规划能力 逐渐成为研究热 点 null nullnull 然 而 现 有 null null 算法在温室等设施环境 中鲁棒性与精度仍有待提升 特别是在多传感器数 据融合方面尚缺乏成熟方案 限制了其在采收机器 人中的广泛应用 null nullnull 因 此 研发适用于设施农业 环 境高鲁棒性 多源融合导航算法成为亟待解决的 关键问题 针对以上问题 国内外学者围绕激光 null null 建 图与多传感器融合进行了研究 张文翔等 nullnull 针 对 温 室环境下狭长对称高架栽培模式的设施番茄 提出 了一种融合激光 null null 与 nullnull nullnullnull 视觉基准系统的 移动机器人自主导航方法 提高机器人在温室环境 中定位精度与导航稳定性 解决 null null 算法在特征 相似场景中可能出现的定位丢失问题 但该方法识 别精度容易受到环境光照影响 很难适用于泥土地 草面等复杂温室场景 孙国祥等 nullnull 针 对 温室环境 nullnullnull 信号弱 光照复杂 作物行间特征相似等问题 提出了一种基于 nullnullnull null null 建图和激光视觉融合定 位的高架草莓温室自主行走系统 结合三维激光雷 达 惯性测量单元 nullnullnull 和视觉里程计 采用 nullnullnull null null 紧耦合雷达惯导里程计 算法进行高精度建 图 相比于传统的 nullnullnullnullnull 和 nullnull nullnullnullnullnull null null 算法 nullnullnull null null 在建图精度 定位稳定性和适应性 方面均有显著提升 李旭等 nullnull 提 出 基于 nullnullnull null null nullnull 的温室移动机器人定位方法 利用 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 型深度相机提取 nullnullnull 特征 结合关键帧跟踪 局部地图跟踪和闭环检测优化位姿估计 然而 该 方法在特征点稀少或光照变化剧烈时可能出现漂 移 郑航等 nullnull 针对温室垄作模式直线度较差的野 菜 垄 面 提出一种基于视觉和 nullnullnull 组合导航控制 系统 与单一控制策略相比 提升了导航精度和鲁棒 性 nullnullnullnullnull 等 nullnull 针对 温室环境移动机器人 提出了 一种基于 nullnull 和 nullnull 雷达 null null 的自主导航系统 利用多传感器融合提高温室环境机器人定位精度和 导航稳定性 有效解决了单一传感器 null null 可能出 现的定位丢失问题 nullnullnull 等 nullnull 针对精准室内 农 业 系统 nullnullnullnull 中植物表型分析与生产管理 提出了一 种基于移动机器人平台 nullnullnull 的动态监测方法 结合 nullnull nullnullnull 视觉标记和惯性导航系统 nullnullnull 提高 机器人在植物工厂中导航精度 实现单株草莓植株 及果实的周期性监测 nullnullnullnull 等 nullnull 针对 温室环境 复杂地面条件对机器人定位的影响 提出了一种基 于多源信息融合的集成定位系统 利用扩展卡尔曼 滤波 nullnullnull 融合 nullnullnull nullnullnull 和 nullnullnullnull 数据获取估 计位置 然后结合激光雷达与自适应蒙特卡洛定位 nullnullnullnull 实现全局定位 nullnull 等 nullnull 针对温室环境视 觉导航系统受 复 杂背景 杂草干扰及光照影响的问 题 提出了一种基于 nullnull null null null null nullnull 的农作物垄行 预测方法 通过剪枝和优化 null null nullnull 模型 提高了作 物垄识别精度 并采用 null 样条曲线拟合生成机器人 导航线及偏航角 然而当前导航系统受温室光照 相对湿度和温 度等因素干扰 无法提供足够的定位精度 未考虑底 层驱动系统与湿滑路面交互作用 机器人在湿滑地 面 松软土壤以及密集植物等复杂环境下易打滑 增 加累积误差 降低了机器人作业效率 特别是在松 软或湿滑的地面上使用里程计时 易出现轮胎打滑 现象 导致误差不断累积 从而进一步削弱机器人自 主导航能力 为克服温室环境中的定位挑战 本文提出融合 nullnullnull 里程计以及激光雷达等多源传感器数据的自 主导航方法 以提升机器人在复杂环境中定位精度 与导航稳定性 引入打滑系数的扩展卡尔曼滤波 nullnullnull 以实现 nullnullnull 与里程计数据的高精度融合 抑 制轮式打滑引起的误差 优化自适应蒙特卡洛定位 nullnullnullnull 算法 采用变异交叉机制动态调整粒子采 nullnull第 nullnull 期 汪 小 旵 等 基于多源信息融合的温室芦笋采收机器人自主导航控制方法 样 策 略 以提升全局搜索能力与鲁棒性 提出基于 目标方向耦合的改进人工势场法 通过动态调节势 场参数 以避免陷入局部极小 提高路径规划稳定性 与环境适应性 1 导航系统组成与设计 1 1 硬 件 系统设计 温室芦笋采收机器人是实现温室内环境感知 作物采摘与运输等多项作业任务的基础平台 自主 导航能力是保障高效作业的核心 因此 要求机器 人具备空间信息感知 路径规划 控制计算及自主行 走等多项能力 以在结构复杂 环境多变的温室内稳 定运行 完成精确定位与高效作业的目标 为此 集 成开发了一款履带式芦笋采收机器人 如图 null 所示 该机器人自主导航系统包括环境感知模块 控制模 块 通信模块 驱动模块和电源模块 如图 null 所示 图 null 温室芦笋采收机器人实物图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 控制 柜 nullnull 上位机 nullnull 采摘装置 nullnull nullnullnull 惯性测量单元 nullnull nullnullnull nullnull 型三维激光雷达 nullnull 收集装置 nullnull 直流无刷电机 图 null 芦笋采摘机器人导航系统硬件组成 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 机 器 人整体尺寸为 null nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 搭载 null null nullnull null null 锂电池 续航时间可达 null null 核心 控制单元采用 nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull 通过 nullnullnullnull 转 nullnullnull 接口与电机驱动器连接 上位机为 nullnull 端计算 机 搭载 nullnullnullnull nullnull null 系统 上位机通过 nullnull 向 nullnullnullnullnull 发送控制指令 驱动底盘电机 实现对机器 人精确运动控制 芦笋种植方式为温室地垄种植 机器人需在 凹凸不平的土壤上行驶 相比轮式底盘 履带式底 盘更能适应复杂地形 保持平台平稳运行 同时为 采收机构提供良好的环境适应性 因此 底盘采用 差速履带式结构 由 null 个额定功率为 nullnull null 的无刷 直流电机驱动 轮距为 nullnull nullnull 主要性能参数见 表 null 1 1 1 环境感知模块 温室采收机器人环境感知模块由编码器 惯性 测量单元和激光雷达组成 具体性能参数如表 null 所 示 表 1 芦笋采收机器人整体性能参数 Tab 1 Overall performance parameters of asparagus harvesting robot 参数 数 值 机器人尺寸 null nullnull null nullnull null nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull 最大 前进速度 null null null nullnull null null 续航 时间 nullnull null 最大爬坡角 null null null 电机功率 nullnull nullnull 采 用 nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 和编码器作为导航系 统定位模块 nullnullnullnullnull nullnullnull 是一款集成三轴陀螺 仪 加速度计和磁力计九轴姿态传感器 可实时提供 加速度 角速度和方向等姿态信息 编码器亦称显 程计用于测量电机 角度或速度 将机械运动转换为 数字信号 实现高精度位置反馈和运动控制 选用 nullnullnullnullnull 公司 nullnullnull null null 型激光雷达 相 较于单线雷达 nullnullnull nullnull 型多线激光雷达具备更高 的扫描精度和更大覆盖范围 适应复杂遮挡环境能 nullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 表 2 环境感知模块性能参数 Tab 2 Environmental sensing module performance parameters 型 号 技 术参数 测量范围 nullnull null 测 量 精度 null nullnull 垂直测量角度 nullnull 垂直方向角度分辨率 nullnull nullnullnull nullnull 水平方向测量角度 nullnullnull 水平方向角度分辨率 null nullnull nullnull nullnull 帧率 null nullnull nullnull 波长 nullnull null 质量 nullnull null 数据输出频率 nullnull nullnull 俯 仰 null横 滚精度 静态 null nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnull 俯 仰 null横 滚精度 动态 null nullnullnullnullnull 绝 对 航向 磁辅助 null nullnullnullnullnull 角 度 分辨率 nullnull nullnull 速度精度 nullnull null nullnullnull 力 更 强 有助于提高环境建图精度和导航可靠性 支持 nullnullnull 全覆盖测量 最大测距达 nullnullnull null 功耗约 null null 质量 nullnull null 适合搭载于温室采收机器人平台 图 null 温室芦笋采收机器人导航系统软件结构 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 1 1 2 控 制 模块 芦笋采收机器人底部控制器采用 nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull 嵌入式控制板 核心芯片为 nullnullnullnullnull nullnull 具备 高速内存与丰富的 nullnullnull 接口 工作电压为 null null nullnull null 支持低功耗模式 适用于长时间运行的嵌入式控制 应用 该控制器通过 nullnullnullnull 协议 波特率 nullnullnull nullnull 与 电机驱动器通信 并通过驱动器获取霍尔传感器数 据 系统实时读取霍尔传感器提供的速度反馈 结 合 nullnullnull 算法实现电机转速的闭环控制 提升了移动 底盘运动灵活性与稳定性 同时 为保障运行安全 当电机驱动器温度超过设定阈值时 控制器会主动 限制输出并逐步停止系统运行 上位机为 null 台搭载 nullnullnullnull nullnull null 和 nullnullnull 的 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 的计算机 通过 nullnull 接口与 nullnullnullnullnull 控制板连接 发送底盘运动指令 并接收编 码器的速度信息 此外 与 nullnullnull 激光雷达通过 nullnull 通信获取数据 融合三维激光雷达 nullnullnull 以及编码 器数据 负责全局任务如地图构建 定位 路径规划 通过运动学模型与 nullnullnull 控制实现高精度路径跟踪与 动态避障 1 1 3 其他模块 机器人驱动模块采用 null 台 nullnull null 直流无刷伺服 电机 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull 型 配合高减速比 nullnull null 齿轮箱 提供动力输出 整车采用履带式差速驱动 结构 支持原地转向 灵活性高 底盘行走机构采用 橡胶履带配合独立悬架系统设计 增强了对不平地 面的适应能力 有效提升越障性能 机器人最大爬 坡角可达 nullnull 最小离地间隙为 nullnull nullnull 能够稳定运 行于温室等多种复杂地形 机器人采用 null null 三元锂电池作为主电源 电池 容量为 nullnull null null 配备稳压模块和功率显示模块 可 为整机提供稳定电压输出 1 2 导航软件设计 芦笋采收机器人导航系统软件分为决策层 信 息层和执行层 如图 null 所示 决策层是基于 nullnullnullnull nullnull null 的 nullnullnull 系统 承担导航任务调度与发布 同时 对作业平台运行状态进行实时监控与管理 信息层作为机器人核心功能层 承担环境感知 状态估计 地图构建与路径规划等关键任务 保障机 nullnull第 nullnull 期 汪 小 旵 等 基于多源信息融合的温室芦笋采收机器人自主导航控制方法 器人在芦笋温 室 场景下实现精确定位与自主导航 细分为感知模块 任务模块与算法模块 感知模块 负责 nullnullnull 编码器 激光雷达等多源传感器的数据采 集与预处理 通过滤波 解算和时间同步 生成高质 量的传感器数据流 任务模块 负责感知数据的整合 与导航任务的调度衔接 涵盖环境建图 定位估计与 路径规划等功能 实现多模块之间的有机协同 保障 系统在复杂场景下稳定运行 算法模块 聚焦于导航 中关键算法的优化与实现 提升系统在定位精度 鲁 棒性及路径规划效率等方面的综合性能 为复杂环 境下机器人自主作业提供算法支持 执行层是导航系统软件中连接决策与硬件的桥 梁 主要负责接收信息层下发的线速度与角速度指 令 并通过串口通信将指令发送至控制器 nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null控制器依据接收到的指令 结合编码 器的反馈信息 采用 nullnullnull 控制算法调节电机输出 实 现机器人底盘差速驱动控制 同时 执行层还负责 将底盘实际运动状态反馈至上位机 用于定位与状 态监测 2 自主导航系统算法设计 图 null 温室芦笋采收机器人导航软件结构 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 2 1 算 法 框架 基于 nulln