基于虚拟雷达模型的履带拖拉机导航路径跟踪控制算法

为提高传统果园广泛使用的小型履带式拖拉机导航路径跟踪控制精度和行驶稳定性,提出了一种基于虚拟雷达模型的导航路径跟踪控制算法。该算法借鉴人对车辆的驾驶经验,参考雷达扫描原理和图像识别原理,构建了虚拟雷达模型,生成虚拟雷达图,使用该图描述车辆与路径的位置关系;经深度神经网络分类生成对应的履带拖拉机行驶操作指令;以果园作业典型的U形路径为例进行了仿真验证试验和实车试验。仿真结果表明：本文提出的算法能够精准实现导航路径跟踪控制。果园实车试验表明：当车速为0.36、0.75m/s时,该算法路径跟踪的最大横向偏差分别为0.150、0.191m,平均横向偏差分别为0.031、0.051m,标准差分别为0.025、0.036m;与模糊控制算法相比,最大横向偏差分别减小了15.73%、36.33%,平均横向偏差分别减小了27.91%、19.05%,标准差分别减少了21.88%、28.00%。研究表明,基于虚拟雷达模型的导航路径跟踪控制算法具有更高的路径跟踪精度和行驶稳定性,满足果园实际作业需求。     

果园移动机器人激光雷达双源信息融合实时导航方法

为提高林果园移动机器人导航系统的精确性与鲁棒性,提出一种基于激光雷达三维点云的果园行间高低频双源信息融合实时导航方法。首先,喷雾机器人搭载三维激光雷达采集两侧果树点云信息,对原始点云数据进行直通滤波、降采样和统计滤波等预处理,保留感兴趣区域内果树冠层点云;然后,将分别基于高频更新的牛顿插值算法和低频更新的非线性支持向量机(Non-linear support vector machine, NSVM)算法拟合的行间导航线进行互补融合;最后,在导航线切换时,对融合后导航线的稳定性进行优化,并使用三次B样条算法使导航线平滑。实验结果表明：融合优化后的导航线最大曲率为0.048 m^-1,平均曲率为0.018 m^-1;分别以0.5 m/s和1.0 m/s的行驶速度对融合优化后的导航线进行跟踪,绝对横向偏差最大值分别为0.104 m和0.130 m,平均值分别为0.053 m和0.049 m,说明该导航方法能够满足作业装备在果园行间自主导航作业的需求,为喷雾机器人在果园环境中的自主导航提供技术参考。     

基于激光雷达的巡检机器人导航系统研究

智能巡检机器人能够高效、可靠地完成巡检任务,降低工作人员的劳动强度,准确、稳定的导航定位是巡检机器人执行巡检任务的基础。本文研究了基于激光雷达的巡检机器人导航系统,可实现机器人在室内外环境下的地图建立、路径规划和导航定位。导航系统由远程监控平台与巡检机器人组成,远程监控平台发布巡检任务、监控机器人状态、查询与存储检测数据,巡检机器人可实现自主导航定位、遍历检测点、执行数据采集等巡检任务,二者通过无线网络实现远程数据交互。融合激光雷达与编码器信息,使用高鲁棒性Gmapping算法建立二维环境地图。根据地图与检测点信息,采用分支界定算法搜索最优巡检路线,以减少巡检时间和能源消耗。使用自适应蒙特卡罗定位(AMCL)算法估计机器人位置和姿态,结合巡检路线,进行导航定位。根据横向偏差与航向偏差,通过经典的PID算法完成机器人驱动控制。机器人搭载可见光相机与红外相机,可对目标进行可见光通道与红外通道的融合图像检测。对巡检机器人进行了室内导航定位试验,试验结果表明,在1 m/s的速度下,位置与航向偏差的平均绝对误差(MAE)分别小于5 cm和1.1°,标准差(SD)分别小于5 cm和1.5°,能够满足巡检导航定位的要求。     

基于多约束条件的果园喷雾机器人路径规划方法

果园喷雾机器人路径轨迹规划影响机器人行驶路线的平滑线和行驶过程的可靠性和平稳性。针对目前果园喷雾机器人路径规划中存在的转弯处参考轨迹不够平滑、曲率较大、行驶不平稳等问题,提出了一种基于果园喷雾机器人运动学多约束条件的三次非均匀B样条曲线果园喷雾机器人轨迹优化方法。通过先验地图获取树行位置信息对行间路径点进行拟合处理,保证果园喷雾机器人行驶在树行中心线上符合喷雾作业要求,综合考虑最小转弯半径、首末端点约束、转向机构延迟约束、曲率连续等多约束条件构建路径曲率最小化目标函数,并通过最优化算法求解待优化的曲线参数,生成符合果园喷雾机器人行驶要求的全局路径,最后采用纯跟踪算法进行跟踪试验来验证机器人行驶精度。仿真与试验结果表明,规划生成轨迹的最大曲率为0.31m-1,平均曲率为0.15m-1,符合果园喷雾机器人的行驶要求;针对该轨迹跟踪行驶的平均横向误差为0.225m,标准差为0.031m,满足果园喷雾机器人在果园内喷雾作业时对行驶精度的要求。     

基于北斗的农业机械立体视觉辅助导航系统设计

为提高农机在果园复杂环境下作业精度,降低驾驶员劳动强度,设计了精准辅助导航系统。通过北斗差分定位设备获取农业机械的经纬度、航向角度以及行驶速度等数据,根据农田信息规划出全局行驶路径,实时计算农业机械行驶过程中的航向偏角、行驶距离和耕作面积并绘制行驶轨迹,根据观察航向偏角和行驶轨迹,驾驶员来修正作业机械使农机按规划路径行驶。系统采用基于红外散斑的深度立体视觉相机,降低自然光线限制,以此获取农业机械前方深度图像,根据视觉算法对图像中的作物或障碍加以检测,并计算其到农业机械和路径中心线距离,判断是否需要避障并提示驾驶员应调整方向,当调整方向进行避障后返回到已规划路径继续行驶。试验结果表明,辅助导航系统在直线行驶试验时横向行驶最大偏差小于5 cm,能够辅助驾驶员按规划路径精准行驶;基于立体视觉的障碍检测测距误差范围在4%以内,且处理每帧图像耗时最大为40 ms,实时性很高,能高效辅助驾驶员进行精确避障。      

基于RFID和WSN的采摘机器人自主定位与导航设计

为了提高采摘机器人自主导航能力和定位精度及对复杂采摘作业环境的自适应能力,提出了一种基于FRID和WSN的自主导航与避障采摘机器人,通过ID识别技术和聚类算法的应用,实现了采摘机器人的高精度导航与路径规划。该机器人在自主导航和避障过程中首先对RFID标签进行阅读,将阅读结果采用WSN进行节点通信,然后调用距离,并对距离进行聚类分析,最后得到规划后的路径。对机器人的导航定位性能进行了测试,测试发现:机器人实际标定位置和定位导航位置曲线吻合程度较高,验证了采摘机器人具有较高的定位精度;进一步测试发现:机器人在各个节点位置的信号通信均正常,没有出现较大的偏差,其定位的最大均方差仅为0.082m,满足高精度采摘作业的需求。     

基于激光导航的果园移动机器人自动控制系统

以实现果园作业自动化为目的,开发了一种履带式移动机器人作为作业移动平台。机器人采用激光测距仪实现对果树位置信息实现实时的采集,采用霍夫变换规划机器人导航路径,实现了树行直线方程的提取。机器人的航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量,以机器人实际偏转的角度为输出量,实现机器人沿导航路径自动直线行走。机器人以0.14m/s速度直线行驶25m,最大横向偏差0.26m。试验结果表明,该系统导航控制算法性能良好。     

一种稻田自主播种机的路径跟踪方法的研究

为了克服自主式水稻播种机在水田应用中的障碍，基于一种高精度的路径跟踪算法，结合侧向偏差和航向角偏差作为反馈，建立了非线性转向控制模型，对在泥泞不平的水田中直线行驶时的转向控制进行路径跟踪，且为了避免倾斜引起的位置误差，考虑了车辆倾斜时侧倾角和俯仰角对位置坐标的影响。田间试验表明：该算法的平均绝对横向偏差小于2.9cm,航向角偏差小于0.03°,能将横向偏差减小到0.5m以内的短距离，且超过95%的测量横向偏差绝对值小于0.01m,能够满足我国水田自主式水稻播种机的精度及农艺要求。     

基于自校准变结构Kalman的农机导航BDS失锁续航方法

针对农机自动导航作业过程中存在的BDS信号失锁导致系统突然失控的问题,提出了一种适用于轮式农机的基于自校准变结构Kalman滤波器的农机导航BDS失锁续航方法。依据4自由度农机运动学模型,设计了BDS/INS信息融合Kalman滤波器;进行INS导航定位误差不确定度分析,并设计了基于自回归模型的航向校准方法、INS传感器角速率测量零偏实时校准方法,结合上述方法设计了自校准变结构滤波器,进行位姿信息处理,结合导航跟踪控制方法实现失锁续航功能。根据分米级精度要求,进行了机器人直线、矩形路径失锁续航试验和农机田间直线续航试验。机器人续航试验结果表明:行驶速度为1 m/s时,与运用未校准滤波器的续航系统相比,该方法实际平均横向偏差减小34%,横向偏差达到20 cm时机器人在路径上的平均行驶距离提高80%。农机田间续航试验结果表明:行驶速度为1 m/s时,在实际偏差小于20 cm的条件下,农机在路径上的行驶平均距离达到16. 65 m。     

基于随机运动障碍避碰规则的农业机器人路径优化

农业机器人作业时,为了提高机器人躲避障碍物及自主导航的效率和水平,将随机运动障碍物避碰规则引入到了农业机器人导航控制系统的设计中。采用人工势场算法对避障规则进行了设计,并利用蚁群算法对机器人路径规划方法进行了优化,从而使机器人在随机运动障碍物的环境下可以实现自主导航,且获得最短的导航路径。模拟多除草机器人的作业过程,对多运动障碍物环境下机器人的路径规划进行了仿真,结果表明:采用随机运动障碍物避障规则可以成功实现运动障碍物环境下的路径规划,且采用蚁群算法得到的路径最短、规划效率最高。     

基于机器视觉的导航定位技术

对导航定位中的曲线导航问题进行研究,采用单目视觉导航定位的方法采集多幅导航线图像,首先进行了远距离标定,建立实际行走的距离与偏航角度以及目标物偏离中心位置的距离与像素大小的数据库,再用得到的数据库,根据几何的方法计算出导航精度,在本实验中,基本依靠单目视觉技术完成了曲线导航的任务。     

基于自适应导航参数的智能车辆视觉导航

为提高导航路径识别的鲁棒性和实时性,采用了分区阈值二值化、噪声点搜索及滤波等图像处理方法,并对导航路径进行分区逐段识别;在路径跟踪方面,在获取的导航路径图像中选取远端路径和近端路径,以远端路径和近端路径的方位偏差量作为确定目标路径的依据,使提取的导航参数能适应导航路径的变化。根据四轮智能车辆模型进行路径跟踪仿真计算。在此基础上,采用两块数字信号处理器,对基于路径导航的视觉智能车辆进行了设计和试验验证。试验结果表明采用该方法设计的智能车辆具有较好的路径识别和跟踪控制效果。     

面向室内养殖场的机器人自主导航技术研究进展

介绍了视觉导航、激光导航、卫星导航和路标导航等机器人导航技术，分析了不同类型的机器人导航技术在特定应用场景下的导航精度、实时性、适应性。根据这些导航技术的特点，结合在梅州市金绿现代农业发展有限公司室内养殖场开展的导航技术试验结果，指出了在室内养殖场内应用单一导航技术存在的问题，并展望多种导航方法信息融合的导航技术在室内养殖场的应用前景，期望为突破机器人饲喂、运输、采摘关键技术，解决制约农业智能化、无人化发展难题提供思路。      

基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法

为了提高农田平整作业工作效率,分析了基于全球导航卫星系统（Global navigation satellite system,GNSS）的农田平整自动导航解决方案的可行性,改进了系统硬件设计,提出了一种基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法。该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合,以铲车空载或满载时间最短为最优评价基准,融合K 均值与密度均值,聚类农田栅格;根据设计的铲车挖高填低方法和局部搜索策略得到平地路径全局规划,在实际作业中根据拉力传感器反映的实时载荷进行局部调整和规划。通过仿真试验和农田路径规划平地对比试验分析表明,最大高度差从22.8cm降到2.7cm,平整度从12.6cm降到1.5cm,高差分布列从81%上升到97%,平整效果能满足精细灌溉需求。该方法能够较好地实现路径规划,实现拖拉机高效平地作业,其中铲车的满载和空载率较其他方法小,满载和空载率总和在20%左右,增加了有效工作时间,降低了人工劳作强度,提高了平地效率。     

基于机器视觉的高地隙喷雾机自动导航系统设计

针对高地隙喷雾机在玉米中后期喷药植保作业对行难的问题,设计了一种基于机器视觉的高地隙喷雾机自动导航系统,并进行了可行性分析和仿真试验.系统整体由前置的CCD摄像头、车载计算机、STM 32微控制器、蓄电池组、步进电机及控制器,以及传感器模块组成,通过Labview编程软件实现程序的开发及数据的储存工作,车载计算器进行图...     

基于改进Floodfill算法的田垄视觉导航系统

探索在环境多变的田垄中进行视觉导航的方法,针对传统田垄视觉导航方法计算量大且导航效果较一般的问题,为林果作业机器人自主作业能力提供基础,本文提出一种基于机器视觉的田垄导航方法:使用改进的Floodfill算法分割路径信息,通过十字法进行路况分类,进而采用与路况相对应的算法进行导航计算。使用多张路径图片和模拟环境对算法的分割性能和导航能力进行测试,在试验测试中,道路偏移值保持在6 cm内。试验表明,改进Floodfill算法与分类导航法结合的视觉导航方法具有可行性,可为低算力田垄视觉导航方法的探索提供新的方法和思路。     

基于多传感器融合的拖拉机自动导航技术

GPS是农业自动导航车辆获取导航信息的一种主要方式,其任务是获取拖拉机的绝对位置信息,而多传感器融合可以在GPS提供的绝对位置信号丢失时为拖拉机提供位置、姿态和航向信息,进行准确的定位。为此,介绍了GPS以及多传感器融合在拖拉机自动导航中的应用现状,指出GPS及多传感器在自动导航方面的优势和存在的问题,分析了GPS和多传感器融合的导航方式在未来精细农业领域的巨大作用。     

基于U-Net网络的果园视觉导航路径识别方法

针对视觉导航系统在果园环境中面临的图像背景复杂、干扰因素多等问题,提出了一种基于U-Net网络的果园视觉导航路径识别方法。使用Labelme对采集图像中的道路信息进行标注,制作果园数据集;基于U-Net语义分割算法在数据增强的基础上对全卷积神经网络进行训练,得到道路分割模型;根据生成的道路分割掩码进行导航信息提取,生成路径拟合中点;基于样条曲线拟合原理对拟合中点进行多段三次B样条曲线拟合,完成导航路径的识别;最后进行了实验验证。结果表明,临界阈值为0.4时,语义分割模型在弱光、普通光以及强光照条件下的分割交并比分别为89.52%、86.45%、86.16%,能够平稳实现果园道路像素级分割;边缘信息提取与路径识别方法可适应不同视角下的道路掩码形状,得到较为平顺的导航路径;在不同光照和视角条件下,平均像素误差为9.5像素,平均距离误差为0.044 m,已知所在果园道路宽度约为3.1 m,平均距离误差占比为1.4%;果园履带底盘正常行驶速度一般在0～1.4 m/s之间,单幅图像平均处理时间为0.154 s。在当前果园环境和硬件配置下,本研究可为视觉导航任务提供有效参考。     

基于机器视觉边缘检测的园林喷药机器人导航线提取

导航路径的精确拟合是园林机器人自动化导航的关键,针对现有园林喷洒机器人仍是人工操作为主的现象,提出一种基于视觉边缘检测的导航路径拟合算法,用于指导园林喷药机器人的自动化导航.首先利用“化曲为直”的思想,截取拍摄图像的最后200像素行作为感兴趣区域;其次提出一种针对园林道路的灰度化因子,对图像进行灰度化处理;然后对图像进...     

农机INS/GNSS组合导航系统航向信息融合方法

为解决农机自动导航系统在田间作业过程中因防风树林等对卫星信号产生遮挡与干扰,导致其难以准确获取航向信息等问题,采用惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS）航向信息融合方法进行了试验与研究,结合自适应卡尔曼滤波算法构建了综合滤波模型,提出了一种以GNSS信号品质与航向角变化幅度信息为指导的INS/GNSS航向信息融合策略,通过仿真试验以及实际应用测试对航向信息融合效果进行了验证。试验结果表明：以双天线GNSS航向角测量值作为参考基准,在直线行驶过程中,融合航向数据的平均绝对误差为-0.02°,标准差为0.50°;在转向行驶过程中,融合航向数据的平均绝对误差为0.62°,标准差为2.42°;融合后的航向输出结果明显提升了单独使用INS或GNSS时航向数据的精度,且在滤除GNSS航向角测量噪声的同时提高了GNSS航向角解算值的更新速率。该航向角融合算法能够增强农业机械自动导航系统航向角测定的准确性,可为导航系统实际田间作业情况下的抗环境扰动能力提供服务。