温室植保机器人覆盖式路径规划方法研究_毕松.pdf

收稿日期 修回日期 第 卷 第 期计 算 机 仿 真 年 月 文章编号 温室植保机器人覆盖式路径规划方法研究 毕 松 张国轩 李志军 北方工业大学电气与控制工程学院 北京 摘要 针对温室环境植保作业的特点 提出了一种针对温室植保机器人的覆盖式路径规划方法 首先通过 对机 器人位姿进行估计 解决了激光里程计在温室行间失效的问题 并利用位姿估计结果与激光雷达数据融合建立温室地图 设计了作业点和可通行区域识别方法 完成了基于 算法的温室植保作业区域全覆盖路径生成方法和基于贝塞尔曲线法 的作业路径平滑方法 最终得到了满足温室植保作业要求的全局路径 基于 算法对机器人实际作业过程中进行动态 规划 最后基于仿真平台 对上述方法进行了验证 实验结果表明 机器人能有效跟随全局路径 完成覆盖作业 任务 关键词 位姿估计 激光建图 全局路径规划 局部路径规划 中图分类号 文献标识码 引言 温室环境恶劣 生产过程主要以人工为主 温室农业机 器人的应用能有效降低温室农业生产过程中的人工作业强 度 提升生产效率 实现温室环境中的机械化 智能化作业是 我国设施农业发展的必然趋势 植保作业占温室农业生产工作的一大部分 植保作业 要求机器人的作业区域在行进过程中覆盖所有的作物种植 区域 规划出合理植保作业行驶路径是温室机器人实现自 主植保作业的关键 自主导航技术是农业机器人实现自动 化作业的基础 路径规划算法是自主导航算法的核心环 节 合理的路径规划能有效提高作业效率 降低作业成本 路径规划需要先验地图信息 实际作业环境一般与温室 的建设图纸存在差异 作业前需要重新构建温室环境地图 温室行间环境结构相似度较高 基于激光里程计 轮速计的 位姿估计方法无法在温室行间获取准确的机器人位姿 将导 致建图失败 技术具有时间分辨率高 抗多径效应 能力强等的优点 能在温室行间实现机器人定位 对机器人运动时的加速度和角速度进行测量 通过算法得到 机器人的位姿 因此基于 的位姿估计方法能够 对机器人的在温室行间的位姿进行估计 位姿估计结果用于 建图算法 可建立温室环境地图 路径规划主要分为全局路径规划和局部路径规划 全 局路径规划基于全局地图对整体作业路径进行规划 避免了 作业路径陷入局部最优的情况 等 采用了基准 线平移的方法生成全局作业路径 对植株种植区域进行覆 盖 对于规则化种植矩形区域有着较好作业效果 该方法的 灵活性较差 不适用温室环境 孟志军等 提出了一种全区 域覆盖式路径优化方法 根据优化目标计算最优作业方向 生成最优作业路径 该方法在室外无障碍田地有着较好的规 划效果 温室环境复杂 障碍物区域较多 该方法不适用于温 室环境 奚小波等 通过贝塞尔曲线法对全局路径进行了 平滑处理 又利用机器人进行跟随 局部路径规划基于实时 感知能有效保证作业时的安全 劳彩莲等 将 算法与动 态窗口 算法相结合 解决了 算法规划的路劲拐 点较多的问题 张华强等 基于纯跟踪模型对农业机器人 直线跟踪方法进行了研究 根据运动学模型来预测机器人运 动轨迹 基于以上研究成果 本文基于 算法对全局覆盖 作业路径进行规划 作业过程中基于 算法进行实时感 知 对机器人实际行驶路径进行规划 并实现壁纸 针对覆盖式路径规划方法的已有研究成果 本文针对温 室植保作业特点 对温室环境下机器人的路径规划方法展开 研究 首先通过 对机器人在温室环境中的位姿 进行估计 配合激光雷达建立温室环境的栅格地图 然后基 于先验地图信息对机器人作业路径进行规划 最后使用动 态窗口法对机器人作业过程中的局部路径进行规划 应对突 发障碍并实现避障 温室环境激光建图方法分析 温室农业是典型的结构化种植模型 温室的地图可以从 建设图纸中直接得到 但温室生产环境较为复杂 存在人为 影响 使得实际环境中可能存在建设图纸中不存在的障碍 物 因此还需要对作业环境 补充实际环境中确实的障碍物 信息 温室作业环境如图 所示 图 温室机器人作业环境 从图 中可以看出 温室地面为非铺装同时本文所用的 机器人采用滑动转向 机器人行驶过程中 车轮与地面之间 存在较大的相对滑动 因此温室环境轮式里程计定位精度较 差 温室行间 环境结构相似度较高 激光 方法无法 得到温室行间准确的位置信息 因此基于轮式里程计 激光 里程计的建图方法不能直接应用于温室 本文使用 对机器人的位置进行解算 使用 对 机器人在温室中的姿态进行估计 配合激光雷达构建温室环 境的占用栅格地图 然后通过对温室建设图纸的分析 提取 出温室中作物种植区域的位置信息 以及温室 最后将两份 地图进行融合得到最终的温室地图 温室环境建图方法结 构如图 所示 图 温室环境建图方法结构图 本文通过 对机器人在温室中的位姿进行估 计 然后将位姿与激光雷达数据相融合 建立温室占用地图 最后根据温室建设图纸补充完善温室地图 温室行间位姿估计 定位系统通过无线通信测量定位节点和基站之间 的距离 经过几何解算得到定位节点的绝对位置 不受温室 环境相似度的影响 能有效提高温室环境下的定位精度 基站的位置固定且坐标已知 假设定位节点的位 置坐标为 根据 基站和节点的空间几何关系 由 欧式距离公式 可以得到关系式如式 所示 null null null null nullnull null null 式中 基站 的坐标 原始测距值 化简式 可以得到关于定位节点坐标 的线性 方程组 其矩阵表示形式如式 所示 式中 null null 定位节点位置坐标 null null null null null null null null null null null null null null null null null null null nullnull null null null null null nullnull 距离测量 存在误差 使用最小二乘法对方程组 进行求解 可以得到定位节点的坐标 如式 所示 对机器人运动时的加速度 角速度进行测量 通过 姿态解算得到机器人姿态信息 运动状态等信息受环境影 响较小 温室内路径不平 对于平坦的铺装路面 机器人行进过 程中的姿态的变化主要体现在航向轴 的 轴垂直于 地面 机器人受到驱动加速度只在 轴和 轴上产生分量 重力只在 轴上产生分量 实现二维定位只需要考虑机器人 航向角就可实现加速度数据从机体坐标系 到导航坐标系 的转换 温室路面起伏 机器人在行走过程中会出现晃动 姿态变化较为复杂 不能只考虑航向轴的姿态变化 因此在 温室环境下对加速度结果进行坐标系变换时 应考虑机器人 三维姿态 捷联式 安装于机器人机体 基于机体坐标系 对加 速度 角速度进行测量 坐标系示意图如图 所示 图 坐标系示意图 图 中 为 定位基站 位于定位场地 的四角 坐标系 为导航坐标系建立于温室环境地面 坐标 系 为机体坐标系固定于机器人机体 机体坐标系和导航 坐标系并不重合 本文使用四元数来表达从机体坐标系 到导航坐标 的旋转 定义该旋转为 如式 所示 null null 定义从机体坐标系 到导航坐标 的旋转矩阵为 旋 转矩阵的四元数表示形式 如式 所示 null null null null nullnull null null null null nullnull 姿态四元数不能直接进行测量但可通过姿态解算得到 姿态需要角速度测量来更新 其更新方程如式 所示 null null 式中 null null 时刻机体坐标系 相对 于导航坐标系 的姿态四元数 机体坐标系 下的旋转角速度矩阵 姿态更新周期 旋转角速度矩阵 表达式 null null null null null nullnull null null null null null nullnull 式中 null null 机体坐标系下的角速度测量 即捷 联式惯性导航系统 的陀螺仪测量 导航坐标系下机器人加速度矢量可以通过式 得出 式中 null null 导航坐标系下加速度矢量 null null 机体坐标系 下加速度矢量 即捷联式导航系统中 的加速度测量结果 最终就可以得到机体坐标系相对于导航坐标系的姿 态 如式 所示 null null nullnull null null nullnull 式中 从机体坐标系 到导航坐标系 的旋转矩阵 从机体坐标系 到导航坐标系 的相对位置 温室环境激光建图方法 路径规划需要先验环境信息 温室农业为结构化种植模 式 环境地图可以直接从温室建设图纸得到 建设图纸与实 际生产环境存在差异 为得到真实可靠的环境地图 需要对 作业环境重新进行建图 激光雷达能够对机器人周围的障碍物距离进行测量 确 定作业环境中的障碍物位置 从而建立环境模型 栅格地图 是路径规划方法常用的环境建模方式之一 本文对单线激光 雷达的栅格地图构建方法展开研究 栅格地图是将平面划分为有限多个栅格单元 每个单元 对应实际场景的一个区域 定义栅格地图为 如式 所示 式中 每一个栅格的状态 激光雷达可以对平面内的障碍物进行扫描 障碍物 会反射激光束 从而确定每个栅格区域的占用状态 栅格 地图状态的测量模型 如图 所示 图 占用概率地图生成模型 图 中 红色直线为激光雷达的扫描范围 栅格颜色代 表该区域的占用概率 颜色越浅表示该区域为障碍物的概率 越低 激光建图完成后 根据阈值确定每个栅格的状态 如式 所示 null null null nullnull nullnull 该栅格为障碍物 该栅格为空闲区域 该栅格状态未知 式中 障碍物区域最低占用阈值 空闲区域最高占用阈值 基于作业任务的路径规划 合理的作业路径能有效缩短作业时间 降低作业成本 植保作业要求机器人对作业种植区域进行全覆盖 机器人作 业范围示意图如图 所示 图 机器人作业范围示意图 图 中蓝色矩形为温室机器人 红色虚线椭圆为机器人 作业范围 该机器人为单侧作业 绿色区域为作物种植 区域 为了减小路径规划算法的运算量 进行全局路径规划 时 将机器人看作一个栅格 膨胀地图中的占用栅格 膨胀半 径为机器中心点到自身最远点的距离 确定机器人的可通行 区域 对作物区域进行膨胀处理 膨胀半径为机器人中心点 的作业覆盖范围的最远距离 膨胀区域为温室植保作业点 即机器人需要行走遍历的区域 基于作业任务的覆盖式路径算法流程图如图 所示 图 覆盖式路径规划流程图 如图 所示 首先对地图进行预处理 提取出覆盖作业 工作点以及机器人的可通行区域 从起点开始 搜索距离当 前位置最近的作业点 使用 算法规划出从当前位置到最 近作业点的无碰撞路径 继续搜索距离当前位置最近的作 业点 重复上述过程 直到遍历所有工作点 最后回到起点 最终得到全局覆盖作业路径 全局路径规划结果如图 所示 图 全局路径规划结果 从图 可以看出 基于栅格地图规划的得到为全局地图 转角多为直角 不利于轮式机器人进行跟随 使用贝塞尔曲 线法对全局路径进行平滑处理 得到最终的全局路径 平滑 后的全局路径如图 所示 图 平滑处理后的全局路径 如图 所示 经过平滑处理后的全局路径的转弯点更加 平滑 有利于机器人进行跟随 最后对全局路径进行离散采 样 输出全局路径规划结果 基于 算法的局部路径规划方法 温室环境较为复杂 机器人实际作业环境与全局路径规 划时用到的温室地图存在差异 作业过程中会遇到原本地 图中不存在的障碍物 因此 为保证安全作业 作业过程中 机器人通过激光雷达对周围环境进行实时感知 基于实际环 境以及全局作业路径对实际作业路径进行规划 算法根据当前机器人的行驶速度建立机器人控制 矢量采样空间 基于机器人运动学模型对机器人在控制矢量 作用下未来一段时间的行驶轨迹进行预测 根据代价函数计 算每条行驶的轨迹的代价 输出最低代价轨迹的控制矢量为 当前时刻的最优控制矢量 局部路径规划方法流程图如图 所示 图 基于 算法的局部路径规划方法 本文中的植保机器人采用差速转向 机器人的控制量 为前进速度 和旋转速度 控制矢量采样空间主要 受到机器人的最大速度 加速度以及障碍物的约束 控制矢 量采样空间 如式 所示 式中 速度约束 加速度约束 障碍物约束 其中 null null null null null null 式中 机器人行驶的最大直线速度 机器人行驶的最大旋转速度 机器人行驶的最大直线速度 机器人与最近障碍物的距离 控制周期 根据四轮差速转向机器人模型可得机器人运动学方程 如式 所示 null null null null null null null null nullnull null nullnull 式中 时刻机器人导航坐标系位置坐标 时刻机器人航向角 沿 轴正方向为 时刻机器人前进速度控制量 时刻机器人旋转角速度控制量 根据代价函数对所有运动轨迹的代价进行计算 代价最 低的轨迹所对应的一组控制矢量为当前时刻机器人的最优 控制矢量 定义代价函数 如式 所示 式中 各部分的权重系数 方位角函数 机器人朝向目标点时函数 值达到最小 距离函数 距离目标点越近函数值越小 障碍物距离函数 运动轨迹越原理障碍物 函数值越小 由式 对机器人控制矢量对应的每条运动轨迹的代 价 进行计算 代价最小的轨迹所对应的控制矢量 就是当前时刻的机器人进行路径跟踪的最优控制量 实验与分析 温室环境激光建图实验 为了验证本文方法建图算法的有效性 本文设计仿真对 方法进行验证 仿真环境为 温室尺寸为 种植区域单排尺寸为 行间距为 使 用 系统运行建图算法 利用 的 接口获 取仿真环境中所有的传感器数据并实现对机器人控制 在 中运行基于 的位姿估计算法以及激光建图 算法 实验中控制机器人在温室中行走整个温室环境 最终 得到当前温室的占用栅格地图 仿真环境如图 所示 图 仿真环境 图 中绿色部分为温室作物种植区域 红色区域为激 光雷达的探测区域 从图中可以看出激光雷达最大探测距离 小于温室行间长度 本实验中的机器人模型如图 所示 图 机器人模型图 图 中机器前端安装有单线激光雷达 最大探测距离 为 探测范围为 到 角分辨率为 扫描速 率为 机器人前后各安装有 定位节点 用于获取 机器人实时的二维位置信息 通过前后两节点的位置信息可 以得到机器人的航向信息 机器人车体正中央安装有 可获取机器人在移动过程中的实时加速度和角速度 仿真 系统交互关系如图 所示 机器人移动过程中 通过基于 的位姿估计方 法对机器人位姿进行估计 位姿估计结果与 最终得到温室 环境的占用栅格地图 通过可视化软件 对建图结果进行 可视化 如图 所示 图 中灰色区域为未知区域 激光雷达未探测到的区 图 仿真系统软件结构图 图 建图结果可视化 域 黑色区域为障碍物 机器人无法通过 白色区域为空闲 区域 机器人可在白色区域行进 此时得到的温室地图不包含作物种植区域的位置信息 该信息可以从温室建设图纸中提取得到 最终讲温室建设图 纸和建图算法得到的温室地图进行融合 得到最终的温室地 图 如图 所示 图 温室环境栅格地图 图 中 每个栅格对应实际距离 灰色部分代表未 知区域 激光雷达没有扫描到的区域 白色代表空闲区域 植保机器人可在白色区域上移动作业 绿色为植被区域 即 需要机器人作业覆盖的区域 黑色代表障碍物 机器人无法 通行 一般是障碍物区域的边缘 局部路径规划实验 为了验证局部路径规划方法的规划效果以及避障能力 本文设计了仿真 仿真环境为 完成全局路径规划 后 向仿真环境加入新的障碍物 在全局作业路径的引导 下 由 算法对机器人实际行驶路径进行规划 局部路 径规划结果如图 所示 图 局部路径规划实验结果 图 中绿色区域位置为温室中机器人的不可通行区 域 蓝色路径为全局路径规划结果 红色路径为 算法 规划出的局部作业路径 实验结果表明 当全局路径经过不 可通行区域时 算法能够基于实时感知规划出无碰撞 的局部最优路径 路径规划仿真 为了验证本文提出的基于温室作业任务的覆盖式路径 规划方法 本文进行了仿真 仿真环境为 基于 软件平台仿真搭建了 正方形场地 场 地共有植被 排 植被为 的矩形区域 植被行间可 通行区域宽 植保机器人长 宽 采用差 速转向 机器人机体安装传感器有 定位模块和激光雷 达 激光雷达最大探测距离为 最小角分辨率为 本实验中控制算法通过 的接口实现对仿真环 境中传感器的读取 以及实现对仿真环境中移动机器人的控 制 首先 基于全局地图对全局最优作业路径进行搜索通过 最优作业路径 然后通过 算法对全局最优作业路径进 行跟踪 实验结果如图 所示 图 路径规划仿真结果 从图 中可以看出 全局路径实现了对种植区域的全 覆盖 并实现了作业完成后 返回起始工作点 局部路径规 划算法可以很好控制机器人跟随全局路径 完整实现覆盖作 业过程 结论 本文研究了温室环境中植保机器人的覆盖式作业路径 规划方法 主要工作如下 使用基于 的位姿估计算法对机器人位姿 进行估计 有效解决了激光里程计因温室行间环境结构相似 度高的情况导致位姿估计精度快速下降的问题 并通过仿 真对该方法进行了验证 将位姿数据与激光雷达数据融合完 整建立了温室地图 提出了基于 算法的全局覆盖式路径规划方法 首 先基于作业点和可通行区域识别方法 提取出植保作业工作 点和可通行区域 通过遍历所有作业点的方式规划覆盖全 部作物区域的作业路径 然后使用贝塞尔曲线法对生成的全 局路径进行了平滑处理 更有便于机器人对全局路径进行跟 随 最后使用 算法对作业过程中的局部路径进行规划 进行实时规划 实现避障 并进行了仿真 仿真结果表明 机 器人能有效跟随全局路径 完整完成覆盖作业任务 参考文献 张漫 季宇寒 李世超 等 农业机械导航技术研究进展 农 业机械学报 侯加林 蒲文洋 李天华 等 基于 与物联网的移动式温 室环境监测系统设计与实现 农业工程学报 胡敬 田俊曦 邹世明 等 基于自适应卡尔曼滤波的联合 无人机定位算法 无人系统技术 孟志军 刘卉 王华 等 农田作业机械路径优化方法 农业 机械学报 奚小波 史扬杰 单翔 等 基于 曲线优化的农机自动驾 驶避障控制方法 农业工程学报 劳彩莲 李鹏 冯宇 基于改进 与 算法融合的温室 机器人路径规划 农业机械学报 张华强 王国栋 吕云飞 等 基于改进纯追踪模型的农机路径 跟踪算法研究 农业机械学报 徐建华 张雨霖 韩勇强 基于移动节点辅助定位的 室 内定位方法 中国惯性技术学报 程为彬 陈烛姣 张夷非 等 姿态误差均衡校正模型与 验证 仪器仪表学报 作者简介 毕 松 男 汉族 北京市人 硕士研究生 导师 主要研究领域为人工智能与智能机器人 张国轩 男 汉族 陕西省宝鸡市人 硕士研究生 主要研 究领域为人工智能与智能机器人 李志军 男 汉族 河南平顶山人 硕士研究生导师 主要 研究领域为控制理论与控制工程 模式识别与智能系统 上接第 页 梁琳 何卫平 雷蕾 张维 王红霄 光照不均图像增强方法综 述 计算机应用研究 王浩 张叶 沈宏海 等 图像增强算法综述 中国光学 雍龙泉 李翠霞 吴世良 线性变换的几何意义 高师理科 学刊 杨亚绒 李恒 赵磊 王海瑞 基于亮度校正与多空间转换的 水下图像增强 光电子 激光 电子与信息学报 张谊 万华 涂淑琴 基于计算机视觉的中药饮片分类技术综 述与案例研究 计算机应用 作者简介 王 欣 男 汉族 四川省绵阳市人 博 士 教授 研究方向为机器学习 计算机仿真 陈纪宗 男 汉族 重庆市北碚区人 硕士 研究生 研究方向为机器学习 李 屹 男 汉族 四川省成都市人 硕士 研究生 研究方向为机器学习 刘 一 男 汉族 天津人 博士 教授 主要研究方向为民 航大数据分析 民航信息化 智能算法等