農(nóng)業(yè)機(jī)器人自動化導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

摘 要：自動化導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自動化導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)；機(jī)器人；自動化；導(dǎo)航

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，主要包括地圖導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、感知導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和星基導(dǎo)航等。隨著自動化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)航傳感器主要包括全球定位系統(tǒng)、視覺傳感器、超聲波、激光、地磁方位傳感器等?，F(xiàn)今研究主要集中于機(jī)器視覺和GPS導(dǎo)航這兩種最具發(fā)展前途的方式上。

1.國外研究現(xiàn)狀

國外20世紀(jì)70年代開始對農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航開展了相關(guān)的研究。隨著GPS民用化的實(shí)現(xiàn)和機(jī)器視覺技術(shù)的逐漸成熟，農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)主要經(jīng)歷了從標(biāo)桿導(dǎo)航、電纜導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航到視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航等技術(shù)變化的過程。

韓國Lee等（2009）提出利用GPS等設(shè)備獲得機(jī)器人當(dāng)前的定位信息，然后采用立體攝像機(jī)實(shí)時感知機(jī)器人周圍的工作環(huán)境，機(jī)器人定位信息獲取是重建地形圖的前提條件。

美國Oscar等（2011）開發(fā)了一種基于激光的自動導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用激光掃描儀作為導(dǎo)航傳感器識別樹行直線軌跡，控制拖拉機(jī)在樹行間自動行走。采用Hough變換檢測樹行，并應(yīng)用自動衰減算法消除激光掃描數(shù)據(jù)中的高斯噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，在適合的運(yùn)行速度下系統(tǒng)側(cè)向誤差為0.11m，推算角度誤差為1.5°。

美國Francisco R等（2012）通過將多個傳感器獲取的信息融合的方法重建果園三維地形圖。該系統(tǒng)采用雙目立體攝像機(jī)、GPS和一個慣性測量單元來獲取信息，這三個傳感器均被安裝在一個移動平臺上并連接至上位機(jī)，上位機(jī)通過實(shí)時融合數(shù)據(jù)生成果園等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的三維地形圖。

紐西蘭A. J. Scarfe等（2013）研發(fā)了一個奇異果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人具有自主導(dǎo)航功能。當(dāng)樹冠未對機(jī)器人形成遮擋時，采用GPS和羅盤進(jìn)行導(dǎo)航；當(dāng)樹冠對機(jī)器人形成遮擋時，采用雙目視覺系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。使用視覺系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航時，該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的Hough變換提取導(dǎo)航線。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對于機(jī)器人果園導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的研究較少，但在農(nóng)業(yè)機(jī)械和機(jī)器人的農(nóng)田導(dǎo)航方面有諸多研究。由于我國在農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航研究工作起步較晚，沒有經(jīng)歷國外先進(jìn)國家的電纜導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等復(fù)雜研究過程，直接進(jìn)入視覺導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航。主要研究報(bào)道集中于視覺導(dǎo)航在非結(jié)構(gòu)農(nóng)田中的應(yīng)用。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英等（2009）設(shè)計(jì)了一個農(nóng)用輪式移動機(jī)器人，該機(jī)器人以通用小型四輪拖拉機(jī)作為行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，測量裝置包括導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器及攝像機(jī)。導(dǎo)航視覺系統(tǒng)由攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，負(fù)責(zé)檢測導(dǎo)航目標(biāo)，并計(jì)算自身相對于引導(dǎo)目標(biāo)的位姿值；利用卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合。用人工綠籬模擬農(nóng)作物行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)器人能較好的跟蹤綠籬邊緣。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳兵旗等（2012）針對農(nóng)田耕作機(jī)器人，提出了一種犁溝斜率檢測算法提取機(jī)器人行走路徑。將攝像機(jī)安裝于拖拉機(jī)前方，耕作過程中采集農(nóng)田場景圖像，根據(jù)已耕作區(qū)域、未耕作區(qū)域和非農(nóng)田區(qū)域的不同顏色特征，判斷出田端和犁溝線的位置以及檢測后續(xù)計(jì)算的特征點(diǎn)，利用基于一點(diǎn)的改進(jìn)哈夫變換算法計(jì)算犁溝線的斜率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有速度快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。

浙江工業(yè)大學(xué)黃步雨等（2013）研制了一種在溫室作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。該研究將射頻通信技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的中短距離控制與導(dǎo)航，導(dǎo)航系統(tǒng)采用RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)與機(jī)器視覺相結(jié)合。溫室的行進(jìn)路徑裝有位置導(dǎo)航信息的RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽中記錄各種位置信息、作業(yè)目標(biāo)牌號；農(nóng)業(yè)機(jī)器人車載有PFID閱讀器等。通過RFID輔助定位、導(dǎo)航，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可自主移動至制定位置，進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)。機(jī)器視覺技術(shù)用于修正RFID閱讀器誤識別產(chǎn)生的誤差，提高系統(tǒng)可靠性。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張漫等（2013）提出了一種基于機(jī)器視覺的農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)。該導(dǎo)航系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、操縱控制器、轉(zhuǎn)向驅(qū)動機(jī)構(gòu)、前輪偏角測量裝置和導(dǎo)航車。利用圖像過綠特征和垂直投影移動法獲取導(dǎo)航定位點(diǎn)，利用基于已知點(diǎn)的隨機(jī)霍夫變換檢測導(dǎo)航基準(zhǔn)線。以橫向偏差和航向偏差作為輸入量，采用二維模糊決策器對期望前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行決策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該導(dǎo)航系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)直線路徑跟蹤。當(dāng)車速為0.3m/s時，最大跟蹤橫向偏差不超過5cm，平均偏差不超過2cm。

3.結(jié)論

綜上所述，目前農(nóng)田導(dǎo)航系統(tǒng)中，普遍采用GPS導(dǎo)航和機(jī)器視覺為主，其他導(dǎo)航技術(shù)（羅盤、加速度計(jì)等）與其相結(jié)合的方法。但運(yùn)用GPS進(jìn)行導(dǎo)航，受一定條件的限制。首先GPS必須接收到4顆以上衛(wèi)星，才能正常工作，當(dāng)遇到樹木、房屋、高大建筑時，可能接收不到足夠的衛(wèi)星信號，此時定位精度將受到影響。與之相比，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，機(jī)器視覺導(dǎo)航技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效解決農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航的問題。將機(jī)器視覺應(yīng)用于采摘機(jī)器人的導(dǎo)航中，可有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走。因此，在復(fù)雜環(huán)境中，應(yīng)用機(jī)器視覺進(jìn)行果園導(dǎo)航比GPS導(dǎo)航更具有優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃步雨，于豐華，鄒麗娜，岳仕達(dá). 農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2013（06）

[2]陳兵旗，何曉蘭，杜尚豐，柯杏. 機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)中的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012（03）

作者簡介：魏全盛，（1964.11-），男，籍貫：安遠(yuǎn)，學(xué)歷：本科，專業(yè)：工業(yè)電氣自動化，職稱：副教授，工作單位：江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。