基于深度學(xué)習(xí)的種植園巡檢機(jī)器人的研究

譚慶吉

(黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150431)

1 研究主要內(nèi)容

基于深度學(xué)習(xí)的種植園巡檢機(jī)器人主要研究?jī)?nèi)容如圖1所示。

圖1 本研究課題的主要研究?jī)?nèi)容

從圖1可以看出，巡檢機(jī)器人主要研究?jī)?nèi)容包括4個(gè)模塊：輪式移動(dòng)機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)模塊、各種傳感器模塊、各種傳感器數(shù)據(jù)處理模塊和各種數(shù)據(jù)可視化模塊。具體研究?jī)?nèi)容如下：

(1)輪式移動(dòng)機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及機(jī)器人行走輪子的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。使用4個(gè)直流電機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。輪式移動(dòng)機(jī)器人底盤的驅(qū)動(dòng)模塊使用基于STM32主控板來(lái)控制機(jī)器人的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的行走控制。

(2)傳感器模塊。傳感器模塊涉及環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與處理，包括：測(cè)距的二維激光雷達(dá)、視頻和圖像采集模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和GPS定位模塊。該研究?jī)?nèi)容的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)輪式移動(dòng)機(jī)器人上搭載的各種傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件包，用于將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上層軟件和程序庫(kù)。

(3)機(jī)器人地圖構(gòu)建。該模塊的研究?jī)?nèi)容是種植園區(qū)內(nèi)機(jī)器人移動(dòng)地圖構(gòu)建。利用機(jī)器人平臺(tái)上搭載的激光雷達(dá)傳感器和圖像與視頻傳感器實(shí)時(shí)構(gòu)建種植園的機(jī)器人移動(dòng)地圖。利用深度攝像頭采集場(chǎng)景的彩色圖像信息和深度信息，重構(gòu)種植園的三維空間，用于機(jī)器人路徑規(guī)劃和定位。

(4)機(jī)器人路徑規(guī)劃與定位。機(jī)器人路徑規(guī)劃與定位是基于我們已經(jīng)建立的種植園三維空間地圖，為了實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo)而對(duì)機(jī)器人在種植園的行走進(jìn)行路徑規(guī)劃，而這一任務(wù)離不開(kāi)機(jī)器人的實(shí)時(shí)精確定位，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架從深度圖像數(shù)據(jù)中提取環(huán)境的特征信息，用于機(jī)器人定位。在機(jī)器人路徑規(guī)劃中，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在種植園內(nèi)有目的地移動(dòng)，進(jìn)而完成預(yù)定的任務(wù)。

(5)機(jī)器人避障。探測(cè)器人行走過(guò)程中，如何設(shè)計(jì)避開(kāi)前面障礙物。擬利用裝載在機(jī)器人平臺(tái)上的激光雷達(dá)傳感器探測(cè)機(jī)器人行走前方是否有障礙物，如果有障礙物，設(shè)計(jì)機(jī)器人避開(kāi)障礙物的行走路線。

(6)植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。利用植物生長(zhǎng)傳感器監(jiān)測(cè)種植園內(nèi)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，包括植物的高度、植物的水分、花的開(kāi)放情況、土壤參數(shù)、植物的病蟲(chóng)害情況。

(7)數(shù)據(jù)傳輸。將機(jī)器人上搭載的傳感器感知數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送到服務(wù)器或者上位機(jī)。該模塊涉及可靠數(shù)據(jù)傳輸與接收，視頻和圖像等大量數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)機(jī)器人控制數(shù)據(jù)傳輸。

(8)數(shù)據(jù)可視化。將機(jī)器人傳感器采集的數(shù)據(jù)在服務(wù)器或者上位機(jī)上以圖形化方式顯示出來(lái)。該研究?jī)?nèi)容涉及種植園地圖構(gòu)建與顯示、種植園三維模型建立、種植園路徑規(guī)劃顯示等。

2 解決的技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題

2.1 機(jī)器人傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸問(wèn)題

機(jī)器人平臺(tái)上搭載的傳感器數(shù)據(jù)是用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)種植園內(nèi)各種參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街付ǖ纳衔粰C(jī)或者服務(wù)器。由于機(jī)器人平臺(tái)上搭載了多個(gè)傳感器，比如激光雷達(dá)、超聲波傳感器、紅外傳感器、語(yǔ)音采集模塊、圖像和視頻采集模塊、電機(jī)編碼器等。由于機(jī)器人平臺(tái)的限制，不可能在機(jī)器人平臺(tái)上安裝處理能力強(qiáng)大的CPU模塊，因此，如何在計(jì)算資源有限的條件下實(shí)現(xiàn)上面所有傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸就是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。因?yàn)椋瑱C(jī)器人在行走過(guò)程中，傳感器模塊需要實(shí)時(shí)采集機(jī)器人周邊的環(huán)境信息，用于導(dǎo)航與避障。由于機(jī)器人計(jì)算能力的限制，通常情況各種傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)难舆t，從而使得機(jī)器人的決策滯后，這將導(dǎo)致機(jī)器人行走決策的錯(cuò)誤，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確的路徑規(guī)劃和定位。因此，該項(xiàng)目的1個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是設(shè)計(jì)1套高效的機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸策略，為種植園三維地圖構(gòu)建和機(jī)器人定位提供可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.2 種植園三維地圖構(gòu)建問(wèn)題

種植園三維地圖是機(jī)器人在園內(nèi)行走的基礎(chǔ)。該問(wèn)題的核心是利用機(jī)器人平臺(tái)上搭載的激光雷達(dá)傳感器和深度攝像頭實(shí)時(shí)建立種植園的三維地圖，在三維地圖中標(biāo)注種植園內(nèi)植物的顏色和三維幾何信息，用于機(jī)器人的空間定位。在種植園三維地圖構(gòu)建過(guò)程中，需要解決的問(wèn)題是：不同空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、地圖可視化。

2.3 機(jī)器人路徑規(guī)劃和精確定位問(wèn)題

由于在種植園內(nèi)無(wú)法使用GPS定位系統(tǒng)，因此，種植園內(nèi)的機(jī)器人無(wú)法使用GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車定位和路徑規(guī)劃。種植園內(nèi)的機(jī)器人只能基于已經(jīng)建立的三維空間地圖，實(shí)現(xiàn)園內(nèi)機(jī)器人路徑規(guī)劃并利用圖像匹配的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確定位。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)融合激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和深度攝像頭采集實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)構(gòu)造種植園的三維空間地圖；

(2)利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在種植園內(nèi)的行走路徑規(guī)劃和精確定位；

(3)針對(duì)種植園的特定環(huán)境，設(shè)計(jì)種植園智能監(jiān)測(cè)移動(dòng)機(jī)器人用于實(shí)現(xiàn)種植園無(wú)人或者遠(yuǎn)程檢測(cè)。

4 結(jié)論

結(jié)合深度學(xué)習(xí)框架和強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論，研究并設(shè)計(jì)種植園巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)在巡檢機(jī)器人上安裝多種環(huán)境信息采集傳感器來(lái)獲取機(jī)器人所在的種植園的環(huán)境信息，機(jī)器人利用傳感器所獲得的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身的巡檢路徑規(guī)劃，機(jī)器人同時(shí)能有效避開(kāi)行徑前方的障礙物。同時(shí)，巡檢機(jī)器人能夠利用傳感器模塊采集種植園內(nèi)植物的生長(zhǎng)參數(shù)，機(jī)器人采集的生長(zhǎng)參數(shù)信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)送到云服務(wù)器。