[發明專利]基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統及方法

有效

• 申請號: 201711418660.1
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN108196538B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 袁洪波;程曼;蔡振江
• 申請（專利權）人: 河北農業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G01S17/93
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統，包括地面激光雷達，用于對地面進行掃描；控制器，用于對地面激光雷達掃描獲得的田間作物數據進行處理，得出導航線路；馬達驅動器，通過接收控制器發出的導航線路對馬達進行控制；馬達，用于控制機器人車輪轉動方向和速度。本發明能夠改進現有技術的不足，規劃導航路線速度快，準確性高，不受天氣和外界光照條件影響。

技術領域

本發明涉及農業機器人導航技術領域，尤其是一種基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統及方法。

背景技術

當前農業機器人的導航方式主要有以下幾種：1.信標導航。在工作環境內的若干確定位置設置信標，機器人通過自身安裝的測距裝置測量其與信標之間的距離和角度，并推算出自身的位置，以此為依據進行導航。這種導航方式需要預先在不同的位置設置信標，并預先規劃導航路徑，不能做到即來即走；2.GPS導航。該種導航方法根據GPS位置信息進行導航，但是也需要預先規劃導航路徑，而且不能根據現場環境自行動態調整，同時其抗干擾能力較差，在受到樹木、房屋遮擋時，信息容易丟失；3.視覺導航。機器人根據攝像機對周圍環境進行實時探測，并根據探測到的現場信息實時規劃導航路徑，這種導航方式無需預先規劃導航路徑和人工干預。但是當前視覺導航多用2D CCD相機或者雙目立體視覺相機進行環境的探測，并通過對相機拍攝到的圖片進行圖像處理，從而找出導航線。這種方式最大的缺點就是相機所拍照片受外界光照影響較大，太陽光線的強弱對其導航線的提取以及導航準確性具有較大的影響。

綜上所述，現有的大部分農業機器人導航方法要么需要預先規劃導航路徑，不能做到即來即走，要么受外界光照影響較大，導航準確性會隨天氣變化而變化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統及方法，能夠解決現有技術的不足，規劃導航路線速度快，準確性高，不受天氣和外界光照條件影響。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案如下。

一種基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統，包括，

地面激光雷達，用于對地面進行掃描；

控制器，用于對地面激光雷達掃描獲得的田間作物數據進行處理，得出導航線路；

馬達驅動器，通過接收控制器發出的導航線路對馬達進行控制；

馬達，用于控制機器人車輪轉動方向和速度。

作為優選，所述地面激光雷達安裝在機器人前部并向下傾斜。

一種上述的基于三維點云模型的田間農業機器人自主導航系統的方法，包括以下步驟：

A、系統初始化，設置地面激光雷達的掃描角度和分辨率，掃描角度影響掃描的寬度，分辨率影響每條線的掃描點數及掃描的速度，掃描速度決定了機器人的最大移動速度，根據具體地形地貌以及作物生長情況進行設置；

B、啟動地面激光雷達進行掃描，并將掃描到的數據從極坐標系轉換到笛卡爾坐標系；

C、將掃描數據分別在笛卡爾坐標系的X、Y、Z軸進行投影，地面激光雷達所在位置即為笛卡爾坐標系的原點，X軸代表掃描寬度，Y軸代表機器人前進的方向，Z軸代表掃描高度；

D、根據笛卡爾坐標系的掃描數據生成地面及作物冠層形態的三維點云模型；

E、采用最小二乘法，根據每一條沿X軸方向的掃描線的數據對點云模型構造出的作物冠層進行逐條線的曲線擬合；

F、對掃描線得到擬合多項式函數求1個極大值和2個極小值，極大值代表作物冠層的1個最高點，極小值代表作物冠層的左右2個最低點，根據冠層的輪廓特征，冠層的左右兩個最低點就是冠層投影與地面的左右交界點；