[發明專利]一種輕智能化的果園地頭導航方法

在審

• 申請號: 202210036882.1
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114485667A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 鄭永軍;李文偉;劉偉洪;江世界;楊圣慧;許家偉;蘇道畢力格
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S17/93;G06K9/62;G06N3/02;G06T1/00;G06T5/00;G06T7/11;G06T7/62
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 閆萍

1.一種輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1.通過三維激光雷達采集果園原始三維點云數據，并對原始三維點云進行濾波；

S2.利用PCL點云庫提取果樹樹干信息；

S3.通過識別樹干進行行末定位，確定地頭導航起點；

S4.提取果園地頭特征；

S5.利用神經網絡匹配有效導航路徑；

S6.控制機器人轉向，完成地頭導航。

2.如權利要求1所述的輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于，具體步驟如下：

S1.果園三維點云濾波：對原始三維點云進行濾波，濾除離群點、地面點云，同時濾除距激光雷達三倍株距以外的點云，保證激光雷達左右兩側前視距離內各包括至少三棵果樹；

S2.果樹樹干信息提取：對濾波后的三維點云進行分割處理，通過K-mean聚類算法提取出單株果樹，隨后采用隨機采樣一致性算法從單株果樹中提取出樹干點云，完成果樹樹干信息的提??；

S3.當激光雷達檢測到前視范圍內單側樹干均少于三棵，且數量隨著機器人移動不斷減少時，判定前視范圍內距離最遠的樹干為行末樹干，左右兩側行末樹干連接線的中點為地頭導航起點；

S4.當機器人到達地頭導航起點后，利用點云數據提取樹行寬度、地頭長度與果樹冠層直徑；

S5.根據樹行寬度、地頭長度、果樹冠層直徑，利用BP神經網絡匹配有效導航路徑；

S6.匹配到有效導航路徑之后，控制機器人進行導航，利用編碼器、IMU實時獲取機器人的實際行駛路徑，并根據規劃路徑對實際路徑進行調整，完成地頭導航。

3.如權利要求2所述的輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于：所述步驟S1中，首先采用直通濾波器分別對X軸、Y軸、Z軸方向上的點云進行濾波處理，根據果樹株距Lp濾除X軸方向三倍株距以外的點云，根據果樹行距Ll濾除Y軸方向1.5倍行距以外的點云，根據點云Z軸坐標的最小值Z_min濾除地面點云；隨后采用StatisticalOutlierRemoval濾波器，通過對每一個點的領域進行分析，計算每一個點到它所有臨近點的平均距離，濾除平均距離在標準范圍之外的點，從而濾除離群點。

4.如權利要求2所述的輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于：在步驟S2中，采用K-mean聚類算法對濾波后的點云數據進行考察，通過各點云之間的距離，將點云組成n類，然后將具有最小距離的兩類合為一類，重新計算類與類之間的距離，迭代直到提取出單株果樹點云數據；隨后將果樹樹干簡化為圓柱體模型，采用隨機采樣一致性算法從單株果樹點云中提取出樹干點云。

5.如權利要求2所述的輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于：在步驟S4中，計算兩側行末樹干點云數據之間的距離，作為樹行寬度；將原始三維點云數據投影至XOY平面上，采用BoundaryEstimation算法提取出行末果樹投影的輪廓，將投影近似等價為圓形，并通過曲率計算其直徑，作為果樹冠層直徑；采集得到機器人至果園地頭邊界的距離，用此距離減去果樹冠層半徑，得到地頭長度。

6.如權利要求2所述的輕智能化的果園地頭導航方法，其特征在于，步驟S5包括以下步驟：

前期采集大量的行末果樹點云數據，并且人工操作機器人轉向，記錄下轉向軌跡，采用BP神經網絡，以樹行寬度、地頭長度、果樹冠層直徑為輸入，以轉向成功與否和轉向路徑為輸出，構建位置與信息-轉向狀態網絡模型；

將步驟S4采集到的樹行寬度、地頭長度、果樹冠層直徑輸入到位置與信息-轉向狀態網絡模型，利用神經網絡匹配得到最優轉向路徑。