【摘 要】
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伴随农业从业人员的不断流失以及用工成本的日益增长,农业生产面临着极大挑战,尤其是作业环节多、劳动力密集的果园种植业。据不完全统计,果园生产过程中人工支出占到果园生产总支出的60%以上,成为制约我国果园产业发展的重要因素。果园的除草、施肥、喷药、修剪、采摘运输等生产环节存在设备简单、自动化智能化程度低、工作繁重和生产成本高等问题。为了解决以上问题,研究适合我国果园现状的智能化作业机械理论,研发相应的
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伴随农业从业人员的不断流失以及用工成本的日益增长,农业生产面临着极大挑战,尤其是作业环节多、劳动力密集的果园种植业。据不完全统计,果园生产过程中人工支出占到果园生产总支出的60%以上,成为制约我国果园产业发展的重要因素。果园的除草、施肥、喷药、修剪、采摘运输等生产环节存在设备简单、自动化智能化程度低、工作繁重和生产成本高等问题。为了解决以上问题,研究适合我国果园现状的智能化作业机械理论,研发相应的果园智能化作业机械迫在眉睫。但是,在密植果园环境中,由于树木遮挡,造成了卫星定位信号波的折射、衍射及反射等,形成多路径效应,进而导致以全球定位卫星系统（Global Navigation Satellite System GNSS）为核心的绝对定位方法精度较差甚至无法使用的问题,致使果园机器人发展缓慢。如何在GNSS信号缺失的密植果园环境中,实现机器人导航路径提取、机器人相对位置的定位,成为影响果园机器人行业发展的科学问题之一。本文针对农业机器人在密植果园中因GNSS信号反射、折射等现象造成的绝对位置错误或偏差大,而导致的自主导航作业不稳定、不连贯等瓶颈问题,采用3D激光雷达（3D-Li DAR）与RTK组合定位相融合的方法,结合SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）建图、果园树行辅助定位等算法,设计并实现了适用于标准化种植果园的自主导航平台。本论文主要研究内容主要包括:（1）设计制作一台葡萄园自主导航移动平台。该平台包一台括履带式差速底盘,以及基于英伟达人工智能处理器（Nvidia Jetson NANO）的自主导航系统,该系统主要包括英伟达人工智能处理器1台,GNSS-RTK接收机1套,三维激光雷达1部。其中英伟达人工智能处理器用于运行Ubuntu18.04操作系统以及Robot Operating System（ROS）机器人操作系统。GNSS-RTK接收机,用于接收多模卫星信号,输出移动平台的大地坐标系WGS-84绝对位置。三维激光雷达,获取果园环境三维点云数据,用于SLAM建图及果园树行的有效提取,实现辅助导航。（2）果园环境地图构建与三维激光雷达环境感知相融合的导航定位算法。该算法包含构建果园三维点云地图;基于Kalman Filter（KF）的GNSS-RTK接收机绝对位置与三维点云感知的相对定位数据融合;基于三维激光雷达点云目标检测的葡萄树行感知与识别算法,能够实现在线目标检测与聚类分割,物体提取与感知表达;基于RANdom SAmple Consensus（RANSAC）与LSM的果树树行提取与检测、地头识别与检测的算法,能够拟合树行直线、转向曲线,并结合滤波算法构建导航基准线方程。（3）自主导航平台路径规划与轨迹跟踪算法。基于ROS机器人操作系统及开发的自主导航系统,进行初始化定位、任务解析,生成全局路径及局部路径。使用Stanly控制算法进行路径跟踪,获取自主导航作业路径横向偏差及纵向偏差,进一步优化导航路径。（4）果园自主导航平台试验验证。主要包括GNSS-RTK绝对位置定位试验验证;葡萄园内树行直线拟合与地头转向曲线拟合试验;物体检测试验以及感知地图生成试验;最后进行了树行直线拟合与航线跟随集成试验。试验结果表明,本文所设计实现的适用于果园环境的自主导航平台,可实现横向偏差10cm以内的自主导航作业精度。
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