随着人民生活水平的提高和生活方式的改变,水果已经成为我国第三大农作物,水果产业在我国国民经济中占据重要地位,但是果园机械化程度低以及劳动力短缺等因素制约了我国水果产业的进一步发展,因此,将机器人引入果园代替人工进行生产作业被认为是解决问题的有效途径。本文围绕“多功能自走式果园管理机器人研发”项目,拟设计一种用于果园作业机器人的自主导航控制系统,开展并完成了如下主要工作:(1)简要阐述了本课题的研究背景及意义,并对农业机器人自主导航系统的国内外研究现状进行了调研和分析,然后针对本文所研究的果园作业机器人自主导航系统,列举了当前存在的问题与挑战。(2)分析了果园作业机器人自主导航系统的功能需求,主要包括果园全局定位功能、全局轨迹规划功能、轨迹跟踪功能以及遥操作功能等。在基于应用环境分析的基础上,对机器人的软硬件系统进行了总体设计,并完成关键硬件的选型和软件框架设计。(3)针对果园半结构化环境,设计了一种全局定位方法。基于三维激光SLAM算法中LOAM框架,设计了基于先验地图的重定位算法,提高了定位的精度与稳定性。然后将RTK-GNSS与3D SLAM进行数据融合,利用RTK-GNSS的观测值校正3D SLAM算法的估计值,解决了3D SLAM算法在转弯处容易匹配失败的问题,使机器人全局定位精度达到果园自主导航的要求。(4)在机器人全局定位的基础上,分析了果园作业机器人自主导航需求,确定路径示教、轨迹规划和轨迹跟踪的自主导航模式,然后对果园作业机器人进行系统建模,包括运动学建模和坐标系建模,并设计了一种轨迹优化算法,对示教获得的初始路径进行路径平滑处理和速度规划,得到优化轨迹。(5)在全局定位和轨迹规划的基础上,设计了一种果园作业机器人自主导航控制器,采用分层控制的思想,分别对轨迹跟踪控制器和速度跟踪控制器进行设计。首先对履带式移动机器人的跟踪误差进行建模,并验证了轨迹跟踪控制律;然后针对履带机器人的行走误差,设计了无刷直流电机的速度环滑模控制器和云模型交叉耦合控制器,减小了速度跟踪误差和复合跟踪误差。(6)对上述设计的果园作业机器人自主导航系统进行实现与效果测试。在硬件平台上,分别基于ROS系统和阿里云平台对机器人本体子系统和上位机子系统进行编程实现,并通过实验测试果园作业机器人的全局定位功能和轨迹跟踪功能,验证了本文所设计自主导航控制系统的可行性和有效性。