農業機器人自動化導航系統研究現狀分析

摘 要：自動化導航是農業機器人的重要組成部分，本文在查閱大量文獻的基礎上，對農業機器人的自動化導航系統研究現狀進行了簡要分析。

關鍵詞：農業；機器人；自動化；導航

近年來，國內外學者圍繞農業機器人導航技術進行了廣泛的研究，主要包括地圖導航、路標導航、感知導航、視覺導航和星基導航等。隨著自動化技術的進一步發展，導航傳感器主要包括全球定位系統、視覺傳感器、超聲波、激光、地磁方位傳感器等。現今研究主要集中于機器視覺和GPS導航這兩種最具發展前途的方式上。

1.國外研究現狀

國外20世紀70年代開始對農業機械導航開展了相關的研究。隨著GPS民用化的實現和機器視覺技術的逐漸成熟，農業機器人導航技術主要經歷了從標桿導航、電纜導航、地磁導航到視覺導航、GPS導航等技術變化的過程。

韓國Lee等（2009）提出利用GPS等設備獲得機器人當前的定位信息，然后采用立體攝像機實時感知機器人周圍的工作環境，機器人定位信息獲取是重建地形圖的前提條件。

美國Oscar等（2011）開發了一種基于激光的自動導航系統。該系統利用激光掃描儀作為導航傳感器識別樹行直線軌跡，控制拖拉機在樹行間自動行走。采用Hough變換檢測樹行，并應用自動衰減算法消除激光掃描數據中的高斯噪聲。實驗表明，在適合的運行速度下系統側向誤差為0.11m，推算角度誤差為1.5°。

美國Francisco R等（2012）通過將多個傳感器獲取的信息融合的方法重建果園三維地形圖。該系統采用雙目立體攝像機、GPS和一個慣性測量單元來獲取信息，這三個傳感器均被安裝在一個移動平臺上并連接至上位機，上位機通過實時融合數據生成果園等農業生產環境的三維地形圖。

紐西蘭A. J. Scarfe等（2013）研發了一個奇異果采摘機器人，該機器人具有自主導航功能。當樹冠未對機器人形成遮擋時，采用GPS和羅盤進行導航；當樹冠對機器人形成遮擋時，采用雙目視覺系統進行導航。使用視覺系統進行導航時，該系統采用傳統的Hough變換提取導航線。

2.國內研究現狀

目前，國內對于機器人果園導航領域內的研究較少，但在農業機械和機器人的農田導航方面有諸多研究。由于我國在農田作業機器人導航研究工作起步較晚，沒有經歷國外先進國家的電纜導航、地磁導航等復雜研究過程，直接進入視覺導航和GPS導航。主要研究報道集中于視覺導航在非結構農田中的應用。

南京農業大學姬長英等（2009）設計了一個農用輪式移動機器人，該機器人以通用小型四輪拖拉機作為行走機構實現自主導航，測量裝置包括導向輪轉角傳感器、車速傳感器及攝像機。導航視覺系統由攝像機和計算機組成，負責檢測導航目標，并計算自身相對于引導目標的位姿值；利用卡爾曼濾波實現多傳感器信息融合。用人工綠籬模擬農作物行進行實驗，實驗結果表明：該機器人能較好的跟蹤綠籬邊緣。

中國農業大學陳兵旗等（2012）針對農田耕作機器人，提出了一種犁溝斜率檢測算法提取機器人行走路徑。將攝像機安裝于拖拉機前方，耕作過程中采集農田場景圖像，根據已耕作區域、未耕作區域和非農田區域的不同顏色特征，判斷出田端和犁溝線的位置以及檢測后續計算的特征點，利用基于一點的改進哈夫變換算法計算犁溝線的斜率。經過實驗表明，該算法具有速度快、準確性高的優點。

浙江工業大學黃步雨等（2013）研制了一種在溫室作業的農業機器人。該研究將射頻通信技術應用于農業機器人的中短距離控制與導航，導航系統采用RFID（Radio Frequency Identification）技術與機器視覺相結合。溫室的行進路徑裝有位置導航信息的RFID標簽，標簽中記錄各種位置信息、作業目標牌號；農業機器人車載有PFID閱讀器等。通過RFID輔助定位、導航，農業機器人可自主移動至制定位置，進行相應作業。機器視覺技術用于修正RFID閱讀器誤識別產生的誤差，提高系統可靠性。

中國農業大學張漫等（2013）提出了一種基于機器視覺的農業車輛自動導航系統。該導航系統包括主控計算機、攝像機、操縱控制器、轉向驅動機構、前輪偏角測量裝置和導航車。利用圖像過綠特征和垂直投影移動法獲取導航定位點，利用基于已知點的隨機霍夫變換檢測導航基準線。以橫向偏差和航向偏差作為輸入量，采用二維模糊決策器對期望前輪轉角進行決策。實驗結果表明：該導航系統可以有效地實現直線路徑跟蹤。當車速為0.3m/s時，最大跟蹤橫向偏差不超過5cm，平均偏差不超過2cm。

3.結論

綜上所述，目前農田導航系統中，普遍采用GPS導航和機器視覺為主，其他導航技術（羅盤、加速度計等）與其相結合的方法。但運用GPS進行導航，受一定條件的限制。首先GPS必須接收到4顆以上衛星，才能正常工作，當遇到樹木、房屋、高大建筑時，可能接收不到足夠的衛星信號，此時定位精度將受到影響。與之相比，在非結構環境中，機器視覺導航技術具有諸多優點，能有效解決農業機器人定位導航的問題。將機器視覺應用于采摘機器人的導航中，可有效的實現機器人自主行走。因此，在復雜環境中，應用機器視覺進行果園導航比GPS導航更具有優勢。

參考文獻：

[1]黃步雨，于豐華，鄒麗娜，岳仕達. 農業機器人研究現狀及發展趨勢[J]. 農業工程，2013（06）

[2]陳兵旗，何曉蘭，杜尚豐，柯杏. 機器視覺在農業機器人自主導航系統中的研究進展[J]. 農機化研究，2012（03）

作者簡介：魏全盛，（1964.11-），男，籍貫：安遠，學歷：本科，專業：工業電氣自動化，職稱：副教授，工作單位：江西工業職業技術學院。