果園機(jī)器人自主導(dǎo)航研究與發(fā)展現(xiàn)狀

許威廣 丁 羽

(1．塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2．塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

我國水果無論是產(chǎn)量還是消費(fèi)量在世界排名上都名列前茅，目前，我國水果產(chǎn)業(yè)已逐漸實現(xiàn)規(guī)模化種植[1]。雖然近年來我國農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備無論在數(shù)量上還是質(zhì)量上都有了很大的提高，但總體來看我國果園機(jī)械化仍處于較低的水平階段，林果業(yè)生產(chǎn)仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)[2]。其機(jī)械化和自動化程度相對其他農(nóng)產(chǎn)品而言發(fā)展滯后，現(xiàn)有的機(jī)具品種和性能還不能完全適應(yīng)林果業(yè)的發(fā)展，在實際生產(chǎn)過程中需要投入的人工勞動力依舊較多，伴隨著我國老齡化現(xiàn)象的加劇當(dāng)前的林果業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)開始出現(xiàn)了用工難、用工貴的現(xiàn)象，這無疑提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低了果農(nóng)的收益[3]。因此加快林果業(yè)機(jī)械化和智能化的發(fā)展是當(dāng)前林果業(yè)發(fā)展的迫切需求[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，農(nóng)業(yè)智能化機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)成為了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不可分割的部分，而這其中機(jī)器人的自主導(dǎo)航技術(shù)是更大效能完成其他智能作業(yè)的基礎(chǔ)[5]。

1 果園機(jī)器人自主導(dǎo)航主要方法

自主導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展是多學(xué)科知識交叉融合的結(jié)果，它包括了計算機(jī)技術(shù)、電子電路設(shè)計、通信工程、自動控制原理等學(xué)科知識。通過將實時定位、地圖建構(gòu)和路徑規(guī)劃等功能的統(tǒng)一融合為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在無人為因素干擾的情況下實現(xiàn)多種智能化作業(yè)打下了一個堅實的基礎(chǔ)，其不僅提高了果園作業(yè)的效率和質(zhì)量，而且降低了人工生產(chǎn)成本[6]。按照導(dǎo)航方式來進(jìn)行劃分的話，目前運(yùn)用的比較成熟的方式有 衛(wèi)星導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航，激光導(dǎo)航等技術(shù)[7]。

1.1 視覺導(dǎo)航技術(shù)

農(nóng)機(jī)視覺導(dǎo)航主要是利用安裝在農(nóng)機(jī)上的攝像頭搭配其他類型的傳感器對農(nóng)田的環(huán)境進(jìn)行識別從而獲得導(dǎo)航需要的原始信息，在通過系統(tǒng)分析處理后對農(nóng)機(jī)行走裝置發(fā)出控制指令使其按照規(guī)劃路徑形式從而實現(xiàn)導(dǎo)航作業(yè)[8]。彭順正[9]等人根據(jù)紅棗在矮化密植棗園當(dāng)中的生長環(huán)境特點(diǎn)，提出一種基于圖像處理原理的導(dǎo)航基準(zhǔn)線算法，該算法通過將拍攝到棗樹樹干與背景照片進(jìn)行分割處理，在經(jīng)過去除行間噪聲后，采用最小二乘法原理對圖像進(jìn)行擬合，經(jīng)過提取和處理最終生成棗園視覺導(dǎo)航的規(guī)劃路線。葉小琴[10]等人設(shè)計了一種通過對圖像邊界進(jìn)行提取從而實現(xiàn)自主導(dǎo)航的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用均值偏移算法對采集到的果園圖像中首先進(jìn)行處理，接著通過圖像分割算法和Canny算子分別對圖像進(jìn)行分割和邊緣的濾波，最后利用Hough處理后，最終生成果園機(jī)器人的視覺導(dǎo)航規(guī)劃路線。張雄楚[11]等人針對棉花鋪膜播種作業(yè)中的實際環(huán)境，設(shè)計了一種視覺導(dǎo)航路徑檢測算法，試驗結(jié)果表明:此款視覺導(dǎo)航路徑檢測算法不僅對農(nóng)田環(huán)境的識別準(zhǔn)確率很高，而且設(shè)備的抗干擾能力較強(qiáng)，滿足棉花鋪膜播種作業(yè)的實際要求。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要依靠目前在太空中的衛(wèi)星形成覆蓋性網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)能夠在全球位置實現(xiàn)定位與導(dǎo)航，機(jī)器人通過接收機(jī)和衛(wèi)星之間的通信以此獲取機(jī)器人設(shè)備的行駛方向、路徑及準(zhǔn)確位置信息[12]。熊斌[13]等人設(shè)計一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的果園施藥機(jī)的路徑自主規(guī)劃導(dǎo)航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過從衛(wèi)星接收到的定位信息經(jīng)過處理后在由電控氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制施藥機(jī)的運(yùn)動從而實現(xiàn)了施藥機(jī)無人為干預(yù)下的自主導(dǎo)航功能。黎永鍵[14]等人以拖拉機(jī)為研究對象設(shè)計一套基于GPS和雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制的自動導(dǎo)航定位系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)表明:此系統(tǒng)下的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制方法有效地提高了拖拉機(jī)自主導(dǎo)航的精度。郭鴻鵬[15]等人基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了能夠?qū)崟r對農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而且對農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量能夠做出有效評價。

1.3 激光導(dǎo)航技術(shù)

激光導(dǎo)航當(dāng)前主流的是采用激光雷達(dá)，在果園環(huán)境狀態(tài)下設(shè)備正常工作時只需要果園當(dāng)中有適當(dāng)?shù)奈矬w特征和輪廓，傳感器就能夠不斷在空間環(huán)境內(nèi)進(jìn)行平面掃描檢測，通過這些連續(xù)不斷掃描得到的信息就可以實現(xiàn)連續(xù)的定位和構(gòu)建地圖，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境感知和機(jī)器人的精準(zhǔn)定位[16]。戚樹騰[17]等人設(shè)計了一款履帶式果園移動機(jī)器人，該裝備通過激光測距儀來獲得果園圖像信息之后，再經(jīng)過霍夫變換最終實現(xiàn)果園機(jī)器人的自主導(dǎo)航。劉沛[18]等人以拖拉機(jī)為研究對象，通過采用激光掃描儀采集果園信息并經(jīng)過最小二乘法算法對路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，最終實現(xiàn)了果園拖拉機(jī)的自動導(dǎo)航。倪江楠[19]等人以收割機(jī)為研究對象設(shè)計了一款基于激光導(dǎo)航的收割機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠激光測距儀獲取工作時的環(huán)境信息，然后經(jīng)過對這些信息進(jìn)行特征化的提取和處理，最終實現(xiàn)收割機(jī)的自主導(dǎo)航功能。

2 各類導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)具有全天候、全球化，定位數(shù)據(jù)快等優(yōu)點(diǎn)。但對于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)而言由于果樹的樹冠通常都比較密集，衛(wèi)星信號極易受到干擾，甚至?xí)l(fā)生由于果樹樹冠遮蔽的作用導(dǎo)致信號數(shù)據(jù)無法發(fā)射與接收造成機(jī)器人無法正常工作的現(xiàn)象，因此單一利用衛(wèi)星定位來進(jìn)行導(dǎo)航存在較大局限性問題。對于機(jī)器人視覺導(dǎo)航技術(shù)而言雖然其環(huán)境感知能力能力較強(qiáng)，但同樣受環(huán)境因素影響嚴(yán)重，比如果園內(nèi)的光照強(qiáng)度，空氣質(zhì)量等問題都對其導(dǎo)航的精度有較大的影響。對于激光導(dǎo)航技術(shù)而言由于激光雷達(dá)采用的為激光束，其具有分辨率高，體積小，質(zhì)量強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是激光雷達(dá)的在工作時受天氣和大氣的影響很大同時由于其制造工藝復(fù)雜，其價格較高。

3 結(jié)語與展望

無論是哪一種單一的導(dǎo)航技術(shù)都存在局限性，僅靠單一的導(dǎo)航技術(shù)無法滿足智慧果園的作業(yè)要求，為使導(dǎo)航系統(tǒng)能夠獲取更加全面豐富的作業(yè)環(huán)境信息，以提高導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，將2種或多種導(dǎo)航技術(shù)融合運(yùn)用，將會取得更好的導(dǎo)航效果。隨著科技的不斷發(fā)展以及我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，果園機(jī)械智能化的研究必將受到更多的關(guān)注，果園機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)未來擁有良好的研發(fā)與應(yīng)用前景。