基于雷達點云的果樹快速識別與分割方法研究

摘 要： 在果園自動化作業生產中，果樹的精準識別是果園精準作業的重要前提。針對在復雜果園環境中單株果樹難以精準快速識別的問題，基于激光雷達三維點云技術對果樹識別進行研究，提出了一種精準、快速、高自動化的果樹識別方法及裝置。構建多維度傳感融合識別裝置對果樹進行特征點云數據掃描，建立果樹點云數據集，通過點云質量及有效角度濾波進行數據篩選。利用邊界特征點識別算法對單株果樹邊界特征數據進行快速提取，利用邊界區域特征構建果樹有效掃描數據。該方法可適用于單株果樹輪廓、特征的快速識別。為了驗證該果樹識別方法準確性，進行了果樹樹冠輪廓測量精度試驗，以及果樹群組識別試驗，結果表明，該方法能夠對果樹進行有效識別，并且物理指標綜合測量精度gt;97.125%，可為果園精準作業提供有效依據。

關鍵詞：果園精準作業；激光雷達；果樹識別；數據融合；傳感器

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0027-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.005

0 引言

2022 年我國水果產量突破3.1 億t，是世界上最大的果樹種植國家和水果進出口貿易國家，水果產業在農業生產和國民經濟中占據越來越高的比例，果品及相關產業在我國農村經濟發展中起著至關重要的作用，是農民收入的重要來源[1-4]。傳統果園種植模式中多依賴人工作業，在目前從事勞動人口逐年下降的環境下，快速增長的人工成本已成為制約水果生產的重要因素。近些年，人工智能技術及農業機器人技術高速發展，越來越多的技術應用于果樹種植中的各個環節，果園自動化作業已成為果園農業生產發展中關鍵環節[5]。為了提升果園自動化機械水平，實現果園高效精準作業，果樹的精準識別則成為自動化作業裝備發展的關鍵技術之一。精準作業其關鍵在于根據果園的果樹個體差異，定時、定量開展農事作業[6-7]。精確的樹冠形狀、尺寸、三維特征等信息，在果園農事作業中具有重要作用，可為病蟲害防護、果樹生長情況、產量預估等提供重要依據。

我國大多數果園處于非標準化經營狀態，同一果園中果樹冠形、間距、樹齡和樹高等差異較大，果園地形多變、種植密度不定，這些都增加了在復雜果園環境中果樹冠形快速識別難度。目前，針對果樹樹冠識別研究主要集中在兩個方面。一方面是利用低空遙感或無人機平臺通過相機或雷達獲取數據，通過機器視覺等手段進行果樹識別分割，這種方法能有效地進行果樹識別與部分指標測量，但個體精度難以滿足果園精準作業需求[8-10]。另一方面是利用圖像數據通過深度學習方法進行果樹分割與識別，該方法能夠在復雜背景中對果樹外形輪廓特征進行有效識別，但對于果樹物理尺寸、三維特征測量存在不足[11-13]。

綜合上述問題，本研究設計了一種多維度傳感融合的果樹識別裝置，以激光雷達為主要識別傳感裝置，進行果樹數據獲取及信息感知，通過構建點云數據邊界識別算法，進行單株果樹識別，并通過果樹尺寸測量、果樹群組識別進行方法驗證。

1 硬件設計

果園環境復雜多變，為實現不同果樹的精確識別，主要采用激光雷達點云數據獲取方式。常規激光雷達以單線與多線方式掃描測量，但受測量角度限制都無法在果園有限空間內，實現短距離果樹完整掃描測量。因此，本研究采用單線雷達物理掃描方式，通過機械裝置增加掃描范圍達到短距離內果樹測量目的。為實現點云三維特征，將裝置中加入同步姿態傳感器，姿態信息與單線雷達點云進行融合，實現采樣數據點的三維特征提取。

1.1 硬件構成

為實現果樹識別基本功能，對識別裝置設計4 點基本功能要求。一是能夠實現獨立旋轉和俯仰，保證采集系統能全方位采集信息。二是能夠搭載多種傳感器，傳感器的信息采集與數據傳輸獨立、相互無干擾。三是識別裝置應可適配移動平臺，保證車載作業時傳感器工作穩定。四是傳感器組合能夠克服果園環境的光照變化、溫濕度變化、氣候突變等干擾，保證正常工作。

本研究設計的果樹識別裝置如圖1 所示，主要結構包括高頻單線激光雷達、姿態傳感器、3 自由度云臺、連接接口、云臺固定底座和主控單元等。

高頻單線激光雷達的優勢是測距更精準，室外抗強光能力更強，掃描采樣頻率更高。果樹冠形數據采集一般在室外強光環境中，雷達能有效抵抗室外強光干擾，實現雷達穩定測量，果樹往往形狀各異，繁茂程度不同，雷達的高頻率掃描能顯著增加有效采樣點，提高采樣精度[14]。

姿態傳感器主要用于實時采集雷達姿態，為每個采樣點提供空間姿態信息[15]。

3 自由度云臺可實現升降、旋轉、俯仰3 維度動作，以多維度運動來帶動雷達在末端自由運動，達到三維掃描的目的[16]。

連接接口主要通過層疊結構將雷達與姿態傳感器連接固定，從而使雷達與姿態傳感器在云臺上保持同步運動。

云臺固定底座主要用來與云臺連接，穩固云臺，并以快拆結構實現在不同機具上掛載。

主控單元主要與雷達、姿態傳感器、云臺進行數據連接，實現云臺控制、數據采集及數據分析功能。

1.2 識別傳感裝置結構

如圖2 所示，識別裝置中3 自由度云臺，主要通過升降維度來調節傳感器采集高度，提高不同果樹作物的測量適應性；旋轉維度主要實現傳感器對果樹的正對測量；俯仰維度主要用于激光雷達的掃描測量，增加激光雷達的測量范圍。

識別裝置中云臺升降結構，采用電動剪式升降支架，剪式支架的好處是升降調節響應快速，占用空間小，在數據采樣過程中穩定，不會產生晃動。升降電驅部分采用42 步進電機，步進角度1.8°，采用脈沖信號控制1 600 細分，使云臺升降可實現5 mm/s 的最大速度調節。云臺旋轉結構核心部分采用轉盤軸承，軸承外軸安裝孔連接底座保持定子狀態，為云臺上方負載提供支撐，軸承內軸安裝孔分別與下方旋轉支架及上方支撐結構連接，旋轉支架為U 型結構與底座驅動電機連接，驅動電機旋轉帶動軸承內軸旋轉；上方支撐結構由旋轉機構提供支撐平臺，與內軸保持同步旋轉。云臺俯仰結構采用大扭矩舵機驅動，舵機采用180°調節區間，由舵機固定座固定在旋轉平臺上，舵機轉軸與俯仰支架連接帶動俯仰支架旋轉。識別裝置主要關鍵部件如圖3 所示。

激光雷達固定在俯仰支架上，隨俯仰支架的旋轉可實現雷達的掃描式測量，激光雷達如圖4a 所示，采用上海思嵐科技有限公司的RPLIDAR S2 緊湊型DTOF 激光雷達，測量半徑30 m、采樣頻率可達32 kHz、角度分辨率0.12°，具有測量精度高、室內外可用、防塵防水、兼容性高及成本低等特點。

在俯仰支架上還安裝有一個姿態傳感器，傳感器安裝方向與雷達采集方向一致，為雷達點云數據提供位姿。姿態傳感器采用維特智能的WT61 六軸數字傾角傳感器，如圖4b 所示。傳感器可采集三軸角速度、三軸陀螺儀、三軸角度數據，模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，能夠在動態環境下準確輸出模塊的當前姿態，姿態測量精度靜態0.2°，穩定性高。

1.3 控制系統

識別裝置控制單元主要采用Linux 系統的樹莓派4B 開發板來控制，整體控制接口分配如圖5 所示，利用開發板GPIO 口發送脈沖信號，分別控制云臺步進電機與旋轉舵機，激光雷達與姿態傳感器通信接口為TTL 串口模式，因此開發板UART1 與UART2 分別與激光雷達及姿態傳感器進行通信，因樹莓派默認穩定串口只有1 個，因此要連接姿態傳感器樹莓派還需打開4 串口模式。

為更好地實現各模塊間的數據交互，以及設備裝置的耦合，整體軟件架構采用ROS2 機器人操作系統，系統中包含設備有激光雷達、姿態傳感器、云臺驅控單元和數據處理單元。根據功能及數據結構分類，其中激光雷達、姿態傳感器為傳感型設備，數據為實時單向傳輸；云臺驅控單元、數據處理單元為交互式驅動單元，數據是雙向傳輸交互。因此，針對果樹識別裝置設計ROS 架構如圖6 所示，將激光雷達、姿態傳感器建立消息發布（publisher） 節點， 主控以訂閱（subscriber）節點通過話題（topic）訪問獲取到相關數據，并進行處理。主控為云臺驅控單元、數據處理單元建立服務（service），以請求（request）方式向各單元發布控制指令， 各控制單元向主控做出響應（response）。