基于激光导航的果园移动机器人自动控制系统

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1、2015年10月农机化研究第10期基于激光导航的果园移动机器人自动控制系统戚树腾，聂森，陈军，王荣，刘凡一(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100)摘要:以实现果园作业自动化为目的，开发了一种履带式移动机器人作为作业移动平台。机器人采用激光测距仪实现对果树位置信息实现实时的采集，采用霍夫变换规划机器人导航路径，实现了树行直线方程的提取。机器人的航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量，以机器人实际偏转的角度为输出量，实现机器人沿导航路径自动直线行走。机器人以0．14m/s速度直线行驶25m，最大横向偏差0．26m。试验结果表明，该系统导航控制

2、算法性能良好。关键词:果园;移动机器人;激光导航;霍夫变换中图分类号:S127;TP24文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)10－0008－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.10.002本文以激光扫描仪作为导航设备，实时提取果园0引言中果树位置信息;基于霍夫变换确定导航路径，并提自动导航作为农业现代化的标志之一，是综合了取了果树行间直线;确定了运动学模型，根据基于PID计算机、通信、电子于一体的技术。相比机器视觉导控制理论设计了履带机器人自动导航的比例控制器。航及机械接触式导航，激光导航技术具有测量距离1导航系统

3、总体设计远、精度高、能以较高频率提供大量准确的距离信息［3］等特点;相比GPS导航，激光导航具有成本低、不易受自制履带机器人作为平台，机器人采用2个直环境因素影响等优点。激光导航在农业机械自动导流伺服电动机驱动两侧履带驱动轮。系统包括计算航研究中得到了广泛的应用，在移动机器人导航中应机(惠普CQ－41)、MODUS控制板(西安明朗)、直流［1］用日益增多。OscarC．BarawidJr等在果园导航中采伺服电机驱动器、直流伺服电机(左右2个)及激光扫用二维激光扫描仪为导航传感器，应用霍夫变换检测描仪(德国SICK公司LMS－291)，如图1所示。树行，并应用Ｒ

4、TK－GPS确定方向，在UTM坐标系中计算出拖拉机与障碍物之间的距离，最后得出了横向偏差为0．11m、航向偏差为1．5°的导航结果。Bradley［2］Hamner等开发了一款用于果园的多用途自主移动机器人—APM，其两侧车辆利用两个电机独立驱动，机器人前方安装两个LMS291激光扫描仪作为导航传感器，车辆能够自动避障。将此机器人用于果园果树行间实验时，机器人可以顺利通过果园;在转弯实验时，在未成熟果园和树叶较为稀疏果园中，转弯成功率为90%以上;在树叶较密果园中，转弯成功率为50%。1．直流稳压电源2．激光扫描仪3．计算机4．MODBUS控制板5．直流电机驱

5、动器6．直流伺服电机收稿日期:2014－11－08图1果园移动机器人自动导航系统结构基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金博导类项目Fig．1ThestructureofAutomaticnavigationsystemonOrchardmobilerob(20130204110020);中央高校基本科研业务费专项激光扫描仪用来检测前方果树位置信息，计算机(ZD2013015)作者简介:戚树腾(1988－)，男，甘肃景泰人，硕士研究生，(E－mail)用来接受树点信息并生成导航路径，MODUS控制板接qst73400@136．com。受计算机控制指令并通过P

6、WM控制驱动器实现左右通讯作者:陈军(1970－)，男，宁夏固原人，教授，博士生导师，两个电机转动。(E－mail)chenjun_jdxy@nwsuaf．edu．cn。·8·2015年10月农机化研究第10期为该直线。2导航路径规划2．1果树位置信息确定为实现履带机器人自动导航，必须确定果树位置。通过激光扫描仪扫描后的树形发现，果树树干一般为凹陷点，通过确定凹陷点位置及其在直角坐标系中的方位，就可以确定果树的位置信息。激光雷达在每个时间周期都会获得前方0°～180°范围内的361个距离数据，每0．5°获得1个数据，可以精确反映机器人前方的环境信息(见图2)。

7、当前方遇到障碍物时，扫描距离Li≤80m，角度λi［4－5］=0．5(i－1)，i=1，2，…，361。将小于80m的Li对应的λi保存，即可获得障碍物信息。图3图像空间坐标系Fig．3Imagespacecoordinatesystem图2激光扫描示意图Fig．2Schematicdiagramoflaserscanning2．2果园树行路径拟合算法2．2．1霍夫变换Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶图4r－θ(参数空间)坐标系性，将原始图像空间的给定曲线通过曲线表达形式变Fig．4TheHoughtransforminr!θspace2．2．2树

8、行识别为参数空间的一个点，从而把原始图