基于随机运动障碍避碰规则的农业机器人路径优化

农业机器人作业时,为了提高机器人躲避障碍物及自主导航的效率和水平,将随机运动障碍物避碰规则引入到了农业机器人导航控制系统的设计中。采用人工势场算法对避障规则进行了设计,并利用蚁群算法对机器人路径规划方法进行了优化,从而使机器人在随机运动障碍物的环境下可以实现自主导航,且获得最短的导航路径。模拟多除草机器人的作业过程,对多运动障碍物环境下机器人的路径规划进行了仿真,结果表明:采用随机运动障碍物避障规则可以成功实现运动障碍物环境下的路径规划,且采用蚁群算法得到的路径最短、规划效率最高。     

林下作业机器人设计与试验

针对林下生长环境复杂、自动化程度低的问题,设计了林下自主导航机器人。该机器人采用ROS操作系统,搭载激光雷达、IMU惯导及编码器,并采用激光雷达和IMU惯导实现环境地图构建。在导航过程中,使用机器人里程数据在环境中进行定位,实现了自主规划路线和自主避障。室内模拟试验表明:该系统能够自主行走,所建地图完整准确、躲避障碍物及时、规划路线合理,可为林下作业机器人实现自动导航提供了理论依据。     

采茶机器人导航避障及路径规划研究

为实现采茶机器人在室外复杂茶园环境中定位与环境地图构建,使用改进的ORB-SLAM2算法进行机器人自身定位与三维点云地图的构建。在环境地图构建完成的基础上,完成地图的保存,并将三维点云地图转换为八叉树地图。在八叉树地图上实现采茶机器人的碰撞检测算法与路径规划算法,路径规划算法采用RRT(Rapidly-exploringRandomTree,快速遍历随机树)算法。于模拟茶园环境中,在实际机器人平台上进行实验,实验结果表明,所提方案实际运行结果良好,可以满足采茶机器人导航避障及路径规划要求。     

全自动草坪修剪机器人设计

本文设计的全自动草坪修剪机器人是集环境自动感知、路径自主规划、系统控制于一体的全自动智能四驱割草器。通过树莓派控制搭载ROS系统完成机器人的应用开发,机器人系统中利用传感器和摄像头进行数据信息采集,采用SLAM技术构建地图控制小车路径和轨迹规划;底层采用嵌入式系统控制机器人的运动和航迹推演,底盘采用四轮差分驱动结构,辅加PID算法和控制策略对机器人底层进行控制,安装超声波传感器使得机器人完成避障功能。     

基于RFID和WSN的采摘机器人自主定位与导航设计

为了提高采摘机器人自主导航能力和定位精度及对复杂采摘作业环境的自适应能力,提出了一种基于FRID和WSN的自主导航与避障采摘机器人,通过ID识别技术和聚类算法的应用,实现了采摘机器人的高精度导航与路径规划。该机器人在自主导航和避障过程中首先对RFID标签进行阅读,将阅读结果采用WSN进行节点通信,然后调用距离,并对距离进行聚类分析,最后得到规划后的路径。对机器人的导航定位性能进行了测试,测试发现:机器人实际标定位置和定位导航位置曲线吻合程度较高,验证了采摘机器人具有较高的定位精度;进一步测试发现:机器人在各个节点位置的信号通信均正常,没有出现较大的偏差,其定位的最大均方差仅为0.082m,满足高精度采摘作业的需求。     

温室草莓采摘机器人设计与试验

为实现温室草莓采摘机械化和自动化,设计并制作一种应用于日光温室的草莓采摘机器人。该机器人能实现自主路径规划,行走过程中识别成熟草莓并完成采摘。设计以ROS分布式计算系为主控制网络,以激光雷达进行移动机器人的地图构建与定位,双目深度相机实现对成熟草莓的识别和定位,搭载柔性仿生夹爪6自由度机械臂实现目标草莓抓取和放置。设计机器人软件平台,使用改进A*算法实现自主路径规划和导航避障;利用R-FCN目标检测网络和双目视觉技术实现成熟草莓检测及定位。结果表明：该草莓采摘机器人可实现目标检测及定位,检测到的草莓坐标与机器人手爪坐标的误差在4 mm以下,成熟草莓识别率为95%,满足采摘要求。     

基于单目视觉的采摘机器人障碍物检测和路径规划

具有自主作业能力的采摘机器人一直是国际上研究的热点,而障碍物检测躲避能力是其重要的功能,因为在机器人识别作业区域或成熟果实后需要自主的定位和移动。为此,提出了一种基于单目视觉和人工势能场的障碍物检测和避障算法,可以有效采集和检测障碍物的信息,再依据障碍物及目标区域的距离使用人工势能场方法对路径进行优化,实现采摘机器人的自主移动。为了验证障碍物检测和避障方案的可行性,模拟采摘机器人作业环境和自主移动流程,对采摘机器人避障行为进行了测试。测试结果表明:采用单目视觉和人工势场方法可以使机器人成功的避障,并规划出效率最高的到达目标作业区域路径,对采摘机器人自主导航技术的研究具有重要的意义。     

基于足球比赛运动的避障系统开发设计

在农业生产中,由于农作物生长环境的复杂性及传统的机械作业,易对农作物造成损伤。针对该未知复杂环境中的采摘机器人自主避障设计,提出了基于足球比赛运动的采摘机器人进行了自主避障系统,实现采摘机器人自主导航。基于足球比赛运动策略的采摘机器人开发设计中,为实现采摘机器人自主进行路径优化以避开障碍物,以模糊逻辑算法作为避障决策控制算法,以多种传感器感知环境信息设计避障系统。试验结果表明:安装本文设计开发的避障系统的采摘机器人可进行路径优化,自主避障,验证了该避障系统的有效性。     

全自动草坪修剪机器人

本课题设计的全自动草坪修剪机器人是集环境自动感知、路径自主规划、系统控制于一体的全自动智能四驱割草器。通过树莓派控制搭载ROS系统完成机器人的应用开发,机器人系统中利用传感器和摄像头进行数据信息采集,采用SLAM技术构建地图以控制小车路径和轨迹规划;底层采用嵌入式系统,控制机器人的运动和行迹推演;底盘采用四轮差分驱动结构,辅加PID算法和控制策略,对机器人底层进行控制;安装超声波传感器使得机器人具备避障功能。     

基于北斗和激光雷达的机器人导航控制方法研究

为解决传统机器人导航控制易受到距离和空间等限制的问题,提出一种基于北斗数据和激光雷达数据组合的导航控制方法,该方法通过北斗输出的高精度定位数据构建全局地图并采用PID控制技术进行全局导航,通过激光雷达探测的局部数据构建局部地图,并由数据聚类和分段拟合等算法增强对探测到的障碍物边缘的描述,由人工势场实现机器人的避障路径规划。实测及仿真数据试验结果表明,采用分段拟合并取距离阈值为10,类别剔除阈值为3时,障碍物边缘更加清晰,轮廓更明确,有利于机器人自动避障;通过全局和局部地图的优势互补,导航控制方法在5 cm步进栅格化的数据下取得较好地避障性能;与已有算法相比,所提方法在与改进人工势场方法取得相近的最优路径情况下,运行时间减少43%,有效提高机器人的导航控制效率。     

基于蚁群算法的多采摘机器人路径规划与导航系统

针对多采摘机器人联合作业容易出现路径冲突和碰撞的问题,基于蚁群算法,通过建立地图信息数据库和拓扑图,并结合先全局后局部的路径规划方法,设计了多采摘机器人路径规划和导航系统,实现了多采摘机器人移动路径的实时动态规划和自主导航功能,并利用Mat Lab进行了验证仿真。结果表明:当一条线路只能允许一台机器人通过时,其他机器人能够避让到站点休息,然后再进行前进操作,成功解决了路径冲突的问题,且该系统优化效果明显,具有很强的避障、路径规划和导航能力。     

基于嵌入式智能控制系统的采摘机器人定位导航方法

利用图像、红外、超声波等传感器模块,感知采摘机器人作业环境,以采摘机器人在园区自主避障和移动为目的,研究了采摘机器人路径规划和定位导航方法,并利用嵌入式控制系统,设计和开发了该采摘机器人定位导航方法。实验结果表明:系统可以实现采摘机器人的定位和导航功能,具有一定的可靠性。     

基于改进ORB_SLAM2的机器人视觉导航方法

提出了一种基于改进ORB_SLAM2的视觉导航方法。针对ORB_SLAM2构建的稀疏地图信息不充分、缺少占据信息、复用性差而无法直接用于导航的问题,对ORB_SLAM2算法进行了改进,融合环境的3D、2D占据特征以及路标点空间位置、视觉特征等多模态信息构建了包含定位、规划、交互图层的多图层地图以支撑机器人的精准定位和最优路径规划;针对机器人的自主导航任务,基于先验多图层地图建立约束进行机器人的位姿估计,融合运动约束进行机器人位姿优化,实现了基于先验地图的机器人精准定位,同时基于规划图层进行机器人的最优路径规划,提升了机器人的自主导航能力。在TUM数据集及北京鹫峰国家森林公园进行实验,结果表明：所构建的多图层地图提升了机器人定位的精度和效率,性能明显优于RGB-D SLAM;基于先验地图的视觉定位方法能够进行机器人移动过程中精准、实时地定位,助力机器人按照所规划的路径实现准确的自主导航。     

基于单目视觉的农业机器人导航系统研究

机器人在农业生产、农产品运输等方面的应用程度,已逐渐成为农业智慧化水平的体现,而受农业环境复杂性的限制,机器人的导航路径规划及定位精度问题,仍是制约农业机器人应用的主要因素之一。为此,设计了一种基于单目视觉的农业机器人导航系统,通过摄像头采集农业机器人工作环境信息,建立机器人的视觉导航地图;采用级联分类器区域检测结合颜色标定的方法,使用户能够根据具体环境,自主规划机器人运动路径,实现机器人的实时定位与导航。实验结果表明:农业机器人沿用户自主规划的无轨道路径,可自动完成导航定位工作,并在路径各目标点获得了亚米级的定位精度,满足农业机器人的应用需求。     

自适应移动转向多功能园林修剪机械设计

为了提高园林修剪机械定位导航精度和自适应转向能力,提出了一种基于激光传感器的自适应移动转向导航系统,使园林修剪机械的导航系统具有了激光测距和障碍物特征扫描功能,大大提高了导航的精度和自动化程度。在自主导航路径规划和避障时,该套导航系统可以利用激光测距得到障碍物的实际距离,利用激光扫描得到的扫描亮度预测障碍物的尺寸,然后利用PC机的预设地图对修剪机当前位置进行预测和定位,并发出移动和转向控制指令,从而准确地实现导航功能。园林作业环境下试验发现,修剪机可以成功地对作业环境进行扫描,并通过自主避障和换行测试证明了激光传感器自适应移动和转向方法,对园林修剪机械的自主避障有着较好精确性和稳定性,达到了期望的要求。     

基于激光SLAM的牛场智能推翻草机器人自主导航系统

为解决牛场人工推翻饲料劳动强度大、工作时间长等问题,设计了一种基于激光雷达同步定位与建图(Simultaneous localization and mapping, SLAM)的牛场智能推翻草机器人自主导航系统,以期实现机器人在牛场环境中自主导航完成推翻草任务。自主导航系统通过激光雷达感知牛场环境,使用加载里程计信息的Cartographer算法构建牛场环境地图,采用未加载里程计信息的自适应蒙特卡洛定位(Adaptive Monte Carlo localization, AMCL)算法实现机器人的定位,并采用迪杰斯特拉算法(Dijkstra)规划机器人推翻草工作路径。试验表明,在构建牛场环境地图时采用机器人加载里程计信息的方式,横纵向偏差最大值低于未加载里程计信息时构建的地图,分别为0.02 m和0.14 m;在实现机器人的定位与导航时采用未加载里程计信息的方式,横纵向偏差最大值及航向偏角最大值分别小于0.04 m、0.10 m和11°,且导航精度高于加载里程计信息时的数值,满足牛场环境中推翻草作业时的导航精度要求。     

一种多传感器融合的园艺移动平台导航系统

提出了一套基于多传感器融合的自主导航系统,利用摄像头采集环境图像,通过北斗/GPS模块获取小车的姿态信息,采用超声波和红外传感器判断障碍物;通过设计基于特征提取与识别、多源信息融合的自主导航控制和避障算法,实现了园艺作业机器人平台的自主导航控制。该系统的研究为各类设施园艺机器人的研究和功能提升提供了参考,具有一定的借鉴价值。     

基于粗糙集与遗传算法的采摘机器人路径规划

为了提高采集机器人路径规划速度和自主导航的智能化水平,提出了一种基于粗糙集和遗传算法的路径规划方法,从而有效地提高了路径规划的速度和精度。采摘机器人根据实际果实采摘环境,利用图像分割技术,对果实目标进行识别,在二维栅格地图环境下,制定出决策表,并使用粗糙集对决策表进行约简,得到最小决策表,将其作为遗传算法初试种群,进行遗传交叉和复制操作,优化路径规划算法。为了验证采摘机器人算法性能的可靠性,对采摘机器人的性能进行了测试,包括果实图像的识别和机器人路径规划能力。通过测试发现:采摘机器人可有效地分割提取出成熟果实,并可完成多目标任务。对粗糙集和遗传算法的性能进行了测试,结果发现:使用粗糙集可以大大降低所需训练种群的数目,减少平均迭代次数;增加障碍物的复杂程度后,使用粗糙集遗传算法可以明显地提高路径规划的速度,从而提高了机器人采摘作业的效率。     

采摘机器人智能监控和路径规划设计研究

为了提高采摘机器人自主导航和自动化定位能力,提升机器视觉的路径规划精度,基于 TI 公司的MSP430 F149 单片机,设计了一款具有监控终端和GPS导航功能的自动采摘机器人,实现了机器人路径规划实时处理、通讯、定位、报警一体化和自动化控制功能. 通过测试发现,MSP430F149 单片机具有功耗低、体积小、操作简单,便于系统管理维护等优点. 对机器人5 种路径规划的总体行驶精度路、径规划的移动时间利用率、路径规划的漏采率进行了测试,通过测试发现:5 种路径规划中套行法的各种指标测试效果最好. 同时,结合MSP430 F149 单片机和PID算法,实现了采摘机器人高效自动化采摘功能,提高了机器人的采摘精度,为采摘机器人的智能化设计提供了较有价值的参考 .     

基于改进A*与DWA算法融合的温室机器人路径规划

根据温室环境下移动机器人作业的实时路径规划要求,提出一种基于改进A^*算法与动态窗口法相结合的温室机器人路径规划算法。针对传统A^*算法搜索算法拐点过多的问题,对关键点选取策略进行改进,融合动态窗口法,构建全局最优路径评价函数,采用超声传感器进行局部避障,实现实时最优的路径规划。仿真实验结果证明,与传统A^*、Dijkstra、RRT算法相比,基于改进A^*算法的路径更为平滑和高效。真实环境下实验表明,移动机器人能够实现自主导航,跟踪误差保持在0.22 m以内、定位误差不大于0.28 m,能够满足实际需求。