双激光雷达温室运输机器人导航系统研制

为解决机器人在温室环境下的自主导航问题,该研究研制了基于双激光雷达的温室运输机器人导航系统,实现温室环境下的地图构建、路径规划和定位导航。融合激光雷达与编码器信息,使用cartographer算法及时定位与地图构建。根据地图与检测点信息,采用Dijkstra算法规划全局路径,使用动态窗口算法规划局部路径,完成自主导航。试验表明,车载系统分别以0.2、0.5和0.8 m/s速度运行时,实际导航路径与目标路径的横向平均偏差小于13 cm,标准差小于5 cm;导航目标点处横向偏差、纵向偏差的平均值不超过9 cm,均方根误差不超过11.2 cm,标准差小于5 cm,航向偏差的平均值小于10°,均方根误差小于12°,标准差小于6°,满足机器人温室运输作业的导航精度需求。     

基于LIO-SAM建图和激光视觉融合定位的温室自主行走系统

为解决传统导航方案在温室内无法应对光照变化大、作物行间距窄、接收GPS信号差等问题,该研究提出了基于即时定位与地图构建技术的激光视觉融合式自主导航算法。该系统利用三维激光雷达VLP-16(Velodyne LiDAR,VLP-16)和惯性测量单元获取温室环境信息,采用基于紧耦合的雷达惯导定位建图（tightly-coupled lidar inertial odometry via smoothing and mapping,LIO-SAM）算法构建导航地图,基于轮式里程计和视觉里程计采用扩展卡尔曼滤波器算法实现局部定位,融合激光点云配准算法和自适应蒙特卡洛定位算法实现全局定位。同时,在自主行走系统应用A*算法规划全局路径和动态窗口算法规划局部路径,从而实现自主导航。试验结果表明,LIO-SAM算法构建的温室导航地图最大相对误差、最大绝对误差和均方根误差分别为9.9%、0.081和0.063 m,在温室内改进后的定位算法横向偏差小于0.020 m,纵向偏差小于0.090 m;当自主行走系统以0.15、0.30和0.50 m/s的速度运行时,横向偏差、纵向偏差和航向偏角的平均值分别小于0...     

基于超宽带无线定位的农业设施内移动平台路径跟踪研究

为实现农业设施内车辆自动导航,提出了一种基于超宽带(ultrawideband,UWB)无线定位的路径跟踪方法。运用4个基站组建UWB无线定位系统,采用加权最小二乘法(weighted least squares, WLS)法解超静定方程组,提高了移动标签的定位精度。重新定义前视距离,根据车体航向与前视直线的夹角界定车体偏差程度,并提出基于动态前视距离的改进型纯追踪模型。在MATLAB 2016a软件环境下的仿真说明该文算法优于采用固定视距的传统纯追踪算法,并进行实车试验。结果显示,在UWB定位系统的引导下,车体在不同初始状态下均能很好地收敛到期望直线,当速度为0.5 m/s时,在4种初始状态下进行直线跟踪,稳态偏差为5.4～8.4 cm,稳态偏差均值为6.3 cm。在矩形路径跟踪时,当横向偏差和航向偏差均为0的初始状态下,全程平均偏差为20.6 cm,跟踪偏差主要出现在90°转向处,最大偏差为85.5 cm,说明改进后的纯追踪算法的路径追踪质量均优于采用固定视距的传统纯追踪模型,能满足农业设施内移动平台自动导航的需求。该方法可为农业设施内车辆导航提供新思路。     

基于遗传BP算法的温室无线传感器网络定位方法

针对温室移动节点定位的需求,提出了一种基于遗传BP算法的温室无线传感器网络定位方法。该方法主要包括路径损耗指数确定、定位模型训练、未知节点定位3个阶段。首先,锚节点间相互通信,通过高斯校正模型增强定位信息的准确性后,利用最小均方误差估计法确定路径损耗参数;然后,应用遗传BP算法建立未知节点坐标和未知节点至锚节点的距离向量之间的映射关系模型;最后将未知节点接收各锚节点的RSSI值转换为距离向量,输入定位模型中,估算未知节点的位置。试验表明,该方法充分考虑环境对信号传输模型的影响,定位误差≤2m的比例达24%,定位误差≤3.5m的比例达86%,相对定位误差低于4.8%,具有较高的稳定性和定位精度,能够满足实际温室环境的定位需求。     

改进AOA模式的大田农机无人驾驶导航参数检测系统设计

卫星导航、视觉导航和雷达导航的成本昂贵、系统构成复杂和适用作业场景有限,在生产特征呈现区域化、适度小规模和分布零散的国内南方水田难以实现便捷跨区域作业和无法适用多农业场景。针对上述问题,该研究以大田环境下无人驾驶农机的牛耕式往复作业路径模式为背景,提出了改进AOA(信号到达角度,Angle-of-Arrival)模式的农业机械无人驾驶导航参数检测系统。该系统采用UWB(超宽带通信,Ultra Wide Band)基站-标签作为检测传感器,设计了TBZ(田边双基站-车身纵向双标签)和TBH(田边双基站-车身横向双标签)2种传感器布置方式,实现农业机械无人驾驶过程中导航参数的快速精准检测。静态试验结果表明:对于2种传感器布置方式,在固定的基站间距和标签间距下,随着标签间距或基站间距的增大导航参数检测精度均有所提高,横向偏差检测误差≤8 cm,航向偏差趋近于0,但不大于1°,并通过正交组合试验方差分析明确了2种传感器布置方式的关键参数对横向偏差和航向偏差检测精度影响的显著性,确定了主次因素和较优参数组合。动态试验结果表明:随着车速增大,横向偏差和航向偏差的检测精度有所降低,横向偏差误差均不超过10 cm,航向偏差的检测误差均小于3°,变异系数均小于10%,说明动态环境下自主导航参数检测系统仍具有较高的检测精度,可满足农机大田自主导航作业需求。研究结果可为研制低成本、高精度和便捷的无人驾驶系统提供参考。     

基于相似度的温室无线传感器网络定位算法

针对温室移动节点定位简单、易实现要求,提出了一种基于相似度的温室无线传感器网络定位方法。该方法主要包括虚拟网格划分、测量距离修正、节点定位3个阶段。首先,汇聚节点根据信标节点的分布信息,将温室区域等分划分虚拟网格,并返回除区域边界外的网格顶点的坐标;然后,汇聚节点通过比较信标节点间测量距离与真实距离的偏差,获得各信标节点的误差系数,用以修正传感器节点与各信标节点间的测量距离,并按序组成距离向量;最后,量化该距离向量与所有除区域边界外的网格顶点到各信标节点的距离向量之间的相似程度,选取相似度最高的网格顶点的质心为传感器节点的估计位置。仿真试验表明,该方法充分考虑测距误差、虚拟网格、信标节点数量对定位误差的影响,具有较高的稳定性和定位精度,能够满足网络定位成本受限的温室定位需求;将该方法与支持向量机定位算法进行比较,2种算法的定位误差均值分别为2.5407、2.9195 m,定位算法平均运行时间分别为0.2326、2.3719 s,表明该方法具有更低定位误差和计算复杂度。     

履带式花生联合收获机路径跟踪控制方法与试验

为提高无人驾驶履带式花生收获机沙地作业路径跟踪精度，以4HBL-2型自走式花生联合收获机为研究对象，开展了履带式收获机无人驾驶路径跟踪控制研究。建立了履带式收获机运动学模型与虚拟转向角函数关系；以航向偏差值作为观测量、阿克曼模型推算角速度作为测量值，设计卡尔曼融合算法，获得基于阿克曼模型的虚拟转向角度；根据虚拟转向角度对PID路径跟踪算法进行改进，提出了基于预瞄跟踪的双PID路径跟踪控制方法；通过脉冲宽度控制器实现了履带式花生收获机路径跟踪精准控制。仿真试验结果表明：基于预瞄跟踪双PID的路径跟踪控制方法能够进行路径跟踪控制，具有控制平滑和稳态误差小等特点。田间试验表明：花生收获机在沙地以0.6m/s的速度作业时，系统直线跟踪平均绝对误差为2.23 cm，最大偏差为4.14 cm，相对于PD路径跟踪控制器分别提高了56.12%和66.07%。上线试验中，初始偏差分别是0.5、1.0和1.5 m时，上线时间分别为11.00、12.92和13.78 s，上线距离为6.60、7.75和8.26 m；最大超调量分别为5.68%、5.84%和8.06%，相较于轮式收获机，上线距离分别减小了1.9...     

智能型温室环境控制器的研究开发

为了精确地控制温室环境，研究了温室的主要参数温度、湿度和光照度的关系及秧苗的水分需求情况，给出了建立数学模型的方法，提供了硬件结构。     

智能型温室环境控制器的研究开发

为了精确地控制温室环境，研究了温室的主要参数温度、湿度和光照度的关系及秧苗的水分需求情况，给出了建立数学模型的方法，提供了硬件结构。     

基于激光感知的农业机器人定位系统

为解决基于全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）的农业机器人和自动驾驶农机在机库、大棚等卫星信号弱或无环境下定位精度低甚至无法定位的问题,该研究提出了基于激光感知的农业机器人定位方法。采用二维激光雷达和激光接收器设计了基于激光感知的机器人定位系统,通过二维激光雷达发射扫描激光获取机器人上激光接收器的点云,同时激光接收器感应扫描激光,融合感应扫描激光时间差和激光接收器点云特征,得到移动激光接收器（即农业机器人）的定位。以全站仪测量为参照在大棚内开展验证试验,结果表明,在激光雷达扫描范围内,机器人行驶速度为0.8 m/s时,直线行驶时最大偏差绝对平均值为4.1 cm,最大均方根误差为1.5 cm;曲线行驶时最大偏差绝对平均值为6.2 cm,最大均方根误差为2.6 cm,满足农业机器人在农机库等环境中自动导航所需定位精度要求。     

畜禽舍移动式智能监测平台研制

畜禽养殖场内温度、湿度及各种气体构成畜禽生长的外围环境,直接影响畜禽日常行为和生长速度及免疫状态.对这些畜禽养殖场内进行检测并监控畜禽健康状态及寻找二者间的联系,对优化养殖环境,发展健康养殖具有重要意义.该研究以STM32单片机为控制核心,在固定点传感器外设置移动式智能监测平台,通过无线定位系统UWB(Ultra Wi...     

UWB定位摄影测树仪设计与试验

为了实现森林样地高效、精准测定,该研究研制了一种具有实时定位功能和林分摄影测量功能的超宽带(Ultra Wide Band, UWB)定位摄影测树仪,该仪器主要由姿态传感器、UWB定位模块、CCD镜头和固定杆组成,以UWB定位技术和摄影测量理论为基础,结合到达时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)定位算法、三边定位算法、运动恢复结构(StructureFromMotion,SFM)点云匹配算法实现摄影测树仪的林下精准定位、影像获取以及林木坐标测量、胸径测量功能。为了验证仪器的林分参数提取准确性,选择4种不同林种的人工林进行试验。根据摄影测量影像特征点的匹配特点,设计"环绕拍摄"样地观测方法,利用Pix4D软件对拍摄的影像和点位坐标进行三维点云构建,利用LiDAR360对重建后的三维点云进行去噪处理、胸径和立木位置提取。结果表明,所设计的仪器能够快速获取样地影像和影像坐标信息,胸径测量值的偏差为-0.04～0.42 cm,均方根误差为0.26～0.51 cm;立木位置测量值偏差为-0.16～0.27 cm,均方根误差为0.23～0.34 m。胸径测量精度能够满足森林资源调查的精度要求,可进一步推广应用于森林资源调查。     

基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法

目前农业物联网通信协议尚不统一。为了更好地封装和传输农业信息,提出一种适用于农业物联网的通信协议AGCP(agricultural greenhouses communication protocol)。利用AGCP协议结合物联网架构完成了基于物联网架构的农业大棚监控系统的设计,重点完成了感知层中协调器和节点终端的信息采集以及设备控制的软硬件设计,并详细设计了光照控制模块、温度控制模块和灌溉控制模块,最后进行了系统测试和分析。试验表明,该系统能有效监测温室大棚的空气温度、湿度、二氧化碳以及土壤湿度等农业环境信息,并能进行相应设备的自动控制,验证了AGCP协议在农业物联网的有效性以及构建系统的可行性。     

果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID(RadioFrequency Identification)混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

野外放养牲畜跟踪与定位技术的探索和设计(英文)

野外放养牲畜,牲畜活动量大、肉质鲜美,很受商家推崇。但是牲畜经常走失,使养殖成本增大,研究一种能够对牲畜定位技术对牲畜野外放养管理有很重要的意义。成熟的卫星定位技术——GPS、北斗、无线网络定位(蜂窝网络、WLAN和无线传感器网络辅助定位系统)和野生动物无线电追踪技术都可以直接应用,但受放养家畜活动地域地理环境复杂,以及经济承受能力等因素影响,实际应用有相当的难度。该文结合GPS定位和无线移动蜂窝网络定位技术原理,探索研究一种伪无线移动蜂窝网络定位技术用于野外家畜的定位和跟踪。分析表明,该技术能够满足复杂地理环境,同时利用智能电源管理和远程设备设定等功能控制设备可持续工作,这样就降低了单纯卫星定位的复杂性和高成本,可以满足野外放养牲畜的定位需求。这种对野外放养家畜的定位管理简单、实用、成本低,并可为更进一步研究提供基础支持。     

基于Android系统的温室异构网络环境监测智能网关开发

为实现温室环境监测中异构网络的统一管理,该文开发了以Exynos4412为核心处理器的智能网关,设计了基于Android的智能网关应用软件。异构网络管理过程为:配置网关通信接口、数据采集单元、传感器数据流的字段描述等信息,建立基于XML的信息配置文件,数据接收线程根据配置文件描述与接收数据流逐字节段比对,实现传感器数值从数据流中定位、解析、数值转换得到监测参数实际值,并与监测参数ID组成键值关系,最终存储于SQLite数据库,提供接口给上层模块进行实时数据查询和历史数据查询。系统对Zigbee、RS-485、Wi-Fi3种异构网络进行了试验,14d的运行结果表明,智能网关实现了监测参数解析、存储和显示功能与配置信息描述实现了对应,满足温室环境监测异构网络的统一管理要求,具有较好的稳定性,可进一步扩展异构网络。     

设施环境无线监控系统的设计与实现

针对设施农业生产环境监控过程中信息监测点和设备控制点分散的情况,设计了一种具有自组织跳转数据传输功能的通用性无线监控系统.以具有ZigBee无线数据传输功能的JN5121模块为核心,设计传感器输入接口和设备控制输出接口,研制实现现场信息的获取和设备控制的前端无线节点;以ARM9为核心扩展多种资源接口作为监控系统主机硬件,在Linux操作系统平台下使用MiniGUI编制监控功能和人机交互界面,通过对前端无线节点的统一协调指挥,完成对环境信息的采集分析和对设备的综合控制.结果表明,系统具有成本低、通用性强、可扩展性强、可靠性高等特点,可方便地应用于温室、大田、养殖等到各种场合的环境监控,从而满足用户的不同需要.