果园作业机器人的自主行间导航系统研究

【目的】挂载多种农机具的果园作业机器人能减少果园劳动力投入、降低水果生产成本并提高果园生产效率,其中自主导航系统是果园作业机器人应用研究的重点和难点。【方法】文章针对果园作业机器人GPS导航过程中定位信号易受树叶遮挡及多路径效应干扰等问题,以果园作业机器人初始位置为原点建立世界坐标系,采用拓展卡尔曼滤波算法对通过三维激光雷达结合RANSAC算法获取的果园行直线进行优化,设计结合差速模型和纯跟踪算法的果园自主行间导航算法,并以该算法为基础开发果园作业机器人自主行间导航系统,驱动果园作业机器人沿树行中心行驶并完成自主调头进入下一行的工作。【结果】(1)根据现代化矮化密植果园的环境,果园自主行间导航算法能根据两侧果树行的三维点云,自主生成稳定的导航位置;(2)果园作业机器人能够沿果园行中心位置匀速行驶,并能够实时根据果园行的变化来修正自身的位姿。当速度在0.4 m/s时候,机器人运动的横向平均偏差为0.1 m,航向平均偏差为1.04°;(3)基于果园行宽相等的条件,果园作业机器人能够在行尾自主调头进入下一行,之后沿行内中心位置继续行驶。【结论】该文果园自主行间导航系统设计合理,算法稳定性高,导航精度高,不受驾驶路况的影响,能够满足现代化矮化密植果园作业的自主行驶需求。     

基于自适应升温模拟退火算法的农业机器人全区域覆盖策略

目的 提出一种复杂农田环境下农业机器人全区域覆盖策略,以便合理规划农业机器人的工作遍历路径。方法 根据农田实际生产环境定义农业机器人复杂工作环境模型,并在此基础上建立一级分区与二级分区的概念。引入遗传算法变异操作的思想,建立基于贪婪机制的模拟退火算法优质可行解生成方法;建立解集多样性的概念,设计基于自适应升温的模拟退火算法改进方法,以此求解分区间的最佳遍历顺序问题。通过A*算法与八邻域搜索法相结合进行农业机器人跨区域衔接路径规划,依此,实现机器人覆盖全区域。结果 仿真结果表明,改进的模拟退火算法所规划的路径长度分别比传统遗传算法和模拟退火算法减少了14.7%和10.1%,收敛时的迭代次数分别减少9.8%和59.1%;农业机器人全区域覆盖仿真试验中遍历路径重复率为14.86%。高地隙喷药机器人现场遍历试验中,路径重复率为15.83%。结论 研究结果可为农业机器人在复杂农田环境中全遍历覆盖提供研究思路。     

基于双目视觉的机器人定位与导航算法

自动化运输机械在丘陵山区的应用可以节省大量农业生产所需劳动力,多种因素的影响使得精确引导路径比较困难,很大程度上制约了自动化运输机械的推广使用.对基于双目视觉的机器人定位与导航算法进行研究,建立丘陵山区道路图像处理模型,强化对阴影的识别与信息的融合,有效将道路和周边环境区分开来.考虑到道路图像形状特征不明显且灰度值差异...     

基于蚁群-BFS算法的复杂环境下农业机器人全区域覆盖研究

目的 以路径重复率为优化目标解决农业机器人在数字生态农场中的全区域覆盖问题。方法 首先,将栅格地图中的障碍物进行膨胀处理,在此基础上进行矩形分区以及分区合并操作;然后,通过改进的蚁群算法规划分区间的遍历顺序、通过改进的广度优先搜索(Breadth first search, BFS)算法规划分区间终点与起点的衔接路径,从而实现机器人全区域覆盖。2种算法的具体改进方案为：分别通过人工免疫算法与粒子群算法改进遗传算法的选择与交叉算子,并将改进后的选择算子、交叉算子、原遗传算法变异算子与蚁群算法相结合改进传统蚁群算法信息素更新方法;建立动态函数以简化BFS算法规划的路径。结果 仿真结果表明,改进蚁群算法收敛时的迭代次数较传统蚁群算法减少了83.1%,路径长度相比减少了4.8%;由改进的蚁群算法与改进的BFS算法规划的机器人遍历路径重复率是传统蚁群算法和BFS算法的56%,且农业机器人能实现对农田区域的100%覆盖。结论 本研究提供了一种农业机器人在复杂环境的数字生态循环农场中进行全遍历覆盖的解决方案。     

基于分组和精英策略的遗传算法在机器人导航上的应用

【目的】针对种植园复杂环境下采摘机器人进行路径规划时找出多路径效率低、速度慢等问题,提出一种基于分组和精英策略的遗传算法(GGABE)。【方法】首先生成1个初始群体,使用Sigmoid函数分组;然后在每组中分别进行选择、交叉、变异操作,进行n代迭代后,每组产生该组内的k条等长的最优路径;比较各组最优路径,选择最短的路径作为最优路径。在种群的各项参数均相同的情况下,简单遗传算法(SGA)、未分组的精英遗传算法(EGA)以及GGABE分别作用于15×15和25×25的地图,各进行50次试验。进行样机验证试验。【结果】第1幅地图,GGABE算法找到了8条最短路径,路径均值为20.970 6,其他2种方法只能找出1条最短路径;第2幅地图,GGABE算法找到了8条最短路径,路径均值为38.041 6。50次验证试验均找出3条最佳路径,平均路径规划时间为15.543 319 s。【结论】本研究提出的基于分组和精英策略的遗传算法收敛速度快,可快速准确地在地图中搜索出所有能够遍历整个果园的最佳路径。     

施药机器人对行施药系统的设计与试验

【目的】设计一种能在作物行间自主导航的施药机器人,实现移动机器人在温室中自动行走并均匀施药。【方法】针对导航路径识别受光线变化影响较大的问题,在Kinect摄像机获取的彩色图像中选取了HIS空间,并对K-means算法的聚类中心和聚类数目的选取进行了优化,随后采用改进的K-means算法对与光照信息无关的H、S分量联合分割,获得完整道路信息,并采用Candy算子检测边缘及改进的Hough变化方法拟合导航路径。采用模糊控制方法通过实时调整转角和转向,对车体行走偏移进行矫正。同时,为满足不同农作物的施药需求,在喷药系统上选用了自整定模糊PID控制算法。【结果】该系统可有效适应不同光照条件,提取作物行中心线平均耗时12.36 ms,导航偏差不超过5 cm,植株叶片正面的上、中、下层覆盖率分别为63.26%、50.89%和75.82%,单位面积(1 cm~2)雾滴数平均为55、42和78个。【结论】本系统可以满足温室移动机器人自主施药防治病虫害的需求。     

基于离散因子的多传感器数据融合和导航线提取方法

目的 针对玉米田间路径边界模糊和形状不规则特点,普通的田间导航线提取算法在农业机器人实际应用中会出现偏差过大的问题,本文针对3~5叶期玉米田提出了基于离散因子的相机与三维激光雷达融合的导航线提取算法。方法 首先利用三维激光雷达获取玉米植株点云数据,同时将相机采集的图像利用超绿化算法和最大类间方差法自动获得绿色特征二值图像,然后将聚类分析后的点云数据投影到图像中的目标边框上,构建多传感器数据融合支持度模型进行特征识别,最后拟合所获取特征中心点即为导航基准线。结果 该算法能够很好地适应复杂环境,具有很强的抗干扰能力,单帧平均处理时间仅为95.62 ms,正确率高达95.33%。结论 该算法解决了传统算法寻找特征质心偏移、识别结果不可靠等问题,为机器人在玉米田间行走提供了可靠的、实时的导航路径。     

基于记忆模拟退火和A*算法的农业机器人 遍历路径规划

【目的】解决农业机器人大田作业时遍历路径规划的问题。【方法】提出一种记忆模拟退火与A*算法相结合的遍历算法。首先通过记忆模拟退火算法搜索出任务最优目标点行走顺序,然后使用A*算法进行跨区域衔接路径规划。【结果】仿真试验结果表明,该算法规划的遍历路径曼哈顿距离比传统模拟退火算法减少了9.4%,遍历路径覆盖率能达到100%,重复率控制为4.2%。【结论】记忆模拟退火通过为传统模拟退火算法增加记忆器,增强了跳出局部最优陷阱的能力,提高了算法所得解的质量。该研究结果可为农业机器人遍历路径规划提供理论基础。     

基于UWB定位的农业机械辅助导航系统设计与试验

【目的】低成本实现南方中小型田块中农业机械田间精确定位,降低农机操作人员劳动强度、提高农机作业效率。【方法】采用超宽带(Ultra wide band,UWB)技术对作业机械进行实时定位,通过位置解算算法,得到定位标签的三维精确位置坐标;利用位置校正算法,修正作业机械车身倾斜引起的田间定位误差;设计基于AB线的路径规划算法,实时规划作业路径并计算作业偏差;通过可视化人机交互界面为农机操作人员提供实时辅助驾驶信息。【结果】水田环境中,分别以0.5、1.0和1.5 m/s的速度沿规划路径行驶时,系统平均横向定位偏差均小于7 cm;当行驶速度大于1.0 m/s时,利用位置校正算法平均横向定位偏差降低了52.79%,标准差降低了49.82%,最大横向定位偏差降低了50.04%。搭载辅助导航系统进行田间插秧试验,各行作业轨迹与自身行拟合直线的平均横向偏差为5.90 cm,标准差为3.64 cm;各行作业轨迹与其规划直线路径的平均横向偏差为6.98 cm,标准差为4.95 cm。【结论】辅助导航系统具有较高的定位精度和良好的稳定性,成本低且通用性强,能够满足南方中小型田块中农业机械田间作业要求。研...     

基于云模型的农业移动机器人人机合作路径规划

【目的】实现农业移动机器人在复杂动态的农业环境中实时准确地无碰撞行驶。【方法】基于云模型的不确定性在线推理方法,提出一种基于云模型的动态引导A*(CDGA*)算法进行人机合作路径规划,将人的专业知识和喜好等引入DGA*优化中,实现机器人更快速的路径规划。利用Matlab软件对CDGA*算法与DGA*算法进行仿真对比分析。【结果】静态路径规划中,DGA*算法与CDGA*算法的close的点数分别为158和96,人员规划时间分别为8.8和4.0 s,规划总时间分别为15.6和8.9 s;动态路径规划中,DGA*算法与CDGA*算法的人员规划时间分别为12.5和5.8 s,规划总时间分别为23.3和14.6 s。【结论】提出的CDGA*算法能够大大减少产生的节点数,缩短规划时间,提高搜索效率。     

基于双重稳健回归的果树行间可行驶区域识别算法

【目的】提出一种复杂环境下以天空为背景的果树行间可行驶区域识别算法，以便农业机器人导航系统中工作路径的提取。【方法】通过蓝色分量(B分量)进行树冠和背景天空的分离，改进Otsu算法实现更好的分割效果，形态学处理后根据树顶分布规律，进行动态阈值“V形”感兴趣区域寻找及特征点提取，使用泰尔-森稳健回归剔除干扰点后，使用随机采样一致性(Random sample consensus,RANSAC)算法进行拟合，得到树顶处直线，通过斜率变换关系得到可行驶区域边缘直线斜率，利用剔除后特征点信息和剔除阈值获得关键点坐标，以斜率为约束条件，代入关键点，得到可行驶区域边缘直线方程，并使用最小二乘法进行拟合，以此实现可行驶区域识别。【结果】试验结果表明，本文双重稳健回归算法较泰尔-森算法和RANSAC算法平均偏差角度分别减小了8.28%和9.88%，标准差分别减少了6.25%和22.89%，准确率分别提高了4.64%和10.49%。【结论】研究结果可为农业机器人在大多数标准化果园复杂环境中的可行驶区域识别和路径提取提供研究思路。     

基于“黄河战略”的祁连山肃南段生态环境保护研究

肃南县是祁连山国家级自然保护区最大的资源主体，占祁连山北麓总面积的75％，县域面积的58.4％在祁连山国家级自然保护区。近年来，肃南县坚持以“生态立县”为目标，坚持生态优先，抓好空间优化和资源保护，以天然林保护、退耕还林、三北防护林、防沙治沙、重点公益林管护等重点生态工程建设为载体，以重点生态项目实施为抓手，因地制宜，统筹规划，全力推进，荒漠化扩展趋势得到遏制，祁连山水源涵养能力不断提升，绿洲生态防护效益日益增强，城乡景观绿化稳步推进，区域性生态环境和城乡人居环境明显改善，生态屏障建设取得显著进展，为筑牢西部生态安全屏障发挥了重要作用，但是在新一轮“黄河战略”中，承担黄河上游重要水源涵养区的祁连山被赋予了新的使命和担当，本文根据“黄河战略”对黄河上游水源涵养区的具体要求，结合肃南县生态环境保护实际情况，分析了全县生态环境保护现状，剖析了生态环境保护面临的问题，提出了生态环境保护的对策和建议，以期为流域生态环境保护治理提供参考和借鉴。     

基于K-means-BP神经网络的舍饲环境母羊产前运动行为分类识别

为了探讨舍饲圈养方式对怀孕母羊生理及心理健康产生的影响,设计以三轴加速度传感器MPU6050为核心的母羊产前运动行为监测装置,并对37只成年小尾寒羊母羊产前的运动行为(站立、行走、趴卧及刨地)进行分类识别.针对母羊趴卧和站立2种静态行为识别难度大的问题,提出采用K-means聚类算法对趴卧行为进行识别.在此识别结果的基...