果园机器人自主导航研究与发展现状

许威广 丁 羽

(1．塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2．塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

我国水果无论是产量还是消费量在世界排名上都名列前茅，目前，我国水果产业已逐渐实现规模化种植[1]。虽然近年来我国农业机械装备无论在数量上还是质量上都有了很大的提高，但总体来看我国果园机械化仍处于较低的水平阶段，林果业生产仍属于劳动密集型产业[2]。其机械化和自动化程度相对其他农产品而言发展滞后，现有的机具品种和性能还不能完全适应林果业的发展，在实际生产过程中需要投入的人工劳动力依旧较多，伴随着我国老龄化现象的加剧当前的林果业生产已经开始出现了用工难、用工贵的现象，这无疑提高了农产品的生产成本，降低了果农的收益[3]。因此加快林果业机械化和智能化的发展是当前林果业发展的迫切需求[4]。随着科学技术的快速进步，农业智能化机器人的发展已经成为了现代化农业不可分割的部分，而这其中机器人的自主导航技术是更大效能完成其他智能作业的基础[5]。

1 果园机器人自主导航主要方法

自主导航系统的发展是多学科知识交叉融合的结果，它包括了计算机技术、电子电路设计、通信工程、自动控制原理等学科知识。通过将实时定位、地图建构和路径规划等功能的统一融合为农业机械设备在无人为因素干扰的情况下实现多种智能化作业打下了一个坚实的基础，其不仅提高了果园作业的效率和质量，而且降低了人工生产成本[6]。按照导航方式来进行划分的话，目前运用的比较成熟的方式有 卫星导航，视觉导航，激光导航等技术[7]。

1.1 视觉导航技术

农机视觉导航主要是利用安装在农机上的摄像头搭配其他类型的传感器对农田的环境进行识别从而获得导航需要的原始信息，在通过系统分析处理后对农机行走装置发出控制指令使其按照规划路径形式从而实现导航作业[8]。彭顺正[9]等人根据红枣在矮化密植枣园当中的生长环境特点，提出一种基于图像处理原理的导航基准线算法，该算法通过将拍摄到枣树树干与背景照片进行分割处理，在经过去除行间噪声后，采用最小二乘法原理对图像进行拟合，经过提取和处理最终生成枣园视觉导航的规划路线。叶小琴[10]等人设计了一种通过对图像边界进行提取从而实现自主导航的系统，该系统利用均值偏移算法对采集到的果园图像中首先进行处理，接着通过图像分割算法和Canny算子分别对图像进行分割和边缘的滤波，最后利用Hough处理后，最终生成果园机器人的视觉导航规划路线。张雄楚[11]等人针对棉花铺膜播种作业中的实际环境，设计了一种视觉导航路径检测算法，试验结果表明:此款视觉导航路径检测算法不仅对农田环境的识别准确率很高，而且设备的抗干扰能力较强，满足棉花铺膜播种作业的实际要求。

1.2 卫星导航技术

卫星定位系统主要依靠目前在太空中的卫星形成覆盖性网络，从而实现能够在全球位置实现定位与导航，机器人通过接收机和卫星之间的通信以此获取机器人设备的行驶方向、路径及准确位置信息[12]。熊斌[13]等人设计一款基于北斗卫星导航系统的果园施药机的路径自主规划导航控制系统，该系统通过从卫星接收到的定位信息经过处理后在由电控气动转向系统控制施药机的运动从而实现了施药机无人为干预下的自主导航功能。黎永键[14]等人以拖拉机为研究对象设计一套基于GPS和双闭环转向控制的自动导航定位系统，试验数据表明:此系统下的双闭环转向控制方法有效地提高了拖拉机自主导航的精度。郭鸿鹏[15]等人基于北斗卫星导航系统对农机作业监控与优化调度系统结构进行了设计，该系统不仅实现了能够实时对农机工作状态进行监控，而且对农机作业质量能够做出有效评价。

1.3 激光导航技术

激光导航当前主流的是采用激光雷达，在果园环境状态下设备正常工作时只需要果园当中有适当的物体特征和轮廓，传感器就能够不断在空间环境内进行平面扫描检测，通过这些连续不断扫描得到的信息就可以实现连续的定位和构建地图，从而实现对周围环境感知和机器人的精准定位[16]。戚树腾[17]等人设计了一款履带式果园移动机器人，该装备通过激光测距仪来获得果园图像信息之后，再经过霍夫变换最终实现果园机器人的自主导航。刘沛[18]等人以拖拉机为研究对象，通过采用激光扫描仪采集果园信息并经过最小二乘法算法对路径进行合理规划，最终实现了果园拖拉机的自动导航。倪江楠[19]等人以收割机为研究对象设计了一款基于激光导航的收割机自动导航系统。该系统依靠激光测距仪获取工作时的环境信息，然后经过对这些信息进行特征化的提取和处理，最终实现收割机的自主导航功能。

2 各类导航技术优缺点分析

卫星导航技术具有全天候、全球化，定位数据快等优点。但对于卫星导航技术而言由于果树的树冠通常都比较密集，卫星信号极易受到干扰，甚至会发生由于果树树冠遮蔽的作用导致信号数据无法发射与接收造成机器人无法正常工作的现象，因此单一利用卫星定位来进行导航存在较大局限性问题。对于机器人视觉导航技术而言虽然其环境感知能力能力较强，但同样受环境因素影响严重，比如果园内的光照强度，空气质量等问题都对其导航的精度有较大的影响。对于激光导航技术而言由于激光雷达采用的为激光束，其具有分辨率高，体积小，质量强等优点，但是激光雷达的在工作时受天气和大气的影响很大同时由于其制造工艺复杂，其价格较高。

3 结语与展望

无论是哪一种单一的导航技术都存在局限性，仅靠单一的导航技术无法满足智慧果园的作业要求，为使导航系统能够获取更加全面丰富的作业环境信息，以提高导航系统准确性和稳定性，将2种或多种导航技术融合运用，将会取得更好的导航效果。随着科技的不断发展以及我国农业产业结构的调整，果园机械智能化的研究必将受到更多的关注，果园机器人自主导航技术未来拥有良好的研发与应用前景。