0、 引言
自動導航作為農業移動機器人研究的一個重要組成部分,是集計算機、電子通信、自動控制為一體的綜合性技術,主要內容包括: 機器人周圍環境的感知、導航路徑的規劃、機器人模型的建立及轉向控制。通過導航系統對周圍環境的感知,機器人能夠實現實時精準定位,完成多項農業活動。
近年來,隨著工業化進程的加快以及人口老齡化問題的日益凸顯,現代化智能裝備的研究變得更加迫切。同時,越來越多的農村勞動力向城市轉移,進一步導致了農村有效勞動力的急劇減少,以自動導航為首的農業機器人很大程度上能夠解決此類問題。除此之外,實現農業車輛的自動導航可使駕駛員從繁重的工作中解放出來,減少疲勞、提高生產效率、增加應用精度和操縱安全性,還可減少重複作業,從而降低成本、提高農產品質量、避免某些作業給人身帶來的危害,對我國農業車輛的智能化、農業生產精細化有著重大的促進作用。
我國作為水果生產大國,果樹的種植、管理以及果實的採收等工序機械化程度低並且設備單一、勞動強度大、成本高。針對這一現狀,研究符合我國國情的果園機械化相關理論、開發適合於果園作業的先進裝備勢在必行。基於果園非機構化環境,雖有眾多學者一直致力於果園智能化機械的研究開發,但是採用何種方式才能更加理想、更加精確地實現果園機械自動導航一直都是學者爭論的焦點。
目前,應用於農業機械的主要導航方式有機械接觸式導航、預埋引導電纜的有線導航、機械導航、超聲波導航、雷射導航、GPS 導航、機器視覺導航,以及基於多傳感器融合技術的導航。本文總結了這幾種主要導航方式的研究進展及優缺點,並分析了各種導航方式應用於果園機械中的可行性以及存在的問題,提出了今後果園智能化機械主要的導航方式,為果園移動機器人導航系統的研究提供參考。
1、 研究概況
1. 1 機械接觸式導航
接觸式導航系統包括接觸式傳感器和導航控制兩部分。其具有機構簡單、成本較低、易維護、可靠性高及在行間作業過程中具有實用性且易於推廣等優點。
KTBL 開發了一種 3 行作物旋耕機,配備了一個自動轉向裝置,可用於地壟除草和地壟播種; 通過傳感器與地壟接觸,追蹤地壟路徑,使拖拉機沿地壟一側行駛實現自動導航。這種導航方式能避免導航機構碰撞農作物; 但用於壟間作業且轉向角度在梯度大於 6% 的傾斜地面上作業時,傳感器引起的偏差很難滿足精度要求。目前,我國在機械接觸式導航方面的研究比較少,何卿等設計了雙層接觸式導航控制系統,以觸杆轉角為輸入、前輪轉角為輸出設計了模糊控制器; 並採用帶非線性補償的 PID 控制器實現對拖拉機前輪轉向角的控制。試驗結果顯示,在速度小於 1m/s 時,該導航控制算法響應快、穩定性好,能滿足玉米秸稈行間作業要求; 但是偏差隨拖拉機行駛速度增加而增大,限制了導航控制系統的效率。
機械接觸式導航雖然有眾多優點,但不能用於非接觸式環境,且傳感器容易受周圍介質的影響,精確度不高。在果園特殊環境中,接觸式傳感器正好可以與果樹接觸受力實施導航; 但是由於果樹行間距比較大,這就要求接觸式傳感器的觸角有足夠的長度,這必將增加傳感器的導航誤差,也不能滿足果園狹小地頭空間環境下實施轉彎進入下一行作業。同時,由於果園環境複雜,雜草較多、干擾較大,果樹的缺失也會嚴重影響導航的穩定性,所以機械接觸式導航在果園中應用的可能性不大。
1. 2 電磁導航
電磁導航又稱為預埋引導電纜的有線引導,將電纜埋設於車輛經過的道路上,通過檢查磁場獲得自己的位置,具有技術簡單、可靠性強、使用壽命長等優點。
Torii T 等研製了無人駕駛的果樹噴霧機器人,由埋設在地下 0. 3m 的電纜誘導,利用模糊控制算法完成無人化作業。該機器人已經應用於果園作業,避免了操作者與農藥的直接接觸; 但是導航誤差較大,導航精度有待提高。郭麗君研製開發了一種溫室移動機器人導航系統,通過埋設在田間的通有高頻電流的導線產生誘導信號,利用一對電磁感應傳感器的信號電壓差值判斷機器人位置; 採用模糊控制算法規划行駛路徑,實現了溫室移動機器人的自動行走。該系統實時性強,可靠性高; 但試驗是在室內環境下進行,轉彎精度和行駛速度需進一步提高。宋健等研製了電磁誘導式導航系統,誘導信號依舊由埋設在田間的通有高頻電流的導線產生,採用 PID 算法規劃導航路徑。試驗結果顯示,直線和轉彎精度有明顯的提高,能夠滿足噴霧機器人的導航要求; 但是依舊沒有脫離實驗室環境,需進一步優化控制算法,以提高導航精度。
電磁導航在大型農田應用的成本較大,不能滿足高速工作要求。在果園中,有少數學者基於該種導航原理開發了果園植保機械; 但實際應用中,由於電纜鋪設和維護較為困難,結構和位置計算複雜,其相應的工作大多處於研究階段,結果測試也只是在實驗環境下進行,要實現真正意義上的應用依舊比較困難。
1. 3 機械導航
機械導航是基於物理軌道的移動機器人導航系統,具有機構簡單、穩定性高、維護方便等優點。
Gabriely Y 等開發了一款適用于山地果園的多用途單軌車,該車輛通過連接車廂、施肥機、除草機等設備能夠在超過 30°的坡道實施各種果園作業,有效降低了勞動力; 但是單軌車輛的操作依舊需要人工進行,沒有實現勞動力的完全解放。日本生研中心開發出了基於管道導航的植保機器人,在果園鋪設聚乙烯管道,輔助誘導輪沿管道前進實現無人駕駛作業。
該機器人在日本已投入使用,但只能適用於轉彎半徑1m 以上、坡度小於 6°的果園。針對坡度較大的果園,孫同彪等介紹了一種山地果園單軌運輸車,在坡地上鋪設固定支架,通過牽引車上的驅動齒輪與軌道的齒條嚙合,實施 60°以下坡道的運輸作業。該車輛可實現無人操作,在坡度較大的軌道上運行也比較安全; 但該車輛的最小轉彎半徑需要 4. 5m,對需要較小轉彎半徑的果園有很大的局限性。針對行距為 4m 的蘋果園,朱磊磊等開發了基於曲柄滑塊機構的導航機器人; 轉彎管道半徑鋪設成 2m,導向輪與橡膠管道嚙合,利用模糊 PID 控制器控制機器人沿預定鋪設軌道行駛。該導航機器人跟蹤穩定、轉向迅速、精度較高; 但實驗依舊是在模擬果園環境下進行,是否滿足環境複雜的果園需求,需進一步的驗證。
機械導航需在田間鋪設運行軌道,導航機械運行速度較低,導致作業效率不高。機械導航在果園環境中相對研究的比較早,眾多學者研究了能夠實現自動噴藥和搬運的果園植保機器人; 但局限於在果園鋪設導航軌道成本較高,最小轉彎半徑也有一定的限制。
1. 4 超聲波導航
超聲波導航具有結構簡單、安裝使用方便、成本低、抗電磁干擾能力強、不受光線煙霧影響,以及時間信息直觀等特點。
Iida 等開發了車輛跟隨系統,通過超聲波和紅外傳感器引導車輛自動跟隨,實現了一人控制多台機器同時作業,提高了工作效率; 但是針對國內分塊式的土地結構其應用具有很大的局限性。張銀霞等設計了一種基於超聲波定位的導航系統,利用被測點超聲波傳感器與應答點之間對射超聲波實現測距,對數據進行採集和處理,實現空間定位。該定位系統具有成本低、易於安裝、體積小、抗干擾能力強等優點;但是當溫度變化比較大時,需要設置溫度補償裝置,增加了硬體系統的複雜性。趙傑等提出了基於超聲波絕對定位的導航策略,該導航策略能實時精確定位,實時調整移動機器人的航向與速度; 但是該導航策略在跟蹤移動目標物時精度較低。
超聲波傳感器易受溫度的影響,如果測距精度要求很高,則需要通過溫度補償加以校正。同時,超聲波傳感器捕獲的信息量相對較少、感知信息存在較大的不確定性等缺點,其在果園導航機械上的應用也有一定的局限性。
1. 5 雷射導航
雷射導航技術具有測量距離遠、精度高,能以較高頻率提供大量準確的距離信息等優點,在農業機械自動導航研究中得到了廣泛的應用。
Hamner B 等以 LMS291 雷射掃描儀作為導航傳感器,開發了一款用於果園的多用途自主移動機器人- APM,使用雷射掃描測距儀探測樹和其周圍的其他物體,旋轉編碼器測量車輪距離和轉向角,實現車輛自動導航。該移動機器人在地頭轉彎比較急時,由於樹冠阻擋了較遠的樹行,只能提供給導航控制器很少的數據,造成系統不穩定。Barawid O C 等利用二維雷射掃描儀開發了應用於果園的自動導航系統,雷射掃描儀安裝在拖拉機上,霍夫變換作為樹行識別算法,實施自動導航。該導航系統在低速時能夠滿足果園環境的實時要求; 但是當速度增加時,橫向和航向偏差也迅速增加,穩定性、精度也隨之降低。陳軍等以雷射掃描儀為導航設備,設計了果園自動導航比例控制器,提出了基於雷射掃描提取果樹信息,採用最小二乘法進行路徑規劃,並進行了實車試驗。結果表明,系統能夠快速、準確採集果樹的位置信息,具有一定的可靠性和實用性; 但是該研究未考慮拖拉機行走時的側偏和地面狀況等因素影響,且對樹行對稱性要求比較高。
雷射多用於移動機器人的避障,在果園環境下,果樹恰好可以看成障礙物,因此可以利用雷射掃描獲取的果樹位置數據作為導航信息,實施路徑規劃,實現果園環境下移動機器人的自動導航。目前,研究果園機械的自動導航,多以雷射掃描儀作為導航傳感器; 但雷射掃描儀也存在著獲取障礙物特徵信息不完整,在障礙物缺失的情況下無法獲取導航信息等缺點。因此,單獨採用雷射掃描儀實施導航在非結構化的果園環境中仍有局限性。
1. 6 GPS 導航
GPS 技術是 20 世紀 70 年代由美國研製的空間衛星導航定位系統,具有全球、全天候工作,定位精度高,操作簡便等優點。近年來,隨著精度的不斷提高以及應用成本的下降,GPS 技術在農業智能機器人和農用車輛的自動導航定位等方面得到了廣泛的應用。GPS 主要可分為 DGPS( 差分 GPS 定位技術) 和 RTK - GPS( 實時動態 GPS 定位技術) : DGPS 能達到亞米級的精度,RTK - GPS 能達到厘米級的精度。
Alonso - Garcia S 等評價了用於農業拖拉機自動導航的低成本 GPS 接收器,GPS 安裝在拖拉機上,通過3 個不同的控制算法進行拖拉機自動導航性能的評價,該接收器的相對誤差隨時間降低。國內學者對於 GPS 導航的研究多集中於南方水稻種植機械的研發。郭娜等設計了與 GPS 導航相配合的插秧機作業控制系統,根據處方圖的要求實現栽插作業和行駛速度的自動控制。該系統能夠正確執行既定的插秧任務; 但是插秧機速度控制的調整時間隨著設定值的加大而增加,限制了其實際工作效率。偉利國等以XDNZ630 型水稻插秧機為試驗平台,通過 GPS 接收機與車載傳感器獲取車輛姿態信息,採用 PID 控制方法,構建轉向閉環控制系統,實現插秧機行間自動導航及地頭轉向。該導航系統在低速行駛時,完全可以滿足插秧作業精度要求; 但是在地頭轉向和直線的銜接處出現較大的跟蹤誤差。
GPS 導航雖然優點較多,國外研究成果較為成熟,但是容易受到環境因素的影響,使得精度和可靠性降低,同時由於 GPS 應用的費用較高,在我國一家一戶小地塊的土地背景下限制了其在農業工程中的使用。
在果園特殊環境中,GPS 需要接收衛星信息,由於樹冠密集,信號很容易被遮擋造成丟失,無法完成果園機械的自動導航,目前單一的利用 GPS 實施果園機械的導航存在很大的局限性,但是在田間地頭轉彎時可以利用 GPS 接收信息,實施精確轉彎,從而利用多傳感器融合實現果園環境下的自動導航。
1. 7 機器視覺導航
隨著計算機技術、圖像採集技術、圖像傳感器和圖像處理算法的不斷改進,基於機器視覺導航的靈活性、實時性和導航精度,特別是機器視覺圖像收集的信息量豐富、範圍寬、目標信息完整,能夠為農業生產活動提供較多的有用信息。國內外學者進行了基於機器視覺的移動機器人導航系統的研究,提出了視覺導航路徑的多種算法。
Ayala M 等提出了一種農業環境中使用的移動機器人視覺控制系統,通過對視覺圖片的處理獲得透視線來定位導航路線,利用統計技術來進行圖片的分割,運用 Hough 變換來擬合導航路徑,具有很好的穩定性。Kaizu Y 和 Imou K 研究開發了一種能夠檢測稻田中水稻幼苗作物行的雙目視覺系統,採用一對裝備有不同光譜濾波器的黑白攝像機,通過匹配近紅外圖像與紅色分量,可以在多雲天氣下從早晨到傍晚連續工作。李明等利用全方位視覺傳感器提供周圍360°範圍內信息的圖像,通過全方位圖像準確獲取物體方向角,基於此研發了一種由全方位視覺傳感器、人工標識、PC 機、PC 軟體和作業車構成的可以實現農業機械自動導航的定位系統。室內實驗表明,該定位系統是可行的; 但是室外光線對視覺傳感器的影響比較明顯且在實驗中未考慮實際應用中車輛振動、地面傾斜等造成誤差的補償。李茗萱等針對現有導航線提取算法易受外界環境干擾和處理速度較慢等問題,提出一種基於圖像掃描濾波的導航線提取方法,藉助於圖像處理算法提取導航基準線。實驗表明,該算法計算速度快、適應能力強,但只適用於行間或壟間作業。
機器視覺導航固然研究比較多,技術較為成熟,但是系統對設備性能要求比較高,存在圖像處理易受自然光線等外界條件的干擾、圖像處理算法的速度比較慢等缺點。在果園環境中,機器視覺也可作為主要的導航方式,國內外學者也做了相關研究。由於非結構化的複雜環境,視覺傳感器容易受到環境噪音信號的影響和作物缺失造成圖像信息缺失,導致存在實時性問題,系統適應性也較差,單一的採用視覺實現果園機械的導航,很難滿足實際應用; 但基於機器視覺圖像收集的信息量豐富,在果園環境中,可作為輔助的導航方式,融合其他導航策略,實施果園環境下的精確導航。
1. 8 基於多傳感器融合技術的導航
多傳感器融合技術是指利用多個傳感器共同工作,得到描述同一環境特徵的冗餘或互補信息,再運用一定的算法進行分析、綜合和平衡,最後取得環境特徵較為準確可靠的信息。
單一傳感器由於本身的一些不足,加之複雜的農業生產環境,很難滿足導航系統所要求的精度和可靠性。把一些傳感器組合起來,將它們各自產生的有用信息進行融合,以便獲得更加完善的環境信息,最終實現以較低的成本構建高可靠性、穩定性、靈活的導航系統,這在現代車輛導航以及避障的研究實踐中得到了廣泛的應用。
Nirmal Singh N 等設計了一種兩層架構的移動機器人導航控制系統: 視覺傳感器被設置在第 1 層,作為主要傳感器獲取導航信息; 紅外傳感器被設置在第 2 層,用於移動機器人在動態環境中的避障。此算法在實驗環境中取得了很好的結果; 但實驗多是在隨機噪聲較少的室內環境中完成,果園環境較為複雜,算法的實用性有待檢驗。Subramanian V 通過融合視覺信息、雷射掃描信息、慣性導航信息以及超聲波傳感器信息獲得導航參數,引導機器人安全通過柑橘園; 但此系統結構較複雜,且沒有提供一種地頭轉彎策略。王一強等設計了一種基於 CCD 攝像頭、RFID傳感器、電子羅盤、聲納等多種傳感器的自動引導車系統,通過使用基於數據流處理的系統構架提升了整個系統的實時性,在降低複雜度的基礎上大幅度提升了自動導航的精度和穩定性; 但是對運行環境要求嚴格,圖像識別還需進一步完善。陳艷等構建了一個基於 GPS 和機器視覺的多傳感器組合導航定位系統,採用 GPS 獲取導航車的絕對位置信息、航向角度和行駛速度,機器視覺通過圖像處理獲取導航基準線,利用無跡卡爾曼濾波器對獲得的信息進行濾波。
此方法克服了使用單一傳感器進行定位的弊端,但試驗是在校內模擬環境下進行。
多傳感器融合技術雖然能夠獲取較多的信息,但是有效地進行信息融合還需進一步的研究。同時,傳感器的精度、信息獲得和處理的速度以及傳感器的抗干擾能力都會對自動導航產生很大的影響。在果園自動導航研究中,多傳感器融合可以避免單一傳感器產生的導航信息不完全以及導航精度不高等缺陷。
因此,近年來國內外學者基於多傳感器融合進行果園機械導航的研究發展迅速,不斷湧現出新的傳感器融合技術,為開發高精度低成本的果園導航機械奠定了基礎。
2、 果園機械導航發展趨勢及問題分析
2. 1 果園機械導航發展趨勢
隨著國際精細農業的發展,對農業機械的自動化、智能化程度要求越來越高。果園機械的自動導航作為智能化農業裝備的一部分,受到越來越多的學者關注,近年呈現快速發展的趨勢。通過以上分析,適用於農業機械的眾多導航方式中,由於果園複雜環境的限制,其應用具有一定的局限性。
機械接觸式導航由於干擾較大,不適用於果園導航; 電磁導航由於電纜鋪設和維護比較困難,在果園機械導航中的應用也有很大的局限性; 機械導航鋪設軌道成本較高,限制了其在果園導航中的使用; 超聲波導航檢測信息誤差較大,不適用於結構複雜的果園環境; 雷射掃描儀在果園機械的自動導航中,可以獲取果園的位置信息,但是也存在獲取障礙物特徵信息不完整的缺陷。GPS 作為一種成熟的導航方式,已在大田中得到廣泛的應用,在果園環境中,樹冠密集,阻隔了 GPS 信號的傳輸,無法獨立的完成自動導航; 但可以為地頭轉彎提供準確的數據點信息,生成轉彎路徑。機器視覺導航技術已較為成熟,但是由於果園的非結構化環境以及果樹缺失,都將影響視覺導航的穩定性和導航精度。由於機器視覺圖像收集信息量豐富,在果樹行間導航時,機器視覺可探測樹冠信息,輔助雷射掃描儀,實現果樹行間比較完善的信息採集,實施果園環境下的精確導航。多傳感器融合技術作為一種新興的導航技術發展迅速,通過多傳感器融合避免了單一傳感器產生的導航信息不完整以及導航精度不高等缺陷。在果園複雜環境中,通過選用合適的傳感器進行信息融合,能夠在低成本的前提下,實現果園機械的精確導航,是今後果園機械智能化發展的主要導航方式。
2. 2 果園機械導航設計的關鍵問題
1) 目前,自動導航系統的研究多數只是針對實驗環境,局限性較大,實現真正意義上的自動導航就必須滿足果園中的各種複雜環境( 變光照環境、陰雨天環境、雜草環境,果樹缺失等) 。為此,研製的導航機械必須在實際果園環境中進行測試,不斷進行完善與優化。
2) 自動導航的研究工作應該根據我國果園的實際情況,研究開發低成本的小型自動導航系統。
3) 果園機械導航設計過程中,不僅要注重導航方式的合理選擇,還需要進行控制算法和融合算法的優化研究,進一步提高導航控制的精度和穩定性。
3、 結論
隨著自動導航技術在果園中應用的不斷發展和完善,基於信息採集比較完善的多傳感器融合技術的優越性逐漸凸顯,將會成為今後果園機械優先選擇的導航方式。
通過對以上各導航方式的分析,雷射導航能夠很好地獲取果樹位置信息,生成基本的導航路徑。機器視覺能夠進行行間信息的採集,完善雷射掃描獲取障礙物特徵信息不完整、障礙物缺失情況下無法獲取導航信息的缺點,修正導航路徑。果園地頭基於無樹冠影響,GPS 能夠準確地獲取數據點信息,生成精確的轉彎路徑,實施地頭轉彎。因此,通過雷射掃描儀、機器視覺和 GPS 進行多傳感器融合實現果園機械的自動導航,將會進一步提高導航精度,降低系統設計成本。
參考文獻:
[1] 李建平,林妙玲. 自動導航技術在農業工程中的應用研究進展[J]. 農業工程學報,2006,22( 9) : 232 -236.
[2] L Feng,Y He. Study on dynamic model of tractor system forautomated navigation applications[J]. Journal of Zhejiang U-niversity: Science,2005,6A( 4) : 270 - 275.
[3] 蔣浩然,陳軍,王虎,等. 移動機器人自動導航技術研究進展 [J]. 西北農林科技大學學報: 自然科學版,2011,39( 12) : 207 - 213.
[4] 楊為民,李天石,賈鴻社. 農業機械機器視覺導航研究[J]. 農業工程學報,2004,20( 1) : 161 -165.
[5] 何卿,高煥文,李洪文. 接觸式拖拉機導航控制系統[J].農業機械學報,2008,39( 1) : 97 -101.
[6] Keicher R,Seufert H. Automatic guidance for agriculturalvehicles in Europe[J]. Computers and Electronics in Agri-culture,2000,25( 1 - 2) : 169 - 194.
[7] 何卿,高煥文,李洪文. 接觸式拖拉機導航控制系統[J].農業機械學報,2008,39( 1) : 97 -101.
[8] 近藤直,門田充司,野口伸. 農業機器人: Ⅰ. 基礎與理論[M]. 孫明,李民贊,譯. 北京: 中國農業大學出版社,2009: 143 - 144.
自動導航作為農業移動機器人研究的一個重要組成部分,是集計算機、電子通信、自動控制為一體的綜合性技術,主要內容包括: 機器人周圍環境的感知、導航路徑的規劃、機器人模型的建立及轉向控制。通過導航系統對周圍環境的感知,機器人能夠實現實時精準定位,完成多項農業活動。
近年來,隨著工業化進程的加快以及人口老齡化問題的日益凸顯,現代化智能裝備的研究變得更加迫切。同時,越來越多的農村勞動力向城市轉移,進一步導致了農村有效勞動力的急劇減少,以自動導航為首的農業機器人很大程度上能夠解決此類問題。除此之外,實現農業車輛的自動導航可使駕駛員從繁重的工作中解放出來,減少疲勞、提高生產效率、增加應用精度和操縱安全性,還可減少重複作業,從而降低成本、提高農產品質量、避免某些作業給人身帶來的危害,對我國農業車輛的智能化、農業生產精細化有著重大的促進作用。
我國作為水果生產大國,果樹的種植、管理以及果實的採收等工序機械化程度低並且設備單一、勞動強度大、成本高。針對這一現狀,研究符合我國國情的果園機械化相關理論、開發適合於果園作業的先進裝備勢在必行。基於果園非機構化環境,雖有眾多學者一直致力於果園智能化機械的研究開發,但是採用何種方式才能更加理想、更加精確地實現果園機械自動導航一直都是學者爭論的焦點。
目前,應用於農業機械的主要導航方式有機械接觸式導航、預埋引導電纜的有線導航、機械導航、超聲波導航、雷射導航、GPS 導航、機器視覺導航,以及基於多傳感器融合技術的導航。本文總結了這幾種主要導航方式的研究進展及優缺點,並分析了各種導航方式應用於果園機械中的可行性以及存在的問題,提出了今後果園智能化機械主要的導航方式,為果園移動機器人導航系統的研究提供參考。
1、 研究概況
1. 1 機械接觸式導航
接觸式導航系統包括接觸式傳感器和導航控制兩部分。其具有機構簡單、成本較低、易維護、可靠性高及在行間作業過程中具有實用性且易於推廣等優點。
KTBL 開發了一種 3 行作物旋耕機,配備了一個自動轉向裝置,可用於地壟除草和地壟播種; 通過傳感器與地壟接觸,追蹤地壟路徑,使拖拉機沿地壟一側行駛實現自動導航。這種導航方式能避免導航機構碰撞農作物; 但用於壟間作業且轉向角度在梯度大於 6% 的傾斜地面上作業時,傳感器引起的偏差很難滿足精度要求。目前,我國在機械接觸式導航方面的研究比較少,何卿等設計了雙層接觸式導航控制系統,以觸杆轉角為輸入、前輪轉角為輸出設計了模糊控制器; 並採用帶非線性補償的 PID 控制器實現對拖拉機前輪轉向角的控制。試驗結果顯示,在速度小於 1m/s 時,該導航控制算法響應快、穩定性好,能滿足玉米秸稈行間作業要求; 但是偏差隨拖拉機行駛速度增加而增大,限制了導航控制系統的效率。
機械接觸式導航雖然有眾多優點,但不能用於非接觸式環境,且傳感器容易受周圍介質的影響,精確度不高。在果園特殊環境中,接觸式傳感器正好可以與果樹接觸受力實施導航; 但是由於果樹行間距比較大,這就要求接觸式傳感器的觸角有足夠的長度,這必將增加傳感器的導航誤差,也不能滿足果園狹小地頭空間環境下實施轉彎進入下一行作業。同時,由於果園環境複雜,雜草較多、干擾較大,果樹的缺失也會嚴重影響導航的穩定性,所以機械接觸式導航在果園中應用的可能性不大。
1. 2 電磁導航
電磁導航又稱為預埋引導電纜的有線引導,將電纜埋設於車輛經過的道路上,通過檢查磁場獲得自己的位置,具有技術簡單、可靠性強、使用壽命長等優點。
Torii T 等研製了無人駕駛的果樹噴霧機器人,由埋設在地下 0. 3m 的電纜誘導,利用模糊控制算法完成無人化作業。該機器人已經應用於果園作業,避免了操作者與農藥的直接接觸; 但是導航誤差較大,導航精度有待提高。郭麗君研製開發了一種溫室移動機器人導航系統,通過埋設在田間的通有高頻電流的導線產生誘導信號,利用一對電磁感應傳感器的信號電壓差值判斷機器人位置; 採用模糊控制算法規划行駛路徑,實現了溫室移動機器人的自動行走。該系統實時性強,可靠性高; 但試驗是在室內環境下進行,轉彎精度和行駛速度需進一步提高。宋健等研製了電磁誘導式導航系統,誘導信號依舊由埋設在田間的通有高頻電流的導線產生,採用 PID 算法規劃導航路徑。試驗結果顯示,直線和轉彎精度有明顯的提高,能夠滿足噴霧機器人的導航要求; 但是依舊沒有脫離實驗室環境,需進一步優化控制算法,以提高導航精度。
電磁導航在大型農田應用的成本較大,不能滿足高速工作要求。在果園中,有少數學者基於該種導航原理開發了果園植保機械; 但實際應用中,由於電纜鋪設和維護較為困難,結構和位置計算複雜,其相應的工作大多處於研究階段,結果測試也只是在實驗環境下進行,要實現真正意義上的應用依舊比較困難。
1. 3 機械導航
機械導航是基於物理軌道的移動機器人導航系統,具有機構簡單、穩定性高、維護方便等優點。
Gabriely Y 等開發了一款適用于山地果園的多用途單軌車,該車輛通過連接車廂、施肥機、除草機等設備能夠在超過 30°的坡道實施各種果園作業,有效降低了勞動力; 但是單軌車輛的操作依舊需要人工進行,沒有實現勞動力的完全解放。日本生研中心開發出了基於管道導航的植保機器人,在果園鋪設聚乙烯管道,輔助誘導輪沿管道前進實現無人駕駛作業。
該機器人在日本已投入使用,但只能適用於轉彎半徑1m 以上、坡度小於 6°的果園。針對坡度較大的果園,孫同彪等介紹了一種山地果園單軌運輸車,在坡地上鋪設固定支架,通過牽引車上的驅動齒輪與軌道的齒條嚙合,實施 60°以下坡道的運輸作業。該車輛可實現無人操作,在坡度較大的軌道上運行也比較安全; 但該車輛的最小轉彎半徑需要 4. 5m,對需要較小轉彎半徑的果園有很大的局限性。針對行距為 4m 的蘋果園,朱磊磊等開發了基於曲柄滑塊機構的導航機器人; 轉彎管道半徑鋪設成 2m,導向輪與橡膠管道嚙合,利用模糊 PID 控制器控制機器人沿預定鋪設軌道行駛。該導航機器人跟蹤穩定、轉向迅速、精度較高; 但實驗依舊是在模擬果園環境下進行,是否滿足環境複雜的果園需求,需進一步的驗證。
機械導航需在田間鋪設運行軌道,導航機械運行速度較低,導致作業效率不高。機械導航在果園環境中相對研究的比較早,眾多學者研究了能夠實現自動噴藥和搬運的果園植保機器人; 但局限於在果園鋪設導航軌道成本較高,最小轉彎半徑也有一定的限制。
1. 4 超聲波導航
超聲波導航具有結構簡單、安裝使用方便、成本低、抗電磁干擾能力強、不受光線煙霧影響,以及時間信息直觀等特點。
Iida 等開發了車輛跟隨系統,通過超聲波和紅外傳感器引導車輛自動跟隨,實現了一人控制多台機器同時作業,提高了工作效率; 但是針對國內分塊式的土地結構其應用具有很大的局限性。張銀霞等設計了一種基於超聲波定位的導航系統,利用被測點超聲波傳感器與應答點之間對射超聲波實現測距,對數據進行採集和處理,實現空間定位。該定位系統具有成本低、易於安裝、體積小、抗干擾能力強等優點;但是當溫度變化比較大時,需要設置溫度補償裝置,增加了硬體系統的複雜性。趙傑等提出了基於超聲波絕對定位的導航策略,該導航策略能實時精確定位,實時調整移動機器人的航向與速度; 但是該導航策略在跟蹤移動目標物時精度較低。
超聲波傳感器易受溫度的影響,如果測距精度要求很高,則需要通過溫度補償加以校正。同時,超聲波傳感器捕獲的信息量相對較少、感知信息存在較大的不確定性等缺點,其在果園導航機械上的應用也有一定的局限性。
1. 5 雷射導航
雷射導航技術具有測量距離遠、精度高,能以較高頻率提供大量準確的距離信息等優點,在農業機械自動導航研究中得到了廣泛的應用。
Hamner B 等以 LMS291 雷射掃描儀作為導航傳感器,開發了一款用於果園的多用途自主移動機器人- APM,使用雷射掃描測距儀探測樹和其周圍的其他物體,旋轉編碼器測量車輪距離和轉向角,實現車輛自動導航。該移動機器人在地頭轉彎比較急時,由於樹冠阻擋了較遠的樹行,只能提供給導航控制器很少的數據,造成系統不穩定。Barawid O C 等利用二維雷射掃描儀開發了應用於果園的自動導航系統,雷射掃描儀安裝在拖拉機上,霍夫變換作為樹行識別算法,實施自動導航。該導航系統在低速時能夠滿足果園環境的實時要求; 但是當速度增加時,橫向和航向偏差也迅速增加,穩定性、精度也隨之降低。陳軍等以雷射掃描儀為導航設備,設計了果園自動導航比例控制器,提出了基於雷射掃描提取果樹信息,採用最小二乘法進行路徑規劃,並進行了實車試驗。結果表明,系統能夠快速、準確採集果樹的位置信息,具有一定的可靠性和實用性; 但是該研究未考慮拖拉機行走時的側偏和地面狀況等因素影響,且對樹行對稱性要求比較高。
雷射多用於移動機器人的避障,在果園環境下,果樹恰好可以看成障礙物,因此可以利用雷射掃描獲取的果樹位置數據作為導航信息,實施路徑規劃,實現果園環境下移動機器人的自動導航。目前,研究果園機械的自動導航,多以雷射掃描儀作為導航傳感器; 但雷射掃描儀也存在著獲取障礙物特徵信息不完整,在障礙物缺失的情況下無法獲取導航信息等缺點。因此,單獨採用雷射掃描儀實施導航在非結構化的果園環境中仍有局限性。
1. 6 GPS 導航
GPS 技術是 20 世紀 70 年代由美國研製的空間衛星導航定位系統,具有全球、全天候工作,定位精度高,操作簡便等優點。近年來,隨著精度的不斷提高以及應用成本的下降,GPS 技術在農業智能機器人和農用車輛的自動導航定位等方面得到了廣泛的應用。GPS 主要可分為 DGPS( 差分 GPS 定位技術) 和 RTK - GPS( 實時動態 GPS 定位技術) : DGPS 能達到亞米級的精度,RTK - GPS 能達到厘米級的精度。
Alonso - Garcia S 等評價了用於農業拖拉機自動導航的低成本 GPS 接收器,GPS 安裝在拖拉機上,通過3 個不同的控制算法進行拖拉機自動導航性能的評價,該接收器的相對誤差隨時間降低。國內學者對於 GPS 導航的研究多集中於南方水稻種植機械的研發。郭娜等設計了與 GPS 導航相配合的插秧機作業控制系統,根據處方圖的要求實現栽插作業和行駛速度的自動控制。該系統能夠正確執行既定的插秧任務; 但是插秧機速度控制的調整時間隨著設定值的加大而增加,限制了其實際工作效率。偉利國等以XDNZ630 型水稻插秧機為試驗平台,通過 GPS 接收機與車載傳感器獲取車輛姿態信息,採用 PID 控制方法,構建轉向閉環控制系統,實現插秧機行間自動導航及地頭轉向。該導航系統在低速行駛時,完全可以滿足插秧作業精度要求; 但是在地頭轉向和直線的銜接處出現較大的跟蹤誤差。
GPS 導航雖然優點較多,國外研究成果較為成熟,但是容易受到環境因素的影響,使得精度和可靠性降低,同時由於 GPS 應用的費用較高,在我國一家一戶小地塊的土地背景下限制了其在農業工程中的使用。
在果園特殊環境中,GPS 需要接收衛星信息,由於樹冠密集,信號很容易被遮擋造成丟失,無法完成果園機械的自動導航,目前單一的利用 GPS 實施果園機械的導航存在很大的局限性,但是在田間地頭轉彎時可以利用 GPS 接收信息,實施精確轉彎,從而利用多傳感器融合實現果園環境下的自動導航。
1. 7 機器視覺導航
隨著計算機技術、圖像採集技術、圖像傳感器和圖像處理算法的不斷改進,基於機器視覺導航的靈活性、實時性和導航精度,特別是機器視覺圖像收集的信息量豐富、範圍寬、目標信息完整,能夠為農業生產活動提供較多的有用信息。國內外學者進行了基於機器視覺的移動機器人導航系統的研究,提出了視覺導航路徑的多種算法。
Ayala M 等提出了一種農業環境中使用的移動機器人視覺控制系統,通過對視覺圖片的處理獲得透視線來定位導航路線,利用統計技術來進行圖片的分割,運用 Hough 變換來擬合導航路徑,具有很好的穩定性。Kaizu Y 和 Imou K 研究開發了一種能夠檢測稻田中水稻幼苗作物行的雙目視覺系統,採用一對裝備有不同光譜濾波器的黑白攝像機,通過匹配近紅外圖像與紅色分量,可以在多雲天氣下從早晨到傍晚連續工作。李明等利用全方位視覺傳感器提供周圍360°範圍內信息的圖像,通過全方位圖像準確獲取物體方向角,基於此研發了一種由全方位視覺傳感器、人工標識、PC 機、PC 軟體和作業車構成的可以實現農業機械自動導航的定位系統。室內實驗表明,該定位系統是可行的; 但是室外光線對視覺傳感器的影響比較明顯且在實驗中未考慮實際應用中車輛振動、地面傾斜等造成誤差的補償。李茗萱等針對現有導航線提取算法易受外界環境干擾和處理速度較慢等問題,提出一種基於圖像掃描濾波的導航線提取方法,藉助於圖像處理算法提取導航基準線。實驗表明,該算法計算速度快、適應能力強,但只適用於行間或壟間作業。
機器視覺導航固然研究比較多,技術較為成熟,但是系統對設備性能要求比較高,存在圖像處理易受自然光線等外界條件的干擾、圖像處理算法的速度比較慢等缺點。在果園環境中,機器視覺也可作為主要的導航方式,國內外學者也做了相關研究。由於非結構化的複雜環境,視覺傳感器容易受到環境噪音信號的影響和作物缺失造成圖像信息缺失,導致存在實時性問題,系統適應性也較差,單一的採用視覺實現果園機械的導航,很難滿足實際應用; 但基於機器視覺圖像收集的信息量豐富,在果園環境中,可作為輔助的導航方式,融合其他導航策略,實施果園環境下的精確導航。
1. 8 基於多傳感器融合技術的導航
多傳感器融合技術是指利用多個傳感器共同工作,得到描述同一環境特徵的冗餘或互補信息,再運用一定的算法進行分析、綜合和平衡,最後取得環境特徵較為準確可靠的信息。
單一傳感器由於本身的一些不足,加之複雜的農業生產環境,很難滿足導航系統所要求的精度和可靠性。把一些傳感器組合起來,將它們各自產生的有用信息進行融合,以便獲得更加完善的環境信息,最終實現以較低的成本構建高可靠性、穩定性、靈活的導航系統,這在現代車輛導航以及避障的研究實踐中得到了廣泛的應用。
Nirmal Singh N 等設計了一種兩層架構的移動機器人導航控制系統: 視覺傳感器被設置在第 1 層,作為主要傳感器獲取導航信息; 紅外傳感器被設置在第 2 層,用於移動機器人在動態環境中的避障。此算法在實驗環境中取得了很好的結果; 但實驗多是在隨機噪聲較少的室內環境中完成,果園環境較為複雜,算法的實用性有待檢驗。Subramanian V 通過融合視覺信息、雷射掃描信息、慣性導航信息以及超聲波傳感器信息獲得導航參數,引導機器人安全通過柑橘園; 但此系統結構較複雜,且沒有提供一種地頭轉彎策略。王一強等設計了一種基於 CCD 攝像頭、RFID傳感器、電子羅盤、聲納等多種傳感器的自動引導車系統,通過使用基於數據流處理的系統構架提升了整個系統的實時性,在降低複雜度的基礎上大幅度提升了自動導航的精度和穩定性; 但是對運行環境要求嚴格,圖像識別還需進一步完善。陳艷等構建了一個基於 GPS 和機器視覺的多傳感器組合導航定位系統,採用 GPS 獲取導航車的絕對位置信息、航向角度和行駛速度,機器視覺通過圖像處理獲取導航基準線,利用無跡卡爾曼濾波器對獲得的信息進行濾波。
此方法克服了使用單一傳感器進行定位的弊端,但試驗是在校內模擬環境下進行。
多傳感器融合技術雖然能夠獲取較多的信息,但是有效地進行信息融合還需進一步的研究。同時,傳感器的精度、信息獲得和處理的速度以及傳感器的抗干擾能力都會對自動導航產生很大的影響。在果園自動導航研究中,多傳感器融合可以避免單一傳感器產生的導航信息不完全以及導航精度不高等缺陷。
因此,近年來國內外學者基於多傳感器融合進行果園機械導航的研究發展迅速,不斷湧現出新的傳感器融合技術,為開發高精度低成本的果園導航機械奠定了基礎。
2、 果園機械導航發展趨勢及問題分析
2. 1 果園機械導航發展趨勢
隨著國際精細農業的發展,對農業機械的自動化、智能化程度要求越來越高。果園機械的自動導航作為智能化農業裝備的一部分,受到越來越多的學者關注,近年呈現快速發展的趨勢。通過以上分析,適用於農業機械的眾多導航方式中,由於果園複雜環境的限制,其應用具有一定的局限性。
機械接觸式導航由於干擾較大,不適用於果園導航; 電磁導航由於電纜鋪設和維護比較困難,在果園機械導航中的應用也有很大的局限性; 機械導航鋪設軌道成本較高,限制了其在果園導航中的使用; 超聲波導航檢測信息誤差較大,不適用於結構複雜的果園環境; 雷射掃描儀在果園機械的自動導航中,可以獲取果園的位置信息,但是也存在獲取障礙物特徵信息不完整的缺陷。GPS 作為一種成熟的導航方式,已在大田中得到廣泛的應用,在果園環境中,樹冠密集,阻隔了 GPS 信號的傳輸,無法獨立的完成自動導航; 但可以為地頭轉彎提供準確的數據點信息,生成轉彎路徑。機器視覺導航技術已較為成熟,但是由於果園的非結構化環境以及果樹缺失,都將影響視覺導航的穩定性和導航精度。由於機器視覺圖像收集信息量豐富,在果樹行間導航時,機器視覺可探測樹冠信息,輔助雷射掃描儀,實現果樹行間比較完善的信息採集,實施果園環境下的精確導航。多傳感器融合技術作為一種新興的導航技術發展迅速,通過多傳感器融合避免了單一傳感器產生的導航信息不完整以及導航精度不高等缺陷。在果園複雜環境中,通過選用合適的傳感器進行信息融合,能夠在低成本的前提下,實現果園機械的精確導航,是今後果園機械智能化發展的主要導航方式。
2. 2 果園機械導航設計的關鍵問題
1) 目前,自動導航系統的研究多數只是針對實驗環境,局限性較大,實現真正意義上的自動導航就必須滿足果園中的各種複雜環境( 變光照環境、陰雨天環境、雜草環境,果樹缺失等) 。為此,研製的導航機械必須在實際果園環境中進行測試,不斷進行完善與優化。
2) 自動導航的研究工作應該根據我國果園的實際情況,研究開發低成本的小型自動導航系統。
3) 果園機械導航設計過程中,不僅要注重導航方式的合理選擇,還需要進行控制算法和融合算法的優化研究,進一步提高導航控制的精度和穩定性。
3、 結論
隨著自動導航技術在果園中應用的不斷發展和完善,基於信息採集比較完善的多傳感器融合技術的優越性逐漸凸顯,將會成為今後果園機械優先選擇的導航方式。
通過對以上各導航方式的分析,雷射導航能夠很好地獲取果樹位置信息,生成基本的導航路徑。機器視覺能夠進行行間信息的採集,完善雷射掃描獲取障礙物特徵信息不完整、障礙物缺失情況下無法獲取導航信息的缺點,修正導航路徑。果園地頭基於無樹冠影響,GPS 能夠準確地獲取數據點信息,生成精確的轉彎路徑,實施地頭轉彎。因此,通過雷射掃描儀、機器視覺和 GPS 進行多傳感器融合實現果園機械的自動導航,將會進一步提高導航精度,降低系統設計成本。
參考文獻:
[1] 李建平,林妙玲. 自動導航技術在農業工程中的應用研究進展[J]. 農業工程學報,2006,22( 9) : 232 -236.
[2] L Feng,Y He. Study on dynamic model of tractor system forautomated navigation applications[J]. Journal of Zhejiang U-niversity: Science,2005,6A( 4) : 270 - 275.
[3] 蔣浩然,陳軍,王虎,等. 移動機器人自動導航技術研究進展 [J]. 西北農林科技大學學報: 自然科學版,2011,39( 12) : 207 - 213.
[4] 楊為民,李天石,賈鴻社. 農業機械機器視覺導航研究[J]. 農業工程學報,2004,20( 1) : 161 -165.
[5] 何卿,高煥文,李洪文. 接觸式拖拉機導航控制系統[J].農業機械學報,2008,39( 1) : 97 -101.
[6] Keicher R,Seufert H. Automatic guidance for agriculturalvehicles in Europe[J]. Computers and Electronics in Agri-culture,2000,25( 1 - 2) : 169 - 194.
[7] 何卿,高煥文,李洪文. 接觸式拖拉機導航控制系統[J].農業機械學報,2008,39( 1) : 97 -101.
[8] 近藤直,門田充司,野口伸. 農業機器人: Ⅰ. 基礎與理論[M]. 孫明,李民贊,譯. 北京: 中國農業大學出版社,2009: 143 - 144.
收藏