一种果园机器人及其多超声视频点组合导航方法技术

一种果园机器人及其多超声视频点组合导航方法，果园机器人包括行进机构以及设置在行进机构上方的定位导航单元安装平台，定位导航单元安装平台的四周安装有定位导航单元，定位导航单元具有能够通过控制模块调节拍摄角度的摄像头以及能够与摄像头随动的超声波传感器；在定位导航单元安装平台的上方固定有采摘平台，采摘平台上设置有采摘机械抓及果实收纳盒。导航方法包括首先使摄像头读取环境信息并提取果树树干特征，控制模块命令电机驱动摄像头对准树干中心线，超声波传感器测得此时摄像头与树干之间的距离，角度测量模块记录摄像头相对于初始位置旋转的角度，利用得到的角度距离组合信息完成对果园机器人的定位导航。本发明专利技术成本低，定位精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种果园机器人及其多超声视频点组合导航方法
本专利技术涉及定位导航技术，具体涉及一种果园机器人及其多超声视频点组合导航方法。
技术介绍
我国是全球最大的水果生产国，但果园工作仍以人力劳作为主，劳动强度大，生产效率低。近年来随着工业化进程的加快以及人口老龄化的加剧，农村劳动力急剧减少，以自主导航为关键技术的农业机器人越来越得到科研者的重视。在果园中，由于机器人频繁在树冠下运动，以往的GPS定位导航存在着卫星信号被树枝叶遮挡、多路径效应和射频干扰等缺点；电磁定位导航用于电缆铺设和维护的成本较高，且不能满足机器人高速行走的要求；超声波定位导航感知的环境信息少，且可靠性不足；激光扫描定位导航在果树缺失时无法单独完成定位工作；视觉传感器虽可以采集大量的环境数据，但易受果园复杂环境的影响，单独工作很难满足实际要求，只能作为辅助的定位导航方式。单一的传感器很难满足果园机器人定位导航系统的精度和可靠性要求，因此，需要设计一种能够将多种传感器联合起来进行构建的定位导航系统，通过信息融合来获得更加完善的环境信息，实现快速定位导航。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种果园机器人及其多超声视频点组合导航方法，成本较低、适用性强，能够满足果园机器人行间高精度作业的要求。为了实现上述目的，本专利技术果园机器人采用的技术方案为：包括行进机构以及设置在行进机构上方的定位导航单元安装平台，定位导航单元安装平台的四周安装有定位导航单元，所述的定位导航单元具有能够通过控制模块调节拍摄角度的摄像头以及能够与摄像头随动的超声波传感器；在定位导航单元安装平台的上方通过支撑立柱固定有采摘平台，采摘平台上设置有采摘机械抓以及果实收纳盒。定位导航单元安装平台采用与果园植株间距相配合的矩形平台，定位导航单元分别固定在其四角。定位导航单元包括驱动电机以及沿竖直方向通过减速器与驱动电机相连的超声波传感器，超声波传感器上方固定有摄像头安装支架，摄像头与摄像头安装支架铰接并能够在俯仰方向调节拍摄角度；所述的驱动电机下方安装有用于记录旋转角度的旋转编码器。本专利技术果园机器人的多超声视频点组合导航方法，包括以下步骤：第一步、对定位导航单元的位置进行初始化，使果园机器人沿果园移动，通过定位导航单元的摄像头获取环境信息，并根据获取到的环境信息提取果树特征；第二步、设定树干的截面直径阈值，取距离果园机器人最近的树干信息并确定出树干中心线，将树干中心线所在像素坐标传送给控制模块，控制模块调节摄像头的拍摄角度，使摄像头对准树干中心线，记录下摄像头相对于初始位置旋转的角度，并通过超声波传感器检测出摄像头对准树干中心线时二者之间的距离；第三步、通过果园机器人同侧的定位导航单元测得的数据求得行驶道路边缘直线在机器人坐标系中的直线方程，使用行驶道路两侧边缘直线方程求得行驶道路中心线方程；第四步、根据环境信息设定道路中心线阈值，重复第一、二、三步，得到多个行驶道路中心线方程，舍去超出道路中心线阈值的数据，求取行驶道路中心线方程的斜率平均值及行驶直线与机器人坐标系x轴交点与机器人坐标系原点距离的平均值，构建道路中心线方程；第五步、根据行驶道路中心线方程的斜率平均值及行驶直线与机器人坐标系x轴交点与机器人坐标系原点距离的平均值得到道路中心线与果园机器人中心线之间的偏角以及距离，将数据传送给控制模块来消除偏差，完成对果园机器人的定位导航。所述的第一步在进行初始化时假定四组摄像头的水平工作范围为0～θ1max、0～θ2max，摄像头的俯仰工作范围为-45°～45°；以果园机器人的几何中心为原点，建立机器人坐标系，令定位导航单元在机器人坐标系中的坐标为(a,b)、(-a,b)、(-a,-b)、(a,-b)；所述的第二步当四组摄像头全部对准树干中心线时，记录此时摄像头相对于初始位置旋转的角度θ1、θ2；超声波传感器测得此时摄像头与树干中心线之间的距离L1、L2、R1、R2；四棵果树的树干中心线在机器人坐标系中的坐标：左1：左2：右1：(a+R1cosθ1，b+R1sinθ1)；右2：(a+R2cosθ2，-b-R2sinθ2)；通过以上坐标求解出行驶道路边缘直线在机器人坐标系中的直线方程，并使用行驶道路两侧边缘直线方程求得行驶道路中心线方程，表示为y＝kx+b。所述的第四步在果园机器人前进的时间△t内，重复第一、二、三步，得到n个行驶道路中心线方程，其斜率为k1～kn，行驶道路中心线与机器人坐标系x轴交点到机器人坐标系原点的距离为x1～xn，根据环境信息设定道路中心线阈值，在n条行驶道路中心线中舍去超出道路中心线阈值的数据，求取行驶道路中心线方程的斜率平均值ka及行驶直线与机器人坐标系x轴交点与机器人坐标系原点距离的平均值xa，构建道路中心线方程y＝ka(x-xa)；所述的第五步根据行驶道路中心线与机器人坐标系Y轴间的偏角△α以及机器人偏离行驶道路中心线的距离△x，通过控制模块消除偏差，实现果园机器人沿果园行列行走。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：首先通过摄像头检测果树的位置，然后通过随动的超声波传感器测量果树与摄像头之间的距离，分布在定位导航单元安装平台四周的定位导航单元能够快速获取较为完整的果园环境信息，本专利技术通过将果园机器人视觉导航与超声波导航相结合，减弱了环境噪声对视觉传感器的影响，同时又弥补了超声波传感器感知环境信息少的缺点，能够不依赖于GPS定位，也不必对果园环境进行人为改造，该机器人的制造成本低，方案适用性强，能够满足果园机器人行间高精度作业的要求。附图说明图1本专利技术定位导航单元的结构示意图；图2本专利技术果园机器人的装配结构示意图；图3本专利技术定位导航单元位姿初始化及工作范围示意图；图4本专利技术定位导航方法的流程图；图5本专利技术机器人与果树的相对关系场景一图；图6本专利技术机器人与果树的相对关系场景二图；图7本专利技术机器人与果树的相对关系场景三图；图8本专利技术机器人与果树的相对关系场景四图；图9本专利技术机器人与果树的相对关系场景五图；图中：1-摄像头；2-超声波传感器；3-减速器；4-驱动电机；5-旋转编码器；6-行进机构；7-定位导航单元安装平台；8-定位导航单元；9-采摘平台；10-采摘机械抓；11-果实收纳盒。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。参见图1，本专利技术的果园机器人包括四个定位导航单元8，定位导航单元8由摄像头1、超声波传感器2、减速器3、驱动电机4、旋转编码器5组成，摄像头1与超声波传感器2随动，在驱动电机4的驱动下水平转动。四个定位导航单元8在机器人上的安装方式如图2所示，分别安装在定位导航单元安装平台7的四角。本实施例中果园植株间距为Δd，行间距为w，机器人宽2a，长2b，摄像头视角为60°，保证机器人移动的过程中，摄像头的视野总能覆盖一颗果树。本专利技术果园机器人的多超声视频点组合导航方法，包括以下步骤：第一步，如图3所示，对定位单元的位姿进行初始化，初始位置摄像头1的朝向与行进机构6的履带缠绕方向垂直，摄像头1的水平工作范围为0～θ1max、0～θ2max，俯仰工作范围为-45°～45°，调整摄像头1的俯仰角度，使其能够清晰的拍摄树干。以机器人1的几何中心为原点，建立机器人坐标系，确定四个定位导航单元在机器人坐标系中的坐标(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种果园机器人，其特征在于：包括行进机构(6)以及设置在行进机构(6)上方的定位导航单元安装平台(7)，定位导航单元安装平台(7)的四周安装有定位导航单元(8)，所述的定位导航单元(8)具有能够通过控制模块调节拍摄角度的摄像头(1)以及能够与摄像头(1)随动的超声波传感器(2)；在定位导航单元安装平台(7)的上方通过支撑立柱固定有采摘平台(9)，采摘平台(9)上设置有采摘机械抓(10)以及果实收纳盒(11)。

【技术特征摘要】
1.一种果园机器人，其特征在于：包括行进机构(6)以及设置在行进机构(6)上方的定位导航单元安装平台(7)，定位导航单元安装平台(7)的四周安装有定位导航单元(8)，所述的定位导航单元(8)具有能够通过控制模块调节拍摄角度的摄像头(1)以及能够与摄像头(1)随动的超声波传感器(2)；在定位导航单元安装平台(7)的上方通过支撑立柱固定有采摘平台(9)，采摘平台(9)上设置有采摘机械抓(10)以及果实收纳盒(11)。2.根据权利要求1所述的果园机器人，其特征在于：所述的定位导航单元安装平台(7)采用与果园植株间距相配合的矩形平台，定位导航单元(8)分别固定在其四角。3.根据权利要求1所述的果园机器人，其特征在于：所述的定位导航单元(8)包括驱动电机(4)以及沿竖直方向通过减速器(3)与驱动电机(4)相连的超声波传感器(2)，超声波传感器(2)上方固定有摄像头安装支架，摄像头(1)与摄像头安装支架铰接并能够在俯仰方向调节拍摄角度；所述的驱动电机(4)下方安装有用于记录旋转角度的旋转编码器(5)。4.一种基于权利要求1-3中任意一条权利要求所述的果园机器人的多超声视频点组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、对定位导航单元(8)的位置进行初始化，使果园机器人沿果园移动，通过定位导航单元(8)的摄像头(1)获取环境信息，并根据获取到的环境信息提取果树特征；第二步、设定树干的截面直径阈值，取距离果园机器人最近的树干信息并确定出树干中心线，将树干中心线所在像素坐标传送给控制模块，控制模块调节摄像头(1)的拍摄角度，使摄像头(1)对准树干中心线，记录下摄像头(1)相对于初始位置旋转的角度，并通过超声波传感器(2)检测出摄像头(1)对准树干中心线时二者之间的距离；第三步、通过果园机器人同侧的定位导航单元(8)测得的数据求得行驶道路边缘直线在机器人坐标系中的直线方程，使用行驶道路两侧边缘直线方程求得行驶道路中心线方程；第四步、根据环境信息设定道路中心线阈值，重复第一、二、三步，得到多个行驶道路中心线方程，舍去超出道路中心线阈值的数据，求取行驶道路中心线方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孙安，马健平，朱瑞祺，陈先益，蔡稳牢，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61