【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及农业机械自动化领域，特别涉及一种循垄作业机器人导航线提取系统及方法。
技术介绍
1、传统农业机器人导航通常基于全球导航卫星系统提供的地理位置信息，通过标定电子围栏，在电子围栏内实行路径规划与跟踪，进而遍历作业田块，完成农业工序。然而，例如蔬菜、草莓、烟草等垄上种植作物，如果仅依靠地理位置信息进行导航，不参考田垄形状与走势进行导航作业，则会出现田垄损毁、对垄错位等现象，因此，对于循垄作业机器人作业导航线的提取，不能仅仅依靠循垄作业机器人本体地理位置信息，还需要融合田垄形状信息，综合生成导航线。
2、有些学者也关注到了农业机器人导航的问题，现有技术公开了一种农机导航线生成方法及装置，由视觉传感器采集大田图像并提取中心线苗列，现有技术公开了对分割后的作物行进行中心点标注，由左侧作物中心点和右侧作物中心点中点作为导航线插值点，再由这些插值点进行拟合生成导航线，由于视觉传感器受光照强度的影响较大，在大田使用有一定限制。
3、目前，田垄作业机器人导航线提取主要依靠视觉检测，通过识别作物苗位置的中点进行拟合，从而生成导航线，但实际应用中视觉系统易受作业空间光照的影响且计算量大。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种循垄作业机器人导航线提取系统及方法，解决了循垄作业机器人导航线精准提取的问题。
2、本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种循垄作业机器人导航线提取系统，包括定位信号接收器、单线
4、所述定位信号接收器用于将采样周期t采集的地理位置信息输送至信号处理模块；
5、所述惯性测量单元用于将采样周期t采集的机器人的航向角输送至信号处理模块；
6、所述单线激光雷达用于测量田垄环境并生成点云数据输送至信号处理模块；
7、所述信号处理模块包括位姿偏移量计算模块、中心位置更新模块、田垄导航线拟合模块、坐标转换模块、高程梯度计算模块、田垄边界点推理模块和中心位置决策模块；
8、所述位姿偏移量计算模块根据所述定位信号接收器和所述惯性测量单元输入的信息确定第t采样周期与第t-1采样周期所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量；
9、所述坐标转换模块根据单线激光雷达输入的第m帧数据第i采样点在所述单线激光雷达极坐标系下的坐标点的极径vmi和极角θmi转换为机器人坐标系下第m帧数据第i采样点的坐标点pmi；
10、所述高程梯度计算模块根据机器人坐标系下第m帧数据第i采样点确定第m帧数据第i采样点两侧的加权梯度gml(i)和gmr(i)，其中gml(i)为所述激光雷达第m帧第i个采样点的左侧加权梯度；gmr(i)为所述激光雷达第m帧第i个采样点的右侧加权梯度；
11、所述田垄边界点推理模块根据第i采样点两侧的加权梯度gml(i)和gmr(i)确定t-1采样周期第m帧所述田垄左侧面与垄顶平面交点lt-1m和t-1采样周期第m帧所述田垄右侧面与垄顶平面交点rt-1m；
12、所述中心位置决策模块根据t-1采样周期第m帧所述田垄左侧面与垄顶平面交点lt-1m和t-1采样周期第m帧所述田垄右侧面与垄顶平面交点rt-1m确定t-1采样周期第m帧田垄中心点
13、所述中心位置更新模块根据所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量将第t-1采样周期机器人坐标系下的田垄中心点集更新至第t采样周期机器人坐标系下的田垄中心点集其中n为所述单线雷达采样点总帧数：
14、所述田垄导航线拟合模块根据所述田垄中心点集进行田垄导航线模型拟合，并输出田垄导航线模型。
15、进一步，所述位姿偏移量计算模块根据所述定位信号接收器和所述惯性测量单元输入的信息确定第t采样周期与第t-1采样周期所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量，具体为：
16、
17、式中：
18、xt为所述机器人第t采样周期在世界坐标系下的x轴坐标值；
19、yt为所述机器人第t采样周期在世界坐标系下的y轴坐标值；
20、αt为所述机器人第t采样周期在世界坐标系下的航向角值；
21、xt-1为所述机器人第t-1采样周期在世界坐标系下的x轴坐标值；
22、yt-1为所述机器人第t-1采样周期在世界坐标系下的y轴坐标值；
23、αt-1为所述机器人第t-1采样周期在世界坐标系下的航向角值；
24、δxt为所述机器人第t采样周期与第t-1采样周期在世界坐标系下的x轴坐标值偏移量；
25、δyt为所述机器人第t采样周期与第t-1采样周期在世界坐标系下的y轴坐标值偏移量；
26、δαt为所述机器人第t采样周期与第t-1采样周期在世界坐标系下的航向角偏移量。
27、进一步，所述坐标转换模块根据单线激光雷达输入的第m帧数据第i采样点在所述单线激光雷达极坐标系下的坐标点的极径vmi和极角θmi转换为机器人坐标系下第m帧数据第i采样点的坐标点pmi(xmi，ymi，zmi)，具体为：
28、
29、式中：
30、xmi为所述激光雷达第m帧第i采样点在所述机器人坐标系下的xr轴坐标值；
31、ymi为所述激光雷达第m帧第i采样点在所述机器人坐标系下的yr轴坐标值；
32、zmi为所述激光雷达第m帧第i采样点在所述机器人坐标系下的zr轴坐标值；
33、vmi为所述单线激光雷达极坐标系下第m帧数据第i采样点极径，m；
34、θmi为所述单线激光雷达极坐标系下第m帧数据第i采样点极角，rad，θmi取值范围
35、a为所述机器人轴距，m；
36、τ为所述单线激光雷达安装角，rad；
37、i为所述单线激光雷达第m帧数据采样点序号，{i|0<i≤n’}，n’为所述单线激光雷达单帧总采样点；
38、进一步，所述高程梯度计算模块根据机器人坐标系下第m帧数据第i采样点确定第m帧数据第i采样点两侧的加权梯度gml(i)和gmr(i)，具体为：
39、
40、
41、式中：
42、gml(i)为所述激光雷达第m帧第i个采样点的左侧加权梯度；
43、gmr(i)为所述激光雷达第m帧第i个采样点的右侧加权梯度；
44、ωmk为所述激光雷达第m帧采样点第k索引下左侧加权梯度系数；
45、ψmk为所述激光雷达第m帧采样点第k索引下右侧加权梯度系数；
46、zmi为所述激光雷达第m帧第i点在zr轴坐标值；
47、xmi为所述激光雷达第m帧第i点在xr轴坐标值；
48、i为所述单线激光雷达采样点序号；
49、k为索引序号，k∈{1,2,3}。
50、进一步，所述田垄边界点本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，包括定位信号接收器(1)、单线激光雷达(3)、惯性测量单元(2)和信号处理模块(4)；
2.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述位姿偏移量计算模块(41)根据所述定位信号接收器(1)和所述惯性测量单元(2)输入的信息确定第t采样周期与第t-1采样周期所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量，具体为：
3.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述坐标转换模块(44)根据单线激光雷达(3)输入的第m帧数据第i采样点在所述单线激光雷达极坐标系下的坐标点的极径Vmi和极角θmi转换为机器人坐标系下第m帧数据第i采样点的坐标点Pmi(Xmi，Ymi，Zmi)，具体为：
4.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述高程梯度计算模块(45)根据机器人坐标系下第m帧数据第i采样点确定第m帧数据第i采样点两侧的加权梯度Gml(i)和Gmr(i)，具体为：
5.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所
6.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述中心位置决策模块(47)根据t-1采样周期第m帧所述田垄左侧面与垄顶平面交点Lt-1m和t-1采样周期第m帧所述田垄右侧面与垄顶平面交点Rt-1m确定t-1采样周期第m帧田垄中心点具体为：
7.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述中心位置更新模块(42)根据所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量将第t-1采样周期机器人坐标系下的田垄中心点集更新至第t采样周期机器人坐标系下的田垄中心点集具体为
8.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述田垄导航线拟合模块(43)根据所述田垄中心点集进行田垄导航线模型拟合，具体为：
9.根据权利要求8所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，拟合次数阈值Tmax计算方法如下：
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的循垄作业机器人导航线提取系统的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，包括定位信号接收器(1)、单线激光雷达(3)、惯性测量单元(2)和信号处理模块(4)；
2.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述位姿偏移量计算模块(41)根据所述定位信号接收器(1)和所述惯性测量单元(2)输入的信息确定第t采样周期与第t-1采样周期所述机器人位置的偏移量和航向角的偏移量，具体为：
3.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述坐标转换模块(44)根据单线激光雷达(3)输入的第m帧数据第i采样点在所述单线激光雷达极坐标系下的坐标点的极径vmi和极角θmi转换为机器人坐标系下第m帧数据第i采样点的坐标点pmi(xmi，ymi，zmi)，具体为：
4.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述高程梯度计算模块(45)根据机器人坐标系下第m帧数据第i采样点确定第m帧数据第i采样点两侧的加权梯度gml(i)和gmr(i)，具体为：
5.根据权利要求1所述的循垄作业机器人导航线提取系统，其特征在于，所述田垄边界点推理模块(46)根据第i采样点两侧的加权梯度gml(i)...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，胡建平，周金浩，姚梦娇，张腾飞，熊云杰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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