基于LiDAR多维点云优化的垄作菊花采摘机器人自主导航方法研究

摘要

[目的]针对田间作业环境复杂导致金丝皇菊采摘机器人行走不稳定、生产效率低的问题，本文设计了一种基于LiDAR多维点云优化的菊花采摘机器人自主导航系统，以实现机器人在农田中的精准作业与高效生产。[方法]通过履带式底盘搭载的Velodyne 16线激光雷达获取田间三维点云信息，并对其进行坐标校正和体素滤波预处理。提出了一种多维点云优化算法，可按照金丝皇菊植株生长特性获取不同坐标轴下的有效点云特征，生成左右两侧垄沟线；并采用改进纯跟踪控制算法对最小二乘法拟合得到导航基准线进行跟踪导航。[结果]通过对Stanley控制算法和改进纯跟踪控制算法进行仿真试验，改进纯跟踪算法表现出更高效的跟踪性能。利用金丝皇菊采摘机器人在南京市湖熟菊花园进行实地试验。试验结果表明，基于LiDAR多维点云优化的自主导航算法横向平均绝对误差为0.047 4 m,标准差值为0.030 6 m,位置偏差绝对值为0.078 9 m,航向平均绝对误差为2.177°,标准差值为2.589°,横向平均绝对误差减小67.13%,离散程度降低48.34%。[结论]本文提出的基于LiDAR多维点云优化算法和改进纯跟踪算法可以有效提高导航精准度，改善系统抗干扰性，导航效果较好，从而保证金丝皇菊采摘机器人的精准作业。

关键词

金丝皇菊自主采摘 / 履带式机器人 / 激光雷达 / 田间自主导航 / 点云处理

基金资助

江苏省现代农机装备与技术示范推广项目(NJ2021-11)