[发明专利]一种田间作物表型监测机器人及其导航方法

权利要求书

1.一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)预先标记GPS航点位置；

(2)对航点大地坐标进行坐标转换并根据航点顺序计算相邻航点间的航线位置及方向；

(3)通过GPS与IMU装置获取机器人的实时位置及姿态信息，计算机器人位姿与航线的横向偏差及角度偏差；

(4)通过对田间秸秆覆盖度、土壤水分含量、土壤紧实度因素对车轮速度的影响进行分析，构建秸秆与土壤因素对车轮速度影响的数学模型，根据该模型建立机器人路径跟踪算法，以实现惯性导航偏差校正；其中：

所述田间秸秆覆盖度、土壤水分含量、土壤紧实度因素对车轮速度的影响，包括对田间秸秆覆盖度、土壤水分含量、土壤紧实度因素的实际测试分析，并结合实际获取的车轮速度，构建秸秆与土壤因素对车轮速度影响的数学模型；具体为：

所述秸秆因素，包括秸秆覆盖度，测试方法采用无人机低空获取田块航拍图像，对图像进行HSV颜色空间提取，筛选出秸秆部分并计算像素点数量，通过秸秆部分像素点数量与图像总像素点数量间的比值计算秸秆覆盖度；所述土壤因素，包括土壤水分含量及土壤紧实度，土壤水分含量采用土壤水分含量传感器进行获取，土壤紧实度采用土壤紧实度传感器进行获取，二者均采集多次后求取平均值；在机器人运行过程中，采用光电测速传感器对机器人于农田运行过程中的车轮实际速度进行获取，并与设定速度进行比较，计算速度差值，通过对不同秸秆覆盖、土壤水分含量、土壤紧实度的田块进行结果对比，根据三者对于速度影响的不同情况，赋予不同大小的权重，构建对车轮速度影响的数学模型。

2.根据权利要求1所述的一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，通过对移动机器人的结构、运动状态及实际田间路面参数进行分析，构建移动机器人的运动模型，并采用Labview软件编写车载电脑程序进行运动控制。

3.根据权利要求1所述的一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，所述对航点大地坐标进行坐标转换，包括获取GPS输出的WGS-84大地坐标，以WGS-84参考椭球为基准进行高斯投影，然后通过相似变换进行平面坐标强制转换，将高斯投影后的平面坐标强制统一到国家54坐标系，上述转换过程采用C++语言进行编码，并创建动态链接库，供机器人控制软件实时调用。

4.根据权利要求1所述的一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，所述计算相邻航点间的航线，包括计算航线上任一点的具体坐标及航线方向与正北方向的夹角；所述机器人位姿与航线的横向偏差及角度偏差，包括机器人实时位置到航线的垂直距离以及机器人航向角与航线方向的夹角大小。

5.根据权利要求1所述的一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，所述惯性导航偏差校正，包括横向偏差校正与角度偏差校正，所述横向偏差校正及角度偏差校正方法，通过建立路径跟踪算法来实现；其中，所述路径跟踪算法的建立，依赖于秸秆与土壤因素对车轮速度影响的数学模型，所述路径跟踪算法用于计算偏差大小及规划调整路径。

6.根据权利要求1所述的一种田间作物表型监测机器人的导航方法，其特征在于，所述田间作物表型监测机器人包括车身平台，电源装置，运动控制装置，环境信息传感器装置及作物生长信息传感器装置；

所述车身平台用于承载及安装；

所述电源装置用于为所述运动控制装置及各传感器装置供电；

所述运动控制装置包括运动控制箱及轮式底盘，所述运动控制箱用于控制机器人运动状态；所述轮式底盘用于实现机器人运行；

所述环境信息传感器装置包括高清相机，GPS，十轴陀螺仪及温湿度传感器；其中，所述高清相机用于田间实时高清图像获取，能够实现田间障碍识别及避障路径规划；所述GPS能够实时获取移动机器人的地理位置信息，用于移动机器人的导航路径规划及自主导航；所述十轴陀螺仪能够获取移动机器人的实时航向角，偏移角，角速度信息及加速度信息，用于移动机器人的路径校正；所述温湿度传感器用于获取环境中的实时温湿度信息；

所述作物生长信息传感器包括主动光源式作物生长监测传感器及被动光源式作物生长监测传感器，用于作物生长信息的实时、准确、高通量获取。