[发明专利]一种基于SLAM的果园机器人导航方法

说明书

本发明公开了一种基于SLAM的果园机器人导航方法，果园机器人采用树干方位测量模块、里程计测量模块感知果园环境，并使用基于非线性优化的SLAM方案对感知数据进行融合，构建以二维树干坐标表征的果园地图，从而实现专用于果园环境下的移动机器人高精度建图与全局定位功能；所述果园地图的特征在于包含果园中所有树干的中心二维坐标，及每棵树干的轮廓拟合圆形半径，上述果园地图构建完毕后，还用于实现机器人在果园环境中的路径规划。本发明提出的导航方法能够实现机器人在果园环境中的高精度全局定位与“点到点”式地路径规划，从而达成对果园中各植株及其周边土壤环境进行差异化管理的目标，促进机器人技术在精准农业领域的应用。

技术领域

本发明属于农业机器人技术领域，具体涉及一种果园机器人基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)的果园机器人导航方法。

背景技术

精准农业被视为未来农业的发展方向，同时机器人技术的兴起也大大提升了农业的生产效率。果园环境中，精准农业理念下的机器人需对每一植株个体及其周边土壤环境执行高分辨率地信息收集任务，并根据每一植株生长状况定制不同的植保方案，以此显著地节约肥、水、药等资源，并提高优质果率。此外机器人还需自动执行果实采摘、运输等任务。

现有的果园导航方法多是使用传感器提取机器人两侧树行的中心线，并将其作为机器人的目标运动轨迹，这类方法仅能够满足机器人在果园中自主巡航的功能，而在精准农业领域，需要实现厘米级地高精度全局定位与“点到点”式地路径规划，才能实现对各植株及其周边土壤环境的差异化管理。因此，果园环境下机器人的高精度定位与路径规划是必须要实现的技术。

发明内容

本发明提供了一种基于SLAM的果园机器人导航方法，用以解决精准农业理念下机器人在果园环境下的高精度全局定位与路径规划问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于SLAM的果园机器人导航方法，包括：

果园机器人采用树干方位测量模块、里程计测量模块感知果园环境，并使用基于非线性优化的SLAM方案对感知数据进行融合，构建以二维树干坐标表征的果园地图，从而实现专用于果园环境下的移动机器人高精度建图与全局定位功能；所述果园地图的特征在于包含果园中所有树干的中心二维坐标，及每棵树干的轮廓拟合圆形半径，上述果园地图构建完毕后，还用于实现机器人在果园环境中的路径规划。

本发明进一步的改进在于，树干方位测量模块使用的传感器包括一个单目相机与一个单线激光雷达，其中由单目相机获取环境图像，并基于由深度学习方法训练得到的树干检测模型，实时地检测机器人周围树干在图像中的位置，并标定相机与激光雷达的外参矩阵，将雷达感知的点云投影到图像中，获取图像中树干像素的深度信息，从而得到树干相对机器人的方位。

本发明进一步的改进在于，里程计测量模块使用的传感器包括机器人底盘的轮速计与陀螺仪，这两种传感器的数据通过航迹推算方法计算机器人位姿变换的一种测量。

本发明进一步的改进在于，SLAM方案采用基于非线性优化的SLAM技术将果园建图问题建模成非线性最小二乘问题，求解变量为机器人建图过程中的全运动轨迹与果园地图，步骤为：

I：建图开始，设置机器人初始位姿，初始化非线性最小二乘问题；

II：获取当前时刻树干方位测量模块观测到的树干方位信息；

III：若里程计模块观测到此时机器人位姿相对上一时刻的变换超过设定阈值，则进入步骤IV，否则重复步骤II；

IV：将当前时刻机器人轨迹点加入最小二乘问题待求解变量中，并将当前时刻由里程计测量得到的误差项加入到最小二乘问题的损失函数中；