基于激光雷达传感器的农业机器人车辆地头转向研究

摘要

我国工业紧跟时代步伐，工业化和城市化进程不断加速向前深入发展，人民生活水平不断得到提高，农村青壮年劳动力走进城市，融入城市生活，加剧了农村劳动力人口流失，土地的耕作迫切需要农业机械化的发展。果园农业作为农业的组成部分，发展果园农业需要提高果园农业机器人车辆的自动化与智能化，改善果园生产——修剪、喷药、收获等作业效率，降低劳动力使用成本。目前，农业机器人车辆大多数研究集中在果树行内的自主导航，在果园中开展行尾地头转向路径规划的研究较少，但是农业机器人车辆自主完成路径规划并正确地定位以进入下一行是至关重要的。本文基于差速转向农业机器人车辆开展基于密植桃园行尾地头转向路径规划研究，这也是对果园车辆自主导航内容的重要补充。本课题的主要内容有:
　　1.对果园农业机器人车辆平台和平台主要设备作了详细的研究，包括PWM脉宽信号隔离变送器、激光雷达传感器的特点、距离测量原理以及与上位机的通信、驱动模块、上位机与下位机、农业机器人车辆硬件之间的电路连接。
　　2.对LMS291-S05型激光雷达传感器参数配置测试与方法、波特率配置命令、扫描角度和扫描角度分辨率配置命令、数据传输指令以及数据输入输出的语法格式等方面进行了研究;研究了激光雷达传感器标定原理，并选择墙面作为标定模板;设定最小扫描角度分辨率，准确提取果树位置信息，使得农业机器人车辆能在果树行中自主行走。
　　3.建立农业机器人车辆的运动学模型，准确判定农业机器人车辆到达行尾地头，测定出地头宽度，拟合出农业机器人车辆在果树行间行走的路径，行走采用模糊控制方式，并对农业机器人车辆行间行走与行尾地头转向的工作原理与策略选择进行了研究。
　　4.根据农业机器人车辆的运动学方程对行尾地头转向路径进行仿真分析;在地头宽度充足条件下，对农业机器人车辆U型地头转向生成路径进行分析和在地头宽度不足条件下，对农业机器人车辆K型地头转向生成路径进行分析;对层次分析法的基本原理进行研究，并对各生成的仿真路径进行评价，判断出在各自条件下的各路径的权重，比较权重得出最优路径。
　　5.对农业机器人车辆在初始出发位置不存在偏移量和存在偏移量条件下，分别对其在果树行间行走，验证模糊控制算法的稳定性;在地头宽度充足与不足条件下，分别对U型地头转向和K型地头转向进行试验并对结果进行分析。
　　U型地头转向时方向偏角与横向偏移均值为15.6°、13.7cm，K型地头转向时方向偏角与横向偏移均值为13.7°、13.9cm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 果园农业机器人车辆国外研究概况

1．3 果园农业机器人车辆国内研究概况

1．4 本文研究目的与内容

1．5 本章小结

第二章 果园农业机器人车辆平台搭建

2．1 工作原理

2．2 PWM脉宽信号隔离变送器

2．3 驱动模块

2．3．1 电机控制器

2．3．2 驱动电机

2．4 激光雷达传感器

2．4．2 LMS291-S05型激光雷达传感器距离测量原理

2．4．3 LMS291-S05型激光雷达传感器与上位机通信

2．5 上位机模块

2．6 下位机模块

2．7 农业机器人车辆电路连接

2．8 本章小结

第三章 LMS291-S05型激光雷达传感器调试与标定

3．1 激光雷达传感器参数配置测试与方法

3．2 激光雷达传感器的标定

3．2．1 外标定原理

3．2．2 设定最小扫描角度分辨率

3．2．3 果树位置信息提取

3．3 本章小结

第四章 果园农业机器人车辆行尾地头转向模型建立

4．1 车辆差速转向模型

4．2 农业机器人车辆到达果园地头的判定与地头宽度的测定

4．3 农业机器人车辆在果树行间行走的路径规划与控制

4．3．1 农业机器人车辆在果树行间行走的拟合路径

4．3．2 模糊控制

4．3．3 农业机器人车辆的行间行走与行尾地头转向控制方法

4．4 本章小结

第五章 行尾地头路径仿真分析与评价

5．1 行尾地头转向路径仿真与分析

5．2 行尾地头转向生成路径评价与行尾地头转向路径选择

5．2．1 路径评价方法

5．2．2 在地头宽度充足条件下行尾U型地头转向各路径的总权重

5．2．3 在地头宽度不足条件下行尾K型地头转向各路径的总权重

5．3 本章小结

第六章 农业机器人车辆行尾地头转向试验

6．1 试验条件

6．2 试验方案设计

6．2．1 行间行走试验方案设计

6．2．2 行尾地头转向试验方案设计

6．3 桃树行间行走试验与结果分析

6．3．1 初始无偏移量行间行走试验结果与分析

6．3．2 初始有偏移量行间行走试验结果与分析

6．4 桃树行尾地头转向试验与结果分析

6．4．1 行尾地头U型转向试验与结果分析

6．4．2 行尾地头K型转向试验与结果分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

7．3 本章小结

参考文献

致谢

研究生期间研究成果