西瓜棚巡检机器人自动导航关键技术研究.pdf

摘要

农机自动导航是实现农业现代化的关键基础技术之一，对研究解决农机智

能装备先进技术供给与需求具有重要的科研与应用价值，对研究更加智能和自

动化程度更高的农业机器人对提升农业生产效率具有重要意义。针对农机在山

区、农田、大棚、大树等环境中进行作业，卫星导航性能极易受到环境影响，

定位和导航服务性能大幅降低，存在受环境干扰导致GNSS定位失调、INS导航

误差较大等问题。本文对兼顾大棚及农田环境下的西瓜巡检机器人自动导航展

开研究，对农业机械定位技术进行分析，确定了RTK定位和IMU组合导航方

案，设计出一套基于Kalman滤波的GNSS/INS组合导航的巡检机器人自主定位

导航控制系统，使得巡检机器人可以实时高频采集高精度的位置和姿态信息，

追踪作业路径轨迹以及动态避障，以及搭载相机等设备实现对农作物病虫害数

据收集，进一步高效代替人工完成巡检工作。本文的主要研究内容如下：

（1）巡检机器人导航系统方案设计。通过调研分析巡检机器人的实际项目

需求，对机器人的硬件结构进行设计和选型。基于巡检机器人在大棚和农田环

境下硬件系统的性能要求，机器人移动平台选用履带式的，进行巡检作业采用

机械臂搭载相机的方式，选用工业控制机作为机器人的控制核心，通过CAN通

信协议完成工控机与移动平台的信息接收，确定了RTK定位和IMU测姿的组合

方式进行定位导航，以及使用多线激光雷达感知目标障碍物。巡检机器人软件

系统是基于Linux的Ubuntu20.04开发设计，使用Qtdesigner设计人机交互平台

发布机器人导航任务，核心控制基于ROS开发包括路径规划、目标定位以及动

态避障等，实现巡检机器人的自动导航控制。

（2）对GNSS/INS组合导航定位算法研究。首先，围绕巡检机器人在西瓜

大棚中进行自动导航需求，设计出一套基于全球导航卫星系统（GNSS）和惯性

导航系统（INS）的组合导航方案。其次，根据IMU输出的三轴角速度、加速

度信息以及RTK设备输出高精度的三轴位置、速度信息，采用松耦合模式，通

过Kalman滤波对INS误差实时校正，解算出巡检机器人的精准位置、速度和姿

态信息，为实现机器人自动导航提供精准的定位信息。最后，设计滤波仿真实

验，验证Kalman滤波算法对非线性状态估计的优化效果。

（3）对机器人路径追踪控制方法研究。设计巡检机器人导航控制原理，通

过对机器人移动平台进行运动学建模分析，根据导航控制原理以及预瞄点搜索

追踪目标点，提出一种确定预瞄点、预瞄距离的方法，使用PID控制算法对巡

检机器人自动导航转向进行控制并实时纠正航向偏差。设计试验，验证巡检机

器人在大棚环境中自动导航追踪路径的稳定性和准确性。

（4）对巡检机器人避障控制研究。设计出一种基于多线激光雷达检测障碍

物的控制算法，通过建立激光雷达坐标及转换，对获取的点云信息进行点云噪

点过滤、分割地面和非地面点云预处理，对剩余的点云使用欧几里得算法进行

聚类处理，得到的点云团簇用来判断障碍物大小，然后通过设定阈值判断控制

机器人进行自动避让。设计巡检机器人自动导航过程中的避障试验，将避障控

制算法集成到巡检机器人，在实际作业环境中验证巡检机器人的避障性能。

关键词：自动导航；农业巡检机器人；组合定位；自动追踪

Abstract

Automaticnavigationofagriculturalmachineryisoneofthekeybasic

technologiestorealizeagriculturalmodernization,whichhasimportantscientific

researchandapplicationvalueforresearchingandsolvingthesupplyanddemandof

advancedtechnologyofagriculturalintelligentequipmentandisofgreatsignificance

forresearchingmoreintelligentandmoreautomatedag