CN112385398A - 一种用于自动采摘农机的高精度定位方法 - Google Patents

一种用于自动采摘农机的高精度定位方法 Download PDF

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黄龙
任振兴
赵悦
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    • A01D46/30—Robotic devices for individually picking crops
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明公开了一种用于自动采摘农机的高精度定位方法。该方法通过卫星导航定位单元提供农机地理位置信息，通过扫描机构、高精度探测器和测距单元提供采集对象或障碍物的精确三维空间信息，并建立位置信息索引表。其次根据工作模式是行驶模式还是采摘模式而进行不同的操作；如果是行驶模式，将根据农机地理位置信息和障碍物位置索引表优化行驶路径，调整行驶方向；如果是采摘模式，将根据采摘目标和障碍物信息设置采摘路径，进行采摘。本发明所述方法可以实现对农机自身位置与果实等采摘对象的高精度三维定位，为农机自动行驶和自动采摘的提供有效的数据支撑。

Description

一种用于自动采摘农机的高精度定位方法
技术领域
本发明属于农机领域，具体涉及一种用于自动采摘农机的高精度定位方法。
背景技术
农业机械的自动化和智能化是实现农业可持续发展的重要途径。比如用于水果、蔬菜、茶叶等自动采摘机械，可以把人从单调重复的劳动中解放出来，显著提高作业精度，避免重复作业，降低生产成本，提高投入产出比，对现代农业的发展具有重大意义。
自动采摘农机需要实现对果实的识别与定位，同时农机自身也要具有导航定位功能，以实现自主行走。目前往往需要采用多个传感器分别实现这些功能，具有成本高、安装复杂等问题。传统的定位方法存在大视场与高精度之间的矛盾。执行器末端的视觉系统视场一般比较小，如果要实现大范围的探测，往往需要中断采集过程，并让末端执行机构一起运动，才可以完成大范围的扫描功能。另外，传统的单目视觉系统往往缺少深度信息，双目视觉的深度信息在距离远的情况下准确度不够，这些都影响了对目标的准确判断，进而影响了准确、高效的采摘。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提出适用于自动采摘农机的高精度定位方法。本方法一方面要通过视觉系统进行果实等采摘对象的识别与定位。此时视觉系统性能是决定对果实等采摘对象识别、定位精度和效率的重要因素，对采摘效果有着直接的影响；另一方面在自动驾驶过程中，视觉系统可帮助农机实现自动定位和准确避障。
本发明所述的用于自动采摘农机的高精度定位方法如图1所示，具有如下步骤：首先通过卫星导航定位单元提供农机地理位置信息，通过扫描机构、高精度探测器和测距单元提供采集对象或障碍物的精确三维空间信息，并建立位置信息索引表；其次根据工作模式是行驶还是采摘进行不同的操作，如果是行驶模式，将根据农机地理位置信息和障碍物位置索引表优化行驶路径，调整行驶方向；如果是采摘模式，将根据采摘目标和障碍物信息设置采摘路径，进行采摘。
本发明所述的自动采摘农机的高精度定位方法中所使用的装置如图2所示。图2中包括多用途定位装置1，机械臂2，农机移动平台3。多用途定位装置1包括五部分：第一部分是探测器101；第二部分是扫描机构102，第三部分是电控单元103，第四部分是测距单元104，第五部分是卫星导航定位单元105。多用途定位装置1安装于机械臂2的末端，机械臂2安装于农机移动平台3之上。
多用途定位装置可以随着机械臂运动，并靠近采摘对象，近距离观察。同时扫描机构102可以自主运动从而扩大探测器101的视场。扫描机构102采用基于旋转双棱镜(Risley棱镜)的光束偏转机构。扫描机构102可控制两个棱镜同轴独立旋转，实现光束的大角度偏转，具有结构紧凑、刚度高、响应迅速的特点。每个棱镜可以向一个方向旋转(也可双向旋转)，通过调整两个棱镜之间的旋转角度差值，实现不同扫描的轨迹。测距单元104可以实现测距功能。电控单元103实现对探测器101的图像采集处理功能、对扫描机构102的控制功能、对测距单元104和卫星导航定位单元105的数据处理功能。
发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明提出的多自动采摘农机的高精度定位方法，通过扫描机构可以扩大扫描视场，兼顾大范围和高精度探测，可为采摘和行驶过程的路径规划提供有效数据支撑。在采摘过程中可以实现对果实等的精确定位，还可以在农机行驶过程中实现视觉导航和避障。
2.本发明提出的自动采摘农机的高精度定位方法中所用的定位装置结构紧凑、响应迅速，不需要机械臂的移动即可实现大范围的扫描，节省了能源，提高了效率。
附图说明
图1为本发明提出的自动采摘农机的高精度定位方法流程图；
图2为本发明提出的自动采摘农机的高精度定位方法所用的多用途定位装置及其安装示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
首先结合图1介绍本发明提出的自动采摘农机的高精度定位方法的具体实现步骤：
步骤一、卫星导航定位单元测量农机地理位置；扫描机构按设定轨迹扫描，探测器进行实时探测；触发测距单元同步工作。
步骤二、根据扫描机构的位置和探测器上的目标位置，记录目标或障碍物的三维信息，形成位置信息索引表。
步骤三、根据工作模式是行驶模式还是采摘模式而进行不同的操作；如果是行驶模式，将根据农机地理位置信息和障碍物位置索引表优化行驶路径，调整行驶方向；如果是采摘模式，将根据采摘目标和障碍物信息设置采摘路径，进行采摘。
其次，结合图2介绍本发明提出的自动采摘农机的高精度定位方法所用的多用途定位装置。图2中包括多用途定位装置1，机械臂2，农机移动平台3。多用途定位装置1包括五部分：第一部分是探测器101；第二部分是扫描机构102，第三部分是电控单元103，第四部分是测距单元104；第五部分是卫星导航定位单元105。多用途定位装置1安装于机械臂2的末端，机械臂2安装于农机移动平台3之上。
多用途定位装置可以随着执行机构运动，并靠近采摘对象，近距离观察。同时扫描机构102可以自主运动从而扩大探测器101的视场。扫描机构102采用基于旋转双棱镜(Risley棱镜)的光束偏转机构。扫描机构102可控制两个棱镜同轴独立旋转，实现光束的大角度偏转，具有结构紧凑、刚度高、响应迅速的特点。每个棱镜可以只向一个方向旋转，通过调整两个棱镜之间的旋转角度差值，实现不同扫描的轨迹。测距单元104可以实现测距功能。电控单元103实现对探测器101的图像采集处理功能、对扫描机构102的控制功能以及测距单元104和卫星导航定位单元105的数据处理功能。
探测器101采用5°视场的探测器，具有分辨率高的特点，可以实现对果实等采摘对象的高精度定位。扫描机构102由2个旋转棱镜组成，每个棱镜顶角30°，折射率1.5，从而可以实现约60°范围内的扫描，大大扩大原有探测器视场的同时保持了高分辨率。测距单元104采用窄脉冲半导体激光器，具有功耗小、成本低的优势，同时可以实现高达2cm测距精度。电控单元103由高性能数字处理器、外部通信接口、功率驱动模块等组成，电控单元103与探测器101、扫描机构102和测距单元104之间采用高速串口互联，电控单元103完成信号同步采集、数据处理和光束偏转控制等功能。卫星导航定位单元采用北斗导航定位技术，定位精度可达±2.5cm。结合测距单元和大视场高精度扫描探测技术，可实现三维空间优于±2.5cm的高精度定位。
采摘之前，先通过电控单元103控制扫描机构102进行扫描，获取扫描视场范围内的图像，同时通过测距单元104实现高精度测距，获取扫描范围内的果实的三维位置，并对采摘过程进行轨迹优化，根据优化后的采集顺序，依次采集。这样可以节约时间和能源，并能减少遗漏。
农机行驶过程中，多用途定位装置可以对周围环境进行扫描和探测，提供自身与周围环境的高精度定位，实现自主高精度导航和避障。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种用于自动采摘农机的高精度定位方法，其特征在于该方法具有如下步骤：首先通过卫星导航定位单元提供农机地理位置信息，通过扫描机构、高精度探测器和测距单元提供采集对象或障碍物的精确三维空间信息，并建立位置信息索引表；其次根据工作模式是行驶模式还是采摘模式而进行不同的操作，如果是行驶模式，将根据农机地理位置信息和障碍物位置索引表优化行驶路径，调整行驶方向，如果是采摘模式，将根据采摘目标和障碍物信息设置采摘路径，进行采摘。
2.根据权利要求1所述的一种用于自动采摘农机的高精度定位方法，其特征在于卫星导航定位单位可实现采摘农机自身地理位置的精确定位；所述的三维空间信息即可实现对采摘对象和障碍物的精确定位，也可为农机自动行驶和自动采摘提供路径优化信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于自动采摘农机的高精度定位方法，其特征在于该定位方法采用视觉装置实现，该视觉装置包括探测器、扫描机构、电控单元、测距单元和卫星导航定位单元等五部分；扫描机构采用基于旋转棱镜(Risley棱镜)的光束偏转机构；扫描机构可控制两个棱镜同轴独立旋转，实现光束的大角度偏转；视觉装置安装于机械臂的末端，机械臂安装于农机移动平台之上；视觉装置可以随着机械臂运动，并靠近采摘对象，近距离观察；同时扫描机构可以自主运动从而扩大探测器的视场；测距单元可以实现测距功能。
4.根据权利要求3所述的一种用于自动采摘农机的高精度定位方法，其特征在于还包括电控单元，电控单元实现对探测器的图像采集处理功能、对扫描机构的控制功能、测距单元和卫星导航定位单元的数据处理功能。
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