CN113534184B - 一种激光感知的农业机器人空间定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光感知的农业机器人空间定位方法，包括如下步骤：步骤一.在定位空间中架设带测距功能的激光雷达，并设定三维坐标系统，激光雷达扫描获得定位空间中对象点云数据，点云数据包括相对激光雷达的方位角和距离；步骤二.激光接收器安装在农业机器人上，在移动过程中激光接收器接收激光雷达信号，当激光雷达发射的激光束照射激光接收器时，激光接收器输出激光信号数据和高程数据；步骤三.对激光雷达每个扫描周期内激光接收器得到的激光信号数据与激光雷达扫描获得的点云数据进行时间‑事件匹配，得到激光接收器中心位置的三维坐标。本发明运算量小、算法所用时间短，定位精度高，属于机器人导航定位领域。

Description

一种激光感知的农业机器人空间定位方法
技术领域
本发明涉及机器人导航定位领域，特别涉及一种激光感知的农业机器人空间定位方法。
背景技术
随着智能时代的到来，各行各业都随着高新技术的到来发生着巨大的变化，无人农场技术将会是现代农业的有力支撑，农业机器人会代替大部分人工操作作业。机器人技术定位导航技术是农业机器人实现自主移动的核心技术，农业作业环境存在大量的GNSS信息遮挡和缺失场景，如大棚、机库、桥梁等设施内，解决无(弱)GNSS信号准确定位问题，实现机器人进出设施连续准确和稳定定位是无人农场农业机器人自主移动的关键技术。
现有常用定位导航技术根据所用的主要传感器可以分为包括GNSS定位技术、激光定位技术、SLAM技术等。
(1)全球导航卫星系统(GNSS)可以在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候、无视天气因素影响的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。GNSS定位技术有定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、仪器操作简便、适应性强等优点，但其会受到很多方面的影响，包含大楼、高架桥、电波等等，导致不能实现完全定位，并且无法在室内进行精准定位。
(2)激光定位技术即通过激光雷达获取周围环境信息，加以一些辅助单元，对目标进行定位，适用于室内。三角定位方法是激光定位技术的主流方法，实施是在环境中布置安装一定数量反射板，在激光器扫描一周的过程中，计算得到激光器距离所有反光板的距离，同时根据感测时间和扫面周期，利用三角公式可以计算得到任意两块反光板之间的距离，将测量得到的距离与离线理论值进行比较从而匹配每个反光板的编号与位置信息。激光定位技术具有稳定、可靠、高性能连续、使用寿命长，后期改造成本低的特点，但激光易遮挡，在障碍物多的情况下，通过点云识别障碍物工作量大，分析困难。
(3)SLAM技术是在未知环境下，机器人在运动过程中实时观测地图特征，再根据自身位置的变化进行地图特征的匹配，从而完成定位和地图构建的技术。主流SLAM技术主要分为激光SLAM和视觉SLAM。早在2005年的时候，激光SLAM就已经被研究的比较透彻，框架也已初步确定，是目前最稳定、主流的定位导航方法。
针对激光定位技术中存在的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种运算量小、算法所用时间短的激光感知的农业机器人空间定位方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光感知的农业机器人空间定位方法，包括如下步骤：
步骤一.在定位空间中架设带测距功能的激光雷达，并设定三维坐标系统，激光雷达扫描获得定位空间中对象点云数据，点云数据包括相对激光雷达的方位角和距离。
步骤二.激光接收器安装在农业机器人上，在移动过程中激光接收器接收激光雷达信号，当激光雷达发射的激光束照射激光接收器时，激光接收器输出激光信号数据和高程数据。
步骤三.对激光雷达每个扫描周期内激光接收器得到的激光信号数据与激光雷达扫描获得的点云数据进行时间-事件匹配，得到激光接收器中心位置的三维坐标。
作为一种优选，步骤一中，点云数据的每个点数据包括障碍物距离激光雷达的距离、对应激光雷达起始扫描线的角度以及时间标签。
作为一种优选，步骤一中，激光雷达架设需保证激光扫描平面水平，安装高度已知，激光接收器安装在接收到激光扫描平面范围内，并根据激光照射到激光接收器，激光接收器反馈的高程数据得到激光接收器起始高度h1。
作为一种优选，激光接收器包括滤光外壳和感光阵列；滤光外壳消除环境光线；感光阵列感应激光信号，激光信号经信号处理输出为感应激光状态数据，感光阵列竖直方向分为多段，不同段感应到激光信号表达为激光接收器高程数据h'，每一帧激光信号数据包括一个感应激光状态数据以及其所对应的激光接收器高程数据h'，通过电动推杆保持激光接收器处于可接收到激光扫描平面的范围内，激光信号数据与激光雷达输出的点云数据均带有时间标签，激光雷达扫描一圈，获得激光雷达输出的一组点云数据以及激光接收器输出的一组激光信号数据。
作为一种优选，步骤三中，时间-事件匹配为根据激光接收器获取接收到激光信号的时间对应在点云数据中的点，由点代表在以激光雷达为坐标原点的三维坐标系统中固定在移动农业机器人上的激光接收器的位置，进而实现农业机器人的定位。
作为一种优选，步骤一中，三维坐标系统为：
将激光雷达发射激光的中心位置O(X,Y,H)设置为三维坐标系统的原点，设L1为激光雷达发射的第一条激光射线，Ln为激光雷达发射的最后一条激光射线，LR1为激光雷达发射并照射到激光接收器上的第一条射线，LRn为激光雷达发射并照射到激光接收器上的最后一条射线，射线LR1、LRn与激光接收器交点即为R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)。
所得的三维点云坐标由所对应的激光射线相对激光雷达发射的第一条激光射线的夹角ρ与所测相对距离d，通过公式x＝d·cosρ，y＝d·sinρ求得。
当激光雷达扫描一周时，通过激光信号数据中接收到激光信号的时间标签与激光雷达点云数据进行时间-事件匹配得到点R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)的坐标，从而得到此扫描周期的激光接收器中心位置的三维坐标
作为一种优选，高程数据h具体为，通过比较激光接收器起始高度对应的激光接收器起始高度h1与测量过程中所得激光接收器高程数据h'，当此时激光接收器高度低于激光接收器起始高度，h'为负值，激光接收器高度高于激光接收器起始高度，h'为正值，得到高程数据h，计算公式为：h＝H+(h1+h')。
作为一种优选，通过电动推杆保持激光接收器处于可接收到激光扫描平面范围内，具体为：若激光接收器脱离激光扫描平面范围，若最后的激光接收器高程数据h'为负值，则通过电动推杆将激光接收器上推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为正值；若最后的激光接收器高程数据h'为正值，则通过电动推杆将激光接收器下推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为负值；激光接收器起始高度改为h1+D。
作为一种优选，运算处理在使用范围内，以激光雷达为原点建立三维坐标系统，当移动农业机器人在激光雷达工作范围内，若激光接收器的两列感光片均有感光片感光，且两列感光片的感应单元连线与纵线夹角不垂直，则将夹角作为姿态造成的误差在点云计算中去除，若两列感光片只有一列感光片感光，为得到更准确的移动轨迹，则在点云计算中结合根据该时间段前后点对该点进行矫正，若两列感光片均无感光片感光，在点云计算中结合预测方法对该点进行预测。
获得预测的定位数据后，将定位数据整合到已设定好的全局坐标系中，通过与观测值进行匹配来决定舍弃数据，再将预测的激光接收器中心位置的三维坐标与所观测的激光接收器中心位置的三维坐标进行融合，以得到更精确的位置信息。
作为一种优选，激光雷达的数量为多台，一台激光雷达为主机，其他激光雷达为从机，通过坐标转换，从机为主机数据提供补充。以解决复杂环境中激光雷达和被定位设备之间的光路被阻挡问题，以及避免多个激光雷达的光路冲突。
本发明的原理是：
硬件部分主要由激光接收器、总线模块与激光雷达组成，激光接收器为固定在移动农业机器人上的标识物，总线模块转码并传输激光接收器的数据到处理器，激光雷达为构建定位坐标系的固定基准，本方法包括以下步骤：获取移动机器人在行使过程中激光接收器所得的激光信号数据，激光信号数据由激光接收器感应激光雷达发射激光束产生，具体反映接收到激光信号、未接收到激光信号两种状态，并带有时间标签；定位激光接收器的位置，激光信号数据通过总线模块转码与激光雷达扫描获得范围内障碍物点云数据传输到处理器，在处理器上对点云数据与激光信号数据进行时间-事件匹配，时间-事件匹配为根据激光接收器获取接收到激光信号的时间对应在点云数据中的点，由点即可代表在以激光雷达为坐标原点的坐标系中固定在移动机器人上的激光接收器的位置，进而实现移动机器人的定位。
本发明具有如下优点：
1.本发明不需要对激光雷达输出的所有点云数据进行处理，仅需找出与激光信号数据时间对应的点云中点，运算量小、算法所用时间短，计算方式可靠，定位精度高，抗干扰能力强，实现成本低。
2.通过安装设置多个激光雷达，解决激光光路被阻挡问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为激光雷达扫描一周数据获得的示意图。
其中，1为激光雷达，2为障碍物，3为激光接收器。
L1为激光雷达发射的第一条激光射线。
L682为激光雷达发射的最后一条激光射线。
LR1为激光雷达发射并照射到激光接收器上的第一条射线。
LRn为激光雷达发射并照射到激光接收器上的最后一条射线。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
一种激光感知的农业机器人空间定位方法，本实例中的具体实施对象为基于GNSS导航的无人驾驶农机，当无人驾驶农机进入到机库中或者在行驶过程中遇到遮盖物如进入桥底，导致GNSS导航信号不佳甚至中断，通过本定位方法对定位数据进行补充。激光雷达固定不动，激光接收器通过电动推杆固定在无人驾驶农机上。
一种激光感知的农业机器人空间定位方法，通过以下步骤以实现机器人的空间定位：
(1)构建三维坐标系统，将激光雷达发射激光的中心位置O(X,Y,H)设置为三维坐标系统的原点，设L1为激光雷达发射的第一条激光射线，Ln为激光雷达发射的最后一条激光射线，LR1为激光雷达发射并照射到激光接收器上的第一条射线，LRn为激光雷达发射并照射到激光接收器上的最后一条射线，射线LR1、LRn与激光接收器交点即为R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)；
所得的三维点云坐标由所对应的激光射线相对激光雷达发射的第一条激光射线的夹角ρ与所测相对距离d，通过公式x＝d·cosρ，y＝d·sinρ求得。
当激光雷达扫描一周时，通过激光信号数据中接收到激光信号的时间标签与激光雷达点云数据进行时间-事件匹配得到点R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)的坐标，从而得到此扫描周期的激光接收器中心位置的三维坐标
(2)当载有激光接收器的农业机器人进入扫描范围内时，停车，通过电动推杆调整激光雷达的激光照射在激光接收器上的位置，使得激光照射在激光接收器中部位置，此时激光接收器中部位置与激光雷达扫描平面等高，得到激光接收器初始高度h1。
(3)获取均带有时间标签的激光雷达扫描所得点云数据以及激光接收器激光感应数据，点云数据的每个点数据包括障碍物距离激光雷达的距离、对应激光雷达起始扫描线的角度以及时间标签。
激光接收器包括滤光外壳和感光阵列；滤光外壳消除环境光线；感光阵列感应激光信号，激光信号经信号处理输出为感应激光状态数据，感光阵列竖直方向分为多段，不同段感应到激光信号表达为激光接收器高程数据h'，每一帧激光信号数据包括一个感应激光状态数据以及其所对应的激光接收器高程数据h'，通过电动推杆保持激光接收器处于可接收到激光扫描平面的范围内，激光信号数据与激光雷达输出的点云数据均带有时间标签，激光雷达扫描一圈，获得激光雷达输出的一组点云数据以及激光接收器输出的一组激光信号数据。
高程数据h具体为，通过比较激光接收器起始高度对应的激光接收器起始高度h1与测量过程中所得激光接收器高程数据h'，当此时激光接收器高度低于激光接收器起始高度，h'为负值，激光接收器高度高于激光接收器起始高度，h'为正值，得到高程数据h，计算公式为：h＝H+(h1+h')。
当机器人中心高度随地面起伏时，激光雷达扫描到激光接收器不同感应段从而得到高程变化数据。
(4)若激光接收器脱离激光扫描平面范围，若最后的激光接收器高程数据h'为负值，则通过电动推杆将激光接收器上推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为正值；若最后的激光接收器高程数据h'为正值，则通过电动推杆将激光接收器下推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为负值；激光接收器起始高度改为h1+D。
(5)将点云数据、激光感应数据传输到处理器，通过时间-事件匹配从而获得机器人上安装的激光接收器对应在以激光雷达为原点所建立的三维坐标系中的坐标。
时间-事件匹配为根据激光接收器获取接收到激光信号的时间对应在点云数据中的点，由点代表在以激光雷达为坐标原点的三维坐标系统中固定在移动农业机器人上的激光接收器的位置，进而实现农业机器人的定位。
(6)获取预测的定位数据以补充缺失定位数据、矫正定位数据。具体为：运算处理在使用范围内，以激光雷达为原点建立三维坐标系统，当移动农业机器人在激光雷达工作范围内，若激光接收器的两列感光片均有感光片感光，且两列感光片的感应单元连线与纵线夹角不垂直，则将夹角作为姿态造成的误差在点云计算中去除，若两列感光片只有一列感光片感光，为得到更准确的移动轨迹，则在点云计算中结合根据该时间段前后点对该点进行矫正，若两列感光片均无感光片感光，在点云计算中结合预测方法对该点进行预测；
预测方法具体为：当载有激光接收器的农业机器人进入扫描范围内时，停车，此时农业在扫描范围内以静止状态开始，然后进行移动，以所测第一个坐标其速度、加速度为零，由于每帧间隔时间短，将前后两帧中移动机器人所表示点为直线运动，因此在得到第二个点坐标时，即可计算出得出第二个点此时速度、加速度，进而对下一目标点进行推算，在以作为补充缺失定位数据、矫正定位的数据。
获得预测的定位数据后，将定位数据整合到已设定好的全局坐标系中，通过与观测值进行匹配来决定舍弃数据，再将预测的激光接收器中心位置的三维坐标与所观测的激光接收器中心位置的三维坐标进行融合，以得到更精确的位置信息。
(7)通过激光接收器安装在农业机器人的位置，推算出农业机器人重心位置的定位坐标。
实施例二
一种激光感知的农业机器人空间定位方法，可为室内GNSS定位研究构建辅助实验平台。激光雷达固定不动，激光接收器通过电动推杆固定在移动小车上，通过实现精准定位来对室内GNSS定位系统进行调整。
本实施例未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一.在定位空间中架设带测距功能的激光雷达，并设定三维坐标系统，激光雷达扫描获得定位空间中对象点云数据，点云数据包括相对激光雷达的方位角和距离；
步骤二.激光接收器安装在农业机器人上，在移动过程中激光接收器接收激光雷达信号，当激光雷达发射的激光束照射激光接收器时，激光接收器输出激光信号数据和高程数据；
步骤三.对激光雷达每个扫描周期内激光接收器得到的激光信号数据与激光雷达扫描获得的点云数据进行时间-事件匹配，得到激光接收器中心位置的三维坐标；
激光接收器包括滤光外壳和感光阵列；滤光外壳消除环境光线；感光阵列感应激光信号，激光信号经信号处理输出为感应激光状态数据，感光阵列竖直方向分为多段，不同段感应到激光信号表达为激光接收器高程数据h'，每一帧激光信号数据包括一个感应激光状态数据以及其所对应的激光接收器高程数据h'，通过电动推杆保持激光接收器处于可接收到激光扫描平面的范围内，激光信号数据与激光雷达输出的点云数据均带有时间标签，激光雷达扫描一圈，获得激光雷达输出的一组点云数据以及激光接收器输出的一组激光信号数据；
通过电动推杆保持激光接收器处于可接收到激光扫描平面范围内，具体为：若激光接收器脱离激光扫描平面范围，若最后的激光接收器高程数据h'为负值，则通过电动推杆将激光接收器上推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为正值；若最后的激光接收器高程数据h'为正值，则通过电动推杆将激光接收器下推，直至激光接收器有激光信号数据输出，电动推杆反馈位移D，此时D为负值；激光接收器起始高度改为h1+D。
2.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：步骤一中，点云数据的每个点数据包括障碍物距离激光雷达的距离、对应激光雷达起始扫描线的角度以及时间标签。
3.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：步骤一中，激光雷达架设需保证激光扫描平面水平，安装高度已知，激光接收器安装在接收到激光扫描平面范围内，并根据激光照射到激光接收器，激光接收器反馈的高程数据得到激光接收器起始高度h1。
4.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：步骤三中，时间-事件匹配为根据激光接收器获取接收到激光信号的时间对应在点云数据中的点，由点代表在以激光雷达为坐标原点的三维坐标系统中固定在移动农业机器人上的激光接收器的位置，进而实现农业机器人的定位。
5.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：步骤一中，三维坐标系统为：
将激光雷达发射激光的中心位置O(X,Y,H)设置为三维坐标系统的原点，设L1为激光雷达发射的第一条激光射线，Ln为激光雷达发射的最后一条激光射线，LR1为激光雷达发射并照射到激光接收器上的第一条射线，LRn为激光雷达发射并照射到激光接收器上的最后一条射线，射线LR1、LRn与激光接收器交点即为R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)；
所得的三维点云坐标由所对应的激光射线相对激光雷达发射的第一条激光射线的夹角ρ与所测相对距离d，通过公式x＝d·cosρ，y＝d·sinρ求得；
当激光雷达扫描一周时，通过激光信号数据中接收到激光信号的时间标签与激光雷达点云数据进行时间-事件匹配得到点R1(x1,y1,h)、Rn(xn,yn,h)的坐标，从而得到此扫描周期的激光接收器中心位置的三维坐标
6.按照权利要求5所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：高程数据h具体为，通过比较激光接收器起始高度对应的激光接收器起始高度h1与测量过程中所得激光接收器高程数据h'，当此时激光接收器高度低于激光接收器起始高度，h'为负值，激光接收器高度高于激光接收器起始高度，h'为正值，得到高程数据h，计算公式为：h＝H+(h1+h')。
7.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：运算处理在使用范围内，以激光雷达为原点建立三维坐标系统，当移动农业机器人在激光雷达工作范围内，若激光接收器的两列感光片均有感光片感光，且两列感光片的感应单元连线与纵线夹角不垂直，则将夹角作为姿态造成的误差在点云计算中去除，若两列感光片只有一列感光片感光，为得到更准确的移动轨迹，则在点云计算中结合根据该时间段前后点对该点进行矫正，若两列感光片均无感光片感光，在点云计算中结合预测方法对该点进行预测；
获得预测的定位数据后，将定位数据整合到已设定好的全局坐标系中，通过与观测值进行匹配来决定舍弃数据，再将预测的激光接收器中心位置的三维坐标与所观测的激光接收器中心位置的三维坐标进行融合，以得到更精确的位置信息。
8.按照权利要求1所述的一种激光感知的农业机器人空间定位方法，其特征在于：激光雷达的数量为多台，一台激光雷达为主机，其他激光雷达为从机，通过坐标转换，从机为主机数据提供补充。
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