袁文濤，劉 卉，胡書鵬

(1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100048；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究的一個(gè)重要方向是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自主導(dǎo)航和有效避障[1-2]。對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)而言，農(nóng)田中可能會(huì)存在諸如電線桿、樹(shù)木、機(jī)井等靜態(tài)障礙物，這些靜態(tài)障礙物可以在路徑規(guī)劃時(shí)避開(kāi)，但增加了路徑規(guī)劃的復(fù)雜度；此外，在農(nóng)田中也可能會(huì)出現(xiàn)人、其它農(nóng)業(yè)機(jī)械等動(dòng)態(tài)障礙物，這些動(dòng)態(tài)障礙物只能在農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)探測(cè)并采取必要的避障措施[3-5]。因此，要使自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)在行進(jìn)的過(guò)程中避開(kāi)障礙物，就需要有效識(shí)別障礙物并對(duì)其方位、距離、寬度及狀態(tài)等特征信息進(jìn)行精確的計(jì)算。

目前,廣泛應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人避障領(lǐng)域的傳感器主要有:立體視覺(jué)、超聲波、紅外和激光雷達(dá)。采用立體視覺(jué)來(lái)進(jìn)行環(huán)境感知和障礙檢測(cè)，是一種很有前途的方法，但因?yàn)橐曈X(jué)圖像處理過(guò)程比較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能較差，因而目前難于適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求很高的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)；超聲波測(cè)距僅僅適用于對(duì)環(huán)境感知精度要求不高的場(chǎng)合；紅外測(cè)距受環(huán)境的影響較大，物體的顏色、方向、周圍的光線等均能引起測(cè)量誤差。任何一種測(cè)距技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，相比而言，激光測(cè)距傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它具有測(cè)距精度高、分辨率好、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)滿足精度和實(shí)時(shí)性要求，特別適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的環(huán)境感知研究[6]。Noguchi等利用二維激光測(cè)距儀開(kāi)發(fā)出了一種可以在果園環(huán)境應(yīng)用的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，使用一輛52kW的拖拉機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)航中航向角誤差為1.5°，橫向誤差為0.11m[7]。劉沛等為了實(shí)現(xiàn)果園作業(yè)的自動(dòng)化，以拖拉機(jī)為研究對(duì)象，采用激光導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)了果園機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航，當(dāng)拖拉機(jī)以0.27m/s 速度直線行走30m時(shí)，最大橫向偏差為0.15m[8]。任立敏等設(shè)計(jì)了包含緊急避障、精確規(guī)劃、動(dòng)態(tài)避障的移動(dòng)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)和避障算法，并在實(shí)際的環(huán)境中分別進(jìn)行了單障礙物、多障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物實(shí)驗(yàn)[6]。在大部分實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人都能夠以平穩(wěn)、流暢的路徑避開(kāi)障礙物。

本文介紹了一種面向自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的典型農(nóng)田障礙物檢測(cè)和識(shí)別方法。在自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)平臺(tái)上裝載LMS200激光測(cè)距儀，針對(duì)樹(shù)木、障礙拖拉機(jī)分別進(jìn)行障礙物檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)障礙物方位、距離、寬度等特征信息的有效識(shí)別。

1 自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)避障測(cè)試平臺(tái)

基于激光測(cè)距傳感器構(gòu)建面向自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的避障測(cè)試平臺(tái)。

1.1 自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)系統(tǒng)

本研究所采用的自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)系統(tǒng)采用了GNSS導(dǎo)航方式，將GNSS定位裝置、車載導(dǎo)航控制終端、自動(dòng)導(dǎo)航控制器安裝在駕駛室內(nèi)；將GNSS天線固定在車頂，通過(guò)電臺(tái)接收來(lái)自GNSS基準(zhǔn)站的差分信號(hào)并達(dá)到RTK固定解狀態(tài)；車載導(dǎo)航控制終端根據(jù)位姿數(shù)據(jù)及預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)航路線，計(jì)算并向控制器輸出控制指令，控制器將控制信號(hào)傳輸給液壓系統(tǒng)，并控制閥門開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制。

1.2 激光測(cè)距傳感器

激光測(cè)距傳感器是通過(guò)測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物體的距離。在測(cè)量過(guò)程中，激光器發(fā)射激光束，并且接收從被測(cè)物體反射來(lái)的激光束，如圖1所示。激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過(guò)分光器后，分為兩路：一路進(jìn)入接收器，另一路則由反射鏡面發(fā)射到被測(cè)障礙物的表面，反射脈沖也經(jīng)由反射鏡返回接收器[9]，由光速與反射脈沖的時(shí)間乘積得到檢測(cè)目標(biāo)物體的距離。

圖1 激光測(cè)距儀工作原理圖

激光束從傳感器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)光鏡偏轉(zhuǎn),通過(guò)掃描周圍環(huán)境，形成一個(gè)扇面掃描區(qū)域，由接收到的一系列脈沖序列來(lái)確定目標(biāo)物體的輪廓線。測(cè)試平臺(tái)安裝了德國(guó)SICK公司的LMS200激光測(cè)距傳感器，能夠設(shè)置掃描激光前方180°區(qū)域或120°區(qū)域；角度分辨率可設(shè)置為0.5°或1°；測(cè)量精度分為厘米模式和毫米模式，在毫米模式下能夠測(cè)量的最大距離為8m，在厘米模式下能夠測(cè)量的最大距離為80m。測(cè)量過(guò)程中，激光測(cè)距傳感器通過(guò)RS232串行接口將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)車載導(dǎo)航控制終端，進(jìn)行障礙物檢測(cè)處理。

2 農(nóng)田障礙物檢測(cè)方法

在農(nóng)田環(huán)境中識(shí)別障礙物特征信息，主要包括檢測(cè)障礙物方位、障礙物中心到自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)激光發(fā)射器的距離及障礙物形態(tài)信息。

2.1 障礙物的定位方法

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境下障礙物的檢測(cè)與識(shí)別，首先必須確定障礙物相對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的位置。在農(nóng)田中，利用激光測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)掃描拖拉機(jī)行進(jìn)前方的障礙物，通過(guò)對(duì)掃描點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)障礙物出現(xiàn)在圖像內(nèi)凹點(diǎn)位置。凹陷部分越大，則表明障礙物的寬度越大。

以激光傳感器發(fā)射器為原點(diǎn)建立一個(gè)極坐標(biāo)系，如圖2所示。激光傳感器輸出所測(cè)障礙物的點(diǎn)集合SP表示為[10]

(1)

圖2 直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

為了進(jìn)一步得到障礙物的位置數(shù)據(jù)，將極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為以激光發(fā)射器為原心的笛卡爾直角坐標(biāo)系，則被測(cè)障礙物邊緣點(diǎn)的集SV合為

(2)

(3)

其中，V表示傳感器直角坐標(biāo)系；SVi=(xVi,yVi)T表示在V坐標(biāo)系中障礙物的位置數(shù)據(jù)。

激光測(cè)距傳感器掃描自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)前方180°范圍內(nèi)障礙物，采用如下方式定義障礙物的方位：以拖拉機(jī)行進(jìn)方向，即傳感器直角坐標(biāo)系y軸正方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，沿基準(zhǔn)方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)方向。由此可知，障礙物出現(xiàn)的方位范圍在行進(jìn)方向的±90°之間。

2.2 障礙物邊緣擬合

激光測(cè)距傳感器完成1次掃描障礙物后，獲得障礙物邊緣的距離和角度數(shù)據(jù)集，然后由式(3)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)障礙物邊緣在傳感器直角坐標(biāo)系的離散點(diǎn)集。采用最小二乘算法對(duì)目標(biāo)障礙物的邊緣進(jìn)行擬合處理，獲得障礙物邊緣曲線。

設(shè)擬合曲線方程為

y=a0+a1x+a2x2

(4)

測(cè)量點(diǎn)與擬合曲線的偏差為

(5)

則偏差平方Q和為

(6)

通過(guò)最小Q值確定擬合曲線，即確定a0、a1和a2。為此，求Q對(duì)a0、a1和a2的偏導(dǎo)，得

(7)

由式(7)求解a0、a1和a2，最終求得擬合的障礙物邊緣曲線。在障礙物擬合曲線基礎(chǔ)上，求解障礙物形態(tài)特征信息。

2.3 障礙物形態(tài)特征信息識(shí)別

為了在避障過(guò)程中自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)實(shí)施最優(yōu)避障，必須獲得障礙物的寬度特征和障礙物中心點(diǎn)。

根據(jù)障礙物邊緣曲線可得最小外接矩形，并由此計(jì)算障礙物的寬度值w，即

(8)

其中，d1為激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到障礙物一側(cè)邊緣的第1條反射線的距離長(zhǎng)度；df為激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到障礙物另一側(cè)邊緣的第f條反射線的距離長(zhǎng)度。β可由下式計(jì)算得到，即

β=θf(wàn)-θ1

(9)

其中，θ1為第1條反射線與V坐標(biāo)系水平x軸的逆時(shí)針夾角；θf(wàn)為第f條反射線與V坐標(biāo)系水平x軸的逆時(shí)針夾角。

障礙物的中心點(diǎn)為障礙物輪廓擬合曲線的中心位置，中心距離是指激光測(cè)距傳感器中心點(diǎn)到障礙物中心點(diǎn)的距離。

2.4 障礙物識(shí)別精度

本研究使用均方根誤差來(lái)評(píng)估障礙物特征信息的識(shí)別精度。采用RTK-GPS接收機(jī)分別測(cè)量激光測(cè)距儀發(fā)射器位置和障礙物中心位置，以標(biāo)定障礙物特征信息的真值，將RTK-GPS接收機(jī)輸出的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，再由平面坐標(biāo)計(jì)算障礙物中心位置相對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的距離和方位。

均方根誤差是觀測(cè)值與真值偏差的平方和與觀測(cè)次數(shù)n比值的平方根。均方根誤差對(duì)一組測(cè)量中的特大或特小誤差反映非常敏感，所以均方根誤差能夠很好地反映出測(cè)量精度。

障礙物距離特征識(shí)別精度σd為

(10)

其中，dobs表示障礙物距離特征真值數(shù)據(jù)；dmea表示激光傳感器測(cè)量距離數(shù)據(jù)。

障礙物方位特征識(shí)別精度σφ為

(11)

其中，φobs表示障礙物方位特征真值數(shù)據(jù)；φmea表示激光傳感器測(cè)量方位數(shù)據(jù)。

障礙物寬度特征識(shí)別精度σw為

(12)

其中，wobs表示障礙物寬度特征真值數(shù)據(jù)；wmea表示激光傳感器測(cè)量寬度數(shù)據(jù)。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，進(jìn)行了農(nóng)田障礙物檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，在安裝有MG-1102型自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的約翰迪爾904的拖拉機(jī)上，加裝德國(guó)SICK公司的LMS200激光測(cè)距傳感器，安裝位置離地65cm，如圖3所示。設(shè)置LMS200掃描范圍為180°，角度分辨率為0.5°，最大測(cè)量距離為80m。

試驗(yàn)1：選取寬度為0.23m、周長(zhǎng)為0.74m的樹(shù)木作為目標(biāo)障礙物。試驗(yàn)2：選取寬度為4.39m的另一輛拖拉機(jī)作為目標(biāo)障礙物,預(yù)設(shè)場(chǎng)景為障礙拖拉機(jī)垂直于自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)前行的方向出現(xiàn)在前方。針對(duì)上述兩種類型障礙物進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)與特征信息提取處理。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1)障礙物定位結(jié)果。在既定預(yù)設(shè)場(chǎng)景下，進(jìn)行了3組方位、3組距離的多次試驗(yàn)。表1為樹(shù)木障礙物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為拖拉機(jī)障礙物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表中左側(cè)為障礙物特征信息的標(biāo)定值；右側(cè)為激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值。從試驗(yàn)結(jié)果可知：此障礙物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于障礙物寬度特征的識(shí)別精度，會(huì)隨著標(biāo)定距離的增加而降低。

圖3 自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)車載系統(tǒng)

標(biāo)定值方位/(°)中心距離/m測(cè)量值方位/(°)中心距離/m寬度/m-44.692.00-44.131.930.23-42.034.92-41.254.930.23-42.479.94-42.009.950.18-1.272.02-1.751.970.24-2.295.00-2.004.980.18-2.699.93-2.509.960.1835.742.0036.251.980.2536.725.0037.254.980.2337.089.9637.509.970.20

表2 障礙物為拖拉機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

2)障礙物形態(tài)特征擬合。圖4為樹(shù)木障礙物的邊緣曲線擬合結(jié)果。圖4中,樹(shù)木方位標(biāo)定值為-1.27°, 中心位置到激光測(cè)距傳感器距離標(biāo)定值為2.02m，弧線是擬合的樹(shù)木障礙物邊緣輪廓，矩形框?yàn)闃?shù)木障礙物的最小外接矩形。

圖4 樹(shù)木障礙物的邊緣曲線擬合結(jié)果

圖5是障礙拖拉機(jī)在8、15、25m處的邊緣形態(tài)特征。由圖5可以看出，激光測(cè)距傳感器能夠可靠地檢測(cè)障礙物的邊緣輪廓。將標(biāo)定值為8m處的障礙物拖拉機(jī)進(jìn)行了邊緣曲線擬合處理，可以清晰地辨識(shí)出障礙拖拉機(jī)的前輪和后輪的凸出部分，矩形框?yàn)檎系K物的最小外接矩形。

圖5 障礙拖拉機(jī)的邊緣曲線擬合結(jié)果

3)障礙物識(shí)別精度分析。根據(jù)式(10)～式(12)，計(jì)算激光測(cè)距傳感器的測(cè)量值與標(biāo)定值之間的均方根誤差，如表3所示。

表3 障礙物特征的均方根誤差

表3中：以樹(shù)木為障礙物時(shí)，識(shí)別樹(shù)木的方位、距離和樹(shù)木寬度的均方根誤差分別為0.5°、0.03m、0.03m；以拖拉機(jī)為障礙物時(shí)，識(shí)別障礙拖拉機(jī)的方位、距離和寬度的均方根誤差分別為1.88°、0.13m、0.39m。對(duì)于障礙拖拉機(jī)寬度的識(shí)別精度相比樹(shù)木寬度的精度有所下降，主要是因?yàn)檎系K拖拉機(jī)相距自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的距離較遠(yuǎn)，識(shí)別精度會(huì)隨著距離的增加而有所降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：此障礙物識(shí)別系統(tǒng)能夠有效識(shí)別樹(shù)木和障礙拖拉機(jī)的方位、距離及寬度等特征信息，能夠?yàn)橄乱徊綄?shí)現(xiàn)障礙物避讓提供有效的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

1)通過(guò)加裝LMS200激光測(cè)距傳感器，構(gòu)建了面向自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)的避障測(cè)試平臺(tái)。

2)基于避障測(cè)試平臺(tái)獲取障礙物數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)激光數(shù)據(jù)解析、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及障礙物邊緣擬合，實(shí)現(xiàn)了障礙物方位、距離、寬度等特征信息的有效識(shí)別。

3) 針對(duì)典型農(nóng)田障礙物——樹(shù)木和障礙拖拉機(jī)，進(jìn)行了障礙物檢測(cè)試驗(yàn)。采用RTK-GPS接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)標(biāo)定障礙物，并進(jìn)行了識(shí)別精度檢驗(yàn)。樹(shù)木的方位、距離和寬度的識(shí)別精度分別為0.50、0.03m、0.03m，障礙拖拉機(jī)的方位、距離和寬度的識(shí)別精度分別為1.880、0.13m、0.39m。試驗(yàn)結(jié)果表明：避障測(cè)試平臺(tái)能夠有效地識(shí)別自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)前方的障礙物。