楊振宇　劉天恩　陳煦

【摘 要】近年來，隨著城市綠化率的提高，草坪面積的增加，智能化的草坪修剪機(jī)器人極為需要，在各種草坪維護(hù)作業(yè)中，以草皮修剪工作最為繁重，不僅枯燥，而且重復(fù)性強(qiáng)。當(dāng)前草坪修剪主要靠人工或機(jī)械修剪，效率較低，通常需要消耗大量的人力和物力。并且一些復(fù)雜的地區(qū)很難實(shí)現(xiàn)全部的修理，另外由于草坪的修理主要工作時(shí)間是炎熱的夏季，人工修剪會(huì)十分辛苦?；谶@一現(xiàn)狀，本文提出在草坪除草工作中應(yīng)用ROS框架智能除草機(jī)器人，希望能減少工作人員的工作負(fù)擔(dān)，提高草坪除草的效率。

【關(guān)鍵詞】ROS框架；智能除草；機(jī)器人

一、ROS框架下智能除草機(jī)器人的技術(shù)及特點(diǎn)

1.1智能除草機(jī)器人的技術(shù)分析

智能割草機(jī)建立在智能控制領(lǐng)域逐漸發(fā)展的基礎(chǔ)上，在最近的二十年出現(xiàn)了各種類型的智能割草機(jī)，大多具有自主割草的性能，即智能化的體現(xiàn)，但智能化程度的高低有所不同：一些智能的割草機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路徑工作，不能實(shí)時(shí)根據(jù)外部環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，當(dāng)在規(guī)劃好的路上遇到障礙物時(shí)，停止行進(jìn)需要人工協(xié)助移開障礙物或者繞開障礙物后方可繼續(xù)工作，另一些智能的草機(jī)可以依照某種策略繞開障礙物，但不能保證最大程度覆蓋障礙物周圍的草坪。

智能除草機(jī)器人在設(shè)計(jì)的過程中涉及到多種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，主要包括下面幾種：

利用SLAM可以完全自主導(dǎo)航和避障，可以適用于任何未知復(fù)雜的工作地形，并且在工作期間無需人工控制。

利用機(jī)器視覺進(jìn)行草坪邊界識別，解決了現(xiàn)存智能除草機(jī)利用通電線圈、機(jī)器人的非瞬態(tài)存儲器中存儲參考地理空間的周邊數(shù)據(jù)集合來進(jìn)行邊界處理。

解決了草坪邊界，樹木以及各種多障礙物周邊草坪的修剪工作。

本產(chǎn)品車底部的刀具與液壓桿連接，可前后左右任意移動(dòng)，靈活度比較高?？山鉀Q當(dāng)?shù)毒哂龅劫|(zhì)硬時(shí)損壞刀具。

1.2智能除草機(jī)器人特點(diǎn)

第一，可靠的定位性能是自主移動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)的定位方法是基于里程計(jì)估計(jì)的，存在不可避免的定位誤差。自從移動(dòng)機(jī)器人誕生以來，對定位問題的研究就和地圖創(chuàng)建問題密切關(guān)聯(lián)，已知環(huán)境地圖的定位問題和已知定位的地圖創(chuàng)建問題已經(jīng)被廣泛研究，提出了多種有效的解決途徑。當(dāng)?shù)貓D和機(jī)器人的位置都事先未知時(shí)，問題就變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了許多獨(dú)有的新特征。近年來，移動(dòng)機(jī)器人SLAM技術(shù)獲得顯著進(jìn)步，被認(rèn)為是解決環(huán)境未知和傳感器信息不確定條件下的移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的最有效的技術(shù)之一。SLAM基本思想是利用已創(chuàng)建地圖修正基于運(yùn)動(dòng)模型的機(jī)器人位姿估計(jì)誤差；同時(shí)根據(jù)可靠的機(jī)器人位姿，創(chuàng)建出精度更高的地圖。可靠的定位性能是自主移動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)的定位方法是基于里程計(jì)估計(jì)的，存在不可避免的定位誤差。

第二，障礙物的判別，由于障礙物的識別與測量涉及到除草機(jī)器人的工作路徑，已經(jīng)整體修理的質(zhì)量因此測量精度十分重要。在此我們采用雙目立體視覺系統(tǒng)，雙目立體視覺系統(tǒng)由雙攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲得被測物體的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出物體的三維幾何信息。

第三，工作邊界的識別。利用機(jī)器人身上的攝像頭，作為檢測主體，由于識別的范圍比較廣闊，所以沒有必要單獨(dú)識別出來每種物體的種類，本除草機(jī)器人主要是修剪草坪。在草坪上主要的植物有，花，樹木，以及泥土和混凝土的邊界，不同的種類對應(yīng)有著不同的閾值，因此可以利用opencv將攝像頭采集到的輸入圖像轉(zhuǎn)到hsv空間，將草的閾值范圍尋找出來，并繪制輪廓，依次限定除草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，同理，混凝土邊界和花以及樹木都可以做此類處理，由于場景的不同也可能有著些許噪點(diǎn)。我們采用中值濾波，高斯濾波，圖像均衡化等降噪處理來降低噪點(diǎn)，提高識別的精確性，穩(wěn)定性，由于現(xiàn)實(shí)因素是在識別同一物種的多個(gè)目標(biāo)，因此會(huì)采用SVM方法，在選擇的目標(biāo)區(qū)域，對目標(biāo)進(jìn)行分類，在這個(gè)階段就已經(jīng)圖像內(nèi)容的重要內(nèi)容，此時(shí)可以采用非最大抑制來解決由于可能存在被檢測多次的內(nèi)容，提高識別的準(zhǔn)確性，以用來進(jìn)一步提高攝像頭的識別的準(zhǔn)確性，以用來逐漸適應(yīng)不同的除草應(yīng)用場景。

第四，基于機(jī)械臂的修剪。利用激光雷達(dá)在車體運(yùn)動(dòng)時(shí)掃描使得返回信息，當(dāng)檢測到前方有障礙物時(shí)，調(diào)用攝像頭的動(dòng)作組（.action文件--ROS操作系統(tǒng)里的專業(yè)術(shù)語）去判斷障礙物的大小。①當(dāng)障礙物半徑比較大時(shí)，調(diào)用big.action行為控制機(jī)械臂，使得在小車在重新規(guī)劃的路徑下運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂沿著障礙物邊界進(jìn)行修剪。②當(dāng)障礙物半徑比較小時(shí)或者是樹木或者廣告的支撐架時(shí)，調(diào)用samll.action行為控制機(jī)械臂進(jìn)行修剪。

二、ROS框架下智能除草機(jī)器人應(yīng)用分析

1.機(jī)械臂的創(chuàng)新應(yīng)用

利用帶有可移動(dòng)除草刀具的機(jī)械臂，來完成機(jī)器人底盤下刀具無法到達(dá)的地方，（樹木周圍、灌木叢、路邊石旁、草坪中樹立的廣告牌下）。

2.利用opencv識別障礙物和草坪邊界的確定

利用opencv識別物體，將草和障礙物區(qū)分開來，實(shí)現(xiàn)對草坪的智能識別。利用opencv將攝像頭采集到的輸入圖像轉(zhuǎn)到hsv空間，將草的閾值范圍尋找出來，并繪制輪廓，依次限定除草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，使得除草機(jī)在工作時(shí)不會(huì)越過草坪的邊界。

3.利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

利用激光雷達(dá)掃描感知周圍信息，為自主導(dǎo)航構(gòu)建實(shí)時(shí)地圖，并利用SLAM算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航使得本發(fā)明除草機(jī)可以在任意環(huán)境在工作，不受地域的限制。

4.機(jī)器損害發(fā)出警報(bào)。

ROS會(huì)對機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果出現(xiàn)電機(jī)不轉(zhuǎn)等狀況，發(fā)出警報(bào)，提醒用戶。

三、結(jié)語

綜上所述，智能除草機(jī)器人能夠幫助人們完成一些機(jī)械化的除草工作，進(jìn)而提高除草工作效率。其在設(shè)計(jì)的過程中涉及到了諸多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，還要不斷的加強(qiáng)創(chuàng)新性研究，從而設(shè)計(jì)出符合人們需求的智能除草機(jī)器人。

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（作者單位：河南理工大學(xué)）