張 尚 ，何銳波 ，王一博 ，沈晶豪 ，張 聰

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545000）

0 引言

現(xiàn)如今隨著林業(yè)自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，林間作業(yè)機(jī)器人研究突飛猛進(jìn)。林間作業(yè)機(jī)器人能夠代替人力完成林區(qū)的樹(shù)木采伐[1]、環(huán)境檢測(cè)[2]、樹(shù)木修剪[3]、軍事偵察[4]、地圖繪制[5]、貨物搬運(yùn)[6]等工作。林間作業(yè)機(jī)器人按照空間載體的形式可以分為以下幾類(lèi)：林間地面機(jī)器人、空中機(jī)器人、過(guò)樹(shù)機(jī)器人等。

目前，林間作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)步入了智能化階段，特別是對(duì)于自主移動(dòng)的林間作業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它的導(dǎo)航系統(tǒng)成為研究工作重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，林間作業(yè)機(jī)器人需要經(jīng)歷以下階段：環(huán)境感知[7]、定位[8]、路徑規(guī)劃[9]、運(yùn)動(dòng)控制[10]。有些林間作業(yè)機(jī)器人還需要有建圖功能，為了提高建圖的準(zhǔn)確度，機(jī)器人所處的位置會(huì)直接影響到建圖的準(zhǔn)確度。目前流行的技術(shù)是同時(shí)定位和地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM），SLAM 可以實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位和建圖，可以大大提升定位和建圖的精度[11]。環(huán)境感知階段為林間作業(yè)機(jī)器人的定位做準(zhǔn)備，在路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制階段，由于林間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，在移動(dòng)過(guò)程中可能需要重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，以防林間環(huán)境中的不可控因素阻礙機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這就凸顯出實(shí)時(shí)定位的重要性。由此可見(jiàn)，定位是機(jī)器人在林間環(huán)境下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的先決條件。目前的文獻(xiàn)綜述集中在室內(nèi)和農(nóng)業(yè)環(huán)境下的定位系統(tǒng)以及基于各種傳感器的定位系統(tǒng)[12-14]。近年來(lái)，對(duì)于林間定位的研究工作較多，但是缺少林間環(huán)境下機(jī)器人定位系統(tǒng)的全面綜述。鑒于此，課題組從林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)入手，詳細(xì)闡述林間作業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 林間作業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)概述

林間作業(yè)機(jī)器人是一種可以在林間環(huán)境下滿足人類(lèi)需求的特種工作機(jī)器人[15]，林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)原理是林間作業(yè)機(jī)器人攜帶各種傳感器，完成對(duì)周?chē)h(huán)境的感知，從而使機(jī)器人知道自己身在何處[16]。

林間作業(yè)機(jī)器人在林間環(huán)境下進(jìn)行定位非常復(fù)雜，其復(fù)雜性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）環(huán)境復(fù)雜主要來(lái)源：地表、樹(shù)木、天氣三方面。

2）作業(yè)形式復(fù)雜主要指的是林間存在的各種作業(yè)形式，主要包括：樹(shù)木種植[17]、林間防火滅火[18]、環(huán)境監(jiān)控[19]、果實(shí)采摘[20]、生長(zhǎng)情況記錄[21]、地質(zhì)檢測(cè)[22]、地圖測(cè)繪[23]等。

3）作業(yè)要求復(fù)雜主要是指人類(lèi)根據(jù)具體工況設(shè)定的不同要求，主要包括：作業(yè)速度、定位精度、穩(wěn)定性、魯棒性的要求。

以上三個(gè)方面的復(fù)雜性是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)時(shí)要充分考慮的，這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。按照定位方式的不同，可以將林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)分為以下幾種：絕對(duì)定位、相對(duì)定位以及二者的組合。按照這樣的方式進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，可以讓人們更清晰直觀地了解機(jī)器人處于林間環(huán)境下是如何提取特征點(diǎn)信息的。

2 林間作業(yè)機(jī)器人定位技術(shù)應(yīng)用與分析

2.1 林間作業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位技術(shù)

全球衛(wèi)星定位屬于對(duì)地球上物體的絕對(duì)定位，基于衛(wèi)星的定位原理是通過(guò)往太空發(fā)射若干衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)，使得地球上任意位置的用戶端都可以通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)接收器同時(shí)接收到4 顆衛(wèi)星的信號(hào)，從而對(duì)用戶端的位置進(jìn)行精確測(cè)量[24]。技術(shù)比較成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng)：美國(guó)GPS 全球定位系統(tǒng)、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[25]。值得一提的是，2020 年7 月，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)完成了全球覆蓋[26]。

全球衛(wèi)星定位技術(shù)在稀疏森林中的定位精度為5 m～7 m[27]。當(dāng)機(jī)器人處于林間這種特殊的環(huán)境中時(shí)，全球衛(wèi)星定位技術(shù)精度會(huì)降低，遇到植被密度大的林間環(huán)境時(shí)，定位系統(tǒng)甚至?xí)?。所以?dāng)機(jī)器人處于林間環(huán)境中時(shí)，一般不單獨(dú)使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以和其他定位傳感器進(jìn)行配合使用。

2.2 林間作業(yè)機(jī)器人相對(duì)定位技術(shù)

林間作業(yè)機(jī)器人相對(duì)定位技術(shù)的原理主要是機(jī)器人自身攜帶的傳感器識(shí)別環(huán)境中的特征點(diǎn)，從而對(duì)自身進(jìn)行相對(duì)定位?？梢愿鶕?jù)環(huán)境中特征點(diǎn)的類(lèi)型將相對(duì)定位技術(shù)分為基于自然特征的相對(duì)定位、基于人工特征的相對(duì)定位。

2.2.1 基于自然特征的相對(duì)定位

提到自然特征時(shí)人們首先想到的就是樹(shù)干，有研究通過(guò)檢測(cè)樹(shù)干的位置來(lái)對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行相對(duì)定位。文獻(xiàn)[28]和文獻(xiàn)[29]使用基于深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)樹(shù)干進(jìn)行檢測(cè)，但是這些案例中的樹(shù)木種類(lèi)繁多，因此很難設(shè)計(jì)出通用性解決問(wèn)題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。鑒于此，有一些文獻(xiàn)嘗試在不陷入黑盒的條件下檢測(cè)樹(shù)干。文獻(xiàn)[30]強(qiáng)調(diào)了彩色濾光片的使用，提高了視覺(jué)定位樹(shù)干的普適性。文獻(xiàn)[31]基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了履帶式機(jī)器人在林間的實(shí)時(shí)定位。文獻(xiàn)[32]利用雙目視覺(jué)完成了杭州白菊花的采摘，這是基于HSV 顏色空間分割實(shí)現(xiàn)的，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。文獻(xiàn)[33]提出了一種基于語(yǔ)義分割和激光測(cè)距的樹(shù)木直徑估計(jì)方法，將3D 激光雷達(dá)掃描用于訓(xùn)練語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)，可以自動(dòng)生成樹(shù)木的直徑估計(jì)值，平均誤差為1.70 cm。文獻(xiàn)[34]開(kāi)發(fā)了一款配備三維激光雷達(dá)和IMU 的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，基于無(wú)序點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出了一種基于采樣的K維樹(shù)最近搜索航跡生成方法，用于林間定位。文獻(xiàn)[35]以無(wú)人機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用狹義搜索方法對(duì)林間的樹(shù)木進(jìn)行識(shí)別，在樹(shù)干的目標(biāo)位置上貼上紅布，使用視覺(jué)傳感器對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和定位，樹(shù)木直徑測(cè)量的最大誤差為8 cm。文獻(xiàn)[36]利用現(xiàn)有的森林地圖信息，提出了一種地圖匹配方法，將其與激光雷達(dá)觀測(cè)到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相匹配，減少了位置誤差。文獻(xiàn)[37]基于視覺(jué)使用端到端的學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練模型，部署后能夠引導(dǎo)機(jī)器人在復(fù)雜的林間環(huán)境中避開(kāi)障礙物，走向可通行道路。森林地形復(fù)雜，包括許多不同的障礙物，如灌木、地上的樹(shù)枝、倒下的樹(shù)干、直立的樹(shù)木等。機(jī)器人面對(duì)復(fù)雜地形時(shí)，提取特征參考物，并給出了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令。文獻(xiàn)[38]應(yīng)用便攜式背包激光雷達(dá)測(cè)量和定位森林中的樹(shù)木，胸徑測(cè)量的平均誤差為4.19 cm。

2.2.2 基于人工特征的相對(duì)定位

文獻(xiàn)[39]利用冬季樹(shù)干的“刷白”特征，提出了一種視覺(jué)定位基準(zhǔn)線識(shí)別算法。提取小路兩旁的樹(shù)干刷白位置的內(nèi)側(cè)角點(diǎn)作為特征點(diǎn)，使用最小二乘法提取中間點(diǎn)生成行進(jìn)路線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，50 m 的行駛距離最大誤差不超過(guò)15 cm。還有一種人工特征是人工林在種植時(shí)呈現(xiàn)行間距一致性，文獻(xiàn)[40]提出了一種基于RGB-D 數(shù)據(jù)的樹(shù)干檢測(cè)器，樹(shù)木的規(guī)則分布情況也被整合到了定位系統(tǒng)，提高定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[41]利用果園是直排平行種植的原理，通過(guò)深度學(xué)習(xí)對(duì)樹(shù)干檢測(cè)進(jìn)行訓(xùn)練，然后利用樹(shù)干包圍盒計(jì)算果樹(shù)的參考點(diǎn)坐標(biāo)，使用最小二乘法對(duì)兩側(cè)果樹(shù)的基準(zhǔn)線進(jìn)行擬合。文獻(xiàn)[42]利用人工橡膠林間距呈現(xiàn)一致性的特征，使用二維激光雷達(dá)掃描出橡膠林內(nèi)側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，應(yīng)用高斯-牛頓法擬合出樹(shù)木的中心點(diǎn)，再通過(guò)最小二乘法估計(jì)出一條行走路徑，實(shí)現(xiàn)履帶機(jī)器人的定位，平均停車(chē)誤差為12.08 cm，橡膠樹(shù)的半徑估計(jì)誤差小于0.66 cm。

RFID 技術(shù)需要在環(huán)境中布置若干RFID 標(biāo)簽，屬于基于人工特征的相對(duì)定位，它們可以和機(jī)器人本體上安裝的若干閱讀器天線相呼應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位功能[43]。用于林間單棵樹(shù)定位的RFID標(biāo)簽，考慮到林間環(huán)境風(fēng)吹日曬，為了延長(zhǎng)它們的使用壽命，使用塑料將它們的線圈部分進(jìn)行密封操作。使用單個(gè)閱讀器天線對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行定位時(shí)，檢測(cè)的范圍會(huì)受到強(qiáng)烈的方向性影響，只有當(dāng)閱讀器天線面對(duì)標(biāo)簽時(shí)，檢測(cè)的距離才是最遠(yuǎn)的[44]。在林間環(huán)境下只使用一個(gè)RFID 閱讀器天線對(duì)于RFID 標(biāo)簽的定位精度不高，要想保證識(shí)別的穩(wěn)定性以及定位精度，可以借鑒室內(nèi)的一些研究工作。文獻(xiàn)[45]和文獻(xiàn)[46]使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的RFID 天線，從不同的方向?qū)FID 標(biāo)簽進(jìn)行感知，在室內(nèi)環(huán)境下可以保證厘米級(jí)的定位精度，這可以為林間環(huán)境下的機(jī)器人定位提供參考。

2.3 絕對(duì)定位和相對(duì)定位組合的相對(duì)定位

在陡峭斜坡葡萄園環(huán)境下使用激光雷達(dá)、視覺(jué)、RFID、GPS 進(jìn)行融合定位，文獻(xiàn)[47]提出了一種基于卡爾曼濾波[48]的混合定位方法，使用GPS 進(jìn)行葡萄園行高的估計(jì)，在葡萄園的每行開(kāi)始和結(jié)束處都放置一個(gè)RFID 標(biāo)簽，再通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器人本體上的閱讀器，讀取標(biāo)簽的位置信息，得到葡萄園的行信息，從而生成拓?fù)涞貓D[49]。監(jiān)控機(jī)器人上還搭載了視覺(jué)傳感器和二維激光雷達(dá)的EKF SLAM 系統(tǒng)，用于生成基于自然特征的地圖。在拓?fù)鋱D上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都象征著一排葡萄園，這降低了二維EKF SLAM 的復(fù)雜度，提高了計(jì)算效率，定位的誤差為5.23 cm。

3 林間作業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

目前從整體的發(fā)展水平看，林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)已經(jīng)取得了較好的發(fā)展，但是還有很長(zhǎng)的一段路要走，林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面。

1）環(huán)境的挑戰(zhàn)主要包括：地表的復(fù)雜性、樹(shù)木的分布、天氣的多變性。當(dāng)林間的地表凹凸不平時(shí)，二維激光雷達(dá)用于林間地面機(jī)器人的定位穩(wěn)定性就大大降低了[50]，這時(shí)就要使用立體視覺(jué)或者三維激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行林間環(huán)境下的定位。只是三維激光雷達(dá)的成本較高，遇到下雨天會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移的現(xiàn)象[51]。立體視覺(jué)在雨天的表現(xiàn)性能較好，但是容易受到光照的影響[52]。當(dāng)樹(shù)林的密度較大而且分布不均時(shí)，林間作業(yè)機(jī)器人的定位會(huì)困難許多。

2）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在茂密的林間環(huán)境下定位精度會(huì)降低，有時(shí)甚至?xí)バ盘?hào)。使用RFID 對(duì)林間的單棵樹(shù)進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)，由于其他樹(shù)木的干擾，使得RFID 的方向性更加明顯，當(dāng)標(biāo)簽面對(duì)RFID 天線的時(shí)候有較好的識(shí)別距離，而其他角度的識(shí)別距離會(huì)下降，定位精度也會(huì)下降[44]。

3）機(jī)器人在自然森林中的相對(duì)定位研究工作集中在視覺(jué)、激光雷達(dá)和IMU 的緊密融合上，目前融合的難點(diǎn)在于多傳感器融合時(shí)，面臨著數(shù)據(jù)復(fù)雜性、沖突性的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在傳感器之間分辨率的差異以及校準(zhǔn)差異[53]。視覺(jué)相機(jī)和激光雷達(dá)的融合前提是兩者要實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，目前兩者之間的更為精確的校準(zhǔn)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

4 研究與展望

在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究下，林間作業(yè)機(jī)器人的定位系統(tǒng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，面對(duì)各種復(fù)雜的林間地形、作業(yè)形式要求，進(jìn)行了相應(yīng)的研究和設(shè)計(jì)。盡管在研究工作中仍然面臨著不可控的外部環(huán)境因素，但是整體上朝著好的方向前進(jìn)，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)林間作業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

1）在人工橡膠林環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)橡膠攻皮機(jī)器人的功能需求，比如停車(chē)攻皮，對(duì)定位精度的要求為厘米級(jí)，而現(xiàn)在人工橡膠林中利用二維激光雷達(dá)提取樹(shù)木內(nèi)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后的定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，符合橡膠攻皮機(jī)器人的功能需求。使用視覺(jué)技術(shù)在具有“刷白”特征的人工林進(jìn)行機(jī)器人定位時(shí)，誤差不超過(guò)15 cm，滿足按照導(dǎo)航基準(zhǔn)線行駛的要求[39]。

2）基于RFID 的定位工作研究較少，多用來(lái)對(duì)樹(shù)木進(jìn)行信息管理。基于RFID 的定位在林間環(huán)境下也是具備研究基礎(chǔ)的，因?yàn)榇嬖诜浪⒎罆竦臉?biāo)簽，可以給人們提供便利，定位精度為分米級(jí)，可以進(jìn)行粗定位。未來(lái)可以借鑒在室內(nèi)的研究工作，使用多個(gè)RFID 天線，從不同的方向?qū)FID 標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)[45]。

3）未來(lái)，機(jī)器人在自然森林中的相對(duì)定位研究工作將集中在多傳感器的融合上，融合之后傳感器之間會(huì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升定位精度。在遇到惡劣的環(huán)境和多樣性的需求時(shí)，人們要客觀理性地分析選擇自己所需要的技術(shù)，并且注意控制成本，滿足自身需求的同時(shí)追求較高的性?xún)r(jià)比，這也能進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)。沒(méi)有一種技術(shù)是萬(wàn)能的，但人類(lèi)的智慧是無(wú)限的。