摘要：引用格式：刘理民, 何雄奎, 刘伟洪, 刘紫嫣, 韩虎, 李扬帆. 果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(3): 63-74.
引用格式：刘理民, 何雄奎, 刘伟洪, 刘紫嫣, 韩虎, 李扬帆. 果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(3): 63-74.
LIU Limin, HE Xiongkui, LIU Weihong, LIU Ziyan, HAN Hu, LI Yangfan. Autonomous navigation and automatic target spraying robot for orchards[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(3): 63-74.
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刘理民1，2， 何雄奎1，2*3， 刘紫嫣1，2， 韩虎1，2， 李扬帆1，2（1.中国农业大学 理学院，北京 100193；2.中国农业大学 农业无人机系统研究院，北京 100193；3.中国农业大学 工学院，北京 100083）
摘要：为同时实现果园智能植保机自主导航及自动对靶喷雾，研制了一种果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人。首先采用单个3D LiDAR（Light Detection and Ranging）采集果树信息确定兴趣区（Region of Interest，ROI），对ROI内点云进行2D化处理得到果树质心坐标，通过随机一致性（Random Sample Consensus，RANSAC）算法得到果树行线，并确定果树行中间线（导航线），进而控制机器人沿导航线行驶。通过编码器及惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）确定机体速度及位置，IMU矫正采集到的果树分区冠层信息，最后通过程序判断分区冠层的有无控制喷头是否喷雾。结果表明，机器人自主导航时最大横向定位偏差为21.8 cm，最大航向偏角为4.02°，相比于传统连续喷雾机施药液量、空中漂移量及地面流失量分别减少20.06%、38.68%及51.40%。本研究通过单个3D LiDAR、编码器及IMU在保证喷雾效果的前提下，实现了喷雾机器人自主导航及自动对靶喷雾，降低了农药使用量及飘失量。
关键词：自主导航；对靶喷雾；LiDAR；随机一致性算法；机器人；惯性测量单元
文
章
图
片
图1 机器人硬件设计图
Fig. 1 Hardware design of the robot
图2 自主导航及自动对靶喷雾实现流程图
Fig. 2 Implementation flow chart of autonomous navigation and automatic target spraying
注：1. 橡胶履带；2. 主动轮；3. RTK GNSS移动站；4. 汽油机；5. LiDAR；6. 柱塞泵；7. 药箱；8. 喷头；9. 轴流风机
图3 自主导航兼自动对靶喷雾机器人实物图
Fig. 3 Physical picture of autonomous navigation and automic target spraying robot
图4 LiDAR 测量范围
Fig. 4 Measurement range of LiDAR
图5 自动对靶喷雾系统软件构成
Fig. 5 Implementation flow chart of automic target spraying system
图6 果树冠层分区示意图
Fig. 6 Diagram of fruit tree canopy zoning
注：1. 未更新ROI时LiDAR可检测到的冠层范围；2. 第一次更新ROI后LiDAR可检测到的冠层范围；3. 第二次更新ROI后LiDAR可检测到的冠层范围
图7 果树分区
Fig. 7 Zoning of fruit tree
图8 自主导航和自动对靶喷雾试验示意图
Fig. 8 Test schematic of autonomous navigation and antomic target spraying
图9 喷雾测试样品布置图
Fig. 9 Spray test sample layout
图10 机器人横向偏差测试结果
Fig. 10 Test results of lateral deviation of the robot
图11 机器人航向偏角测试结果
Fig. 11 Steering declination test results of the robot
注：ATS：自动对靶喷雾（Automatic Target Spraying）；TS：传统连续型喷雾（Traditional Spraying）
图12 自动对靶喷雾和传统喷雾的喷雾沉积测试对比结果
Fig. 12 Comparison results of deposition tests between automic target spraying and tranditional spraying
图13 自动对靶喷雾和传统喷雾的空中漂移量
Fig. 13 Airl drift of automic target spraying and tranditional spraying
图14 自动对靶喷雾和传统喷雾的地面流失量
Fig. 14 Ground loss of automic target spraying and tranditional spraying
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通讯作者简介
何雄奎 教授
何雄奎，中国农业大学二级教授，博士生导师。2000年获得德国霍恩海姆大学博士学位。现任中国农业大学农业无人机系统研究院院长、药械与施药技术研究中心主任、国际标准委员会植保机械与施药技术分委员会委员。兼任《Int J Agric & Biol Eng》《Frontiers》等专题主编、《智慧农业（中英文）》等刊物编委，长期从事植保机械与施药技术教学与科研工作，重点研究施药技术基础理论、农药雾化沉积飘失规律、智能作业装备与精准变量技术等。近5年主持国家自然科学基金项目 “植保无人机的农药雾化沉积高效利用”、公益性行业专项课题“黄淮流域小麦玉米水稻田间用节水节肥节药综合技术”、京津冀协同创新重大专项“高效节药植保装备研发与示范应用”、国家重点研发计划项目课题“基于多功能高地隙底盘的精量施药机械研究开发”。排名第一获省部级科技奖励一等奖2项、二等奖2项、三等奖2项。获发明专利56项，主编专著15部，发表论文130余篇，制定国家、行业与地方标准13项。2005年获北京市教育创新标兵称号，2006年入选教育部新世纪人才，国务院特殊贡献专家、享受国务院政府特殊津贴。
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来源：智慧农业资讯一点号
