剪枝機器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種剪枝機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：信號標(biāo)簽裝置，用于檢測和存儲樹木和農(nóng)作物信息、定位信息和輔助定位；機器人，包括：中央處理裝置，用于存儲和分析機器人各部分的數(shù)據(jù)信息，并向機器人各部分下達(dá)行動指令；定位導(dǎo)航裝置，用于對機器人進(jìn)行定位及導(dǎo)航，并根據(jù)電子地圖對機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及規(guī)避障礙物的導(dǎo)航；云平臺終端，與機器人的中央處理裝置相連接和通信，用于存儲樹木和農(nóng)作物的數(shù)據(jù)和機器人的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)信息數(shù)據(jù)利用計算實驗擬定機器人的行進(jìn)路線；地圖構(gòu)建裝置，用于通過機器人的實地探測構(gòu)建與園區(qū)相對應(yīng)的三維電子地圖。本發(fā)明的剪枝機器人系統(tǒng)實現(xiàn)了園區(qū)中的定位、機器人路徑規(guī)劃、剪枝信息采集及自動剪枝。
【專利說明】剪枝機器人系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種剪枝機器人系統(tǒng)，尤其涉及一種基于RFID和GPS、WIFI定位的剪 枝機器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] RFID技術(shù)即無線射頻識別技術(shù)，是一種通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相 關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸的通信技術(shù)。作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng) 域的關(guān)鍵技術(shù)，RFID具有使用簡單、高效安全、響應(yīng)迅速、存儲空間大等優(yōu)點。一套完整的 RFID系統(tǒng)是由讀寫器、電子標(biāo)簽及應(yīng)用軟件三部分組成。可以通過RFID的讀寫器向RFID 標(biāo)簽寫入需要存儲的數(shù)據(jù)或者讀出先前存儲于標(biāo)簽中數(shù)據(jù)。
[0003] GPS即全球定位系統(tǒng)，利用定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進(jìn)行定位及導(dǎo)航。用戶通 過GPS接收機和衛(wèi)星天線組合，接收定位衛(wèi)星的信息，即可測量接收機的位置，民用的定位 精度約為10米。
[0004] WIFI是IEEE定義的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用于將個人電腦、手持設(shè)備等終端以無線 方式互相連接。通過WIFI，用戶可實現(xiàn)無線通信、無線傳輸，并通過基站對WIFI信號進(jìn)行無 線定位。
[0005] 路徑規(guī)劃技術(shù)是機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支，是依據(jù)某個或某些優(yōu)化準(zhǔn)則 (如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等），在其工作空間中找到一條從起始地 點到目標(biāo)地點的能避開障礙物的最優(yōu)路徑。
[0006] 云計算平臺是由一系列動態(tài)資源組成并通過網(wǎng)絡(luò)共享的信息平臺，用戶不需要知 道具體的實現(xiàn)技術(shù)，即可按照自身的需求通過租賃的方式訪問及使用平臺上的資源。隨著 信息技術(shù)的發(fā)展，云計算平臺已逐漸發(fā)展成一個集存儲、計算、軟件管理等功能的一體化服 務(wù)性平臺。
[0007] 對經(jīng)濟林木和田間作物來說，剪枝是一個必需而繁瑣的工作。在大面積的種植園 區(qū)中，若使用人工進(jìn)行剪枝，不僅需要大量的勞動力，而且效率低下，由于園區(qū)過大、工人過 于疲勞，還常常會發(fā)生漏剪重剪的情況，此時就容易導(dǎo)致樹木和農(nóng)作物生長異常而造成直 接的經(jīng)濟損失。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種剪枝機器人系統(tǒng)，以實現(xiàn)園區(qū)中 的定位、機器人路徑規(guī)劃、剪枝信息采集及自動剪枝。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種剪枝機器人系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[0010] 信號標(biāo)簽裝置，包括RFID、GPS及WIFI，用于檢測和存儲樹木和農(nóng)作物信息、定位 信息和輔助定位；
[0011] 機器人，所述機器人包括：
[0012] 中央處理裝置，用于存儲和分析所述機器人各部分的數(shù)據(jù)信息，并向機器人各部 分下達(dá)彳了動指令；
[0013] 定位導(dǎo)航裝置，用于利用所述RFID、GPS及WIFI對所述機器人進(jìn)行定位及導(dǎo)航，并 根據(jù)電子地圖對機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及規(guī)避障礙物的導(dǎo)航；
[0014] 云平臺終端，與所述機器人的中央處理裝置相連接和通信，用于存儲樹木和農(nóng)作 物的數(shù)據(jù)和機器人的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)信息數(shù)據(jù)利用計算實驗擬定機器人的行進(jìn)路線；
[0015] 地圖構(gòu)建裝置，用于通過機器人的實地探測構(gòu)建與園區(qū)相對應(yīng)的三維電子地圖。
[0016] 進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)還包括：人工操控設(shè)備，包括人工操控平臺和指令接收器，所 述人工操控平臺對機器人的自動或半自動工作模式進(jìn)行人為選擇，在機器人處于半自動工 作模式時，通過操控平臺控制機器人動作；所述指令接收器位于所述機器人上，接收所述操 控平臺的指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行控制處理。
[0017] 進(jìn)一步的，所述機器人還包括：驅(qū)動裝置，與所述中央處理裝置連接，用于驅(qū)動所 述機器人行走運動。
[0018] 進(jìn)一步的，所述機器人還包括：剪枝機械臂，與所述中央處理裝置連接，為套筒式 結(jié)構(gòu)，末端具有用于剪枝的剪刀。
[0019] 進(jìn)一步的，所述機器人還包括：視覺成像監(jiān)測裝置，與所述中央處理裝置連接，包 括兩臺攝像頭、地理環(huán)境采集傳感器及圖像處理模塊，用于構(gòu)建地圖時的三維立體成像、路 況監(jiān)測及剪枝時的圖像分析。
[0020] 進(jìn)一步的，所述機器人還包括：RFID閱讀器，與所述中央處理裝置連接，用于檢測 樹木和農(nóng)作物的RFID標(biāo)簽并讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。
[0021] 進(jìn)一步的，所述機器人還包括：避障模塊，與所述中央處理裝置連接，包括多個紅 外測距傳感器和圖像傳感器，用于機器人行走過程中避開障礙物。
[0022] 進(jìn)一步的，所述地圖構(gòu)建裝置內(nèi)的三維電子地圖通過基于機器人的感知信息來構(gòu) 建。
[0023] 進(jìn)一步的，所述構(gòu)建三維電子地圖為通過所述機器人的攝像頭拍攝的場景圖配 對，并進(jìn)行高度計算后用網(wǎng)格記錄高度信息，然后基于單幀信息繪制一個三維場景，將所有 數(shù)據(jù)點連成三角網(wǎng)格，重現(xiàn)原始三維表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0024] 本發(fā)明的剪枝機器人系統(tǒng)實現(xiàn)了園區(qū)中的定位、機器人路徑規(guī)劃、剪枝信息采集 及自動剪枝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明剪枝機器人的示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0027] 本發(fā)明提出了一個基于RFID和GPS及WIFI定位的剪枝機器人系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用 機器人代替人工進(jìn)行剪枝工作，機器人按照規(guī)劃好的路線在園區(qū)中行進(jìn)，通過RFID和GPS 及WIFI定位每一個剪枝對象，實現(xiàn)精確的定位，定位后自動為樹木和農(nóng)作物進(jìn)行剪枝，滿 足不重不漏的需要。這樣一來，本發(fā)明可以節(jié)省園區(qū)的勞動成本，提高工作效率，并且避免 了不必要的經(jīng)濟損失。
[0028] 本發(fā)明是計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)在種植園區(qū)的自動或半自動剪枝及剪枝機器 人定位方面的應(yīng)用，使用RFID、GPS及WIFI、路徑規(guī)劃技術(shù)及云計算等技術(shù)為園區(qū)中的樹木 或田間作物剪枝及剪枝機器人的定位提供了技術(shù)支持。
[0029] 圖1為本發(fā)明剪枝機器人的示意圖，如圖所示，本發(fā)明具體包括機器人1、信號標(biāo) 簽裝置2、云平臺終端3和地圖構(gòu)建裝置4。并且，機器人1包括中央處理裝置10和定位導(dǎo) 航裝置11。
[0030] 信號標(biāo)簽裝置2包括RFID、GPS及WIFI，用于檢測和存儲樹木和農(nóng)作物信息、定位 信息和輔助定位。
[0031] 具體的，信號標(biāo)簽裝置2標(biāo)簽中包含RFID芯片、GPS及WIFI芯片，用于存儲樹木 和農(nóng)作物信息、定位信息及輔助定位。
[0032] 機器人1的中央處理裝置10用于存儲和分析所述機器人各部分的數(shù)據(jù)信息，并向 機器人各部分下達(dá)行動指令；定位導(dǎo)航裝置11用于利用所述RFID、GPS及WIFI對所述機器 人進(jìn)行定位及導(dǎo)航，并根據(jù)電子地圖對機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及規(guī)避障礙物的導(dǎo)航。
[0033] 云平臺終端3與機器人1的中央處理裝置10相連接和通信，用于存儲樹木和農(nóng)作 物的數(shù)據(jù)和機器人的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)信息數(shù)據(jù)利用計算實驗擬定機器人的行進(jìn)路線。
[0034] 具體的，云平臺終端3可以存儲樹木和農(nóng)作物的數(shù)據(jù)和機器人的檢測數(shù)據(jù)；聯(lián)接 機器人身上配置的中央處理模塊并與之進(jìn)行相互通信；根據(jù)相關(guān)信息數(shù)據(jù)，利用計算實驗 擬定機器人的行進(jìn)路線。
[0035] 地圖構(gòu)建裝置4用于通過機器人的實地探測構(gòu)建與園區(qū)相對應(yīng)的三維電子地圖。
[0036] 剪枝機器人的詳細(xì)說明如下：
[0037] 驅(qū)動裝置，與中央處理裝置連接，為滿足機器人在園區(qū)中行走的穩(wěn)定性及安全性， 采用六足行走結(jié)構(gòu)作為機器人的驅(qū)動設(shè)備。
[0038] 軀干，是機器人的主體支撐架構(gòu)，其采用合金材料制作機器人的軀干部分，包括軀 干平臺、攝像頭支撐架及機械臂支撐架，軀干上同時安裝照明燈，以保證機器人在昏暗的環(huán) 境下仍能正常工作。
[0039] 剪枝機械臂，與中央處理裝置連接，機械臂采用套筒式結(jié)構(gòu)，用合金材料制作，末 端配有專門的用于剪枝的剪刀。
[0040] 視覺成像監(jiān)測裝置，與中央處理裝置連接，該裝置由位于機器人軀干前方的兩臺 可360度轉(zhuǎn)動的攝像頭、地理環(huán)境采集傳感器及圖像處理模塊組成，其用于構(gòu)建地圖時的 三維立體成像、路況監(jiān)測及剪枝時的圖像分析。
[0041] RFID閱讀器，與中央處理裝置連接，用于檢測樹木和農(nóng)作物的RFID標(biāo)簽并讀取標(biāo) 簽中的數(shù)據(jù)。
[0042] 指令接收器，與中央處理裝置連接，用于接收人工操控平臺的指令。
[0043] 定位導(dǎo)航裝置，與中央處理裝置連接，用于機器人在測繪地圖及剪枝時的定位并 利用GPS及WIFI實現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。
[0044] 避障模塊，與中央處理裝置連接，用于機器人行走過程中避開障礙物的的工作，包 括8個紅外測距傳感器和1個圖像傳感器。
[0045] 中央處理裝置，位于機器人的軀干部位，連接上述機器人的各個部分，存儲分析各 部分的數(shù)據(jù)信息，與云平臺進(jìn)行相互通信，向機器人各部分下達(dá)行動指令。
[0046] 本發(fā)明的剪枝機器人系統(tǒng)還可以包括人工操控設(shè)備，包括人工操控平臺和指令接 收器，所述人工操控平臺對機器人的自動或半自動工作模式進(jìn)行人為選擇，在機器人處于 半自動工作模式時，通過操控平臺控制機器人動作；所述指令接收器位于所述機器人上，接 收所述操控平臺的指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行控制處理。
[0047] 具體的，人工操控平臺可對機器人的自動或半自動工作模式進(jìn)行人為選擇，在機 器人處于半自動工作模式時，操作員可通過操控平臺控制機器人進(jìn)行移動、拍攝、監(jiān)測、剪 枝等一系列工作，操作員的操作指令通過操控平臺發(fā)送出去。指令接收器位于機器人身上， 可接收操控平臺的指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)的工作。操控平臺及接收器之間可利用3G 或WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸。
[0048] 為了實現(xiàn)剪枝機器人系統(tǒng)的工作，配套的軟件實現(xiàn)如下：
[0049] 云平臺終端管理的系統(tǒng)，用于統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行復(fù)雜的計算實驗。
[0050] 中央處理裝置的中央處理系統(tǒng)，用于整個機器人的啟動、運行及數(shù)據(jù)記錄、存儲及 分析的工作。
[0051] RFID設(shè)備讀寫程序，用于利用RFID閱讀器讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)信息重 新與入標(biāo)簽中。
[0052] 機械臂控制程序，用于操控機械臂進(jìn)行精確的剪枝工作。
[0053] 機器人驅(qū)動程序，用于控制機器人的驅(qū)動裝置，使其完成行走功能。
[0054] 圖像分析及剪枝系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖像分析模塊及剪枝模塊。圖像分析模塊將攝 像頭采集的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，經(jīng)過濾波、閥值分割、形態(tài)學(xué)閉運算等預(yù)處理操作后獲取 二值圖像，該圖像為后續(xù)的路況分析及剪枝定位提供數(shù)據(jù)支持。剪枝模塊采用并行細(xì)化算 法從二值圖像中提取樹枝骨架圖像，然后選用Harris算子檢測樹枝骨架圖像中的芽點，利 用芽點信息定位剪枝點并進(jìn)行剪枝。
[0055] 實現(xiàn)剪枝的算法還有很多，本發(fā)明只提出其中一種可行的方案。
[0056] 人工操控系統(tǒng)，用于獲取機器人記錄的各種數(shù)據(jù)信息，并生成相關(guān)的移動、拍攝、 監(jiān)測、剪枝等指令，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給機器人。
[0057] 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，用于利用RFID、GPS及WIFI對機器人進(jìn)行定位及導(dǎo)航，并根據(jù)電子 地圖對機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及規(guī)避障礙物的導(dǎo)航工作。
[0058] 每棵樹或農(nóng)作物上都配置一個GPS及WIFI芯片（其中WIFI芯片可使用 SDI0MT5931、RTL8188CE等迷你芯片，以避免裝備過大影響樹木或農(nóng)作物生長），其可作為 一個WIFI熱點向外發(fā)送WIFI信號。每個芯片的MAC地址是唯一且已知的，并預(yù)先存儲于 云平臺管理系統(tǒng)中。機器人在行進(jìn)過程中通過定位導(dǎo)航裝置搜索附件的WIFI信號，根據(jù)信 號強弱及唯一的MAC地址，云平臺管理系統(tǒng)查詢該信號的坐標(biāo)記錄，再結(jié)合GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航 坐標(biāo)記錄，對機器人進(jìn)行定位及導(dǎo)航。這樣比單獨使用GPS技術(shù)或WIFI技術(shù)進(jìn)行定位要更 精確。
[0059] 機器人在遍歷園區(qū)構(gòu)建地圖時，通過上述方法確定每個剪枝對象所處的坐標(biāo)位置 并作記錄，同時將記錄存于RFID標(biāo)簽中。
[0060] 地圖構(gòu)建系統(tǒng)，用于通過機器人的實地探測構(gòu)建與園區(qū)相對應(yīng)的三維電子地圖， 該程序可在云平臺上運行。
[0061] 三維地圖可通過基于機器人的感知信息來構(gòu)建，本發(fā)明在此作簡單描述，其過程 如下。首先由左右兩個攝像頭拍攝的場景圖配對，并進(jìn)彳丁高度計算后用網(wǎng)格記錄高度信息。 然后基于某一單幀信息繪制一個三維場景，這里主要應(yīng)用OpenGL圖形庫實現(xiàn)三維場景繪 制。測量到的高度數(shù)據(jù)相當(dāng)于給定了三維場景表面上點的三維坐標(biāo)，利用OpenGL中的三角 剖分算法，將所有數(shù)據(jù)點連成三角網(wǎng)格，能夠很好地重現(xiàn)原始三維表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與此同 時，本發(fā)明運用仿真【技術(shù)領(lǐng)域】中的偽色彩技術(shù)和法向量，通過灰度變換和強度分層來建立 地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)。偽色彩增強的原理是指將離散的黑白圖像的不同灰度級按照線性或非線 性映射成不同彩色，來提高圖像的可辨識度。具體做法是將圖像的灰度級等間隔或非等間 隔地分成m個區(qū)間，然后給每個區(qū)間設(shè)定一種色彩，原則上來說，所分層次越多，細(xì)節(jié)越豐 富，彩色越柔和。最后進(jìn)行三維地圖構(gòu)建，首先定義坐標(biāo)系，分別定義全局坐標(biāo)系和機器人 局部坐標(biāo)系，并引入機器人坐標(biāo)系下的網(wǎng)格區(qū)域，然后用網(wǎng)格表示法表示地圖，最后用移動 局部網(wǎng)格來構(gòu)建出精確、真實的三維地圖。
[0062] 對遍歷問題，本發(fā)明使用分塊算法。分塊算法是將環(huán)境根據(jù)障礙物的情況分解為 多個分塊，而后機器人依次在單個分塊通過往返移動來進(jìn)行每個分塊的局部遍歷。
[0063] 本發(fā)明結(jié)合地圖構(gòu)建及遍歷算法實現(xiàn)機器人對園區(qū)及剪枝對象的遍歷，即在機器 人遍歷園區(qū)的同時按上述地圖構(gòu)建方法構(gòu)建整個園區(qū)地圖并記錄各個剪枝點及障礙物坐 標(biāo)。機器人的遍歷，目的是讓機器人走遍一個區(qū)域除障礙物以外的全部地方，并在過程中記 錄園區(qū)地理環(huán)境、障礙物及剪枝對象的位置。
[0064] 本發(fā)明的遍歷算法如下：首先，由人工用測距儀測量出園區(qū)的邊界范圍，然后根據(jù) 園區(qū)邊界相垂直的兩個最長軸建立一個包含整個園區(qū)的矩形邊界，這樣不管園區(qū)邊界是規(guī) 則或不規(guī)則都可以按照矩形來遍歷。建立矩形邊界后，以矩形一個頂點為坐標(biāo)原點，即機器 人的起點，起點處的兩條矩形邊分別為X軸和Y軸，并按坐標(biāo)原點計算矩形邊界的坐標(biāo)，用 于規(guī)定機器人的行走范圍。把坐標(biāo)原點及矩形邊界坐標(biāo)存到機器人的中央處理系統(tǒng)，讓機 器人首先從原點開始沿X軸方向進(jìn)行移動，移動過程中記錄環(huán)境數(shù)據(jù)并計算經(jīng)過位置的坐 標(biāo)。若機器人在行進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)障礙物則往Y軸方向移動一個車距直至繞過障礙物，同時 記錄障礙物所占坐標(biāo)。機器人通過身上的RFID閱讀器在行進(jìn)過程中檢測帶有RFID標(biāo)簽的 剪枝對象，每檢測到一個對象就記錄標(biāo)簽中的RFID數(shù)據(jù)和對象在園區(qū)中的坐標(biāo)。當(dāng)機器人 行進(jìn)到矩形邊界后，沿Y軸增大方向移動一個車距后沿與原來行進(jìn)的相反方向返回，重復(fù) 這個過程，機器人即可在行進(jìn)過程中記錄障礙物、剪枝對象及園區(qū)地形等因素的地理位置， 而且機器人以一個車距作單位的覆蓋式遍歷，保證了記錄到的數(shù)據(jù)不會重復(fù)及遺漏。
[0065] 在地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)上，同時記錄機器人的起點及終點、必須經(jīng)過的作業(yè)點（即 WIFI熱點）及大型的靜態(tài)障礙物位置。各個位置點坐標(biāo)及地圖均存放在云平臺管理系統(tǒng) 中，構(gòu)建的地圖也存放到機器人的中央處理系統(tǒng)，為后期的路徑規(guī)劃做準(zhǔn)備。
[0066] 路徑規(guī)劃系統(tǒng)，用于利用智能算法及記錄的園區(qū)地圖與坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行機器人剪枝 路線的規(guī)劃工作。
[0067] 在機器人的路徑規(guī)劃技術(shù)上，本發(fā)明使用柵格法。柵格法是將機器人周圍空間分 解為相互連接且不重疊的空間單元：柵格，由柵格構(gòu)成一個連通圖，依據(jù)障礙物占有情況， 在此圖上搜索一條從起始柵格到目標(biāo)柵格無碰撞的行進(jìn)路徑。
[0068] 本發(fā)明采用地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)，根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的三維電子地圖，利用柵格法 分解機器人周圍空間，規(guī)避已探明的障礙物，擬定一條基于預(yù)設(shè)地圖及作業(yè)必經(jīng)點的路徑。 該路徑可以通過蟻群算法針對所有必經(jīng)點擬合出來，擬合得到的路徑不僅包含作業(yè)必經(jīng) 點，也排除了遍歷過程中檢測到的固定障礙物，即禁止機器人行走到障礙物坐標(biāo)。該路徑存 儲于機器人的中央處理系統(tǒng)，使機器人按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行剪枝工作。
[0069] 機器人避障系統(tǒng)，用于利用智能算法及傳感器幫助機器人在行走過程中自動或半 自動地避開意外出現(xiàn)的障礙物，順利地按照擬定路線從一個必經(jīng)點行走到另一個必經(jīng)點。
[0070] 由于園區(qū)為一個開放的環(huán)境，其環(huán)境因素是變化的，因此機器人在按預(yù)先規(guī)劃好 的路徑行走的同時，也可能會出現(xiàn)意外的未經(jīng)檢測的障礙物，因此需要使用本避障系統(tǒng)。避 障系統(tǒng)使用紅外傳感器和視覺圖像測距結(jié)合的方式來實現(xiàn)機器人的避障。紅外傳感器是基 于三角測量原理，傳感器通過發(fā)射紅外光線并接收反射回來的光線，獲取偏移值，利用三角 關(guān)系，通過發(fā)射角度、偏移值、中心矩和濾鏡焦距來計算傳感器到物體的距離。視覺圖像測 距方面，本發(fā)明使用一種單目視覺計算機器人與障礙物之間距離的實時檢測算法。該算法 的基本原理是由已知的攝像機位置坐標(biāo)、攝像機到地面的垂直距離、攝像機垂直視角投影 在地面上的最近距離和此時水平視角投影在地面的距離、攝像機垂直視角投影在地面上的 最遠(yuǎn)距離，以此來推算目標(biāo)點與機器人之間的距離。
[0071] 在機器人身上安裝8個紅外測距傳感器和1個圖像傳感器，當(dāng)機器人行走路線上 沒有障礙物，則按預(yù)先規(guī)劃好的路線運動，若探測到障礙物，則根據(jù)探測到的實時信息，計 算確定障礙物的位置信息，然后觀測障礙物水平方向上的邊緣點并得到左右兩個邊界，計 算兩個邊界距離中垂線的值，比較兩邊距離值的大小，決定機器人應(yīng)從哪邊通過障礙物以 及機器人應(yīng)繞行障礙物多遠(yuǎn)，繞過障礙物后，機器人重新回到原來的路線上。
[0072] 本發(fā)明中，機器人在到達(dá)某一目標(biāo)對象進(jìn)行剪枝工作前，暫時把其他對象視為障 礙物，在行進(jìn)過程中對位于規(guī)劃好的路線上的其他對象進(jìn)行繞行，完成目標(biāo)對象剪枝工作 后，則以下一個剪枝對象為目標(biāo)繼續(xù)按路線行進(jìn)。
[0073] 本發(fā)明的剪枝機器人系統(tǒng)的處理過程具體如下：
[0074] 步驟1 :為樹木及農(nóng)作物配置信號標(biāo)簽，記錄其基本數(shù)據(jù)信息及GPS和WIFI定位 信息，并將信息傳送到云平臺上進(jìn)行統(tǒng)一管理；
[0075] 步驟2 :在園區(qū)中確定一個機器人的起始運行點，作為地圖的原點。機器人從原點 出發(fā)，遍歷園區(qū)的所有位置，通過傳感器、攝像頭、定位導(dǎo)航裝置捕捉整個林區(qū)的地理環(huán)境 信息。在遍歷過程中，機器人同時利用GPS、WIFI檢測剪枝對象的坐標(biāo)并通過RFID閱讀器 檢測樹木和農(nóng)作物的信號標(biāo)簽，并記錄它們的數(shù)據(jù)信息；
[0076] 步驟3 :將所有的地理環(huán)境信息及坐標(biāo)信息傳送到云平臺上，云平臺根據(jù)地圖構(gòu) 建程序及路徑規(guī)劃算法，繪制出園區(qū)的三維電子地圖及機器人進(jìn)行剪枝的行走路線，路線 需包含所有對象在內(nèi)，并明確規(guī)定剪枝的先后順序；
[0077] 步驟4 :將云平臺上的地圖及路徑移植到機器人的中央處理系統(tǒng)上，進(jìn)行路徑規(guī) 劃，然后機器人按照既定的路線出發(fā)對樹木及農(nóng)作物進(jìn)行剪枝；
[0078] 步驟5 :機器人行進(jìn)的同時閱讀器不斷探測附件的RFID標(biāo)簽，若探測到RFID標(biāo) 簽，則讀取其數(shù)據(jù)；
[0079] 步驟6 :讀取標(biāo)簽中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，若與擬定路線上的坐標(biāo)一致，則該標(biāo)簽對應(yīng)的對 象是符合路線順序的樹木或農(nóng)作物，此時讀取標(biāo)簽中樹木是否進(jìn)行過剪枝的數(shù)據(jù)，若坐標(biāo) 不一致，則返回步驟6重新探測其他的RFID標(biāo)簽；
[0080] 步驟7 :如果對象已經(jīng)進(jìn)彳丁過剪枝，則返回步驟6,繼續(xù)沿路線彳丁進(jìn)，探測下一個對 象，如果對象未進(jìn)行過剪枝，則機器人通過攝像頭檢測樹木需要剪枝的地方，驅(qū)動機械臂對 其進(jìn)行剪枝，剪枝完畢后更新對象信號標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，使其顯示已進(jìn)行過剪枝，然后繼續(xù)探 測下一個對象；
[0081] 步驟8 :如果機器人已走完全程路線，則返回起點，剪枝任務(wù)結(jié)束。
[0082] 針對多個機器人同時工作的情況，不同的機器人可以從不同的起點遍歷園區(qū)，云 平臺根據(jù)各個機器人采集的信息使用不同的路徑規(guī)劃算法，為不同的機器人規(guī)劃不同的剪 枝路線，這樣可提高剪枝的效率。若某一機器人檢測到附近存在其他機器人時，可將其視為 動態(tài)障礙物進(jìn)行規(guī)避處理。
[0083] 當(dāng)進(jìn)行動態(tài)規(guī)避時，可以利用一種混合規(guī)避算法，根據(jù)動態(tài)障礙物相鄰時刻的三 個時間序列值，來預(yù)測障礙物下一時刻的運動軌跡，從而把動態(tài)障礙物的避障問題轉(zhuǎn)化為 靜態(tài)避障問題，實現(xiàn)規(guī)避處理。同時，也可加入距離傳感器，進(jìn)行機器人與機器人之間、機器 人與障礙物之間的碰撞檢測。
[0084] 本發(fā)明剪枝機器人系統(tǒng)使用了 RFID及定位儀器來幫助機器人檢測及定位需要剪 枝的樹木或農(nóng)作物，在自動化作業(yè)的基礎(chǔ)上提高了工作的精確性及效率。同時，本發(fā)明具有 普遍適應(yīng)性，利用智能算法及設(shè)備，可實用于不同地形、不同面積的園區(qū)，有效的遍歷方式 也使得機器人的工作做到不重不漏。
[0085] 專業(yè)人員應(yīng)該還可以進(jìn)一步意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的 單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬 件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。 這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。 專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn) 不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。
[0086] 結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬件、處理器執(zhí)行的 軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器（RAM)、內(nèi)存、只讀存儲器 (ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或【技術(shù)領(lǐng)域】 內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。
[〇〇87] 以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種剪枝機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括： 信號標(biāo)簽裝置，包括RFID、GPS及WIFI，用于檢測和存儲樹木和農(nóng)作物信息、定位信息 和輔助定位； 機器人，所述機器人包括： 中央處理裝置，用于存儲和分析所述機器人各部分的數(shù)據(jù)信息，并向機器人各部分下 達(dá)行動指令； 定位導(dǎo)航裝置，用于利用所述RFID、GPS及WIFI對所述機器人進(jìn)行定位及導(dǎo)航，并根據(jù) 電子地圖對機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃及規(guī)避障礙物的導(dǎo)航； 云平臺終端，與所述機器人的中央處理裝置相連接和通信，用于存儲樹木和農(nóng)作物的 數(shù)據(jù)和機器人的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)信息數(shù)據(jù)利用計算實驗擬定機器人的行進(jìn)路線； 地圖構(gòu)建裝置，用于通過機器人的實地探測構(gòu)建與園區(qū)相對應(yīng)的三維電子地圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：人工操控設(shè)備，包括人 工操控平臺和指令接收器，所述人工操控平臺對機器人的自動或半自動工作模式進(jìn)行人為 選擇，在機器人處于半自動工作模式時，通過操控平臺控制機器人動作；所述指令接收器位 于所述機器人上，接收所述操控平臺的指令，然后根據(jù)指令進(jìn)行控制處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人還包括：驅(qū)動裝置，與所述中 央處理裝置連接，用于驅(qū)動所述機器人行走運動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人還包括：剪枝機械臂，與所述 中央處理裝置連接，為套筒式結(jié)構(gòu)，末端具有用于剪枝的剪刀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人還包括：視覺成像監(jiān)測裝置， 與所述中央處理裝置連接，包括兩臺攝像頭、地理環(huán)境采集傳感器及圖像處理模塊，用于構(gòu) 建地圖時的三維立體成像、路況監(jiān)測及剪枝時的圖像分析。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人還包括：RFID閱讀器，與所述 中央處理裝置連接，用于檢測樹木和農(nóng)作物的RFID標(biāo)簽并讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人還包括：避障模塊，與所述中 央處理裝置連接，包括多個紅外測距傳感器和圖像傳感器，用于機器人行走過程中避開障 礙物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地圖構(gòu)建裝置內(nèi)的三維電子地圖通 過基于機器人的感知信息來構(gòu)建。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述構(gòu)建三維電子地圖為通過所述機器 人的攝像頭拍攝的場景圖配對，并進(jìn)行高度計算后用網(wǎng)格記錄高度信息，然后基于單幀信 息繪制一個三維場景，將所有數(shù)據(jù)點連成三角網(wǎng)格，重現(xiàn)原始三維表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01S19/45GK104067145SQ201480000262
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】沈震, 康孟珍, 李鑒通, 王飛躍 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所