（计算机软件与理论专业论文）果园多作业辅佐机器人系统研究与设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 农业是人类维持生存的基本产业，也是保证社会稳定、持续和健康发展的基础性行 业。如何将现代技术与科学成就引入其中并产生巨大收益，不但是政府部门的事情，同 样也是广大科技人员责无旁贷的神圣使命。近些年，机器人界出现了由单一工业应用， 逐步地转向医疗、服务、军事和农业等领域的新趋势，怎样把机器人运用于果园多作业 管理即摆在了我们面前。果园管理既存在某些相对于工业应用的简单性，同时，更多地 形成大量艰巨性和挑战性。其中，最为突出的当数：地域结构、半结构、非结构并存： 随机、不确定因素众多；作业种类繁多，而且性质、难度截然互异；使用者技能、经济 承受水平低下，等等。这些客观现实，均要求在该领域从事的所有工作必须以实用、高 效、耐用和安全、可靠等作为首要前提。 首先，论文在基本特性分析基础上，确定了课题的工作范围，制定了主攻方向与设 计、实现功能。将环境建模、路径规划列为实验系统的核心部分，给出了总体方案、指 导原则与技术路线。论及了本体结构原理、传感器配置和软件开发环境等内容。 其次，文章通过论述系统未来使用地理环境的特点，介绍了建立环境模型的构造方 案，并对园区边界、树木特性、灌木杂草模型和区域分割、合并，以及区域连通关系等 思想进行了比较系统地阐述。 接着，针对课题实际情况，围绕物品输送搬运、杂草清除过程的行走路线规划进行 了系统、详细和全面地描述。在此，最为富有代表性的要算锄草行走路线规划。果园环 境实际使得既要做到地面历遍，又不可伤损树木，同时还要追求里程、时间、能量消耗 等评价指标的最佳化。树木从刚栽培时的单枝苗木到盛产果时的铺天盖地，给锄草作业 规划带来极其巨大的影响和约束，出于保证作业器具抵达各个角落，规划方法必须寻求 灵活且切实可行的思想与技巧 最后，论文结合实验系统运行、测试结果，讨论了课题技术成就，并且简要地剖析 了存在缺陷和不足，指出了今后努力方向。 关键词；果园锄草机器人，环境建模，全区域覆盖路径规划 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 r e s e a n ho f ar o b o t s y s t e mf o rm u l 小a s s i s t a n tm a n a g i n g i nt h e o r c h a r da n di t sd e s i g n a b s t r a c t a 鲥c u n 鹏i st h e 融d o m a i no fh 啪b e 啦l j 砌ga n dg l l a 喊也es t e 嘶， p e r s i s t e n t h e 枷l y 蛳i a ld e 吧啡i t i sn o t 砌y t h eg o 、删j o b b ma l s o d t a s l 【 o ft h e k n o 盯a n dt e c h l l i 妇蛔wm a k et h es c i e n a n dt e c b l o g yj o i nt o 硼面a i l n l 他 n 联嘲删加b o t i c 删c a t i o n 叩p 朗培t h e 删t ot i l mt h es i n g ki n d l i s 缸i a lf i e i di m om 既l i c a i 丘e l d ，n ，i ，m i l i 切r y 缸捌ba n da 鲥例i ti sn l e 协s kh o wm a l b o ta p p l yi n 恤 m 锄a g i n go f m 凼牺kj nt h eo 此h a 以m 锄a g i n gi nt h e 饿蚓i ss i m p l 盱i ns 涨嬲p e = c t t h a n 岫哪h 础0 n ，m 恤鞭蛳戗啦i st h e 础嗍e a n dc h a 峨 t h t 骶妇，i t sv e r ys 面。璐p r o b l 锄t h mm 枷- t y p ea i v i r 硼蛐e n t 鼬m c t 哪i si nc ( m a 咖， 吼妫鹪加m l a l 蜘删t i 玳，h 水s b l l c = t i l 坞柚d 邶m 蚰俄慨ha d d m o 玛i ti sv e r ym m b l c i l u d i l 唱m u 城- s t y l ew d 【i n 舀d i 疏咖t 肚i 钮c yo fu 瓣强d o n 骶矗) r ，吐砖l l t i l i 哆 h i g h e 伍c i e n c y ，s 面t ya n dc r e d i b i l 姆a mt h eb 勰i c 印吼n i 辩i n 碰乒i c i l 砌如由o t i c 印p l i c a l i 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eg r o w sl l pf 椭s 印1 m gt ob i g 吮e ，砌c hm n gt h e 印。锄伽se f f e c tf b rt a s k h lc o n s i d e 洲o no fg u a 瑚t e e i n gt l l ew o d 【i i n p l e m a i 雠o nm a c t l i n g e v e r yc o m e r ，p l a m l i l l gm 如o dm u s tb en e 】i b l ea n du 姐b l e f i n a l l y ，t l 圮p a p 盯d i u s sm et e c 槭c a la c m e v a n 髓to nt i l eb a s i so fe x p e r i m 吼ta n d t c s 血l gr e s l l l t nb r i e n ya r g u e s 恤略s h o r t a g e 锄dp o i n t so u th 蜘c e 鼬d i r e c t i k e yw b r 山：d e a n - u p p i n gw e e dm b o tf o ro k h a r d e n ，i m n m 蚰tm o d e h n g ，f 1 - a r p a t h - p i 叠n n i n g 一i 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文 日期： 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 机器人概况 自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。机器人在工业、国防 和科学技术中日益广泛的应用带来了巨大的社会和经济效益。也有力地推动了有关学科 和技术领域的发展。 早在上世纪6 0 年代，就已经开始了关于智能机器人的研究智能机器人是机器人 学的一个重要分支，智能机器人集人工智能、智能控制、信息处理、图象处理、检测与 转换等专业技术于一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等多学科，成为当前智能机 器人研究的热点之一。最初，机器人被看作是一种生产工具，即工业机器人，主要被应 用于制造领域，用于替代人完成各种重复性的生产操作。而现在机器人有了更广阔的应 用，使人类从条件恶劣、繁重单调的生产作业中解脱出来，如矿藏开发、地面或海底勘 测、高楼外表面清洗、锄草、播种等等。同时机器人还大幅度地提高生产效率、增加产 量、提高质量，从而显著地降低了批量产品的成本随着社会的发展、科技的进步，机 器人越来越广泛地走进人们的生产与生活，机器人不仅在工业领域得到广泛应用，而且 正以惊人的速度向军事、服务、娱乐、教育、农业等领域扩展。 1 2 机器人技术发展现状 1 2 1 机器人学发展现状 在科学技术的推动下，几十年前便诞生了机器人。随着社会的进步，人们对机器人 也提出了越来越高的要求。最典型的要求就是：希望创造出一种能够完全替代人从事各 种工作的机器，甚至包括人类目前仍无法做到的事情。自从1 9 5 9 年诞生第一台机器人 以来，机器人技术得到了长足发展，至今已演变成为一门集机械、电子、计算机、控制、 人工智能、传感器、信号处理等多学科门类为一体的综合性、前沿性、尖端化科学【。 1 2 2 机器人的分类 按照机器人技术从低级到高级的发展过程，一般认为其经历了三个时代： 第一代机器人主要指只能以离线编程和“示教一再现”方式工作的机器人 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息， 通过计算机处理、分析，机器人做出一定的推理、判断，对动作做出反馈式控制，表现 出低级的智能。 第三代机器人是指具有高度适应性的自治机器人，它具有多种感知功能，可进 行复杂的逻辑推理、判断、决策，在作业环境中独立行动翻。第三代机器人目前仍处于 实验、探索阶段。 按照可移动性区分，可分为两类：固定式机器人、机器人。机器人又可分为轮式机 器人、履带式机器人、步行机器人和蠕动式机器人等等f 2 l 。 1 - 3 国内外农业机器人发展状况 世界各国都重视发展农业机器人技术，许多国家都把农业机器人作为高科技农业的 重要研究内容和关键技术加以研究、开发。现在，发达国家都在开展农用机器人和智能 机的研究工作，并制造了大量的试验样机，其中一部分已投人商品化批量生产【3 1 。例如， 柑桔分级机，按果实的大小、颜色和有无破损等情况进行分等分类。目前，有两台这类 机器在美国加州使用，分级效率为每分钟4 8 0 个果子脚。 澳大利亚研制成功一种极其精巧的机器人剪羊毛机器人。首先，把一只绵羊固 定在和医疗手术台相似的一个可作三个轴心转动的平台上，然后将预先测定的有关绵羊 的具体参数( 臂宽、体长等) 输人计算机。计算机据此算出剪刀在剪毛时的最佳运动轨迹。 在计算机的控制下，液压传动式剪刀将羊毛剪下来。剪刀的运动轨迹是在剪毛过程中由 计算机根据各种传感器提供的数据连续计算的。在剪刀上安装压力传感器可使羊的皮肤 麻木不起来，而且不会剪伤动物躯体。这样，除羊头和羊尾周围的一小块羊毛外，机器 人能自动地剪下绵羊全身主要部位的羊毛。试用结果表明，机器人要比熟练的剪毛工剪 得快而且效率高例。 美国路易斯安娜州一农业试验站的职工研制了一种会插秧的机器人。该样机只装了 一只“手”，它有五个自由度和专用抓手。这个机器人插完一块秧孔为3 6 个小洼地，其 漏插率不超过一个孔秧。尽管它目前的工作速度比人工插秧缓慢4 ，5 ，但专家们仍继续 对它进行改进。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 日本专家研制出一种实验型全自动化谷物收割机。司机只需绕着田边行驶一周，确 定要收割稻田的边界，然后联合收割机就开始自动化收割，直到谷箱装满或这块地的稻 子全部收割完毕为止。这种收割机在操纵系统中装有一台计算机，用以操纵收割机的运 行，确定各机组工作的规范，以保证稻谷损耗最少。此外，日本的专家还在研制一种不 需操作员就能工作的果园田间用喷雾机器人，对各种不同机型的喷雾机器人都设置了光 电传感器来实现最佳喷雾，并安装能使喷雾器沿着铺设的聚氯乙烯管移动的装置及许多 别的辅助功能件【4 】。 美国的专家已研制出来的智能机有以下几种：供拖拉机手提高技能用的数控式拖拉 机教练机；用以测定拖拉机运行参数和耕作面积的成套仪器( 用超高频传感器和雷达传 感器组装而成) 、自动喷雾器等，目前，美国和英国都在大力进行牛奶场自动化的研多鼠 工作。通过计算机编制农场奶牛总数和每头牛的饲量，监视牲畜的健康情况等等刚。 在我国，虽然机器人的研制工作开展的比较晚，但却起点高、发展速度快。中国农。 业大学曾经开发成功了嫁接机器人，它采用传感器和计算机图像处理技术，实现了嫁接 苗、子叶方向的自动识别、判断。该类机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合、 固定、排苗等嫁接过程的自动化作业，提高了作业的效率和质量，减轻了劳动强度。 2 0 0 2 年，清华大学展示出了我国自主研制的月球探测车，它是一台加装了探测装置 的机器人。2 0 0 3 年，国内第一辆无人驾驶汽车红旗旗舰的问世标志着我国机器人技 术产生了重大突破机器人除应用在太空探索等高精尖领域外，民间工商业对低成本的 机器人也有很大的需求空间，如仓库管理和智能送货等等。 1 4 果园机器人的发展现况 果园机器人是农业机器人家族中的一员。在第一产业中，果园的作业现场受自然环 境( 坡度、地面障碍、地表条件、气候条件等) 的影响很大因为人工改善作业环境是非 常困难的，所以果园机器人的研制难度就特别大。我们目前的任务主要是针对若干工序 的作业自动化和若干单项作业进行初步智能的自动化。下面介绍各国研制开发果园机器 人概况。 日本可以说是当今世界的机器人“王国”，在果园机器人方面已经开发出多种机器 一3 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 人。7 0 年代日本就致力于剪枝机器人( p r u n i n gr o b o t ) 的研究工作，至今已经开发出 a b 3 5 0 r 、a b 2 3 1 r 和a b l 7 0 r 大中小系列机型，己经形成系列化。此外，日本还开发出多 种机器人车辆。比如：四轮独立驱动式机器人车辆：铰接式履带机器人车辆：混 合型机器人车辆：它有两种机构，一种是适应陡坡地带的步行机构，另一种是适合平坦 地带的履带机构；木材堆积用机器人车辆；林木搬运机器人；三腿清林机器人； 小型联合采集机械：堆积短小木材的机器人删。 加拿大在7 0 年代也开始进行果园机器人研究，1 9 7 4 年前后，加拿大开始研制自动 植苗机，但现阶段植苗机的自动化水平还相距甚远。目前努力的目标是利用传感器自动 调整植苗机前端与地面障碍物的位置关系。如果做到这一点，那么除了需要人工驾驶拖 拉机外，其它操作的自动化都容易实现。加拿大一家私人公司自主行走机器人公司 正在研制森林除草机器人，并希望在两年内把它生产出来【9 j 这是一种6 足步行机器人 ( 6 一f e e t 曹a l k i n g 妇c h i n e ) 。试验样机重6 0 0 磅，可以跨越6 英尺高的障碍物，它继 承了马丁马丽埃塔公司为火星探索设计的遥控行走机器人技术。 此外，像美国、德国、瑞典等欧美科技强国也开发出了多种果园机器人，它们的高 性能果园、林业机械享有盛誉，就连日本都在有选择地引进它们的产品。比如瑞典1 9 9 5 年研制的6 足步行机器人在林场进行了生产性试验，收到良好效采【l o l 。 我国的果园机器人研究开发起步较晚，但国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 智能 机器人主题专家们对林业机器人的研究给予了高度重视。由东北林业大学陆怀民、刘晋 浩教授等研制的“林木球果采集机器人”、“新型智能伐根清理机器人”、“旋切智能定 心机器人”作为实施“8 6 3 ”计划以来第一批果园、林业机器人的研究成果，先后通过 了国家“8 6 3 ”智能机器人专家组的验收。现在，东北林业大学正在进行“8 6 3 ”计划项 目“弯曲木成型加工机器人”和“防风固沙草方格铺设机器人”的研究。 1 5 研究果园辅佐管理机器人的意义 实行农业生产企业化是发展农业规模经济的基础。进人市场经济体制运行后，一方 面农业的耕作面积多数分散不适应于大农机作业，国营农场的农业机械又多数出卖或单 机承包给个人，于是使失去了配套规模：另一方面，“联产承包”后的农户又无力购买 沈阳工业大学硕士学位论文 大量的农机具。农业产业化可以依据农业产品的品种来划分产业，也可按生产过程的分 工来划分产业，其目的都是为了达到农业的社会化大生产，发展农业规模经济，获得资 产效益最大化、所有者受益最大化。实行农业生产企业化就是达到农业产业化，形成农 业规模经济的基础和有效途径。实行农业生产企业化，进行产业化、集约化、社会化的 农业大生产，改变中国小农经济的生产方式。实行农业生产企业化的飞跃无疑将会解放 农业劳动力，使部分农民脱离土地。农业生产企业化则要求农业机器人的快速发展，同 时，高性能农业机器人为生产企业化提供了必要条件。当代农业不应该仅仅局限在产出 数量上面，更需要将目光放在品质与节能、增效和可持续发展上面，要彻底解决生产率 低下、资源浪费、生态环境破坏和农药残留严重超标等项难题，就只能寄托于高性能机 器人，发展农业机器人已到了刻不容缓的地步! 农业机器人的研究已进入了实用化阶段，随着高科技农业发展的需要和机械电子业 结合的日益紧密，农业机器人将不断涌现和完善。可以预测：2 1 世纪将是农业机器人的“ 新时代。研究农业机器人有着重要的意义，对于农业生产有着重要的作用【1 1 1 。， ( 1 ) 提高农业生产率 中国现阶段，农业生产率很低，通常为非农业生产的2 5 左右。主要原因是劳动力 费用消耗大，占用了农业生产费用的5 0 ，因此，农业生产的技术经济效率较低。要提 高农业生产的技术经济效果，引进机器人来提高农业生产率是急待解决的研究课题。 ( 2 ) 解决劳动力不足问题 农业生产的多种经营，使农业劳动力不足越来越明显。许多作业项目，如蔬菜、水 果的挑选、水果的采摘等，8 嗍是手工作业，并且时间较为集中，而此时农业种植业也 同时需要劳力，发达国家由于城市化的发展，劳动力的解决是非常困难的。在发展中国 家，工业的优先发展和第三产业的兴起，劳动力的迅速转移也使农业劳动力紧张。因此， 引进农业机器人来解决劳力不足的问题是必要的 ( 3 ) 改善农业作业者的安全与卫生环境 预防和消灭农作物和水果的病虫害，需要喷洒大量农药，使用农业机器人代替人做 这项作业，可以防止农药对人体的危害。此外，畜、禽舍的清扫，蔬菜、果树以及农作 一5 - 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 物的施肥等又脏又累的工作使用机器人完成，可以改善作业者的卫生环境，有利于作业 者的身心健康。 ( 4 ) 提高作业质量 农业机器人集传感器技术、检测技术、人工智能技术、通信技术、精密及系统集成 等技术于一身，它的作业质量要比手工劳作和一般农业机械作业质量高出许多，就像工 业生产一样，它能提高作业精度，满足农业技术的要求。 ( 5 ) 提高机械的通用性 一般的农业机械通用性较差，利用率较低。如耕耙机械不能用于收获作物，收获机 械又不能用于播种作业等等。而机器人，由于它具有多自由度和高通用基体，通过改变 其软件和部件，可以进行多种作业。 发展农业机器人已经到了不可犹豫的紧要关头，它不仅直接地关系着我们亿万农民 的切身利益和本项技术可否在国际学术界占有一席之地，更重要的是也许在一定程度上 还决定着中华民族未来的生死存亡。发展农业机器人是一项利国利民，功在千秋的伟大 事业，每个阶层与社会团体应当发挥各自力量，以最大限度将其推向深入与持久。农业 是人类一切活动得以正常进行的基础，也是所有行业获得发展的前提，因此，不应任其 长期停滞不前，甚至出现局部退化。故促进农业取得长足发展，首要问题是必须寻求新 的作业、管理模式，而基于计算机的机器人技术是最佳途径。 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 试验系统建造方案 2 1 课题研究目的与主要内容 z 1 1 课题研究目的 果园辅佐机器人其主要工作任务为输送、锄草等，课题针对它的工作要求，其主要 研究内容为环境模型的建立和路径规划问题，同时对机器人本体、控制系统进行初步设 计。环境建模是机器人路径规划的基础，任何一种规划算法都与某种特定的建模技术相 对应，同时环境模型的建立还能起到提高任务完成满意度与加快环境学习收敛速度的作 用。环境建模的性能优良与否在机器人完成人们赋予的任务过程中至关重要，它不但是 路径规划、导航、监控得以高效、实时工作的基础，而且与人机界面一起直接地决定着 用户对整个系统的接受程度。以往的建模方法都是在单级环境建模的基础上发展起来 的，其适应能力极其有限，在复杂环境中，建模效率急剧下降。这些建模方法都不同程 度地存在定性不足、定量有余，或者只有某些成份的定性而缺乏足够的定量( 拓扑空阃 法) 问题。因此，采用定性与定量适当结合的方法，将演变为环境建模方法发展的新趋 势。不过一般意义下的多级环境建模方法仍然很难使用人的知识。没有人的知识寄渤就 无法从根本上降低环境建模的规模，利用知识、结合二维半描述、基于几何特征和区域 分割与合并的多级环境建模方法，正是为解决这类问题提出并发展起来的。 路径规划系统是自主机器人的一个重要组成部分，路径规划反映了机器人的运动可 能性，效率和能量消耗情况。从机器人运动可能性来讲，路径规划体现在机器人能否沿 规划好的从某个起点到某个目标点的路径运动，并且避开障碍物。从机器人运动的效率 来讲，路径规划体现在机器能否在最短的时间内走完。从机器人的能量消耗来讲，路径 规划体现在机器人如何运动才能使设定任务不变情况下消耗的总能量最小。针对果园工 作要求，规划分为“点”到“点”的路径规划和全区域覆盖路径规划，系统通过特定性 能标准进行路径规划，达到机器人工作效率最优、实用化。 2 1 2 课题设计目标 利用c + + b u i l d e r6 o 的本地数据库系统，定义、设计、建立环境模型所涉及的各类 一7 一 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 对象以及完成规划所涉及各功能模块。其中，建立的环境模型包括了环境边界描述、环 境模型描述及环境连通和隶属描述。运用程序设计技术、人工智能技术和机器人环境模 型建造方法，探索、实现同时兼顾环境广泛性、多样性、复杂性、描述细腻性、信息提 取快速性和学习、修改简便等多项要求于一体的实用化框架系统：根据环境特性及障碍 物分布特征，利用区域分割算法对机器人的行走空间进行分割。由于分割后的区域可能 显得过于零散或支离破碎，因此需要结合具体机器人的几何特征( 尺寸、形状) 及动、 静态特性，制定一系列行之有效的合并策略及不同合并策略的动态调度机制，借此实现 机器人行走区域优化合并及自由行走空间确定。课题利用知识表示，结合二维半描述对 环境边界进行定义和构造。在此基础上，建立机器人工作区域的环境模型，并以图形方 式形象、逼真而且直观地展示工作背景与内容，更有效地协助机器人对周围环境做出正 确的分析、判断，圆满地完成机器人的各类任务。 同时，在该实验系统中，机器人要实现能够在已知环境自主地规划出从起始位置经 由子目标最后到达最终目标点的安全、无碰撞路径，并且通过优化算法，完善、改进路 径，达到更快速、准确、实用效果。全区域覆盖规划也是系统一个重要任务，其目的就 是实现按照特定评价标准，实现覆盖整个工作区域的遍历路径。而路径规划结果优劣将 直接地影响到机器人对赋予任务实施的成效。 2 2 实验系统建造总体方案 2 2 1 实验系统总体功能制定 实验系统所要拥有的主要功能是通过建立基本环境模型，针对机器人任务，根据设 定的出发地点、终到地点和可能必经的地点等等信息，选择相应的评价准则、规划模式， 按要求进行规划并最后给出满足工作要求的合理化行走路线。 2 2 2 实验系统功能模块划分 根据实验系统总体能力分析，针对系统所要完成的任务，将实验系统分为五个主要 功能模块，它们分别为环境建模模块、任务管理模块、规划模块、仿真模块、人机接口 模块等。经过对这五个部分进行整合，最后形成完整的具有综合规划能力的完整实验系 统。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 系统模块简介 为了对本系统有一个整体性的描述，需要简要地介绍下其中包含各个模块的主要 功能，以及针对它们的设计主导思想。 2 3 1 任务管理模块功能简介 机器人任务管理是各个功能模块得以顺利进行的先决条件。由于实验系统暂时未包 含机械臂作业，于是任务管理目前蜕化为行走任务管理。该模块至少应该实现下列几项 功能： ( 1 ) 获取出发地点，即机器人从什么地点出发( 有时也称之为始点) ；获取终到地 点和可能的中间必经地点，即目标和子目标，目标有时也称之为终点。 ( 2 ) 检验设定行走任务的合理性、合法性，比如出发地不能是目的地( 执行_ 完任 务后再返回可分解为两部分) ( 3 ) 设定任务替换功能，其宗旨是在不改变任务性质的前提下，修改任务的位置； 姿态和紧迫性。 2 3 2 环境建模模块功能简介 环境建模模块的作用是利用知识来描述环境的隶属关系、连通关系、邻接关系和区 域等价关系，建立语义概念和几何空间上的环境模型。在这里，必须重点解决好下列几 类关键问题： ( 1 ) 针对不同描述对象选取恰当、有效的知识表示方法与知识库结构 ( 2 ) 确定区域分割原则，实现工作区域的分割。 ( 3 ) 确定区域合并准则，实现工作区域的合并 2 3 3 机器人行走规划模块功能简介 机器人行走规划功能模块，通过任务级调度、分解、规划及符号级路径规訇j 、符号 级环境单元连通搜索、符号级规划到空间级的映射、空间级路径规划、行走轨迹规划、 行走参数规划与行走伺服规划等来实现。通过分析、搜索和比较之后找出满足某种评价 准则下最优的行走路线链。在这里，必须重点解决好下列几类关键问题： ( 1 ) 依据设定行走任务，通过调度、分解形成相对独立的子任务集合。 9 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 ( 2 ) 针对各个子任务，经分析、搜索找出可行的环境单元行走路线链。 ( 3 ) 根据环境邻接特性，剔除虚拟环境并且插补中间区域，使得在语义级达到连 贯、畅通。 ( 4 ) 按照环境基本特征，利用参照、定性描述方式，给出依据某环境某对象哪个 基准点进入或离去的语义化描述 ( 5 ) 经空间级环境模型基础上的区域分割之后，利用区域连通链上橡皮筋启发式 搜索，获得环境单元内起始、终止点间的直线、圆弧、原地转向动作元序列。 ( 6 ) 依照机器人环境特点，采用模块化思想，规划出覆盖整个区域的有效路径。 2 4 环境建模分系统简介 环境建模分系统是整个系统中最主要的子系统之一。课题对其中的知识表示，知识 库管理、基于连通因子的环境建模方法和区域分割算法、区域合并原则等相关内容进行 了研究、改进和扩充，并在计算机上进行了具体实现与检验。 2 4 1 环境建模软件具有的特征 环境建模软件应具备以下一些特征： ( 1 ) 快速建模。环境建模系统欲傲到实用化，首先应满足快速性要求。如果一个 环境建模系统不能在可容忍的时间内给出有效结论，那么即便其建模结果非常圆满也没 有人会使用它。 ( 2 ) 健壮性好。由于环境建模软件是面向各个层次的广大用户，而在这种技术水 平严重参差不齐的一大群人当中，不免存在相当部分属于非专业化，所以如何有效地防 止、避免因经验不足带来的操作失误，以及因此导致的不良后果就显得十分重要。换句 话说，客观实际要求系统具有很强的健壮性 ( 3 ) 友好的人机界面。由于应用本系统的大部分人员是非专业化人士，作为系统 与外界沟通的主要途径人机界面，即必须拥有非常友善的特征。人机界面应该最大 限度地适应各类非计算机人员的要求，不仅需要把系统输出转换为用户十分易于理解的 形式，而且还应使用户方便地操纵系统，必要时给出即时帮助。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 2 环境建模分系统功能简介 环境建模分系统的任务主要是： ( 1 ) 完成与建立环境模型直接相关的典型环境单元样本、树木模型的定义和维护 ( 2 ) 在各类环境知识库基础上生成环境模型 ( 3 ) 根据用户意图，自动匹配环境样本单元，显示用户欲查看的环境模型平面图 ( 4 ) 在系统其它模块请求下进行环境单元的分割与合并。 2 4 3 环境建模分系统总体框架 根据以上设计分析，我们可以给出环境建模分系统的总体框架如图2 1 所示 图2 1 环境建模分系统总体框架 f i 譬2 1e m ，i r 咖e n tm o d e l i l l gs y s t e m 矗锄e 对于环境建模分系统中各个模块的具体功能，还应进一步细化 ( 1 ) 信息管理模块对于信息管理模块，由于在环境建模分系统中，用到的相关 信息种类比较繁多，因此欲对其实施系统地管理，必须根据具体的信息种类、内容进行 划分、实现。基于这种思想，信息管理模块可以划分为环境样本线型代码管理模块、环 境样本线条类属管理模块、地面特性代码管理模块、树特性管理模块、颜色代码管理模 块等等 ( 2 ) 语义级环境建模模块。通过制定环境样本和环境模型参数，建立环境模型之 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 问的连通与隶属关系。 ( 3 ) 空间级环境建模模块。在环境样本和环境模型参数基础上，利用环境模型之 间的连通与隶属关系，绘出环境模型。 ( 4 ) 分割与合并模块。区域分割与合并模块包括区域分割模块和区域合并模块。 2 5 路径规划分系统简介 路径规划分系统是整个系统中重要的一个分支系统。课题在基于环境模型隶属关 系、连通关系的基础上通过搜索算法准确地规划出机器人的行走路线，并在计算机上进 行了具体实现与检验。 2 5 1 路径规划分系统具有的特征 路径规划软件应具备以下一些特征： ( 1 ) 准确性。路径规划系统欲做到实用化，首先应满足准确性要求，对于用户给 定的起始点，系统能够准确地完成其规划 ( 2 ) 高效性。高效性是评价路径规划系统实用与否的一个重要标准对于用户给 定的起始点，在准确完成的基础上，根据性能评价标准，高效完成规划任务 ( 3 ) 健壮性好为有效地防止，避免因经验不足带来的操作失误，以及因此导致 的不良后果，客观实际要求系统具有很强的健壮性。 2 5 2 路径规划分系统功能简介 在实验系统中，围绕机器人行走规划设置了多个级别与层次，包括点间行走规划和 覆盖规划两部分，其中点问规划完成果园中输送任务，规划期间利用环境区域隶属关系 树和连通网络的差异，分别得到环境单元行走层次关系与环境行走连贯性插补，最终实 现进入某环境单元、在哪儿完成某既定作业后又经由哪个分界面离开该环境而进入另一 环境单元的环境单元参照行走描述，寻求两点间最优路径：覆盖规划则完成锄草、喷洒 农药等等任务，从任务本身就能了解到，覆盖规划完成对整个工作区域覆盖，通过子区 域划分，遍历所有子区域，完成子区域内部覆盖，以达到整体覆盖的任务要求。 2 5 3 路径规划分系统总体框架 根据以上设计分析，我们可以给出路径规划分系统的总体框架如图2 2 所示 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 2 路径规划分系统总伴框架 f 喀2 2 n 雠p k 啪魄s y s t e l n 腼 ( 1 ) “点”到“点”路径规划模块。对于此模块，实现了两点间路径的最优设置， 例如，果园中的运输等操作，其根本就是实现“点”到“点”的最优路径。 ( 2 ) 用于锄草的全区域历遍覆盖路径规划模块。对于此模块，主要是针对锄草任 务目的，通过全区域覆盖规划，做到遍历整个工作区域，以达到对整个工作环境锄草的 目的。 ( 3 ) 树点区域路径规划模块。树点附近区域是规划中比较复杂的工作地点，即要 覆盖此每点，同时又应保证与树木之间无碰撞。通过建立此模块来补充实现覆盖的完整 性。 - 1 3 一 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 3 课题开展基础与前提 3 1 二维半技术 “二维半”这个概念对于人们并不陌生，在模式识别领域，人们研究出二维半条码 码制技术；近几年风行的虚拟演播室系统也引入了“二维半”思想f 嘲。在图形学里，它被 用于三维实体造型。将二维半技术引入建立环境、障碍物实体，主要基于以下考虑：尤 其在结构化空间中，环境、障碍物几乎全为人工制造物体，它们均具有相对规则的外形， 可采用略为简单的几何方法相对严格、准确地描述。 对于现在机器人经常涉足的结构化环境中的障碍物而言，差不多全部是单一典型部 件、典型部件复合或不同部件组装。不管哪类描述对象，没必要一定使用三维笛卡尔坐 标表示，通常只要在二维描述的基础上适当地增加高度、倾角和姿势之类附加信息，即 可以获得其三维的相关数据，而由此造成的数据量增添又不会过多，因此二维半描述能 够很好的协调环境描述细腻性与数据量随环境复杂而急剧增加间的突出矛盾。 3 1 1 二维半描述 所谓二维半描述，实际上就是用二维平面坐标上增加的其它参数来表述一个现实立 体物体或障碍部件，这个半维参数是不固定的，它既可以是一个，也能够是若干个，真 正引入的参数数量需要根据欲描述关系的复杂程度而改变。举个例子来说，如若要描述 一个标准的圆柱体，则只需给出端面半径和端面间距就足够了。假如认为有必要把标准 圆柱体扩展成斜圆台体，那么也仅仅需要指出两个端面的半径，上下端面距离以及一个 端面相对另一个端面的倾角和质心偏移，届时即可以利用这些信息正确、严格和细腻地 构造出被描述对象的各种特征、特性与结构形状。在这里，半径被用来确定端面的形状、 尺寸，距离、质心偏移、端面夹角用来确定圆台体高度、端面相对位置、姿态。在此例 中，端面属于二维形状，端面距离、质心偏移和端面夹角便归并为所谓的半维描述，它 们两者结合在一起即组成了完整的二维半描述。 3 1 2 二维半描述应用予环境建模的优势 稍经分析，不难发现二维半描述具有如下明显特性： ( 1 ) 基于二维半描述的障碍物实体建模可以大量地节省数据库空间，减少系统的 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 硬件资源开销，从而大幅度地提高系统运行效率。为什么这样说呢? 当用计算机描述一 个现实的物体时候，通常需要把这个实体的相关数据全部存放在数据库中，拿长方体来 说，当要保存一个长方体的数据时，经常就要保存它各个顶点的立体数据信息，对于长 方体这样的几乎最简单物体来说即要保存8 个顶点的三维信恩2 4 个数据。现在，按 照各个顶点所处端面不同可以将它们分成两部分，上底面4 个，下底面4 个，稍做分析便 不难发现：无论哪个端面上的顶点除过x ，y 坐标，z 坐标在每一组内全部是重复的，这 种重复造成了大量的数据垃圾。而如果采用了二维半描述思想来保存同样的长方体，就 从根本上彻底地避免了此类现象重演。利用端面之间的关系，只要在两个端面顶点二维 描述的基础上增加一个高度变量h 就足够了，这时仅需要1 7 个数据，最少时甚至达到3 个 数据。对于其它复杂物体，可以通过引入适当的参数，例如端面间距、端面夹角与两个 端面质心偏移等，就能够有效地避免数据不必要的重复存储，保证了系统的高效性。 ( 2 ) 基于二维半描述的障碍物实体建模可以快速、简便地修改新建对象和原有对 象的某些特征。以斜四棱柱为例，可以通过简捷地改变棱柱体的高度，质心偏移量、端 面倾角等参数，轻而易举地改变对象的立体特性。 ( 3 ) 利用二维半描述思想，把三维物体识别简化为二维半识别，这样就把识别整 个目标蜕化成识别可见的表面结构。普通多面体的遮挡消隐算法经常很复杂，计算工作 量庞大。但对于二维半描述多面体，则可利用其各种复杂度特征，使消隐算法得到最大 限度的简化。因此，在实际环境建模当中使用二维半描述思想还是非常富有现实意义与 工程价值的。 3 1 3 二维半障碍物建模原理 所谓障碍描述，说到底便是对机器人行走过程可能遇到的妨碍机器人正常行走的物 件类型、位置和姿态进行表述。障碍按其属性而言可归结为自然障碍和人造障碍；按其 稳定性分为固定障碍和动态障碍。障碍物可能包含多种部件或部件的组合，只要依次建 立各部件的模型，确定障碍部件之间的相互对应关系。即可对障碍物建立各自完整的实 体描述。 针对室内、外结构化空间中的障碍物而言，二维半描述是指：障碍物被定义为球、 - 1 5 一 果园多作业辅佐机器人系统研究与设计 圆柱、圆锥、圆台、棱柱、棱锥、棱台等不同部件的有机结合。部件在描述端面形状的 二维边界信息表示基础上，通过添加端面间距、方向角和质心偏移等附加信息，便可以 表示出部件的立体特征。在由障碍部件组织成障碍物整体描述过程中，只要指定连接点， 姿态和衔接面，就既可以较真切地描述障碍的原始形态，又极大地压缩了冗余信息。 3 2 机器人传统环境建模方法 环境建模是机器人路径规划的基础，是机器人研究的基础性闯题，其主要任务便是 对障碍物空间进行模型化表述。机器人的工作环境通常可以划分为：结构化空间、半结 构化空间和非结构化空间。机器人在一个已知的环境中工作时，为了能够成功地通过优 化路径从起始点无碰撞地行走到目标点，每个机器人系统的控制内核必须选择并建立恰 当的环境模型，依此表述工作场所。这个问题对机器人高质量地完成人们赋予的任务来 说是极其重要的。 人们通过不懈努力逐步地提出了以障碍空间法、自由空间法、网格法、人工势场法、 拓扑空间法等为典型代表的一系列环境建模方法【u d 6 l 。 3 1 2 1 障碍空间法 t h 唧s o n 在1 9 7 7 年首先提出了障碍空问法，这种方法按机器人的特征尺寸，将已 知的障碍物扩充，环境边界也被视为特殊障碍种类，同样将环境向内压缩1 1 m 1 1 。障碍空 间法把机器人作为质点对待，将机器人、目标点和扩充后多边形障碍物的各个顶点进行 组合连接，要求机器人和障碍物各项点之间、目标点和障碍物各项点之间以及各障碍物 顶点与顶点之间的连线，均不能穿越障碍物，即直线可视化。这时，搜索最优路径的问 题就转化成：从起始点出发，经过这些可视直线到达最终目标点，其问要求遵守距离最 短原则。 障碍空间法具有直观、清晰优势，但其最大问题却是苦于障碍扩充尺寸的准确选定。 如若按照直线段空间需求扩充、压缩环境、障碍，拐弯时可能导致机器人与环境或障碍 发生碰撞，反之则可能丢失原本可以行走的区域。障碍空间法的改良型，运用了可变宽 度的扩充、压缩方法，不过实际操作时由于各个位置的转向幅度不可能事先予以绝对准 确设定，因此经常表现得无所适从。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 2 栅格法 栅格法将机器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元圈，工作空问中障 碍物的位置和大小一致，并且在机器人运动过程中，占该物的位置和大小不发生变化。 用尺寸相同的栅格对机器人的二维工作空间进行划分，栅格的大小以机器人自身的尺寸 为准。若某个栅格范围内不含任何障碍物，则称此栅格为自由栅格：反之，称为障碍栅 格。自由空间和障碍物均可表示为栅格块的集合。栅格的标识方法有2 种：直角坐标法 和序号法，多采用四叉树或八叉树表示工作环境，并通过优化算法完成路径搜索删。 该法以栅格为单位记录环境信息，环境被量化成具有一定分辨率的栅格，栅格的大小直 接影响着环境信息存储量的大小和规划时间的长短，栅格划分大了，环境信息存储量小， 规划时间短，但分辨率下降。在密集环境下发现路径的能力减弱，栅格划分小了，一环境 分辨率高。在密集环境下发现路径的能力强，但环境信息存储量大，规划时间长 3 2 3 位势场法 人工势场法是由k h a t i b 首先提出的一种虚拟力法。其基本思想就是将机器人在环 境中的运动视为一种位于虚拟人工受力场中的移动【2 扪。障碍物对机器人产生斥力，目标 点则产生引力，引力和斥力的合力构成了机器人的运动加速力，以此控制机器人运动方 向并计算具体位置。实际上，这种建模方法是把障碍物的分布及其形状位置信息综合地 反映在环境中每一点的势场中。也即，势场在某种程度上反映出环境的拓扑结构。在行 走环境势场中靠近障碍物边界的点对应的势场较大，随着远离障物势场逐渐地减小。在 此，由目标产生的势场是以目标位置为最小值的一个吸引场【2 引。 人工势场法结构简单，便于底层实时控制，在实时避障和平滑的轨迹控制方面，得 到了广泛的应用。人工势场建模法的最大问题是：由于缺乏全局信息，于是可能存在局 部极值陷阱问题嘲。当机器人处于局部极值点时候，容易产生锁死现象，使机器人在到 达目标点之前就滞留在局部极值点而寸步难行。所谓局部极值点，就是由于吸引势函数 和排斥势函数的共同作用，在区域某些分布点上，因受多个势函数影响形成的抽象力总 和变为零。障碍越密集，共同作用的势函数也越多，因而产生局部极值点的几率也就越 大，因此人工势场法比较适用于障碍略微分散情