艾長(zhǎng)勝，林洪川，武德林，馮志全

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葡萄園植保機(jī)器人路徑規(guī)劃算法

艾長(zhǎng)勝1，林洪川1，武德林2，馮志全1

（1. 濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022； 2. 山東眾和農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)有限公司，棲霞 264000）

為提高植保機(jī)器人葡萄園作業(yè)在壟行識(shí)別和路徑規(guī)劃中的準(zhǔn)確度和可靠性，該文提出了一種基于支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）的多支持向量配比權(quán)重進(jìn)行葡萄園壟行識(shí)別與農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃的算法。該算法利用Kalman濾波器對(duì)由激光雷達(dá)掃描獲取的粗大實(shí)況果園數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，校正數(shù)據(jù)中的噪聲離群點(diǎn)，然后結(jié)合SVM，獲得壟行環(huán)境中的分割超平面和分類邊際線，最后根據(jù)樣本點(diǎn)與分類邊際線存在的幾何間隔關(guān)系判別各點(diǎn)所占相對(duì)權(quán)重，獲取壟線安全預(yù)估測(cè)位置并進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)導(dǎo)航線的規(guī)劃擬合。通過對(duì)多個(gè)實(shí)際樣本的試驗(yàn)與測(cè)試，擬合導(dǎo)航線與實(shí)際壟行中心線平均角度偏差為0.72°，相對(duì)植保機(jī)器人的平均距離偏差為4.22 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠有效的識(shí)別與定位植保機(jī)器人所需導(dǎo)航線的位置，擬合的導(dǎo)航線滿足葡萄園植保機(jī)器人準(zhǔn)確作業(yè)的要求。

機(jī)器人；算法；雷達(dá)；壟線識(shí)別；路徑規(guī)劃；卡爾曼濾波器；支持向量機(jī)

0 引 言

葡萄是中國(guó)大宗水果產(chǎn)品之一，而當(dāng)下，中國(guó)葡萄園種植管理工作依然以人工作業(yè)為主。70%左右植保機(jī)仍處于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)70至80年代水平。智能化程度低、成本高、作業(yè)效率低下、農(nóng)藥滲透?jìng)Σ僮髡叩葐栴}遏制著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。隨著葡萄種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，葡萄作業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[1]。具備自動(dòng)化能力的植保機(jī)成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵組成部分。而植保機(jī)器人導(dǎo)航路徑規(guī)劃以及農(nóng)田壟行識(shí)別是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

聶森等[2]提出了一種基于HSV顏色空間中H、V二通道差值以及動(dòng)態(tài)閾值分割的圖像處理方法，通過Hough變換來實(shí)現(xiàn)果樹壟行識(shí)別并擬合出導(dǎo)航中心線。張志斌等[3]提出了一種采用視覺處理，判別壟行間距實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的策略方法，通過對(duì)壟行圖像進(jìn)行灰度處理，拾取一系列壟行行向與列向特征點(diǎn)，來完成對(duì)農(nóng)作物壟行結(jié)構(gòu)的分析與識(shí)別，通過The least-square method擬合得到的農(nóng)作物壟線以及植保機(jī)器人導(dǎo)航線。Torii等[4]采用圖像處理的方法，根據(jù)果園作物區(qū)與犁溝區(qū)色差區(qū)別，運(yùn)用最小二乘法獲取植保機(jī)器人的期望導(dǎo)航路徑。基于機(jī)器視覺所提出的一系列有關(guān)果園中植保機(jī)器人的導(dǎo)航策略方案，表現(xiàn)出感知方式便捷、內(nèi)涵信息豐富、層次分明的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，由于在圖像處理過程中對(duì)環(huán)境光變化比較敏感，往往導(dǎo)致其不適合全天候工作[5-8]。熊斌等[9]設(shè)計(jì)了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分式導(dǎo)航線獲取方法，實(shí)現(xiàn)植保機(jī)器人的直線路徑擬合，導(dǎo)航精度可達(dá)厘米級(jí)。Zhang等[10]通過RTK-GPS技術(shù)實(shí)時(shí)的獲取植保機(jī)器人的目標(biāo)路徑，并通過與植保機(jī)器人的位姿狀態(tài)進(jìn)行比較，來實(shí)現(xiàn)植保機(jī)器人的自導(dǎo)航。周俊等[11]采用激光雷達(dá)捕獲以壟行為種植特點(diǎn)果樹樹干信息，利用圓弧聚類的方法計(jì)算得到樹干中心位置，從而間接獲取植保機(jī)器人的導(dǎo)航路徑。采用GPS-RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)植保機(jī)器人的自定位與導(dǎo)航能夠滿足高精度、速度快、適宜全天候作業(yè)的要求，但同時(shí)存在著成本高、難以推廣的缺陷[12-15]。Freitas等[16]利用激光測(cè)距儀、編碼器等多傳感器感知果園壟行果樹位置信息，并采用派生卡爾曼濾波器判別植保機(jī)器人相對(duì)壟行的位置以及植保機(jī)器人的導(dǎo)航路徑。運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方式來完成果園植保機(jī)器人的路徑規(guī)劃，具有各傳感器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、容錯(cuò)性高的優(yōu)勢(shì)，但時(shí)常伴隨算法冗余度大，且數(shù)據(jù)融合、特征融合、決策融合過程復(fù)雜的缺點(diǎn)[17-20]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)農(nóng)田或以間隔種植為主要特點(diǎn)的果園環(huán)境植保機(jī)器人的自動(dòng)化技術(shù)研究較多，但針對(duì)以連續(xù)種植及分布為特點(diǎn)的葡萄園環(huán)境的相關(guān)研究較少；另外，各研究者為解決果園植保機(jī)器人自定位與導(dǎo)航問題提出了眾多值得借鑒的策略方案，需要結(jié)合葡萄園特有的種植分布方式，設(shè)計(jì)一種可行的導(dǎo)航方案。

激光雷達(dá)在環(huán)境感知方面，具有抗干擾能力較強(qiáng)，適宜全天候作業(yè)，可使用果園現(xiàn)有果樹作為參照物，進(jìn)行相對(duì)位置識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，且維護(hù)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠簡(jiǎn)化植保機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及運(yùn)行成本，成為目前解決該類問題的主流傳感器。

本文根據(jù)葡萄園兩側(cè)壟行線性可分的特征，結(jié)合抗光線多變能力強(qiáng)以及數(shù)據(jù)輸出簡(jiǎn)潔的激光雷達(dá)掃描實(shí)時(shí)獲取的果園壟行實(shí)況數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用系統(tǒng)最優(yōu)估計(jì)Kalman濾波器對(duì)原始樣本信息進(jìn)行濾波處理。結(jié)合支持向量機(jī)在二分類處理問題中的優(yōu)越性，提出了一種基于支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）的多支持向量配比權(quán)重判別壟行安全位置與機(jī)器人局部自導(dǎo)航算法，以期為植保機(jī)器人在葡萄園壟線識(shí)別和路徑規(guī)劃的研究提供一種方法。

1 研究方案

圖1為實(shí)際葡萄園壟行種植情況，其中虛線由某一高度下壟行果樹葉幕最大外延支出點(diǎn)（類比于SVM中的支持向量）連接而成。實(shí)線代表2條壟行的分類線（類比于SVM中的分割超平面）。

本文提出一種基于葡萄園作業(yè)環(huán)境下的植保機(jī)器人壟行識(shí)別以及路徑規(guī)劃策略方法。使用鐳神智能公司生產(chǎn)的LS01C激光雷達(dá)作為果園環(huán)境探測(cè)器獲知葡萄園壟行果樹葉幕信息。該激光雷達(dá)的特性如表1所示。激光雷達(dá)掃描范圍為0到6 m，掃描角度為360°全方位掃描，掃描精度為1°，掃描頻率為11 Hz，其數(shù)據(jù)輸出通過串口uart發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理。本文基于Matlab2015b進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的處理。激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)是通過uart串口輸出，本文使用了uart轉(zhuǎn)USB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，然后利用Matlab2015b軟件自帶的Data Acquisition Toolbox工具包實(shí)現(xiàn)Matlab2015實(shí)時(shí)的讀取PC機(jī)USB數(shù)據(jù)流，從而完成在Matlab2015b中對(duì)采樣數(shù)據(jù)的即時(shí)處理。

圖1 葡萄園環(huán)境示意圖

表1 激光雷達(dá)LS01C特性參數(shù)

1.1 卡爾曼濾波

雷達(dá)初步掃描捕獲的葡萄園實(shí)況壟行葉幕信息中夾雜著各種各樣的噪擾，其數(shù)據(jù)的可讀性差。而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)捕獲的一系列的狀態(tài)觀測(cè)值的最優(yōu)估計(jì)是卡爾曼濾波器的顯著特征[21]。帶有干擾與噪聲的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波器預(yù)估計(jì)可以較大程度上實(shí)現(xiàn)降噪功能，使數(shù)據(jù)去偽存真，因此其濾波過程可以達(dá)到最優(yōu)估計(jì)的效果[22]。其便于編程，且即時(shí)處理特性明顯以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富是能夠使Kalman濾波器得到廣泛應(yīng)用的重要原因。實(shí)現(xiàn)Kalman濾波算法須明確其2個(gè)核心原理方程，即系統(tǒng)狀態(tài)方程與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量方程[23]。

1）卡爾曼濾波算法的系統(tǒng)狀態(tài)方程

系統(tǒng)方程為

式中(n)代表被觀測(cè)葉幕點(diǎn)云的位置向量，反映的是第個(gè)被觀測(cè)點(diǎn)的位置，且此時(shí)(n)可以作為第(1)個(gè)點(diǎn)的最優(yōu)預(yù)測(cè)，1(n)代表觀測(cè)過程中所包含的噪擾向量，其用來表現(xiàn)出被觀測(cè)對(duì)象狀態(tài)變化所夾雜的誤差與干擾。×M是×階矩陣，×N是×階矩陣，二者代表對(duì)葉幕點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的各個(gè)系數(shù)矩陣，也即第(1)個(gè)點(diǎn)的位置估計(jì)狀態(tài)參數(shù)。

2）卡爾曼濾波算法的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量方程

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量方程為

其中(n)代表葉幕點(diǎn)云數(shù)據(jù)不斷更新的過程中最新點(diǎn)的位置狀態(tài)向量，(n)具備了(-1)時(shí)刻更新點(diǎn)的最優(yōu)狀態(tài)預(yù)測(cè)；2(n)代表動(dòng)態(tài)更新過程中所存在的噪擾向量，可以用來表現(xiàn)雷達(dá)動(dòng)態(tài)觀測(cè)過程中攜帶的誤差與干擾；×M是×階矩陣，其代表更新過程中各個(gè)系數(shù)矩陣，也即(n)以及其夾帶的噪擾向量2(n)在×M與×N處理降噪過程中的預(yù)估參數(shù)。

1.2 支持向量機(jī)

壟行趨向的平行性是果園種植的突出特征，而其平行性即展現(xiàn)出了兩側(cè)壟行可進(jìn)行二分類的顯著特點(diǎn)。SVM的核心之意是探索存在的唯一一個(gè)具備間隔最大化的最優(yōu)分類標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)能夠有效的進(jìn)行二類辨別，其產(chǎn)生的分類結(jié)果符合自學(xué)習(xí)的要求[24]。因此本文采用SVM作為壟行辨別的骨架算法。支持向量機(jī)示意圖如圖2所示，正方形代表左側(cè)待分類點(diǎn)，三角形為右側(cè)待分類點(diǎn)。

注：H1、H2為分類邊際線。H為分隔超平面。margin：最大間隔。ω為超平面法向量。

最終，通過對(duì)的求解間接獲取與最優(yōu)估計(jì)

SVM在求解二分類最優(yōu)解時(shí)展現(xiàn)出其顯著的優(yōu)越性，同時(shí)支持向量機(jī)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成為其能夠良好適用于典型問題的重要依據(jù)，其優(yōu)勢(shì)可見一斑[28]。

1.3 多支持向量配比權(quán)重

首先，植保機(jī)器人局部作業(yè)路徑規(guī)劃的精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)依賴于壟行位置的準(zhǔn)確判斷。通?？捎蓧判兴谥本€位置間接獲取居中導(dǎo)航線。但該策略存在著忽略了外延果樹枝干枝葉所形成的剛性不可干涉碰撞區(qū)域的先天不足。在植保機(jī)器人實(shí)際作業(yè)當(dāng)中，對(duì)于上述區(qū)域，因機(jī)樹碰撞發(fā)生的可能性，將導(dǎo)致植保機(jī)器人工作的可靠性、安全性以及合理性大打折扣。間接設(shè)計(jì)合理措施進(jìn)行人為干預(yù)方可避免干涉發(fā)生。壟行安全位置的提出可以彌補(bǔ)此類設(shè)計(jì)的缺陷，將工作的重心由精確判斷壟行位置轉(zhuǎn)移到壟行安全預(yù)估測(cè)位置的辨別上來。確定了壟行的安全位置，就能夠獲取植保機(jī)器人作業(yè)的安全區(qū)域，進(jìn)而能夠進(jìn)一步的擬合出植保機(jī)器人局部最優(yōu)導(dǎo)航路徑。

其次，該分析方法的提出可以繞開由判斷壟行精確位置過程所帶來的沉重的算法策略設(shè)計(jì)困難。且最終實(shí)現(xiàn)的擬合效果更能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的葡萄園環(huán)境。如圖3所示，黑色虛線為直接使用SVM獲得的分類邊際線，點(diǎn)畫線代表壟行位置，而實(shí)線是考慮了樹干枝葉所形成的剛性不可干涉區(qū)域后，擬合的壟行安全預(yù)估測(cè)位置。

注：空心圓和實(shí)心圓代表待分類樣本的左右兩側(cè)。

采用支持向量機(jī)的機(jī)制獲得的分類效果如圖3中黑色虛線所示，其可以將訓(xùn)練集分割為左右辨識(shí)度很高的兩類結(jié)果，并稱之為分類邊際線。一方面，分類邊際線的獲取取決于支持向量的位置，它是一種少點(diǎn)決策機(jī)制，而不能代表該訓(xùn)練集中大多數(shù)樣本所呈現(xiàn)的趨勢(shì)，且受噪聲點(diǎn)影響過大。另一方面，完全將整個(gè)訓(xùn)練集中的所有樣本點(diǎn)考慮在內(nèi)，進(jìn)行形態(tài)估計(jì)，同樣不能避免噪聲影響，且預(yù)測(cè)精度將大打折扣。例如最小二乘，其模型的建立便是基于一種將在群點(diǎn)與離群點(diǎn)全部介入規(guī)劃的代價(jià)優(yōu)化策略。

基于以上問題的討論，可以在SVM的分類結(jié)果的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步展開二次利用，基本思想如下。

1）借助SVM在二分類模型建立中的顯著優(yōu)越性，來尋求訓(xùn)練樣本集的最優(yōu)分類超平面，同時(shí)獲得兩側(cè)分類邊際線，方程如式（8）所示，分別為兩邊際線方程。

2）考慮壟行特殊環(huán)境——果樹外延枝干枝葉。為避免植保機(jī)器人在行進(jìn)過程中不與其發(fā)生碰撞與干涉，獲得植保機(jī)器人在局部區(qū)域中自由安全的作業(yè)條件，采用多支持向量支撐邊際線的方式，依據(jù)訓(xùn)練集各樣本點(diǎn)與分類邊際線之間的間隔關(guān)系為各樣本點(diǎn)分配相應(yīng)權(quán)重。由此擁有權(quán)重的點(diǎn)一定程度上又重新轉(zhuǎn)化為支持向量點(diǎn)。此過程一方面可以充分利用支持向量機(jī)的分類結(jié)果有效擴(kuò)充支持向量的數(shù)量。另一方面還能夠?qū)⒅С窒蛄堪礄?quán)重進(jìn)行等級(jí)劃分，即點(diǎn)線間隔關(guān)系緊密的樣本點(diǎn)成為權(quán)重占比高的支持向量點(diǎn)，點(diǎn)線間隔關(guān)系疏遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)成為權(quán)重占比低的支持向量點(diǎn)。

3）為分類邊際線配比質(zhì)量。邊際線質(zhì)量越大，所需大權(quán)重支持向量越多，或支撐點(diǎn)越多，從而依賴更多的支持向量來完成對(duì)邊際線的支撐。

式中為分類邊際線的預(yù)分配質(zhì)量。

4）對(duì)獲得的多支持向量進(jìn)行擬合。從而獲得壟行的安全預(yù)估測(cè)位置。

在支持向量機(jī)的基礎(chǔ)上，多支持向量配比權(quán)重的理論方法一方面可以有效的消除SVM在果園壟行預(yù)測(cè)過程中無法忽略奇異點(diǎn)與噪音點(diǎn)所帶來的預(yù)測(cè)失準(zhǔn)的先天缺陷，另一方面還能夠?yàn)橹脖C(jī)器人擬合出作業(yè)條件更為寬松與安全的工作環(huán)境。在消噪方面展現(xiàn)出更好的魯棒性。

2 方案設(shè)置與試驗(yàn)

對(duì)基于支持向量機(jī)的多支持向量配比權(quán)重判別壟行安全預(yù)估測(cè)位置的理論方法的理解應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）將分類邊際線質(zhì)量化后，SVM產(chǎn)生的少量的參與分類決策的支持向量并不能夠滿足對(duì)分類邊際線的完全支撐。一方面，拓展支撐向量的序列集并配以權(quán)重來實(shí)現(xiàn)所需的支撐功能，從而使新擬合出的壟行安全預(yù)估測(cè)位置能夠更多的考慮到支撐能力更強(qiáng)的支持向量，避免代價(jià)估計(jì)；另一方面，在判別是否存在多支撐點(diǎn)聚集壟行果樹枝干剛性不可干涉碰撞區(qū)域的情況中，所展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及良好的魯棒性是本文思想的核心。

2）壟行的安全預(yù)估測(cè)位置并不完全等價(jià)于壟行的實(shí)際位置，而是對(duì)植保機(jī)器人局部作業(yè)條件及其位置環(huán)境的安全性評(píng)估。在局部的葡萄園環(huán)境下，果樹枝干的長(zhǎng)勢(shì)并不一定完全與壟行線吻合，可能存在外延伸出的枝干，形成圖3中的枝干枝葉剛性區(qū)域，此時(shí)理想的導(dǎo)航中心線位置應(yīng)當(dāng)向另一側(cè)偏移，才能保證植保機(jī)器人作業(yè)的安全性。

本文試驗(yàn)采集大量的實(shí)際葡萄園壟行數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。下文以2個(gè)典型樣本為例進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與處理效果的詳細(xì)說明，并根據(jù)樣本集中誤差帶的分布情況，選擇5個(gè)代表性的樣本進(jìn)行誤差分析。具體試驗(yàn)是在室外實(shí)際葡萄園中進(jìn)行，壟行間距約為1.5 m，植保機(jī)器人的前進(jìn)速度為0.15 m/s，試驗(yàn)條件為晴天，激光雷達(dá)的采樣誤差可以控制在毫米級(jí)。

2.1 樣本尺度設(shè)計(jì)試驗(yàn)

采樣范圍過小將不能夠真實(shí)有效的反映壟行走勢(shì)，造成估測(cè)失敗。鑒于植保機(jī)器人作業(yè)速度一般在0～0.3 m/s的范圍之內(nèi)，采樣空間過大將會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余，加重?cái)?shù)據(jù)分析的負(fù)荷，且數(shù)據(jù)的采集應(yīng)充分考慮歷史數(shù)據(jù)（相對(duì)植保機(jī)器人身后的點(diǎn)）和當(dāng)前數(shù)據(jù)（相對(duì)植保機(jī)器人身前的點(diǎn)），以保證植保機(jī)器人周邊作業(yè)環(huán)境的安全性以及處理結(jié)果的可靠性。合理設(shè)計(jì)采樣空間大小是試驗(yàn)分析正確與否的先決條件。圖4為2個(gè)樣本的原始數(shù)據(jù)分布情況。

對(duì)于植保機(jī)器人前進(jìn)方向來說，相對(duì)其機(jī)身后的數(shù)據(jù)為歷史數(shù)據(jù)，其機(jī)身前的數(shù)據(jù)為當(dāng)前數(shù)據(jù)。單采用一種數(shù)據(jù)不利于壟行整體走勢(shì)的判斷。圖4中深色遮陰區(qū)域表示當(dāng)前數(shù)據(jù)，原點(diǎn)坐標(biāo)表示激光雷達(dá)所處位置，淺色遮陰部分代表歷史數(shù)據(jù)。兩者融合可以清晰的觀察到局部壟行的基本走勢(shì)特點(diǎn)。以激光雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以激光雷達(dá)起始掃描位置為軸，建立橫縱坐標(biāo)系，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的橫向距離，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的縱向距離。圖4a、4b為樣本1原始數(shù)據(jù)，圖4c、4d為樣本2原始數(shù)據(jù)。

圖4 壟行原始數(shù)據(jù)分布圖

本試驗(yàn)根據(jù)植保機(jī)器人的作業(yè)速度為0.15 m/s的特點(diǎn)，設(shè)置激光雷達(dá)距離地面50 cm，擺放位置為水平，采樣半徑3 m。由表1可知，激光雷達(dá)的采樣頻率為11 Hz，獲取3周采樣數(shù)據(jù)僅消耗0.27 s。這段時(shí)間內(nèi)局部壟行特征變化不大，因此本試驗(yàn)通過多組數(shù)據(jù)融合的方法——激光雷達(dá)LS01C每周可捕獲360組極坐標(biāo)下的（ρ,θ）。本試驗(yàn)利用3周掃描數(shù)據(jù)作為單次采樣樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從而有效的降低因果園檢測(cè)環(huán)境多變，動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)等干擾因素帶來的不確定性——進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的捕獲。

2.2 閾值設(shè)定與卡爾曼濾波試驗(yàn)

設(shè)定閾值在剔除樣本空間中的極遠(yuǎn)點(diǎn)與極近點(diǎn)方面能夠展現(xiàn)出其簡(jiǎn)易、靈巧的優(yōu)勢(shì)[29]。但只單純采取一種方法依然不能夠完成現(xiàn)實(shí)作業(yè)生產(chǎn)的需求?？柭鼮V波器在消除奇異噪聲、趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及增強(qiáng)數(shù)據(jù)可讀性方面擁有豐富的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)算量較小且能夠展現(xiàn)出良好的抗干擾能力[30]。因此本試驗(yàn)采用閾值設(shè)定與卡爾曼濾波的綜合策略來對(duì)獲取的壟行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)前處理。首先通過設(shè)定閾值濾除樣本數(shù)據(jù)中的極遠(yuǎn)點(diǎn)與極近點(diǎn)，如圖5a、圖5c中的圓圈圈出的點(diǎn)，然后使用卡爾曼濾波器對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理。圖5b為樣本1效果圖，圖5d為樣本2效果圖。

在圖5中，以激光雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以激光雷達(dá)起始掃描位置為軸，建立橫縱坐標(biāo)系，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的橫向距離，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的縱向距離。由圖5a、圖5c可觀察到圓圈中的點(diǎn)是以激光雷達(dá)為中心的3 m以外以及100 mm以內(nèi)的掃描點(diǎn)，此時(shí)經(jīng)分析可知此類點(diǎn)多為激光測(cè)距掃描儀反饋數(shù)據(jù)樣本集中所夾雜的硬性干擾與粗大噪聲。其中鄰近環(huán)境中相同或近似的光源頻率、被觀察對(duì)象表面反射線的丟失、過大的入射角以及雷達(dá)相近區(qū)域遮擋物導(dǎo)致的掃描盲區(qū)是該類噪擾產(chǎn)生的重要因素。該類點(diǎn)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析帶來不利的波動(dòng)和干擾，還會(huì)額外的提高對(duì)樣本訓(xùn)練集處理的難度與分析的迭代量，因此須間接采用方法予以濾除。

由圖5可以觀察到，通過設(shè)定閾值與卡爾曼濾波器綜合應(yīng)用的策略，一方面有效的濾除了極點(diǎn)，另一方面得到的效果大大的提高了數(shù)據(jù)的可讀性，使結(jié)果具備了更多的壟行信息，進(jìn)一步便利了后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

圖5 閾值設(shè)定與卡爾曼濾波效果圖

2.3 基于SVM的試驗(yàn)與分析

在葡萄園中果樹種植的特殊環(huán)境為使用SVM機(jī)制提供了可能，以壟行為種植特點(diǎn)的果園完全可以類比于能夠進(jìn)行二分類的一簇?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)。而通過分類器的處理之后，其兩側(cè)邊際線與果樹枝葉表面所形成的峰值點(diǎn)相呼對(duì)應(yīng)。且此對(duì)類別線是保證兩側(cè)壟行果樹進(jìn)行正確分類的極限，而最終形成的分割超平面必將位于兩側(cè)壟行果樹枝葉所形成的邊際線之間的中心位置。具體分類效果如圖6所示，圖6a為樣本1分類效果圖，圖6b為樣本2分類效果圖。

在圖6中，以激光雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以激光雷達(dá)起始掃描位置為軸，建立橫縱坐標(biāo)系，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的橫向距離，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的縱向距離。理想導(dǎo)航線為實(shí)際測(cè)量的相應(yīng)的局部壟行的中線位置，即最佳導(dǎo)航線位置。分類線為直接使用SVM分類方法獲取的分類超平面的位置。SVM依據(jù)最大間隔的思想獲得的分類結(jié)果能最大程度滿足分類的準(zhǔn)確性和唯一性，且為后續(xù)試驗(yàn)在判別壟行安全預(yù)估測(cè)位置與植保機(jī)器人導(dǎo)航線的規(guī)劃問題上奠定可靠基礎(chǔ)。在圖6中可以清楚的觀察到，理想導(dǎo)航線與SVM分類線存在相當(dāng)大的誤差。本文在不同的實(shí)際葡萄果園局部壟行環(huán)境下進(jìn)行了 試驗(yàn)，測(cè)量了激光雷達(dá)分別與理想導(dǎo)航線以及分類線的距離以及理想導(dǎo)航線與分類線的方向角度，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 SVM分類效果圖

表2 各樣本的SVM分類試驗(yàn)結(jié)果

在表2中，實(shí)測(cè)值為激光雷達(dá)與理想導(dǎo)航線之間的距離以及理想導(dǎo)航線的方向角，計(jì)算值為激光雷達(dá)與SVM分類線的距離以及SVM分類線的方向角。誤差值為實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差。其中的平均誤差為73.68 mm，的平均誤差為3.08°，處理一次數(shù)據(jù)平均耗時(shí)1.536 6 s。由圖6觀察，單純使用SVM策略對(duì)采樣數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，得到的效果依然與實(shí)際情況偏差較大。邊際線位置與實(shí)際壟行位置未能發(fā)生吻合效應(yīng)，是導(dǎo)致分類失準(zhǔn)的根本原因，另外，壟行部分果樹枝干、葉幕外延伸出，形成不可碰撞的剛性區(qū)域，造成單純使用SVM獲取的支持向量以及邊際線與實(shí)際壟行線位置偏差變大，也是表2中誤差較大的原因。

2.4 多支持向量配比權(quán)重估測(cè)壟行安全位置試驗(yàn)

圖7 權(quán)重函數(shù)示意圖

隨機(jī)抽樣一致性算法（random sample consensus, RANSAC）[31]，是一種通過迭代，在包含內(nèi)外點(diǎn)的訓(xùn)練樣本中尋找最優(yōu)擬合線估測(cè)模型的方法[32]，可以有效的避免代價(jià)估計(jì)造成的高成本以及高失誤率的問題[33]。本文利用RANSAC機(jī)制對(duì)獲得的(x,y)序列進(jìn)行擬合，得到兩側(cè)壟行安全預(yù)估測(cè)位置，并最終得到最優(yōu)平均——植保機(jī)器人局部導(dǎo)航線。效果如圖8所示。

圖8中，以激光雷達(dá)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以激光雷達(dá)起始掃描位置為軸，建立橫縱坐標(biāo)系，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的橫向距離，軸代表相對(duì)激光雷達(dá)中心位置的縱向距離。實(shí)線為根據(jù)配比權(quán)重的多支持向量預(yù)判出的壟行安全估測(cè)位置以及植保機(jī)器人局部作業(yè)的擬合導(dǎo)航路徑。虛線表示單純使用SVM策略得到的分類效果。通過對(duì)SVM進(jìn)行權(quán)重分析后，獲得本算法擬合導(dǎo)航線位置，其與壟行中線位置基本重合。且激光雷達(dá)分別與理想導(dǎo)航線及擬合導(dǎo)航線的距離以及理想導(dǎo)航線與擬合導(dǎo)航線的方向角度，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 多支持向量配比權(quán)重分類效果圖

表3 各樣本的多支撐向量配比權(quán)重分類結(jié)果

在表3中，實(shí)測(cè)值為激光雷達(dá)與理想導(dǎo)航線之間的距離以及理想導(dǎo)航線的方向角，計(jì)算值為激光雷達(dá)與擬合導(dǎo)航線的距離以及擬合導(dǎo)航線的方向角。誤差值為實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之差。其中的平均誤差為4.22 mm，的平均誤差為0.72°，處理一次數(shù)據(jù)平均耗時(shí)2.060 4 s。通過與表2對(duì)比，在SVM的基礎(chǔ)上，配比權(quán)重的多支持向量分析方法更能夠貼合在實(shí)際中植保機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的要求，也正是由于引入壟行安全預(yù)估測(cè)位置，使得理想導(dǎo)航線與擬合導(dǎo)航線的位置重合度更高。

3 結(jié)論與展望

基于SVM的多支持向量配比權(quán)重判別壟行安全預(yù)估測(cè)位置以及植保機(jī)器人局部導(dǎo)航路徑規(guī)劃的算法策略在實(shí)際試驗(yàn)中表現(xiàn)出準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。偏距的平均誤差為4.22 mm，偏航角平均誤差為0.72°。

本文在基于支持向量機(jī)線性分類器的方法應(yīng)用基礎(chǔ)上，利用葡萄園兩側(cè)壟行線性可分的內(nèi)在特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了配比權(quán)重的多支持向量，進(jìn)一步提高SVM在葡萄園這一特定作業(yè)環(huán)境下的適用性。同時(shí)，本文所提出的算法也可應(yīng)用于其他的以連續(xù)種植及分布為特點(diǎn)的壟行作業(yè)環(huán)境中，如黃瓜園等。但從多分類、策略優(yōu)化和分類器的改進(jìn)入手，提高該算法的智能性和快速即時(shí)性是未來研究的重中之重。

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Path planning algorithm for plant protection robots in vineyard

Ai Changsheng1, Lin Hongchuan1, Wu Delin2, Feng Zhiquan1

(1. College of Mechanical Engineering, Jinan University, Jinan 250022, China; 2. Zhonghe Agricultureal Equipment Technology Co. Ltd. Of Shandong Province, Qixia 264000, China)

To meet the requirements of accuracy and reliability of plant protection robot in ridge identification and route planning, also improve the working conditions of farmers, and achieve an unmanned operation purpose, an algorithm based on multi-support-vector proportioning weight of SVM (support vector machine) to identify the ridge line of vineyards, and the path planning of plant protection robots were proposed. The strategy first uses Kalman filter to pre-process coarse orchard data information obtained by Lidar scanning. According to the principle that Kalman filter complies with Gaussian distribution, the prior point between 2 adjacent points was taken as the prior state, and the latter point was used as the observed point to obtain posteriori state estimation, so as to realize data integration and analysis. With its good system state estimation characteristics, the collected data can be used to judge the trend of the ridge line, so as to correct the noise outliers in the data and improve the readability of the data. Then according to the characteristics of the vineyard branch ridge and the characteristics of ridges line with clearly separable spacing, and corresponding to the situation that the ridge line on both sides can be completely separated, the method was combined with SVM linear classification. With the unique advantages of the classification and due to that SVM can search the unique segmentation hyperplane, the maximum interval and segmentation hyperplane, classification margins in the ridge environment could be gotten. The split hyperplane obtained at this time would be between ridge lines. However, there was a big deviation from the angle of the direction of the ridge line and the horizontal distance. It could not meet the precise operation requirements of plant protection robots. It needed further data processing and analysis. In order to obtain accurate position of the center of ridge line, finally, the relative weights were assigned to the sample points of each ridge based on the geometric interval relationship between the sample points on both sides of the ridge and the corresponding SVM classification marginal line. The classification marginal line was reformed according to the number of sample points and the relative weights. According to the condition of the product of the interval relationship between each sample point and the classification margin, their relative weight must be consistent with the quality value of classification margin. The random sampling consistency iteration method (RANSAC) would avoid the error of cost estimate, and could estimate the parameters of the mathematical model from a group of observed data with outliers, so as to obtain the predicted safety location of the ridge. Although the pre-estimated security location of ridge line was not necessarily consistent with the actual location of the vineyard ridge, navigation line could be obtained indirectly by the security ridge line on both sides and the principle of angle bisector which could meet the requirements of precision operation of plant protection robot. Operation guidance line for plant protection robot could be acquired. After a number of actual samples were tested, the average angular deviation between the fitted navigation line and the actual ridge centerline was 0.72°, and the average distance deviation of the relative plant protection robot was 4.22 mm. Experimental results showed that this algorithm could effectively identify and locate the navigation route needed by the plant protection robot. The fitted navigation line could meet the requirements of accurate operation of the plant protection robot in the vineyard. However, the redundancy of the algorithm was relatively large, and the time required to process data in a single time was about 2.05 s. With the accelerated calculation speed of the processor in the future, the algorithm provided in the article can provide a reference solution for such a problem.

robots; algorithms; radar; ridge recognition; path planning; Kalman filter; support vector machine

2017-12-02

2018-04-12

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2015YB204）

艾長(zhǎng)勝，教授，主要從事嵌入式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)、智能控制和智能機(jī)器人技術(shù)。Email：me_aics@ujn.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.010

TP391.4

A

1002-6819(2018)-13-0077-09

艾長(zhǎng)勝，林洪川，武德林，馮志全.葡萄園植保機(jī)器人路徑規(guī)劃算法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：77－85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.010 http://www.tcsae.org

Ai Changsheng, Lin Hongchuan, Wu Delin, Feng Zhiquan. Path planning algorithm for plant protection robots in vineyard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 77－85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.010 http://www.tcsae.org