基于二维激光雷达自主导航的农业机器人设计与实现

摘要：为实现农业机器人在户外环境下的自主行走，本设计对移动机器人在复杂环境下的导航控制进行了研究。首先，设计了一款移动平台，采用履带结构、配合减震系统为导航系统提供了稳定的底盘；其次，采用二维激光雷达作为主要传感器，配合加速度计和霍尔编码器实现机器人的定位和导航；最后，运用PID控制律，在直线、弧线和正弦曲线道路中测试导航系统的可靠性。实验结果表明导航系统和控制系统性能良好。

关键词：农业机器人 激光雷达 自主导航

1. 研究目的及意义

农业机械化水平的高低是判断国家现代化水平的标志之一，而农业自主机器人发展水平在其中占有重要地位。一方面，农业机器人能够在无人干预的情况下自主完成作业，在提高农业生产效率、减少必要劳动时间、推进农业规模化方面具有重要应用价值；另一方面，通过精确控制作业范围、作业程度，农业机器人对改善农业生产环境，减低化肥、农药对人体造成的危害有巨大潜力^[1]。

基于机器视觉的机器人导航系统由于户外多变的天气和光照条件而常出现需要人为干预的意外状况，激光雷达因其对天气、光照等外部因素具有良好的鲁棒性而受到越来越多研究者的青睐。另一方面，激光雷达传感器的价格越来越低，也加速了激光雷达在农业机器人导航上的应用。

本设计以移动机器人为研究平台,采用二维激光雷达作导航传感器，提取激光雷达数据并作分析，为移动底盘提供位置、路径信息，融合加速度计、陀螺仪、霍尔编码器信息，实现农业机器人的自主导航。本设计以实物的方式探索了农业机械智能化作业中存在的难点和障碍，为日后进一步研究提供了经验。

1. 国内外研究概况

自20世纪80年代，出现了许多依靠机器视觉和高精度GPS的传统自主车辆导航系统^[2-5]。它们用机器视觉识别障碍物，通过GPS定位，在理想环境下表现良好。但是，机器视觉容易受到天气和光照的变化影响，GPS定位在复杂工作环境中可能出现信号中断^[6]，而农业机器人的户外工作环境正面临这两项风险。

激光雷达能提供周围物体的深度和方位信息，在复杂环境下车辆导航中具有先天优势。自Chateau等人于2000年提出了基于激光雷达的农业自主导航车辆这一想法以来^[7]，各国学者、企业通过实践不断补充和完善激光雷达导航理论。

2.1 国外研究