基于激光SLAM的牧场智能推翻草机器人研究

作     者：段援朝 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋怀波;何金龙

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0828[工学-农业工程] 082801[工学-农业机械化工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：智慧牧场 推翻草机器人 激光SLAM ROS操作系统 自主导航 

摘      要：在奶牛进食过程中常因偏好精饲料而出现抵料现象,对奶牛产奶量和牧场饲喂成本造成直接影响。通过机器人代替人工自动完成推翻草任务,对提高养殖场的现代化、智能化饲喂水平具有重要研究意义。针对传统人工或机械的作业方式,存在推草时粗精饲料无法充分混合、劳动强度大、成本高等问题。若采用机器人进行推翻草,机器人导航方式中磁导航维护成本大,视觉导航对环境光线要求高,牧场环境难以满足。本研究基于激光雷达同步定位与建图(Simultaneous localization and mapping,SLAM)技术,设计了一款牧场智能推翻草机器人,以期实现机器人在牧场环境中自主导航实现推翻草功能,为提高养殖场现代化、智能化、规模化水平发挥积极作用。主要研究内容及结论如下:(1)针对牧场奶牛推送饲料机械设备智能化低、人工劳动强度大等问题,设计了一款基于激光SLAM的自主导航推翻草机器人。通过Cartographer算法创建牧场环境地图,AMCL算法定位、Dijkstra进行路径规划,实现机器人的自主导航。试验表明该机器人建图及导航精度能够满足机器人在牧场环境中推翻草作业的要求。(2)针对机器人Cartographer算法创建复杂牧场环境地图时,激光雷达与IMU传感器数据出现偏差等问题,提出了一种融合里程计信息的建图方法,将激光雷达、里程计和IMU三者数据融合创建地图,以提高地图准确度。试验结果表明,机器人在加载里程计信息的状态下建立的牧场环境地图横纵向尺寸最大偏差分别为0.02 m与0.14m,未加载里程计信息状态下所建地图的横纵向尺寸最大偏差分别为0.06 m与2.18 m,表明机器人加载里程计信息时创建的地图精度明显高于未加载里程计信息时创建的地图精度,满足机器人导航作业时对地图准确度的要求。(3)针对机器人推翻草作业时,轮胎与地面打滑导致里程计数据出现误差的问题,提出了一种不加载里程计信息的导航作业方式,仅使用激光雷达和IMU数据进行导航,以提高机器人作业时导航精度。试验结果表明,导航时的横向偏差、纵向偏差及航向偏角的最大值分别小于0.040 m、0.100 m和11.0°,标准差分别小于0.030 m、0.025m和3.0°。导航精度明显高于在加载里程计信息作业时的导航精度,满足机器人推翻草作业时导航精度的要求。(4)推翻草机器人中分别以螺旋输送器和边扫为核心设计开发推翻草和清扫装置,实现牧草料的混合、输送及清扫功能。机器人以主电源与备用电源联合供电方式,提高了机器人的续航时间,以更换备用电源的方式满足机器人不间断作业的需求。(5)基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)的分布式通信框架,设计了主机PC远程控制系统和移动端APP远程控制软件。通过主机PC或移动端APP远程控制推翻草机器人,最终实地试验证明该系统可实时、准确地实现推翻草作业任务下发和摄像头监控等基本功能。