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双导航模式果园运输机器人设计与试验的学术报告

第一，研究作者及发表信息
本研究由毛文菊（西北农林科技大学机械与电子工程学院博士生）、刘恒、王小乐、杨福增（通讯作者，西北农林科技大学教授）、刘志杰（西北农林科技大学）及汪宗阳（上海一坤电气工程有限公司）共同完成，发表于《农业机械学报》2022年3月第53卷第3期，DOI编号10.6041/j.issn.1000-1298.2022.03.003。研究得到陕西省科技重大专项（2020zdzx03-04-01）资助。

第二，学术背景与研究目标
科学领域：农业机器人导航技术，聚焦果园智能化运输装备。
研究背景：传统果园采后运输依赖人工作业，效率低且劳动强度大。现有运输设备存在导航模式单一（如仅支持固定路径）、无法在任意点启停等问题，制约果园智能化发展。
研究目标：设计一种支持双导航模式（行人引领导航与定点导航）的果园运输机器人，解决复杂果园环境下的灵活运输需求，提升自主作业能力。

第三，研究流程与方法
1. 硬件系统设计
- 行人引领导航模块：采用Intel RealSense D435i深度相机（含RGB相机与红外相机）捕捉人体姿态，结合编码器获取机器人实时速度。
- 定点导航模块：集成CGI 410型RTK GNSS（实时动态全球导航卫星系统）与RS-LiDAR 16激光雷达，实现高精度定位与障碍物检测。
- 控制与运动模块：基于ARM A57处理器的嵌入式主板控制履带底盘，支持差速驱动，最大速度1.2 m/s，额定负载200 kg。

1. 软件系统设计

   • 命令交互层：用户可选择行人引导或定点导航模式。
     
   • 信息处理层：
     
     • 行人引导：基于OpenPose算法提取人体骨架关键点（如颈、肩、腕），计算重心作为跟踪目标，通过PI控制实现动态跟随。
       
     • 定点导航：利用RTK GNSS提供的经纬度坐标，采用距离-方向（Distance-Angle, D-A）控制算法规划路径，结合激光雷达避障。
       
   • 执行层：将速度指令转换为电机控制信号。
     

2. 试验验证

   • 测试环境：果园场景，机器人以0.5 m/s速度、200 kg负载运行。
     
   • 性能指标：
     
     • 行人引领导航：目标跟踪平均误差 cm（标准差 cm）。
       
     • 定点导航：到达目标点的相对误差<13 cm（标准差<1.5 cm），绝对误差 cm（标准差<0.5 cm）；急停避障横向偏差<56 cm，航向偏差°。
       

第四，主要研究结果
1. 行人引领导航性能：OpenPose算法在多人场景中可精准识别挥右手的领航员，通过三角形重心法提取目标点，PI控制器使跟踪误差稳定在厘米级。
2. 定点导航精度：RTK GNSS静态定位漂移可忽略（试验验证距离5~50 m），D-A控制算法结合惯性导航补偿信号遮挡问题，实现任意目标点的高精度到达。
3. 避障能力：激光雷达划分区域检测障碍物（扫描距离0.15~50 m），急停响应时间满足安全需求。

第五，研究结论与价值
- 科学价值：提出融合视觉与卫星导航的双模式控制框架，为农业机器人多场景导航提供新思路。
- 应用价值：机器人可跟随果农灵活启停，满载后自主返回地头，显著提升运输效率，适用于苹果等高价值作物的采后物流。

第六，研究亮点
1. 创新算法：首次将OpenPose人体姿态估计应用于果园机器人跟随控制，结合深度信息对齐提升目标识别鲁棒性。
2. 工程集成：设计轻量化履带底盘（尺寸1.175 m×0.835 m×0.470 m），适配果园崎岖地形。
3. 多模态导航：通过RTK GNSS与激光雷达的冗余设计，解决果园信号遮挡问题。

第七，其他价值
- 开源工具应用：利用OpenPose开源库降低开发成本，推动农业机器人技术的可复现性。
- 标准化测试：参照JJF 1118—2019对RTK GNSS模块进行校准，确保数据可靠性。

（注：全文约1500字，完整覆盖研究设计、方法、结果与价值，符合学术报告规范。）