该文档属于类型a，是一篇关于果园联合收割机器人导航系统开发的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

一、作者及机构信息

本研究由Wenju Mao（西北农林科技大学机械与电子工程学院/农业农村部苹果全程机械化科研基地/宝鸡职业技术学院）、Heng Liu（西北农林科技大学机械与电子工程学院/农业农村部苹果全程机械化科研基地）、Wei Hao（同上）、Fuzeng Yang（通讯作者，西北农林科技大学）和Zhijie Liu（西北农林科技大学）合作完成，发表于Remote Sens. 期刊2022年第14卷，文章标题为《Development of a Combined Orchard Harvesting Robot Navigation System》，DOI编号10.3390/rs14030675。

二、学术背景

研究领域与动机

本研究属于农业机器人导航技术领域，聚焦于解决果园联合采收中传统单一主从导航模式的局限性——现有设备无法在苹果树行间连续转弯时实现多次停靠。由于季节性农业劳动力短缺（人工成本占生产成本的60%），开发自主协同作业的采摘-运输机器人系统成为趋势。

科学问题

单主从导航模式下，设备在行间作业需频繁启停，而转弯时需连续行进，二者矛盾导致效率低下。此外，传统导航依赖预设路径或人工干预（如RFID标签），缺乏动态适应性。

研究目标

开发一种双主从模式导航系统：
1. 主机器人（牵引运输车）与从机器人（采摘机器人）协同作业；
2. 行间采用跟随导航（following navigation）实现停靠，转弯时切换为指令导航（command navigation）实现连续转向；
3. 结合GNSS（全球导航卫星系统）与LiDAR（激光雷达）的多传感器融合定位。

三、研究流程与方法

1. 系统总体设计

研究团队设计了一套包含定位单元（RTK-GNSS、LiDAR、里程计）、中央控制单元（UNO-2484G计算机）和底层控制单元（无刷电机控制器）的硬件架构。软件系统基于Linux和ROS（Robot Operating System），分三层：
- 信息交互层：通过Wi-Fi实现机器人间GNSS坐标、速度等数据传输；
- 信息处理层：运行自主导航算法；
- 执行层：控制电机运动。

2. 通信系统开发

采用自定义通信协议（数据帧含起始符、ID、坐标、航向、导航模式等），通过Wi-Fi模块实现主从机器人间实时数据交换。实验表明，50米内数据包丢失率<1.2%，满足果园通信需求。

3. 导航策略实现

• 主机器人导航：
  
  • 行间模式：通过LiDAR提取两侧树干特征点，结合CSF（Cloth Simulation Filter）算法分割地面点云，RANSAC（随机抽样一致）算法拟合树干圆柱模型，计算行间中心线作为路径。
    
  • 转弯模式：GNSS预设转向点，结合纯追踪算法（Pure Pursuit）跟踪路径。
    
• 从机器人导航：
  
  • 行间跟踪主机器人果篮特征点，通过欧几里得聚类（Euclidean clustering）识别目标，保持安全距离（0.35m）；
    
  • 转弯时接收主机器人GNSS转向点指令。
    

4. 控制算法优化

采用纯追踪算法进行路径跟踪，针对履带机器人差速运动模型设计控制律：
- 预瞄距离动态调整（阈值1m）；
- 转向曲率计算结合航向角偏差；
- 实验验证最大横向偏差<5.3cm（主机器人）、39.7cm（从机器人），跟随误差均值1.3cm。

四、主要结果

1. 通信性能：在50米行间距离内，数据包丢失率<1.2%，满足实时性需求。
   
2. 导航精度：
   
   • 主机器人行间位置偏差：均值2.4cm（标准偏差0.9cm）；
     
   • 从机器人跟随误差：均值1.3cm（标准偏差1cm）；
     
   • 转弯时横向偏差<1m，航向偏差10°–90°。
     
3. 算法有效性：
   
   • CSF+RANSAC成功分割树干点云（检测半径20.5–26.5cm）；
     
   • 纯追踪算法在模拟中最大路径偏差<0.35m（转弯时）。
     

五、研究结论与价值

科学价值

1. 提出双模式切换导航策略，首次实现果园机器人在行间停靠与转弯连续运动的无缝衔接；
   
2. 开发基于LiDAR的动态特征提取方法，克服了果园环境地面起伏与枝叶遮挡的影响。
   

应用价值

该系统可提升苹果采收效率60%（对比人工），为多农业机器人协同作业提供了技术范式，适用于其他果树种植场景（如猕猴桃、葡萄园）。

六、研究亮点

1. 创新性方法：
   
   • 融合CSF（布料模拟过滤）与RANSAC的树干特征提取算法；
     
   • 主从机器人间的动态GNSS/LiDAR导航切换机制。
     
2. 工程实用性：
   
   • 硬件平台适配非结构化果园地形（杂草、反光膜干扰）；
     
   • 开源通信协议（CC BY 4.0许可）。
     

七、其他补充

实验在陕西白水县苹果园进行，树行间距4.1±0.3m，验证了系统在真实复杂环境中的鲁棒性。未来可扩展至无人机-地面机器人协同作业场景。

（报告总字数约1800字）