2 0 2 2 年 9 月 第 4 卷 第 3 期 S e p t. 2 0 2 2 V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人
刘 理 民
1 ，2
， 何 雄 奎
1 ，2
， 刘 伟 洪
3
， 刘 紫 嫣
1 ，2
， 韩 虎
1 ，2
， 李 扬 帆
1 ，2
（ 1 . 中 国 农 业 大 学 理 学 院 ，北 京 1 0 0 1 9 3 ； 2 . 中 国 农 业 大 学 农 业 无 人 机 系 统 研 究 院 ，北 京 1 0 0 1 9 3 ；
3 . 中 国 农 业 大 学 工 学 院 ，北 京 1 0 0 0 8 3）
摘 要 ： 为 同 时 实 现 果 园 智 能 植 保 机 自 主 导 航 及 自 动 对 靶 喷 雾 ， 研 制 了 一 种 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾
机 器 人 。 首 先 采 用 单 个 3 D L iD A R （ L ig h t D e te c tio n a n d R a n g in g） 采 集 果 树 信 息 确 定 兴 趣 区 （ R e g io n o f I n te r ?
e s t， R O I）， 对 R O I 内 点 云 进 行 2 D 化 处 理 得 到 果 树 质 心 坐 标 ， 通 过 随 机 一 致 性 （ R a n d o m S a m p le C o n s e n s u s，
R A N S A C） 算 法 得 到 果 树 行 线 ， 并 确 定 果 树 行 中 间 线 （ 导 航 线 ）， 进 而 控 制 机 器 人 沿 导 航 线 行 驶 。 通 过 编 码
器 及 惯 性 测 量 单 元 （ I n e r tia l M e a s u r e m e n t U n it， I M U） 确 定 机 体 速 度 及 位 置 ， I M U 矫 正 采 集 到 的 果 树 分 区 冠
层 信 息 ， 最 后 通 过 程 序 判 断 分 区 冠 层 的 有 无 控 制 喷 头 是 否 喷 雾 。 结 果 表 明 ， 机 器 人 自 主 导 航 时 最 大 横 向 定
位 偏 差 为 2 1 .8 c m ， 最 大 航 向 偏 角 为 4 .0 2 °， 相 比 于 传 统 连 续 喷 雾 机 施 药 液 量 、 空 中 漂 移 量 及 地 面 流 失 量 分 别
减 少 2 0 .0 6 % 、 3 8 .6 8 % 及 5 1 .4 0 % 。 本 研 究 通 过 单 个 3 D L iD A R 、 编 码 器 及 I M U 在 保 证 喷 雾 效 果 的 前 提 下 ， 实
现 了 喷 雾 机 器 人 自 主 导 航 及 自 动 对 靶 喷 雾 ， 降 低 了 农 药 使 用 量 及 飘 失 量 。
关 键 词 ： 自 主 导 航 ； 对 靶 喷 雾 ； L iD A R ； 随 机 一 致 性 算 法 ； 机 器 人 ； 惯 性 测 量 单 元
中 图 分 类 号 ： T P 2 4 2 ；S 2 2 4 .3 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： S A 2 0 2 2 0 7 0 0 8
引 用 格 式 ：刘 理 民 , 何 雄 奎 , 刘 伟 洪 , 刘 紫 嫣 , 韩 虎 , 李 扬 帆 . 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人 [J ]. 智 慧 农 业
(中 英 文 ), 2 0 2 2 , 4 (3 ): 6 3 -7 4 .
L IU L im in , H E X io n g k u i, L IU W e ih o n g , L IU Z iy a n , H A N H u , L I Y a n g fa n . A u to n o m o u s n a v ig a tio n a n d a u to m a tic
ta rg e t s p ra y in g ro b o t fo r o rc h a rd s [J ]. S m a rt A g ric u ltu re , 2 0 2 2 , 4 (3 ): 6 3 -7 4 . (in C h in e s e w ith E n g lis h a b s tra c t)
1 引 言
目 前 ， 中 国 的 果 园 植 保 机 半 数 以 上 没 有 驾 驶
室 ， 作 业 人 员 完 全 暴 露 在 施 药 环 境 中
［ 1 , 2］
， 而 果
园 遥 控 植 保 机 控 制 范 围 有 限 ， 人 机 没 有 完 全 分
离 ， 存 在 一 定 安 全 隐 患
［ 3］
。 具 备 自 主 导 航 功 能 的
植 保 机 人 机 完 全 隔 离 ， 保 障 了 作 业 时 人 员 安 全 ，
将 在 植 保 设 备 中 占 有 很 大 的 市 场
［ 4］
。 其 中 基 于 全
球 导 航 卫 星 系 统 （ G lo b a l N a v ig a tio n S a te llite S y s ‐
te m ， G N S S） 的 自 主 导 航 解 决 方 案 已 在 野 外 作 业
环 境 中 得 到 充 分 应 用
［ 5］
。
现 代 化 果 园 采 用 宽 行 密 植 种 植 模 式 ， 与 传 统
果 园 作 业 环 境 相 比 具 有 行 距 宽 、 株 距 窄 的 特 点 ，
株 间 枝 叶 紧 密 衔 接 呈 “ 树 墙 ” 结 构 ， 导 航 场 景 较
为 简 单
［ 1 , 5 , 6］
。 目 前 果 园 自 主 导 航 作 业 以 视 觉 导 航
和 激 光 导 航 为 主
［ 7 , 8］
。 视 觉 导 航 通 过 摄 像 头 采 集
果 园 环 境 的 图 像 及 视 频 信 息 ， 结 合 采 集 信 息 中 的
树 干 颜 色 、 材 质 与 形 状 等 特 征 对 导 航 线 进 行 提
取 ， 标 定 相 机 内 外 参 数 以 确 定 机 器 人 相 对 于 果 树
d o i： 1 0 .1 2 1 3 3 /j.s m a rta g .S A 2 0 2 2 0 7 0 0 8
收 稿 日 期 ： 2 0 2 2 -0 7 -1 6
基 金 项 目 ： 国 家 梨 产 业 体 系 （ C A R S -2 8）； 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 3 1 7 6 1 1 3 3 0 1 9）； 中 国 农 业 大 学 2 1 1 5 人 才 培 育 发 展 支 持 计 划 ；
三 亚 中 国 农 业 大 学 研 究 院 引 导 资 金 项 目 （ S Y N D -2 0 2 1 -0 6）
作 者 简 介 ： 刘 理 民 （ 1 9 9 4 － ）， 男 ， 博 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 智 慧 果 园 及 智 能 植 保 机 械 。 E -m a il： liu lim s y 2 8 8 2 @ 1 6 3 .c o m
通 信 作 者 ： 何 雄 奎 （ 1 9 6 6 － ）， 男 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究 方 向 为 农 业 无 人 机 系 统 及 植 保 技 术 。 E -m a il： x io n g k u i@ c a u .e d u .c n
V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
的 位 置 ， 最 终 实 现 自 主 导 航 控 制
［ 9 , 1 0］
。 视 觉 传 感
器 虽 然 具 有 成 本 低 、 信 息 丰 富 的 优 点 ， 但 成 像 质
量 易 受 光 线 干 扰 ， 不 能 直 接 获 取 周 围 环 境 的 深 度
信 息 ， 无 法 全 天 候 作 业
［ 1 1］
。
激 光 导 航 采 用 L iD A R （ L ig h t D e te c tio n a n d
R a n g in g） 对 果 园 环 境 进 行 实 时 扫 描 ， 通 过 探 测
果 园 中 不 同 果 树 位 置 ， 实 现 机 器 人 的 相 对 定 位 。
激 光 具 有 主 动 发 光 、 测 距 精 度 高 等 优 点 ， 可 全 天
候 作 业 ， 对 环 境 适 应 能 力 强
［ 1 2］
。 S a n to s 等
［ 1 3］
依
据 同 时 定 位 与 地 图 构 建 （ S im u lta n e o u s L o c a liz a ‐
tio n a n d M a p p in g ， S L A M ） 技 术 开 发 了 不 依 赖 全
球 卫 星 导 航 系 统 （ G lo b a l N a v ig a tio n S a te llite S y s ‐
te m ， G N S S） 定 位 的 V in e S la m 定 位 与 建 图 方 法
和 专 用 于 葡 萄 园 的 路 径 规 划 器 “ A g R o b P P ”， 该
方 法 的 建 图 与 路 径 规 划 效 果 良 好 ， 可 控 制 机 器 人
执 行 多 种 任 务 。 基 于 3 D 激 光 雷 达 的 S L A M 技 术 ，
可 以 较 全 面 地 探 测 周 围 环 境 信 息 ， 增 强 机 器 人 移
动 时 的 安 全 性 ， 但 也 增 加 了 计 算 负 担 ， 对 计 算 性
能 提 出 了 更 高 的 要 求 。 S a ik e 等
［ 1 4］
对 3 D L iD A R
数 据 进 行 了 2 D 化 处 理 ， 实 现 了 温 室 内 的 自 主 导
航 作 业 。 刘 伟 洪 等
［ 1 5］
则 使 用 3 D L iD A R 实 现 了
导 航 线 提 取 及 自 主 导 航 ， 但 未 对 冠 层 特 征 进 行 处
理 。 以 上 研 究 采 用 2 D L iD A R 或 将 3 D L iD A R 进
行 2 D 化 处 理 以 实 现 自 主 导 航 作 业 ， 但 未 获 得 完
整 果 树 特 征 信 息 。
上 述 导 航 传 感 器 在 果 园 精 准 变 量 喷 雾 中 可 用
于 收 集 果 树 冠 层 特 征 （ 冠 层 体 积 及 叶 面 积 指 数
等 ） 信 息 ， 其 中 L iD A R 不 仅 可 用 于 自 主 导 航 作
业 ， 还 能 获 取 周 围 果 树 特 征 以 用 于 精 准 变 量 喷 雾
作 业
［ 1 6 -2 0］
， 在 果 园 精 准 变 量 喷 雾 方 面 应 用 最 为 广
泛
［ 2 1］
。 李 龙 龙 等
［ 2 2］
及 窦 汉 杰 等
［ 2 3］
采 用 竖 直 安
装 的 2 D L iD A R 获 取 果 树 特 征 信 息 ， 分 别 实 现 了
仿 形 变 量 喷 雾 及 自 动 对 靶 喷 雾 （ 有 冠 层 时 喷 雾 ，
无 冠 层 时 不 喷 雾 是 精 准 变 量 喷 雾 技 术 的 一
种
［ 2 3 , 2 4］
）， 达 到 了 减 少 农 药 漂 失 、 节 省 药 液 的 目
的 。 探 测 果 树 信 息 时 ， L iD A R 竖 直 安 装 可 尽 量 多
地 获 取 果 树 外 貌 轮 廓 特 征 信 息 ， 但 机 体 前 进 方 向
为 探 测 盲 区 无 法 实 现 自 主 导 航 作 业
［ 1 8］
。 相 比 于
2 D L iD A R ， 水 平 安 装 的 3 D L iD A R 可 以 探 测 周
围 环 境 较 为 完 整 的 信 息
［ 1 6］
。
通 过 以 上 研 究 可 知 ， L iD A R 可 实 现 全 天 候 信
息 采 集 ， 而 3 D L iD A R 可 获 取 周 围 环 境 前 后 及 上
下 （ 一 定 角 度 ） 的 三 维 信 息 。 以 上 研 究 未 能 使 用
单 个 3 D L iD A R 实 现 既 能 自 主 导 航 又 能 自 动 对 靶
喷 雾 作 业 。 基 于 上 述 情 况 ， 本 研 究 利 用 水 平 安 装
的 3 D L iD A R 获 取 果 树 点 云 信 息 并 截 取 合 适 感 兴
趣 区 （ R e g io n o f In te re s t， R O I）， 并 对 R O I 内 的
点 云 进 行 裁 剪 、 滤 波 、 欧 式 聚 类 及 2 D 化 等 处 理 ，
得 到 果 树 质 心 位 置 。 通 过 随 机 一 致 性 （ R a n d o m
S a m p le C o n s e n s u s， R A N S A C） 算 法 ， 得 到 机 体
左 右 果 树 行 线 公 式 ， 依 据 果 树 行 线 得 到 导 航 线 公
式 ， 最 终 控 制 机 体 沿 导 航 线 行 驶 。 同 时 通 过 7 个
不 同 R O I 中 同 棵 果 树 的 分 区 冠 层 有 无 信 息 逻 辑 计
算 得 到 上 、 中 、 下 分 区 冠 层 的 有 无 信 息 ， 依 据 冠
层 有 无 进 行 自 动 对 靶 喷 雾 。 最 后 对 机 器 人 进 行 自
主 导 航 性 能 和 喷 雾 性 能 测 试 ， 并 进 行 数 据 绘 制 ，
为 果 园 智 能 植 保 机 械 研 究 提 供 参 考 。
2 材 料 与 方 法
2 .1 硬 件 设 计
图 1 为 整 个 机 器 人 系 统 硬 件 部 分 ， 由 传 感 器
模 块 、 控 制 模 块 、 驱 动 模 块 、 对 靶 执 行 模 块 及 电
源 模 块 等 组 成 ， 图 中 绿 色 线 表 示 电 源 供 给 ， 蓝 色
线 表 示 信 息 传 递 。 传 感 器 模 块 主 要 由 编 码 器 、 惯
性 测 量 单 元 （ In e rtia l M e a s u re m e n t U n it， IM U ）、
L iD A R 及 R T K G N S S 等 组 成 。 L iD A R 不 仅 用 于
自 主 导 航 作 业 ， 同 时 也 用 于 探 测 果 树 冠 层 特 征 。
所 以 L iD A R 的 选 择 是 关 键 ， 本 研 究 采 用 的 是 1 6
线 机 械 式 3 D 激 光 雷 达 （ 深 圳 市 速 腾 聚 创 科 技 有
限 公 司 ） ， 探 测 范 围 水 平 方 向 3 6 0 ° 、 垂 直 方 向
3 0 °， 探 测 距 离 达 1 5 0 m ， 探 测 精 度 ± 2 c m ， 垂 直
角 分 辨 率 为 2 °， 在 1 0 H z 频 率 下 工 作 时 水 平 角 分
辨 率 为 0 .1 8 ° ， 供 电 范 围 为 D C 9 ~ 3 2 V ， 采 用
1 0 0 M 以 太 网 与 工 控 机 通 信 。 每 秒 接 受 3 2 万 个 点
云 数 据 。
6 4
刘 理 民 等 ： 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人V o l. 4 , N o . 3
E 6 B 2 -C W Z 6 C 型 编 码 器 （ 分 辨 率 为 1 0 0 0 p /r
（ p u ls e p e r rin g ， 脉 冲 每 转 ） ） 提 供 速 度 信 息 ， 通
过 连 接 轴 与 机 器 人 主 动 轮 （ 直 径 2 4 c m ） 共 轴 连
接 。 机 器 人 在 行 驶 过 程 中 ， 会 发 生 偏 移 、 倾 斜 与
车 轮 打 滑 等 现 象 ， 而 IC M -2 0 9 4 8 型 IM U 可 提 供
更 为 准 确 的 速 度 和 机 体 状 态 。 IM U 自 带 卡 尔 曼 滤
波 程 序 ， 可 提 供 稳 定 精 确 的 数 据 ； 静 态 精 度
0 .0 5 ° /s， X 、 Y 方 向 动 态 精 度 0 .1 ° /s， 无 磁 场 干
扰 时 Z 轴 精 度 1 ° /s， 加 速 度 精 度 0 .0 2 g ， 陀 螺 仪
精 度 为 0 .0 6 ° /s， 数 据 最 大 输 出 频 率 为 2 0 0 H z
（ 本 研 究 采 用 1 0 0 H z）。 为 验 证 机 器 人 导 航 性 能 ，
移 动 轨 迹 测 量 系 统 需 具 有 足 够 高 的 精 度 ， 采 用 兼
容 了 世 界 主 流 六 大 卫 星 定 位 系 统 的 “ P 3 -D U ”
R T K G N S S 定 位 系 统 ， 其 水 平 定 位 精 度 为 ± 1 c m ，
数 据 输 出 频 率 最 大 为 2 0 H z （ 采 用 2 0 H z）， 供 电
范 围 为 D C 9 ~ 3 6 V 。
面 对 每 秒 3 2 万 个 点 云 ， 中 央 处 理 器 （ C e n tra l
P ro c e s s in g U n it， C P U ） 需 具 有 极 强 算 力 ， 同 时
考 虑 恶 劣 的 果 园 作 业 环 境 ， 处 理 器 应 具 有 足 够 的
防 护 等 级
［ 1 3］
， 选 择 处 理 器 为 i7 1 0 5 1 0 U ， 1 6 G
R A M 、 1 T 固 态 硬 盘 ， 预 装 U b u n tu 1 8 .0 4 L in u x 操
作 系 统 ， 拥 有 R S 2 3 2、 以 太 网 、 U S B 及 R S 4 8 5 等 多
种 通 信 接 口 ， 供 电 范 围 为 D C 9 ~ 3 6 V 的 国 产 工
控 机 。 微 控 制 器 控 制 机 体 运 动 及 自 动 对 靶 喷 雾 的
执 行 装 置 ， 同 时 采 集 编 码 器 信 息 ， 采 用 M 3 S 型
S T M 3 2 单 片 机 ， 芯 片 为 s tm 3 2 f1 0 3 z e t6 ， 采 用 c o r‐
te x -M 3 协 议 ， 1 4 4 个 引 脚 ， fla s h 内 存 为 5 1 2 k ，
主 频 7 2 M H z， 同 时 拥 有 C A N 、 U S B 及 R S 2 3 2 等
多 种 通 信 接 口 。
本 研 究 选 用 2 台 8 0 0 W 的 直 流 无 刷 伺 服 电 机
（ S D G A 0 8 C 1 1 A B ， 4 8 V 供 电 ） 为 机 器 人 提 供 动
力 ， 配 有 1 : 3 0 的 变 速 箱 （ 6 0 T D F -1 4 7 0 5 0 -L 2 H ，
中 国 嘉 兴 ）， 并 配 有 S D G A -2 1 A 型 伺 服 电 机 驱 动
器 控 制 电 机 转 速 ， 驱 动 器 通 过 C A N 总 线 接 受 来 自
单 片 机 的 角 速 度 控 制 信 号 （ 通 信 速 率 为 5 0 0 k b p s，
In te l 编 码 格 式 ）。 机 器 人 在 空 载 时 最 大 行 驶 速 度
为 1 .5 m /s， 最 大 爬 坡 角 度 为 3 0 °。 可 通 过 左 右 主
动 轮 不 同 转 速 实 现 差 速 转 向 并 能 3 6 0 °原 地 转 向 。
对 靶 执 行 装 置 安 装 在 轴 流 风 机 出 风 口 两 侧 ， 根 据
冠 层 信 息 有 无 控 制 不 同 喷 头 的 开 闭 ； 安 装 了 可 控
制 管 道 通 断 的 2 W 1 5 0 -1 5 型 电 磁 阀 （ 2 4 V 供 电 ，
中 国 宁 波 A D E C 公 司 ）， 使 用 N 沟 道 场 效 应 M O S
（ M e ta l-O x id e -S e m ic o n d u c to r， 场 效 应 管 ） 管 控 制
电 磁 阀 供 电 通 断 ， 进 而 控 制 电 磁 阀 开 启 关 闭 ，
M O S 管 由 单 片 机 I/O （ In p u t/O u tp u t） 口 输 出 的 高
低 电 平 进 行 控 制 。
除 上 述 功 能 模 块 外 ， 还 需 电 源 模 块 提 供 电 源
供 给 。 采 用 4 8 V 的 磷 酸 铁 锂 电 池 （ S K -4 8 V 1 0 0
A h）， 电 池 容 量 为 1 0 0 A h 满 电 电 压 约 为 5 5 .2 V 。
同 时 ， 安 装 有 可 为 不 同 功 能 模 块 （ 5 、 1 2 、 2 4 及
4 8 V 供 电 ） 提 供 稳 定 电 压 的 稳 压 器 组 。
喷 雾 系 统 由 2 6 A 型 柱 塞 泵 提 供 液 路 压 力 ，
通 过 压 力 阀 调 节 整 个 喷 雾 系 统 压 力 大 小 ， 在 喷 雾
作 业 过 程 中 保 持 压 力 稳 定 。 液 泵 通 过 1 7 0 F 汽 油
机 输 出 轴 上 三 角 皮 带 带 动 ， 机 体 后 方 的 风 机 通 过
轴 与 机 体 前 方 的 皮 带 轮 连 接 ， 该 皮 带 轮 同 样 由 汽
油 机 带 动 。 药 箱 内 液 体 经 过 泵 后 进 入 三 路 液 体 分
配 器 ， 每 个 分 配 器 分 别 引 出 3 、 4 、 3 液 路 至 喷
头 ， 喷 头 与 液 路 间 安 装 有 电 磁 阀 。
2 .2 工 作 流 程
机 器 人 通 过 图 2 流 程 实 现 自 主 导 航 及 自 动 对
靶 喷 雾 ， 具 体 实 现 过 程 将 在 随 后 章 节 详 细 介 绍 。
图 1 机 器 人 硬 件 设 计 图
F ig . 1 H a rd w a re d e s ig n o f th e ro b o t
6 5
V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
2 .3 导 航 功 能 的 具 体 实 现 过 程
2 .3 .1 坐 标 确 定
本 研 究 的 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人 如
图 3 所 示 。
由 机 器 人 基 本 信 息 和 运 动 学 理 论 构 建 机 体 下
一 瞬 间 世 界 坐 标 系 下 的 笛 卡 尔 坐 标 及 偏 航 角
（ x , y , θ） 如 公 式 （ 1） 所 示 ：
é
?
ê
ê
ê
ù
?
ú
ú
ú
x
w 1
y
w 1
θ
w 1
=
é
?
ê
ê
ê
x
w 0
y
w 0
θ
w 0
ù
?
ú
ú
ú
ú
ú
ú
c o s ( θ
w 0
) × r
s in ( θ
w 0
) × r
1
×
é
?
ê
ê
ù
?
ú
ú
1
ω × Δ t
（ 1）
其 中 ， x
w 0
、 y
w 0
为 当 前 笛 卡 尔 坐 标 ； θ
w 0
为 偏
航 角 ，（ °）； r 为 机 器 人 主 动 轮 半 径 ， 1 2 c m ； ω
为 整 个 机 器 人 运 动 的 角 速 度 ， ra d /s； ? t 为 一 帧 雷
达 数 据 的 时 间 ， 0 .1 s。
2 .3 .2 R O I 的 提 取
如 图 4 所 示 L iD A R 水 平 安 装 在 机 器 人 行 驶 前
方 ， 安 装 高 度 1 .3 m ， 最 大 测 距 为 1 5 0 m ， 理 论 上
可 以 感 知 面 积 约 为 7 h m
2
的 圆 形 果 园 ， 1 0 H z 频 率
下 每 帧 有 3 2 ,0 0 0 个 点 云 数 据 。 机 器 人 仅 需 要 机 体
前 后 一 定 范 围 内 的 点 云 信 息 ， 过 多 的 信 息 会 造 成
数 据 冗 余 ， 影 响 整 个 系 统 的 实 时 性 ， 需 对 冗 余 信
息 进 行 裁 剪 以 提 取 合 适 的 R O I。
在 果 园 实 现 机 器 人 定 位 和 自 主 导 航 仅 需 机 体
两 侧 果 树 行 前 后 的 数 棵 果 树 即 可
［ 1 5］
， 而 本 研 究
的 R O I 不 仅 给 机 器 人 导 航 提 供 定 位 信 息 ， 还 需 获
取 果 树 完 整 的 外 貌 轮 廓 特 征 信 息 。 图 4 是 作 业 过
程 中 3 D L iD A R 对 一 侧 果 树 的 探 测 情 况 ， 距 L i‐
D A R 近 的 果 树 仅 有 局 部 冠 层 被 探 测 到 ， 较 远 的
果 树 能 被 完 全 探 测 到 ； 红 线 表 示 激 光 束 ， 黑 线 表
示 L iD A R 到 树 行 的 垂 直 距 离 （ 果 树 行 距 的 一 半
D /2 ， 行 距 4 m ）， 蓝 线 表 示 L iD A R 到 目 标 果 树 的
线 性 距 离 （ d）， 蓝 线 、 红 线 及 果 树 （ 平 均 高 度 为
H ， 4 .0 5 m ） 构 成 直 角 三 角 形 。 该 果 树 是 距 离 L i?
D A R 最 近 的 可 探 测 全 部 冠 层 特 征 信 息 的 果 树（ 机
体 前 方 的 第 n 棵 果 树 ，株 距 为 R ，1 .5 m ）。 其 中 雷
达 安 装 高 度 为 h ，由 图 4 中 的 几 何 关 系 得 到 公
式 （ 2）， 带 入 数 据 知 n 取 7 。
ì
í
?
?
?
?
?
?
d = n
2
r
2
+
D
2
4
H - h
d
≤ ta n 1 5 °
（ 2）
图 2 自 主 导 航 及 自 动 对 靶 喷 雾 实 现 流 程 图
F ig . 2 Im p le m e n ta tio n flo w c h a rt o f a u to n o m o u s n a v ig a tio n
a n d a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g
注 ：1 . 橡 胶 履 带 ；2 . 主 动 轮 ；3 . R T K G N S S 移 动 站 ；4 . 汽 油 机 ；5 . L i‐
D A R ；6 . 柱 塞 泵 ；7 . 药 箱 ；8 . 喷 头 ；9 . 轴 流 风 机
图 3 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人 实 物 图
F ig . 3 P h y s ic a l p ic tu re o f a u to n o m o u s n a v ig a tio n a n d a u ‐
to m ic ta rg e t s p ra y in g ro b o t
图 4 L iD A R 测 量 范 围
F ig . 4 M e a s u re m e n t ra n g e o f L iD A R
6 6
刘 理 民 等 ： 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人V o l. 4 , N o . 3
由 此 设 R O I 的 X 范 围 为 ［ - 3 .0 m ， 1 0 .5 m ］，
Y 为 ［ - 2 .5 m ， 2 .5 m ］， Z 为 ［ - 1 .9 m ， 4 .8 m ］，
前 进 方 向 为 世 界 坐 标 X 轴 正 方 向 。 使 用 点 云 库
（ P o in t C lo u d L ib ra ry ， P C L） 的 直 通 滤 波 器 对 x 、
y 、 z 三 个 维 度 进 行 裁 剪 ， 得 到 R O I 的 最 终 范 围 。
直 通 滤 波 器 简 单 高 效 ， 可 在 指 定 维 度 下 遍 历 点 云
中 的 每 个 点 ， 并 判 断 该 点 在 指 定 维 度 上 的 取 值 是
否 在 值 域 内 ， 删 除 不 在 范 围 内 的 点 。
2 .3 .3 R O I 中 的 果 树 定 位 及 导 航
使 用 P C L 体 素 化 降 采 样 函 数 将 体 素 尺 寸 变 为
（ 0 .0 5 m ， 0 .0 5 m ， 0 .0 5 m ）， 进 一 步 降 低 点 云 数
量 提 高 运 算 速 率 ， 并 将 处 理 后 的 点 云 结 果 进 行 存
储 ， 将 机 器 人 在 该 R O I 区 域 的 世 界 坐 标 信 息 存 储
到 同 一 内 存 中 方 便 快 速 计 算 。
使 用 P C L 的 统 计 滤 波 函 数 将 噪 声 去 除 ， 采 用
P C L 的 欧 式 聚 类 算 法 对 点 云 进 行 聚 类 得 到 点 云 数
据 P
i
， 设 最 小 距 离 阈 值 为 h /3 ， 聚 类 点 的 最 小 和
最 大 数 目 分 别 为 1 0 和 5 5 0 0 个 。 聚 类 后 将 点 云 投
影 至 X O Y 面 ， 计 算 投 影 后 点 云 质 心 （ X i， Y i， 0）
为 果 树 位 置 。 依 据 IM U 、 编 码 器 、 L iD A R 及 果
树 位 置 ， 当 机 器 人 行 驶 到 不 同 行 果 树 中 间 位 置 时
更 新 一 次 R O I。 树 行 拟 合 采 用 R A N S A C 算 法 ，
导 航 线 获 取 及 导 航 跟 踪 算 法 与 文 献 ［ 1 5］ 相 同 ，
最 终 传 递 给 下 位 机 具 体 的 角 速 度 大 小 。
2 .4 软 件 系 统 的 编 写 与 设 计
为 提 高 开 发 效 率 ， 减 少 重 复 开 发 ， 软 件 系 统
主 要 基 于 时 下 流 行 的 机 器 人 操 作 系 统 （ R o b o t
O p e ra tin g S y s te m ， R O S） 平 台 行 开 发 。 使 用 C /
C + + 作 为 主 要 开 发 语 言 ， 基 于 R O S M e lo d ic 及
U b u n tu 1 8 .0 4 进 行 信 息 采 集 处 理 包 、 树 行 识 别 功
能 包 、 导 航 线 提 取 包 、 运 动 控 制 功 能 包 、 分 区 冠
层 有 无 信 息 逻 辑 计 算 包 及 自 动 对 靶 喷 雾 决 策 包 的
开 发 ， 如 图 5 所 示 。 整 个 系 统 分 为 应 用 层 、 控 制
层 、 驱 动 层 及 自 动 对 靶 喷 雾 层 ， 其 中 最 重 要 的 是
控 制 层 和 自 动 对 靶 喷 雾 层 。
2 .5 自 动 对 靶 喷 雾 的 实 现
2 .5 .1 果 树 分 区 冠 层 有 无 信 息 的 确 定
确 定 果 树 分 区 冠 层 的 有 无 是 实 现 自 动 喷 雾 的
关 键 。 机 器 人 正 常 作 业 过 程 中 ， R O I 内 包 含 9 棵
果 树 ， L iD A R 距 喷 头 1 .5 m ， L iD A R 从 收 集 数 据
到 最 后 的 自 动 对 靶 喷 雾 需 一 定 的 反 应 时 间 ， 所 以
舍 弃 位 于 L iD A R 后 方 4 棵 果 树 的 点 云 。 使 用 IM U
获 取 的 翻 滚 及 偏 移 角 信 息 矫 正 R O I 内 剩 余 果 树 冠
层 点 云 ， 重 新 得 到 果 树 中 心 坐 标 位 置 （ 树 干 ），
将 果 树 冠 层 到 雷 达 距 离 值 D
s
与 树 干 到 雷 达 距 离 值
D
g
进 行 比 较 ， 若 D
s
大 于 D
g
则 该 处 为 空 隙 （ 无 冠
层 ）， 反 之 有 冠 层 。 同 时 将 R O I （ 长 1 0 .5 m ） 两
侧 果 树 分 为 长 度 为 3 0 c m 大 小 的 3 5 个 小 分 区 ， 并
根 据 R O I 更 新 频 率 将 果 树 冠 层 上 下 分 为 7 层 ， 如
图 6 所 示 。
L iD A R 动 态 扫 描 机 体 两 侧 果 树 ， 将 机 体 在 果
树 间 行 驶 的 具 体 距 离 融 合 到 L iD A R 点 云 信 息 中 ，
对 R O I 进 行 较 为 精 准 的 分 区 。 机 体 行 驶 到 不 同 行
图 5 自 动 对 靶 喷 雾 系 统 软 件 构 成
F ig . 5 Im p le m e n ta tio n flo w c h a rt o f a u to m ic ta rg e t
s p ra y in g s y s te m
图 6 果 树 冠 层 分 区 示 意 图
F ig . 6 D ia g ra m o f fru it tre e c a n o p y z o n in g
6 7
V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
果 树 中 间 位 置 时 更 新 R O I 并 矫 正 机 体 位 置 ， 以 消
除 IM U 及 编 码 器 轨 迹 预 测 的 累 计 误 差 。
由 于 水 平 安 装 的 3 D L iD A R 垂 直 视 场 的 局 限
性 ， 整 个 R O I 内 仅 完 整 地 得 到 L iD A R 前 方 第 7 棵
果 树 的 点 云 。 图 7 中 的 点 划 线 框 是 第 一 个 R O I 内
可 探 测 到 的 果 树 冠 层 ， 第 一 次 更 新 R O I 后 可 探 测
到 实 线 框 内 的 果 树 冠 层 ， 第 二 次 更 新 R O I 后 为 虚
线 框 内 的 果 树 冠 层 ， 依 次 类 推 直 至 第 七 次 更 新
R O I 机 体 运 动 到 该 果 树 位 置 。 L iD A R 距 离 果 树 较
远 时 ， 所 测 的 果 树 信 息 极 易 受 到 机 体 状 态 （ 倾 斜
等 ） 的 影 响 ， 需 使 用 距 L iD A R 较 近 黑 色 框 内 冠
层 有 无 对 点 划 线 框 内 冠 层 有 无 进 行 矫 正 ， 然 后 使
用 距 L iD A R 更 近 的 虚 线 框 内 有 无 信 息 对 黑 色 框
内 信 息 进 行 矫 正 。 具 体 使 用 公 式 （ 3） 进 行 逻 辑
计 算 实 现 上 述 过 程 。
n
1
( k ) o r n
2
( k ) o r … …
n
k - 1
( k ) a n d n
k
( k ) ( 3 ≤ k ≤ 7 )
（ 3）
其 中 ， n
k
为 第 k 个 R O I 区 ； k 是 冠 层 从 上 到 下
第 k 个 分 区 ； o r 为 逻 辑 “ 或 ” 运 算 ； a n d 为 逻 辑
“ 与 ” 运 算 。 当 k ≤ 2 时 ， 取 n
k
（ k） 的 值 。
可 将 果 树 分 为 7 个 倾 斜 的 分 区 ， 上 两 个 区 域
为 上 层 ， 下 两 个 区 域 为 下 层 ， 其 余 为 中 层 。
2 .5 .2 喷 头 及 导 流 板 的 调 整
如 图 3 所 示 ， 共 有 1 0 个 喷 嘴 ， 每 侧 5 个 ， 调
整 喷 嘴 的 位 置 和 方 向 使 其 喷 向 冠 层 ， 果 树 上 层 对
应 一 个 喷 嘴 ， 中 下 层 各 两 个 喷 嘴 。 将 玻 璃 绳 固 定
在 导 流 板 上 ， 启 动 风 机 ， 观 察 玻 璃 绳 漂 浮 方 向 是
否 与 果 树 冠 层 对 齐 ， 若 不 齐 ， 继 续 调 整 导 流 板 直
至 对 齐 。
2 .6 数 据 绘 制
采 用 O rig in P ro 2 0 2 0 绘 制 试 验 结 果 图 。
3 试 验 设 计
为 验 证 自 主 导 航 性 能 ， 于 2 0 2 1 年 1 0 月 1 1
日 ， 在 北 京 市 平 谷 区 峪 口 镇 西 营 村 现 代 化 佛 见 喜
梨 种 植 园 进 行 了 自 主 导 航 及 喷 雾 性 能 验 证 试 验 ，
试 验 过 程 中 天 气 晴 ， 温 度 为 1 7 .2 ~ 1 8 .5 ℃ ， 风 速
为 0 .8 ~ 1 .3 m /s。 图 8 是 自 主 导 航 和 喷 雾 试 验 示 意
图 ， 气 象 站 在 距 基 站 1 0 m 远 的 位 置 用 于 收 集 气
象 条 件 ， R T K G N S S 基 站 在 距 试 验 区 域 1 5 .5 m
远 的 开 阔 地 带 。
3 .1 导 航 试 验
试 验 前 用 R T K G N S S 移 动 站 探 测 试 验 区 两 侧
行 首 及 行 末 果 树 坐 标 ， 得 到 果 树 行 公 式 ， 进 而 得
到 导 航 线 公 式 。 试 验 时 将 机 器 人 放 置 在 果 园 地 头
果 树 行 中 间 启 动 电 源 和 汽 油 机 ， 随 后 启 动 自 动 对
靶 喷 雾 程 序 ， 沿 着 图 8 中 黑 色 箭 头 行 驶 进 试 验
区 ， 试 验 区 距 地 头 1 0 .5 m ， 长 1 0 0 m ， 宽 4 m ，
行 驶 过 试 验 区 2 m 后 减 速 至 停 止 ， 试 验 重 复 3 次 。
定 义 运 动 轨 迹 在 导 航 线 右 侧 为 横 向 正 偏 差 ， 航 向
注 ：1 . 未 更 新 R O I 时 L iD A R 可 检 测 到 的 冠 层 范 围 ；2 . 第 一 次 更 新
R O I 后 L iD A R 可 检 测 到 的 冠 层 范 围 ；3 . 第 二 次 更 新 R O I 后 L iD A R
可 检 测 到 的 冠 层 范 围
图 7 果 树 分 区
F ig . 7 Z o n in g o f fru it tre e
图 8 自 主 导 航 和 自 动 对 靶 喷 雾 试 验 示 意 图
F ig . 8 T e s t s c h e m a tic o f a u to n o m o u s n a v ig a tio n a n d a n ‐
to m ic ta rg e t s p ra y in g
6 8
刘 理 民 等 ： 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人V o l. 4 , N o . 3
角 偏 向 导 航 线 右 侧 为 正 。
试 验 时 机 器 人 上 的 R T K G N S S 移 动 站 接 受 机
体 运 动 中 的 位 置 信 号 并 得 到 运 动 轨 迹 ， 获 取 不 同
时 刻 下 轨 迹 点 到 导 航 线 的 垂 直 距 离 为 机 器 人 自 主
导 航 时 的 横 向 偏 差 。 以 导 航 线 为 基 准 线 ， 某 个 时
刻 的 偏 航 角 可 表 示 为 轨 迹 线 与 导 航 线 的 夹 角 。
3 .2 喷 雾 对 比 试 验
为 验 证 机 器 人 的 喷 雾 性 能 ， 如 图 8 所 示 选 择
试 验 区 中 的 3 棵 果 树 作 为 喷 雾 性 能 试 验 植 株 。 试
验 果 树 的 布 样 点 如 图 9 所 示 ， 将 试 验 果 树 分
为 上 、 中 、 下 三 层 ， 分 别 距 地 面 3 .2 m 、 2 .4 m 及
1 .6 m 高 （ 树 干 平 均 高 度 为 1 .1 5 m ）， 每 层 按 照 东
西 南 北 中 布 置 5 片 直 径 为 7 c m 的 滤 纸 （ 使 用 双 头
夹 固 定 ） 用 于 收 集 雾 滴 ， 并 在 试 验 果 树 底 部 及 距
离 底 部 0 .7 5 m 处 的 左 右 两 侧 各 布 置 3 片 （ 每 片 相
距 0 .5 m ） 直 径 为 7 c m 的 滤 纸 用 于 收 集 施 药 过 程
中 的 地 面 流 失 。 同 时 在 距 试 验 树 干 1 .5 m 处 布 置
5 m 高 的 竖 直 立 杆 ， 在 距 地 面 高 为 0 .2 、 0 .8 、 1 .4
… … 5 .0 m （ 间 隔 0 .6 m ） 处 用 双 头 夹 竖 直 固 定
4 0 0 目 的 长 方 形 金 属 网 （ 2 .5 c m × 7 .5 c m ） 共 9 个
用 于 收 集 农 药 漂 移 ， 每 三 个 为 一 组 ， 将 金 属 网 分
为 上 、 中 、 下 三 层 。
使 用 3 .0 g /L 的 柠 檬 黄 溶 液 作 为 试 验 示 踪 剂 ，
试 验 前 取 药 箱 内 的 母 液 放 置 暗 箱 内 保 存 。 自 动 对
靶 喷 雾 与 传 统 连 续 （ 简 称 传 统 ） 喷 雾 为 同 一 机
器 ， 区 别 在 于 自 动 对 靶 喷 雾 启 动 自 动 对 靶 喷
雾 程 序 ， 而 传 统 喷 雾 不 启 动 。 每 次 喷 雾 试 验 机 具
行 进 1 0 0 m ， 收 集 样 品 到 6 号 自 封 袋 中 。
以 去 离 子 水 为 洗 脱 液 ， 对 自 封 袋 样 品 进 行 洗
脱 处 理 ， 在 自 封 袋 内 放 置 5 0 m L 的 去 离 子 水 后 将
其 密 封 ， 用 N M Y -1 0 0 A 型 水 平 摇 床 振 荡 器 对 样 品
进 行 振 荡 以 充 分 溶 解 沉 积 雾 滴 ， 使 用 1 0 0 μ L 移
液 枪 采 集 袋 内 溶 液 滴 入 比 色 皿 中 ， 放 置 到 7 2 2 s
型 可 见 光 分 光 光 度 计 内 ， 在 波 长 4 2 6 n m 的 可 见
光 下 测 定 吸 光 值 ， 根 据 文 献 ［ 2 5］ 的 方 法 得 到 样
品 的 沉 积 量 V
c
， 同 时 依 据 滤 纸 面 积 得 到 单 位 面 积
雾 滴 沉 积 量 。 两 种 喷 雾 模 式 使 用 同 一 药 箱 内 的 溶
液 但 喷 雾 量 不 同 ， 为 对 比 两 种 喷 雾 模 式 的 优 劣 ，
使 用 文 献 ［ 2 5 ， 2 6］ 的 方 法 对 冠 层 内 沉 积 量 进 行
归 一 化 处 理 ， 具 体 计 算 方 法 如 公 式 （ 4） 所 示 。
d
g
=
V
s
× 1 0
2
V
z
× S
（ 4）
其 中 ， d
g
为 归 一 化 单 位 面 积 沉 积 量 ， μ L /c m 2；
V
s
为 样 品 沉 积 量 ， μ L ； V
z
为 施 药 量 ， L /h 2； S 为
样 品 面 积 ， c m 2。
4 试 验 结 果 及 分 析
4 .1 自 主 导 航 性 能 试 验 结 果 及 分 析
图 1 0 为 自 主 导 航 时 机 器 人 横 向 偏 差 的 小 提
琴 箱 线 图 ， 表 示 横 向 偏 差 的 分 布 状 态 及 概 率 密
度 。 由 图 1 0 （ a） 知 3 次 试 验 的 平 均 值 和 中 位 数
皆 为 负 值 ， 说 明 机 体 大 部 分 时 间 行 驶 在 导 航 线 的
左 侧 ， 且 试 验 2 平 均 值 和 中 位 数 相 差 较 大 而 试 验
1 、 3 无 明 显 差 别 ； 由 图 1 0 （ b） 知 绝 对 值 多 小 于
1 5 c m ， 甚 至 是 1 0 c m ， 平 均 数 和 中 位 数 小 于 1 0 c m ，
说 明 该 具 有 较 高 的 导 航 准 确 性 （ 相 比 于 4 m 的 行
（ a）俯 视 图
（ b）侧 视 图
图 9 喷 雾 测 试 样 品 布 置 图
F ig . 9 S p ra y te s t s a m p le la y o u t
6 9
V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
距 ）， 试 验 2 、 3 平 均 值 及 中 位 数 无 明 显 差 别 ， 试
验 1 差 别 明 显 ， 说 明 试 验 1 运 动 轨 迹 在 导 航 线 左
侧 时 间 占 比 最 多 ， 试 验 3 其 次 ， 试 验 2 较 少 。 3 次
试 验 最 大 横 向 偏 差 绝 对 值 为 2 1 .8 c m 。
如 图 1 1 所 示 ， 是 3 次 试 验 的 机 器 人 航 向 偏 角
绝 对 值 箱 线 图 ， 最 大 值 为 4 .0 2 °。 随 着 试 验 进 行 ，
航 向 偏 角 的 平 均 值 逐 渐 减 小 ， 可 能 是 随 着 试 验 进
行 ， 试 验 区 内 果 园 道 路 被 机 器 人 压 平 ， 使 得 原 本
崎 岖 的 果 园 地 面 变 得 较 为 平 整 ， 机 体 不 易 发 生 倾
斜 ， 航 向 偏 角 也 变 得 更 小 、 更 稳 定 。 由 以 上 试 验
结 果 可 知 ， 自 主 导 航 性 能 满 足 基 本 需 求 。
4 .2 喷 雾 对 比 试 验 结 果 及 分 析
使 用 两 种 喷 雾 模 式 在 试 验 区 进 行 喷 雾 作 业 时
测 量 药 液 用 量 ， 传 统 喷 雾 和 自 动 对 靶 喷 雾 分 别 消
耗 药 液 量 为 2 0 .2 4 和 1 6 .1 8 L ， 换 算 成 每 公 顷 施 药
液 量 则 分 别 为 5 0 6 和 4 0 4 .5 L /h m 2， 相 比 于 传 统 喷
雾 模 式 ， 本 研 究 设 计 的 自 动 对 靶 喷 雾 技 术 可 节 省
2 0 .0 6 % 的 农 药 量 。
图 1 2 为 果 树 冠 层 内 部 实 际 雾 滴 沉 积 量 与 各
点 占 比 及 进 行 归 一 化 处 理 后 数 据 可 视 化 图 。 由 图
1 2 （ a） 和 1 2 （ b） 可 知 ， 传 统 喷 雾 与 自 动 对 靶 喷
雾 各 点 沉 积 量 占 比 相 差 无 几 ， 自 动 对 靶 喷 雾 总 沉
积 量 仅 比 传 统 喷 雾 少 1 0 .1 9 % ， 但 在 归 一 化 沉 积
后 自 动 对 靶 喷 雾 却 比 传 统 喷 雾 增 加 了 1 2 .3 8 % ，
这 说 明 了 自 动 对 靶 喷 雾 节 省 药 液 量 造 成 实 际 沉 积
量 有 所 减 少 ， 但 喷 雾 效 果 优 于 传 统 喷 雾 ， 这 是 因
为 传 统 喷 雾 在 空 隙 处 也 喷 雾 ， 浪 费 了 较 多 农 药 。
理 论 上 传 统 喷 雾 与 自 动 对 靶 喷 雾 在 冠 层 内 部 沉 积
量 相 同 ， 而 实 际 喷 雾 作 业 中 自 动 对 靶 喷 雾 沉 积 量
较 少 ， 可 能 是 自 动 对 靶 喷 雾 控 制 程 序 延 时 函 数 及
冠 层 有 无 信 息 存 在 误 判 导 致 。
图 1 3 是 自 动 对 靶 喷 雾 和 传 统 喷 雾 在 上 、 中 、
下 层 空 中 实 际 漂 移 量 及 占 比 情 况 ， 两 者 都 是 中 、
下 层 的 漂 移 量 占 比 最 大 分 别 为 4 7 % 、 4 2 % 和
4 1 % 、 4 9 % ， 而 上 层 漂 移 量 仅 占 比 1 1 % 和 1 0 % ，
其 中 传 统 喷 雾 漂 移 量 随 着 收 集 杆 高 度 的 增 加 而 减
少 ， 这 是 因 为 中 上 层 喷 雾 距 离 较 远 ， 大 雾 滴 难 以
达 到 ， 而 到 达 的 雾 滴 穿 透 能 力 较 弱 无 法 穿 透 冠 层
漂 移 到 金 属 筛 网 上 而 是 沉 积 到 了 冠 层 内 部 和 地
面 ， 所 以 上 部 漂 移 量 占 比 最 少 ； 自 动 对 靶 喷 雾 中
部 雾 滴 占 比 较 多 ， 可 能 是 因 为 调 整 了 喷 头 及 导 流
板 角 度 。 相 比 于 传 统 喷 雾 ， 自 动 对 靶 喷 雾 的 平 均
（ a）横 向 偏 差
（b）横向偏差绝对值
图10 机器人横向偏差测试结果
Fig. 10 Test results of lateral deviation of the robot
图 1 1 机 器 人 航 向 偏 角 测 试 结 果
F ig . 1 1 S te e rin g d e c lin a tio n te s t re s u lts o f th e ro b o t
7 0
刘 理 民 等 ： 果 园 自 主 导 航 兼 自 动 对 靶 喷 雾 机 器 人V o l. 4 , N o . 3
空 中 漂 移 可 减 少 3 8 .3 6 % ， 大 大 降 低 了 农 药 漂 移 的 风 险 。
图 1 4 是 自 动 对 靶 喷 雾 和 传 统 喷 雾 的 地 面 流
失 量 及 采 集 点 占 比 情 况 ， 其 中 采 样 点 B 为 果 树 底
部 ， 采 样 点 A 、 C 是 试 验 果 树 左 右 两 侧 ， 可 知 自
动 对 靶 喷 雾 的 地 面 流 失 量 远 小 于 传 统 喷 雾 ， 且 相
（ a）实 际 雾 滴 沉 积 量
（ c）归 一 化 雾 滴 沉 积 量
（ b）实 际 雾 滴 沉 积 量 占 比
（ d）归 一 化 雾 滴 沉 积 量 占 比
注 ：A T S ：自 动 对 靶 喷 雾（ A u to m a tic T a rg e t S p ra y in g）； T S ：传 统 连 续 型 喷 雾（ T ra d itio n a l S p ra y in g）
图 1 2 自 动 对 靶 喷 雾 和 传 统 喷 雾 的 喷 雾 沉 积 测 试 对 比 结 果
F ig . 1 2 C o m p a ris o n re s u lts o f d e p o s itio n te s ts b e tw e e n a u to m ic ta rg e t s p ra y in g a n d tra n d itio n a l s p ra y in g
（ a）漂 移 量 （ b）漂 移 量 占 比
图 1 3 自 动 对 靶 喷 雾 和 传 统 喷 雾 的 空 中 漂 移 量
F ig . 1 3 A irl d rift o f a u to m ic ta rg e t s p ra y in g a n d tra n d itio n a l s p ra y in g
7 1
V o l. 4 , N o . 3智 慧 农 业（ 中 英 文 ） S m a r t A g r ic u ltu r e
比 于 传 统 喷 雾 ， 自 动 对 靶 喷 雾 地 面 流 失 量 减 少
5 1 .3 6 % ， 可 大 大 降 低 农 药 对 土 壤 的 污 染 。 相 比
于 两 者 在 漂 移 量 占 比 方 面 相 似 的 情 况 ， 在 地 面
流 失 量 占 比 方 面 完 全 相 反 ， 自 动 对 靶 喷 雾 的 采
样 点 B 地 面 流 失 量 占 比 最 大 为 4 3 % ， 采 样 点 A 、
C 占 比 几 乎 相 同 ； 而 传 统 喷 雾 恰 好 相 反 ， 采 样 点
B 占 比 最 小 为 2 5 % ， 采 样 点 A 、 C 占 比 较 大 且 几
乎 相 同 。 这 是 因 为 采 样 点 A 、 C 点 是 试 验 果 树 与
临 近 果 树 的 冠 层 间 空 隙 ， 自 动 对 靶 喷 雾 在 空 隙
处 不 喷 雾 而 传 统 喷 雾 无 视 标 靶 差 异 在 空 隙 处 喷
雾 ， 造 成 了 果 树 间 空 隙 处 无 效 喷 雾 进 而 造 成 地
面 流 失 严 重 ， 自 动 对 靶 喷 雾 空 隙 处 不 喷 雾 冠 层
区 域 正 常 喷 雾 ， 这 可 能 是 自 动 对 靶 喷 雾 果 树 底
部 地 面 流 失 量 占 比 较 大 的 原 因 。 该 机 器 人 相 比
于 传 统 喷 雾 机 ， 农 药 空 中 漂 移 量 减 少 了 3 8 .6 8 % ，
地 面 流 失 量 减 少 了 5 1 .4 0 % ， 降 低 了 施 药 过 程 中
对 环 境 的 污 染 。
5 结 论
本 研 究 采 用 单 个 3 D L iD A R 、 编 码 器 及 IM U
实 现 了 果 园 机 器 人 的 自 主 导 航 和 自 动 对 靶 喷 雾
作 业 。 同 时 设 计 了 自 主 导 航 性 能 试 验 及 喷 雾 性
能 试 验 ， 试 验 结 果 表 明 该 机 器 人 完 全 满 足 果 园
自 主 导 航 和 自 动 对 靶 喷 雾 的 要 求 ， 主 要 结 论
如 下 。
（ 1） 该 机 器 人 在 自 主 导 航 过 程 中 ， 机 器 人
最 大 横 向 偏 差 为 2 1 .8 c m ， 最 大 航 角 为 4 .0 2 °， 完
全 满 足 基 本 的 果 园 自 主 导 航 作 业 需 求 。
（ 2） 该 机 器 人 相 比 于 传 统 喷 雾 机 ， 施 药 液
量 可 减 少 2 0 .0 6 % ， 虽 然 冠 层 内 沉 积 量 减 少 了
1 2 .3 8 % ， 却 提 高 了 喷 雾 性 能 且 雾 滴 空 中 漂 移 量
减 少 了 3 8 .6 8 % ， 地 面 流 失 量 减 少 了 5 1 .4 0 % ， 可
降 低 施 药 机 具 对 环 境 的 污 染 。
（ 3） 该 机 器 人 与 传 统 喷 雾 机 在 农 业 空 中 漂
移 量 占 比 方 面 无 明 显 差 别 ， 而 在 地 面 流 失 占 比
方 面 ， 在 试 验 果 树 底 部 地 面 流 失 占 比 最 大 为
4 3 % ， 试 验 果 树 与 左 右 临 近 果 树 的 中 间 流 失 量 占
比 较 小 分 别 为 2 9 % 及 2 8 % ， 而 传 统 喷 雾 机 地 面
流 失 量 占 比 情 况 与 之 相 反 。
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（ a）漂 移 量
（ b）流 失 量 占 比
图 1 4 自 动 对 靶 喷 雾 和 传 统 喷 雾 的 地 面 流 失 量
F ig . 1 4 G ro u n d lo s s o f a u to m ic ta rg e t s p ra y in g a n d tra n d i‐
tio n a l s p ra y in g
7 2
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A u to n o m o u s N a v ig a tio n a n d A u to m a tic T a rg e t S p ra y in g
R o b o t fo r O rc h a rd s
L IU L im in
1 ,2
, H E X io n g k u i
1 ,2
, L IU W e ih o n g
3
, L IU Z iy a n
1 ,2
, H A N H u
1 ,2
, L I Y a n g fa n
1 ,2
（ 1 . C o lle g e o f S c ie n c e , C h in a A g r ic u ltu r a l U n iv e r s ity , B e ijin g 1 0 0 1 9 3 , C h in a ;
2 . C o lle g e o f A g r ic u ltu r a l U n m a n n e d S y s te m , C h in a A g r ic u ltu r a l U n iv e r s ity , B e ijin g 1 0 0 1 9 3 , C h in a ;
3 . C o lle g e o f E n g in e e r in g , C h in a A g r ic u ltu r a l U n iv e r s ity , B e ijin g 1 0 0 0 8 3 , C h in a）
A b str a c t: T o re a liz e th e a u to n o m o u s n a v ig a tio n a n d a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g o f in te llig e n t p la n t p ro te c t m a c h in e ry in o rc h a rd ,
in th is s tu d y , a n a u to n o m o u s n a v ig a tio n a n d a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g ro b o t fo r o rc h a rd s w a s d e v e lo p e d . F irs tly , a s in g le 3 D
lig h t d e te c tio n a n d ra n g in g (L iD A R ) w a s u s e d to c o lle c t fru it tre e s a n d o th e r in fo rm a tio n a ro u n d th e ro b o t. T h e re g io n o f in te r‐
e s t (R O I) w a s d e te rm in e d u s in g in fo rm a tio n o n th e fru it tre e s in th e o rc h a rd (p la n t s p a c in g , p la n t h e ig h t, a n d ro w s p a c in g ), a s
w e ll a s th e fu n d a m e n ta l L iD A R p a ra m e te rs . A d d itio n a lly , it m u s t b e e n s u re d th a t L iD A R w a s u s e d to d e te c t th e c a n o p y in fo rm a ‐
tio n o f a w h o le fru it tre e in th e R O I. S e c o n d ly , th e p o in t c lo u d s w ith in th e R O I w a s tw o -d im e n s io n p ro c e s s in g to o b ta in th e fru it
tre e c e n te r o f m a s s c o o rd in a te s . T h e c o o rd in a te w a s th e lo c a tio n o f th e fru it tre e s . B a s e d o n th e lo c a tio n o f th e fru it tre e s , th e
ro w lin e s o f fru it tre e w e re o b ta in e d b y ra n d o m s a m p le c o n s e n s u s (R A N S A C ) a lg o rith m . T h e c e n te r lin e (n a v ig a tio n lin e ) o f th e
fru it tre e ro w w ith in R O I w a s o b ta in e d th ro u g h th e fru it tre e ro w lin e s . T h e ro b o t w a s c o n tro lle d to d riv e a lo n g th e c e n te r lin e
b y th e a n g u la r v e lo c ity s ig n a l tra n s m itte d fro m th e c o m p u te r. N e x t, th e A T R S ''s b o d y s p e e d a n d p o s itio n w e re d e te rm in e d b y e n ‐
c o d e rs a n d th e in e rtia l m e a s u re m e n t u n it (IM U ). A n d th e c o lle c te d fru it tre e z o n e d c a n o p y in fo rm a tio n w a s c o rre c te d b y IM U .
T h e p re s e n c e o r a b s e n c e o f fru it tre e z o n e d c a n o p y w a s ju d g e d b y th e lo g ic a l a lg o rith m d e s ig n e d . F in a lly , th e n o z z le s w e re c o n ‐
tro lle d to s p ra y o r n o t a c c o rd in g to th e p re s e n c e o r a b s e n c e o f c o rre s p o n d in g z o n e d c a n o p y . T h e c o n c lu s io n s w e re o b ta in e d . T h e
m a x im u m la te ra l d e v ia tio n o f th e ro b o t d u rin g a u to n o m o u s n a v ig a tio n w a s 2 1 .8 c m , a n d th e m a x im u m c o u rs e d e v ia tio n a n g le
w a s 4 .0 2 ° . C o m p a re d w ith tra d itio n a l s p ra y in g , th e a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g d e s ig n e d in th is s tu d y re d u c e d p e s tic id e v o lu m e ,
a ir d rift a n d g ro u n d lo s s b y 2 0 .0 6 % , 3 8 .6 8 % a n d 5 1 .4 0 % , re s p e c tiv e ly . T h e re w a s n o s ig n ific a n t d iffe re n c e b e tw e e n th e a u to m a t‐
ic ta rg e t s p ra y in g a n d th e tra d itio n a l s p ra y in g in te rm s o f th e p e rc e n ta g e o f a ir d rift. In te rm s o f th e p e rc e n ta g e o f g ro u n d lo s s ,
a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g h a d 4 3 % a t th e b o tto m o f th e te s t fru it tre e s a n d 2 9 % a n d 2 8 % a t th e m id d le o f th e te s t fru it tre e s a n d
th e le ft a n d rig h t n e ig h b o rin g fru it tre e s . B u t in tra d itio n a l s p ra y in g , th e p e rc e n ta g e o f g ro u n d lo s s w a s , in th a t s e q u e n c e , 2 5 % ,
3 8 % , a n d 3 7 % . T h e ro b o t d e v e lo p te d c a n re a liz e a u to n o m o u s n a v ig a tio n w h ile e n s u rin g th e s p ra y in g e ffe c t, re d u c in g th e p e s ti‐
c id e s v o lu m e a n d lo s s .
K e y w o r d s: a u to m a tic n a v ig a tio n ; a u to m a tic ta rg e t s p ra y in g ; L iD A R ; ra n d o m s a m p le c o n s e n s u s a lg o rith m ; ro b o t; IM U
（ 登 陆 w w w .s m a rta g .n e t.c n 免 费 获 取 电 子 版 全 文 ）
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