全文总字数：8252字
摘 要：果园机器人是一种代替人工进行作业，对周围环境实时定位并构建出地图实现作业的智能机器。它按照设计的要求进行自动化操作，降低了劳动力成本，将果农从高温、高湿、有毒等危险作业中解放了出来，大幅推动了果园技术的有效发展。随着科技水平的不断提高以及劳动力减少和生产成本提高，对果园机器人产品的需求也越来越大。果园机器人技术是综合了控制理论、计算机、激光雷达、地图构建（Simultaneous localization and map building,SLAM）和深度相机等多学科而形成的技术。果园机器人通过激光雷达数据聚类提取果园中树干的中心点位置，构建几何特征地图，从而实现机器人的定位。本文将从果园机器人及其发展历史、研究现状和发展前景等方面进行综述。本文在对现有成果进行总结的基础上，简要分析当前果园机器人所需要深入研究的问题，并对其今后的深层次应用提出合理性假想。
关键词：果园机器人；SLAM；几何特征地图；激光雷达；深度相机
引言
中国自古以来就是农业大国，农业生产一直是我国经济的一个重要组成部分。近些年来，随着生活质量的提高，对于水果的需求日益增长，果园机器人应需求而诞生。果园机器人是集机械、人工智能、计算机技术、自动控制原理、传感器于一体的产物，它的飞速发展已经逐渐取代了人力，逐步代替了传统手工业。它的特点是可通过SLAM实时构建地图并完成各种预期的任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点。果园机器人能在各种环境中完成作业的能力，使其在农业领域有着越来越广阔的发展前景。
在未知环境下运动，机器人的定位问题是实现整个作业的前提，过去的机器人依靠磁条、地标进行定位，这些定位方式适用于干净整洁的城市道路之中，而在果园这么一个被树木环绕的复杂环境中，以上的方法便不再能够准确定位，这是地图构建的方式便随之诞生。地图构建（Map building）是指机器人对其工作的空间进行建模，即机器人在对其工作的空间进行探索时，增量式地创建出包含物体或者路标位置信息的地图[1]。机器人要在自己位置未知的条件下构建地图，并同时利用构建的地图完成自动定位与导航，这就是机器人的同时定位与地图构建（Simultaneous localization and map building，SLAM）问题[2]。通过自身定位的方式便解决了机器人的“我在哪”、“我要去哪”的问题。
为全面了解果园作业机器人定位与地图构建的开发与应用情况，本文通过查询CNKI中国期刊全文数据库与万方数据知识服务平台，参考了近些年来的相关文献近40篇，并进行综述。
2 研究现状
机器人技术发展，可分为三个阶段:在第一阶段中机器人只存在于科幻小说中， 这类幻想出来的机器人往往具有类人的外形和超越人类的体能和智力。第二阶段是在20世纪70-80年代，该阶设的机器人大多只是机械操作手臂，但也出现了能够自主导航的移动小车。这类机器人主要用于简单重复但却需要精确性的装配工作。它们大都缺乏对环境的认知和甩考能力，只是根据人类预先编辑好的程序机械地完成工作。第三个阶段:体积日益减小、性能日益增加的计算机和传感器为机器人提供了更强大的硬件支持，此时机器人具备了在不需要人类指导和监督条件下自主完成任务的能力[3]。现如今，智能机器人已经广泛应用于工业制造和服务领域，而在农业方面发展至今仍很缓慢。由于果园机器人的作业环境大多为室外，所以工作的环境较为复杂，要考虑到树干的宽度长度不一、土壤湿度凹凸程度不一等等问题，这也使得果园机器人提取周围环境进行定位与构图的难度大大增加。
国外的农业机器人发展较早，早在上世纪50-60年代，国外的自主导航研究就开始了。目前已积累了多种有效的自主导航控制方案，按定位导航的方式来分，主要有卫星导航、激光雷达导航、视觉导航以及多传感器融合导航等方案[4]。由于农业机器人的应用环境大部分的使用情况在室外，外国科学家提出的GNSS (Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)在室外无遮挡情况下能提供实时绝对定位信息，且抗干扰能力强，因此基于GNSS的自主导航方案被广泛使用于宽阔大田环境下的农业机械，如播种、耕作和除草等。J.Carballido和J.Aguera等使用RTK(Real-Time Kinematic实时动态)和RTX(Real-Time Extended,实时扩展)GNSS,利用专用参考站进行信号校正，其中RTK-GNSS动态测试定位精度达到1.43厘米，RTX-GNSS定位精度达到2.55厘米，将GNSS导航系统置于农业拖拉机上，可以应用在精准农业和农业自动化上[5]。科学家们为了补偿GNSS在姿态上面产生的误差，来自北海道大学的研究人员将IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)与RTK-GNSS融合，提供更为精确的定位和定向信息。经过试验，该组合导航系统可以控制农业机器人以高达3m/s的行进速度进行包括种植、栽培和喷洒在内的所有田间作业，在直线和曲线路径上的跟踪误差小于5cm。然而在果园这样一个到处被树冠遮挡的地方，GNSS信号存在严重的干扰问题，这时候基于果园环境几何特征地图与栅格地图构建地图的方式也随之诞生。
相比于国外，国内对于果园机器人的研究起步较晚，并且现在还处在高校研究的阶段。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
