本文摘要：摘要:為了使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠有效地避開作業(yè)過(guò)程中的障礙物，設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，給出了單個(gè)小障礙物的避障策略，提出了避障路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)同步定位算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用云平臺(tái)大數(shù)據(jù)進(jìn)行路
摘要:為了使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠有效地避開作業(yè)過(guò)程中的障礙物，設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，給出了單個(gè)小障礙物的避障策略，提出了避障路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)同步定位算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用云平臺(tái)大數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位非常有效，解決了農(nóng)業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中的路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)同步定位問題，可為其他相關(guān)領(lǐng)域的避障路徑規(guī)劃提供參考。
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機(jī)器人;大數(shù)據(jù);路徑規(guī)劃;避障;同步定位
數(shù)字方向論文投稿刊物：《產(chǎn)權(quán)導(dǎo)刊》的辦刊宗旨是：研討產(chǎn)權(quán)理論、宣傳政策法規(guī)、探索制度改革、指導(dǎo)市場(chǎng)建設(shè)、披露動(dòng)態(tài)信息、介紹基本知識(shí)、引導(dǎo)產(chǎn)權(quán)投資，密切關(guān)注產(chǎn)權(quán)交易中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題，為健全多層次資本市場(chǎng)、建設(shè)統(tǒng)一開放競(jìng)爭(zhēng)有序的產(chǎn)權(quán)市場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置、健全現(xiàn)代產(chǎn)權(quán)制度、促進(jìn)各類所有制企業(yè)發(fā)展服務(wù)，為企業(yè)并購(gòu)重組、提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力服務(wù)，為國(guó)有經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、完善社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制服務(wù)，為從事和關(guān)心產(chǎn)權(quán)交易的廣大讀者服務(wù)。
0引言
隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步走向自動(dòng)化、信息化和精細(xì)化。農(nóng)業(yè)機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、信息化和精細(xì)化的基礎(chǔ)，為了使農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航能夠成功、高效地完成任務(wù)，必須進(jìn)行有效的路徑規(guī)則和實(shí)時(shí)定位。為此，針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人避障和定位問題，設(shè)計(jì)了一種基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位功能。
1云端大數(shù)據(jù)
1.1云端大數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)
隨著云計(jì)算、5G通訊、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使得大數(shù)據(jù)站在了發(fā)展的風(fēng)口上，越來(lái)越多的公司開始研發(fā)自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，且各具特色，如美國(guó)甲骨文公司的Oracle、美國(guó)Sybase公司的Sybase、美國(guó)IBM公司的Informix、美國(guó)Microsoft公司的SQLServer和Access，以及開源的MySQL等數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL是1986年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI)通過(guò)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)操作語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，是一種結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(StructuredQueryLanguage)[53]，包含通用的增、刪、改、查等SQL命令及相關(guān)語(yǔ)法。另外，MySQL是一款開源性產(chǎn)品，具有跨平臺(tái)、功能強(qiáng)大、操作方便和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此本文設(shè)計(jì)的云端大數(shù)據(jù)采用MySQL進(jìn)行搭建。在云端服務(wù)器中，所創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含了ICP點(diǎn)云匹配核心算法及數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等功能。農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要收集作業(yè)周邊環(huán)境的信息，為了確保二者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，采用TCP/IP協(xié)議。
1.2數(shù)據(jù)庫(kù)通信接口
常用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問接口有ODBC和JDBC兩種。其中，ODBC(OpenDatabaseConnectivity，開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連)是一種可用來(lái)訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的編程接口，可對(duì)多種不同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，采取統(tǒng)一方式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理。通過(guò)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，ODBC管理器所擁有的數(shù)據(jù)源是基礎(chǔ)，采用此方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接時(shí)，必須先配置數(shù)據(jù)源，配置流程為按順序點(diǎn)擊開始/控制面板/ODBC3項(xiàng)，進(jìn)入用戶DSN標(biāo)簽選項(xiàng)，點(diǎn)擊添加，創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源，選擇SQLServer，輸入數(shù)據(jù)源名稱及服務(wù)器名稱;之后，按照創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)選擇登入方式及登錄名與密碼，更改默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)為自己創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建完成，可進(jìn)行數(shù)據(jù)源測(cè)試。ODBC最大的特點(diǎn)是可以采用統(tǒng)一的API接口去處理所有的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的云端服務(wù)器系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人之間的信息交互采用JAVA編程，而云端服務(wù)器也采用JAVA編程，因此采用ODBC進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)通信接口的開發(fā)設(shè)計(jì)。
1.3TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信
TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中傳輸層具有TCP協(xié)議及UDP協(xié)議:TCP是一種面向連接的協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸前，必須建立可靠的連接，多用于對(duì)可靠性要求較高的場(chǎng)合;UDP是一種面向無(wú)連接的協(xié)議，多用于廣播、視頻通信等對(duì)可靠性要求不高的領(lǐng)域。結(jié)合平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的要求，在本地服務(wù)器與GPRS的連接中，需完成TCP/IP的Socket網(wǎng)絡(luò)編程。為了保證農(nóng)業(yè)機(jī)器人和云端數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行可靠的通信，采用基于TCP的Socket網(wǎng)絡(luò)編程。
2農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位
2.1農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃
農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境具有多變、未知和開放性等特點(diǎn)，相對(duì)比較復(fù)雜。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人根據(jù)設(shè)置設(shè)定的任務(wù)目標(biāo)，獲取環(huán)境信息，然后將處理后的環(huán)境信息通過(guò)TCP/IP的通信協(xié)議發(fā)送給云端數(shù)據(jù)庫(kù)，由云端云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算規(guī)劃后，將最優(yōu)的路徑結(jié)果發(fā)送回農(nóng)業(yè)機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)器人根據(jù)該路徑進(jìn)行作業(yè)。
在路徑規(guī)劃中，往往根據(jù)目的地、障礙物及大小來(lái)規(guī)劃避障路徑。障礙物大小的定義為:最小外接圓直徑小于1個(gè)工作寬度(農(nóng)業(yè)機(jī)器人最大寬度)的障礙物為小障礙物，其他障礙物為大障礙物。本文研究的農(nóng)業(yè)機(jī)器人避障規(guī)劃和實(shí)時(shí)同步定位主要是針對(duì)小障礙物進(jìn)行避障路徑規(guī)劃。在避障路徑規(guī)劃中，假設(shè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作塊的信息已知，小障礙物的最小外接圓的半徑和中心位置也已知。
2.2農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)同步定位
本文構(gòu)建的基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)，通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)器人搭載的工業(yè)相機(jī)采集周邊環(huán)境的圖像，同時(shí)使用紅外測(cè)距傳感器，對(duì)周邊的障礙物距離進(jìn)行采集。由于定位算法計(jì)算量較大，時(shí)間較長(zhǎng)，不適合在農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中處理。因此，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將農(nóng)業(yè)機(jī)器人采集到的環(huán)境信息實(shí)時(shí)發(fā)送給云端數(shù)據(jù)庫(kù)，由云端服務(wù)器通過(guò)海量數(shù)據(jù)計(jì)算模塊進(jìn)行處理。農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的采集，而云服務(wù)器則利用數(shù)據(jù)庫(kù)保存參數(shù)信息，并結(jié)合云計(jì)算的高效計(jì)算，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行地圖更新、路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位等功能。
3大數(shù)據(jù)云架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)
農(nóng)業(yè)機(jī)器人大數(shù)據(jù)云架構(gòu)主要由云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算、無(wú)線路由器、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、紅外傳感器和工業(yè)相機(jī)組成。農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)根據(jù)紅外測(cè)距傳感器和工業(yè)相機(jī)采集的環(huán)境信息，結(jié)合機(jī)器人自身的移動(dòng)方向等，通過(guò)無(wú)線路由器將參數(shù)信息采用TCP/IP的方式發(fā)送給云服務(wù)器;云服務(wù)器保存機(jī)器人的需求和環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地圖的搭建、更新，路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位等功能。大數(shù)據(jù)云架構(gòu)采用華為公司的彈性云服務(wù)器ECS，該彈性云服務(wù)器采用16核CPU，內(nèi)存高達(dá)64G，數(shù)據(jù)帶寬可以達(dá)到10M，是一種可隨時(shí)自助獲取、可彈性伸縮的云服務(wù)器，具有可靠、安全、靈活、高效的特點(diǎn)。
4實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析
為了驗(yàn)證所提出的基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位方法的有效性，根據(jù)云平臺(tái)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)，利用MatLab進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。
5結(jié)論
針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人避障和定位問題，設(shè)計(jì)了一種基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，研究了單個(gè)小障礙物的避障策略，提出了避障路徑規(guī)劃算法和實(shí)時(shí)同步定位系統(tǒng)。MatLab仿真研究表明:該方法所研究的路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位可以避免農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)路徑中的小障礙，有利于保證農(nóng)業(yè)機(jī)器人的安全，能夠?yàn)槠渌嚓P(guān)領(lǐng)域的避障路徑規(guī)劃提供參考。
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