【摘 要】
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随着机器人技术的发展,自动化的搬运设备在工业仓储行业中开始广泛的应用。农业物资的仓储物流目前的自动化水平还较低,货物搬运较多依赖人工。随着我国人口结构的变化,劳动力成本持续升高,并且在存放农药等有毒物品的仓库长时间作业也会对人员健康造成危害,因此需要开发自动化、智能化的农资仓储自主叉车,实现对农资产品自动化搬运。相比工业标准化仓库,农资仓库一般是非结构化的复杂场景,实现对货物自动化搬运,需要解决以
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随着机器人技术的发展,自动化的搬运设备在工业仓储行业中开始广泛的应用。农业物资的仓储物流目前的自动化水平还较低,货物搬运较多依赖人工。随着我国人口结构的变化,劳动力成本持续升高,并且在存放农药等有毒物品的仓库长时间作业也会对人员健康造成危害,因此需要开发自动化、智能化的农资仓储自主叉车,实现对农资产品自动化搬运。相比工业标准化仓库,农资仓库一般是非结构化的复杂场景,实现对货物自动化搬运,需要解决以下三个问题:1)基于现有叉车进行自动化设计与改装,搭建自主移动叉车平台,实现叉车自动化运行;2)实现叉车在仓库环境下高效、鲁棒定位算法;3)实现叉车对作业环境的感知和建模。论文以农资仓储自主移动叉车为研究对象,通过理论建模、算法设计、试验验证等方法,搭建了农资仓储自主移动叉车平台,实现了叉车在非结构化仓库中自动化出库与入库;深入研究了在非结构化仓库中,基于双目视觉的叉车定位与地图构建问题,使用直接法和特征点法混合框架,在不依赖外部人工标志物的前提下,通过双目相机实现了低成本、高效、鲁棒的定位算法,为智能农业装备在大尺度室内场景下定位提供了参考。本文主要研究工作如下:（1）农资仓储自主移动叉车平台的搭建在常规电动叉车基础上,使用步进电机接管转向,使用模拟信号接管油门和货叉,实现了对叉车自动控制。搭建了基于激光雷达的环境感知系统,实现了叉车定位与避障。设计了基于Ether CAT总线的自主移动叉车控制器,开发了叉车软件框架,实现了叉车在仓库中自动化出库与入库。（2）研究了基于两步动态阈值的关键点提取方法针对使用特征点法在图片中提取关键点耗时过长、分布不均匀问题,基于连续图像帧上的内容和纹理相似假设,研究了两步动态阈值关键点提取方法,使用动态阈值先整体提取图像关键点然后分区域进行关键点的重新提取和剔除,减少了关键点计算时间。在设置期望每张图的关键点数量为2000情况下,平均处理每张图像时间仅为12.39ms,速度是直接分块提取方法的1.43倍,可以显著的提高基于特征点方法位姿估计的计算效率。（3）研究了融合直接法和特征点法的双目视觉定位与地图构建算法本研究搭建了双目图像和激光采集模块,建立了仓库数据集。研究了基于直接法和特征点法融合框架的定位算法,在普通图像帧上使用直接法对叉车位姿求解,在关键帧上使用特征点法及时更新关键帧位姿,结合了直接法效率高和特征点法精度较高的优势,实现了高效且鲁棒的定位算法。构建了基于恒加速的叉车运动学模型,对叉车运动状态进行预测。提出了两步直接法位姿跟踪算法,第一步:以恒加速运动模型估计的叉车位姿为初值,求解当前帧和上一帧的位姿变换,第二步:以第一步结果为初值求解当前帧和参考关键帧的位姿。构建局部位姿图将后端优化结果与前端跟踪实时融合。设计了宽松加入严格剔除的关键帧管理策略,使用滑动窗口方法对关键帧位姿进行优化,提出“投影传播”方法重构优化问题,解决滑动窗口边缘化状态变量导致海森矩阵稀疏性被破坏问题。试验表明本研究的位姿跟踪速度相比于特征点法大幅度提高,平均跟踪速度仅17ms,且定位精度在采集的5组数据集上与激光定位的均方根误差分别为0.16m、0.11m、0.15m、0.23m、0.14m。（4）构建了基于八叉树结构的仓库环境三维地图研究了基于双目匹配的稠密点云构建,分析了视差与深度误差关系,探究了不同匹配方法的深度图质量,使用半全局匹配方法计算单帧图像视差图,结合视觉定位结果,使用三维点云库和八叉树结构进行仓库环境三维重建,为自主移动叉车路径规划和导航提供了条件。
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