【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于除草机器人，具体涉及一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法及其系统。
技术介绍
1、目前除草手段以化学方式为主，但除草剂施用不当会引发环境污染及后茬敏感作物严重药害。机械除草可减少除草剂施用，降低药害风险，但作业精度低(厘米级)，伤苗率高，苗间除草效果差。激光除草作为一种对靶除草技术，具有毫米级作业精度，可执行苗间/行间除草，伤苗率低，实现无农药除草作业。
2、杂草防除是作物种植的关键步骤，杂草与作物争夺养分，影响作物生长，导致产量降低，威胁国家粮食安全。传统除草方法以化学除草为主，即实撒除草剂。除草剂施用容易导致后茬敏感作物严重药害，引发环境污染，不利于绿色农业发展，威胁人民群众健康。机械除草可减少除草剂施用，降低药害风险，但作业精度低(厘米级)，伤苗率高，苗间除草效果差。激光除草作为一种对靶除草技术，具有毫米级作业精度，可执行苗间/行间除草，伤苗率低，实现无农药除草作业。
3、激光除草机器人面临的环境与工厂有较大差别，杂草生长位置、密度以及形态随机变化大，地形起伏变化也影响激光聚焦操作，无法以预先设定的工作模式完成除草作业任务。在自主移动受限的场合，如卫星定位信号阻断等，需要操作员手动操作激光除草机器人移动，以完成除草任务。
4、由于激光灼烧需要一定时间，激光器调整焦距也需要一定时间，当地面杂草密集或地形起伏较频繁时，操作员应适当减缓机器人移动速度，让激光设备有充足的反应时间，以满足杂草尽除要求。但由于操作员难以直观的感受到环境变化，通常只能通过数据信息判断当前作业
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，解决激光除草需求以及作业环境，简化操作流程，提高交互效率，降低激光除草机器人使用难度的问题。
2、本专利技术提供一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互系统，用以实现一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法。
3、本专利技术通过以下技术方案实现：
4、一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，所述方法具体为，将采集到的环境信息构成多维矩阵，使用主元分析方法，提取特征值排在前三的特征向量构成新得三维矩阵，称为偏移方向矩阵，以机器人自身坐标系为基础坐标系，计算偏移方向矩阵与机器人基础矩阵之间的俯仰、滚动和偏航角，使用虚拟弹簧-阻尼模型，计算阻力场，进而将阻力场信息输入带力觉反馈的摇杆，产生相应抵抗力，使操作者感受到除草作业环境形成的表征抵抗力，从而调整操作方式，使机器人完成除草作业。
5、进一步的，所述将采集到的环境信息构成多维矩阵中的信息为地面杂草分布情况、通过高度传感器感知到的运动方向上地形的起伏情况。
6、进一步的，将获取到的多组多源信息并列排列，构成矩阵d＝[x1,x2,…,xn],其中下标1，2，......，n表示采集到的数据种类，字母x为列向量，表示交互控周期内第i种数据的全部数据。
7、进一步的，使用主元分析方法，提取上述数据矩阵信息的主要变化方向，以计算得到的特征值大小排列，提取排在前三的特征值对应的特征向量，表示所采集的数据在三维空间内的主要变化方向，将三个特征向量排列构成偏移方向矩阵：
8、
9、其中a，b，c三个列向量为上述三个特征向量。
10、进一步的，以机器人自身固连坐标系为基础坐标系，计算上述所求得的三个特征向量相对基础坐标系的滚动、俯仰和偏航角度，计算方法如下，
11、θ＝arcsin(bz)
12、α＝-arctan 2(az,cz)
13、β＝-arctan 2(bx，by)
14、其中，θ、α、β分别代表俯仰、滚动和偏航角。
15、进一步的，根据相对于基础坐标的角度偏差，计算虚拟偏移力矩大小，计算模型以三维虚拟弹簧-阻尼模型为基础，具体计算方法如下：
16、
17、其中，k表示旋转弹性，b表示旋转阻尼，δ表示前一时刻与当前时刻角度的变化值，k、b的设置以力觉反馈设备所能提供的最大输出力为基础，保证每时刻偏移力矩τ小于等于设备最大输出力，t构成了三维空间的阻力场。
18、进一步的，当杂草生长方向与机器人运行方向相同时，特征矩阵与基础矩阵夹角小，且杂草密度较小时，则所产生的虚拟偏移力小，操作者可以顺利的推动摇杆，控制机器人前进；
19、当特征矩阵与基础矩阵夹角较大，或杂草密度较大，或地形起伏变化较大时，所产生的虚拟偏移力大，操作者将受到大抵抗力，从而减缓操作者该方向操作倾向，从而使得机器人在该方向的速度变慢，给除草系统更多的执行时间，以除去大量杂草。
20、一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互系统，所述系统使用如上述一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，所述系统包括，
21、将采集模块采集到的环境信息构成多维矩阵，在提取模块中使用主元分析方法，提取特征值排在前三的特征向量构成新得三维矩阵，称为偏移方向矩阵，以达到提取环境信息特征的目的；阻力场信息模块以机器人自身坐标系为基础坐标系，计算偏移方向矩阵与机器人基础矩阵之间的俯仰、滚动和偏航角，使用虚拟弹簧-阻尼模型，计算阻力场，进而将阻力场信息输入带力觉反馈的摇杆，产生相应抵抗力，使操作者感受到除草作业环境形成的表征抵抗力，从而调整操作方式，使机器人完成除草作业。
22、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的方法。
23、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法。
24、本专利技术的有益效果是：
25、本专利技术本专利技术将环境信息转化为虚拟阻力场信息，以三维力觉反馈的形式，辅助引导操作者，从而简化操作者操作判断，降低操作难度。
26、本专利技术方法针对激光除草任务特点，通过收集环境信息，提取信息变化主方向，将杂草分布、地形起伏等核心影响要素转化成阻力场，通过力觉装置展现阻力，使操作者基于力觉交互，更直观的感受到机器人所面对的环境变化，同时形成的阻力也可以引导操作者向正确的操作变化方向行动，减少操作者通过查看各数据信息判断如何更有效的操作而带来的负担，简化激光除草机器人操作难度，提升交互效率。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，其特征在于，所述方法具体为，将采集到的环境信息构成多维矩阵，使用主元分析方法，提取特征值排在前三的特征向量构成新得三维矩阵，称为偏移方向矩阵，以机器人自身坐标系为基础坐标系，计算偏移方向矩阵与机器人基础矩阵之间的俯仰、滚动和偏航角，使用虚拟弹簧-阻尼模型，计算阻力场，进而将阻力场信息输入带力觉反馈的摇杆，产生相应抵抗力，使操作者感受到除草作业环境形成的表征抵抗力，从而调整操作方式，使机器人完成除草作业。
2.根据权利要求1所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，所述将采集到的环境信息构成多维矩阵中的信息为地面杂草分布情况、通过高度传感器感知到的运动方向上地形的起伏情况。
3.根据权利要求2所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，将获取到的多组多源信息并列排列，构成矩阵D＝[x1,x2,…,xn],其中下标1，2，......，n表示采集到的数据种类，字母x为列向量，表示交互控周期内第i种数据的全部数据。
4.根据权利要求1所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，使用主元分析方法，提取上
5.根据权利要求4所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，以机器人自身固连坐标系为基础坐标系，计算上述所求得的三个特征向量相对基础坐标系的滚动、俯仰和偏航角度，计算方法如下，
6.根据权利要求5所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，根据相对于基础坐标的角度偏差，计算虚拟偏移力矩大小，计算模型以三维虚拟弹簧-阻尼模型为基础，具体计算方法如下：
7.根据权利要求6所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，当杂草生长方向与机器人运行方向相同时，特征矩阵与基础矩阵夹角小，且杂草密度较小时，则所产生的虚拟偏移力小，操作者可以顺利的推动摇杆，控制机器人前进；
8.一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互系统，其特征在于，所述系统使用如权利要求1所述一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，所述系统包括，
9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于环境信息力觉反馈的激光除草机器人交互方法，其特征在于，所述方法具体为，将采集到的环境信息构成多维矩阵，使用主元分析方法，提取特征值排在前三的特征向量构成新得三维矩阵，称为偏移方向矩阵，以机器人自身坐标系为基础坐标系，计算偏移方向矩阵与机器人基础矩阵之间的俯仰、滚动和偏航角，使用虚拟弹簧-阻尼模型，计算阻力场，进而将阻力场信息输入带力觉反馈的摇杆，产生相应抵抗力，使操作者感受到除草作业环境形成的表征抵抗力，从而调整操作方式，使机器人完成除草作业。
2.根据权利要求1所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，所述将采集到的环境信息构成多维矩阵中的信息为地面杂草分布情况、通过高度传感器感知到的运动方向上地形的起伏情况。
3.根据权利要求2所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，将获取到的多组多源信息并列排列，构成矩阵d＝[x1,x2,…,xn],其中下标1，2，......，n表示采集到的数据种类，字母x为列向量，表示交互控周期内第i种数据的全部数据。
4.根据权利要求1所述的激光除草机器人交互方法，其特征在于，使用主元分析方法，提取上述数据矩阵信息的主要变化方向，以计算得到的特征值大小排列，提取排在前三的特征值对应的特征向量，表示所采集的数据在三维空间内的主要变化方向，将三个特征...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。