農用戶外自主運行機器人定位技術介紹
摘要：近年來由於世界各國紛紛遇到人口年齡老化和缺工問題，因此在各個行業領域中智慧機器人的研發極受重視，希望可透過智慧自主機器人解決人力不足的問題，其中在農業上智慧農業自主機器人被廣泛使用，透過智慧農業自主機器人的協助提高農業勞動生產率以及解決農業勞動人口不足的問題。本文將針對如何實現智慧農業自主機器人之定位系統方法，進行智慧農業自主機器人之定位系統所使用的農用戶外自主運行機器人定位技術實現過程介紹與說明，接著於葡萄果樹園中實際測試智慧農業自主機器人之定位系統。
Abstract：In recent years, due to the population aging and labor shortages, the development of intelligent robots has been highly valued in various industries in the world. It is expectation that the problem of labor shortage can be addressed using intelligent autonomous robots. Among them, intelligent agricultural autonomous robots are widely used in the field of agriculture to improve agricultural labor productivity and solve the problem of labor shortages in agriculture. This article focuses on the methods of localization system for intelligent agricultural autonomous robots, providing an introduction of the implementation process of the robot localization technology used in agricultural outdoor autonomous robots. Subsequently, this paper tested the robot localization system of intelligent agricultural autonomous robots in a grape orchard.
關鍵詞：農業機器人、戶外定位、無人載具
Keywords：Agricultural robot, Outdoor localization, Unmanned vehicles
前言
隨著AI人工智慧及高科技蓬勃發展，又為解決鄉村人口老化、人口外移導致的缺工問題，近年來智慧農業自主機器人被廣泛應用在農業上，進而可提高勞動生產率。同時農業活動可能會在炎熱天氣、高濕或是高寒環境下進行，因此極需智慧農業機器人的協助，使得人類可避免在危害身體健康的環境下工作，例如果園中使用的農業自主噴藥車，由農業自主噴藥車進行果園的農藥噴灑作業，可避免人類因進行噴灑農業作業而吸入有毒氣體。亦或是自主採果機器人，透過自主採果機器人進行水果採收工作，可避免人類因長時間採果活動而造成職業運動傷害。
農用戶外自主運行機器人定位技術是使得智慧農業機器人在農田或果園等複雜環境下能夠準確定位並進行自主導航的關鍵技術，而準確可靠的定位技術對於智慧農業機器人可以有效完成任務來說相當重要。在機器人戶外定位技術上常見的方式有全球定位系統(Global Positioning System, GPS)、採用光學雷達，或稱光達(Light Detection And Ranging, LiDAR)進行同時定位與地圖建構(Simultaneous Localization And Mapping, SLAM)方法、使用相機運算視覺同時定位與地圖建構(Visual Simultaneous Localization And Mapping, vSLAM)等方式。全球定位系統為屬於全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)之一，全球定位系統可以提供絕大部分在地球表面地區(約為98%的地區)準確的定位資訊、測速和高精度的標準時間[1]，又即時動態定位技術(Real Time Kinematic, RTK)為一種應用於全球定位系統中高精度定位的方法，定位精度可達公分級。然而全球定位系統是透過接收衛星訊號進而計算出當地位置資訊，因此若是測量地點有被遮蔽物遮擋會使得全球定位系統不易接收衛星訊號造成定位精度較不準確，所以在建築物內部、建築物旁、密集的樹林中等地方全球定位系統的定位精度通常較差[2]。光達SLAM(LiDAR-based SLAM)可採用2D光達或是3D光達，2D光達SLAM大部分是運用在室內定位技術上，由於戶外環境複雜變化多，所以戶外定位技術通常是使用3D光達SLAM，但若是在寬闊且無任何遮蔽物的區域，例如一望無際的大草原、郊區的大片農田等區域會因為場域範圍遠大於光達的掃描距離，使得可作為定位運算的特徵物較少，有機會使得3D光達SLAM發生無法定位情形，另一方面在果樹園林中會因為長廊型的走道以及缺乏結構性物體使得在建構地圖上造成困難度[3]，如圖 1所示。
基於前述本文將探討使用全球定位系統和3D光達SLAM進行農用戶外自主運行機器人定位技術的實現方法和過程，接著說明於葡萄果樹園中實際測試農用戶外自主運行機器人定位技術的結果。
圖 1 類似長廊型態的葡萄果樹園之走道
(圖片拍攝於與行政院農業委員會臺中區農業改良場合作實驗測試的葡萄果樹園)
農用戶外自主運行機器人定位技術研究
本文分成兩個部分說明農用戶外自主運行機器人定位技術：第一部將分別說明全球定位系統、3D光達SLAM實現於智慧農業機器人上的方法和過程，介紹如何將全球定位系統的經緯度資訊轉換成智慧農業機器人之自主導航系統可使用的定位資訊以及轉換3D光達SLAM的地圖座標系至地理座標之ENU座標系(east, north, up(ENU) Cartesian coordinate system)方法的說明，第二部分為實際測試於葡萄果樹園的結果說明，本文描述的實驗皆會基於機器人作業系統(Robot Operating System, ROS)[4]架構進行實驗測試。
1.全球定位系統應用於智慧農業機器人系統的方法
本文使用ArduSimple公司的simpleRTK2B Heading – Basic Starter Kit產品做為智慧農業機器人系統接收全球定位系統資訊的感測器，如圖 2所示，其中使用u-blox公司的ZED-F9P晶片，作為接收雙頻全球導航衛星系統資訊模組(Multi-band GNSS high precision receiver)，除了位置的經緯度資訊外，同時可以提供RTK航向角，於50%情況下天線相距1米時誤差約為0.4度[5][6]。
為確認simpleRTK2B Heading感測器可正常運作，首先使用u-blox公司開發的u-center應用程式連結simpleRTK2B Heading感測器取得經緯度與航向角資訊，從u-center應用程式中可以看到經緯度資訊、訊號狀態、航向角，如圖 3所示，其中訊號狀態值若為4，表示當前為狀態為Fixed RTK，精度最好可達2公分。
圖 2 ArduSimple公司的simpleRTK2B Heading – Basic Starter Kit產品[5]
(a)
(b)
圖 3 (a) u-center應用程式中的Messages瀏覽視窗的GNGGA標籤頁，顯示經緯度資訊、訊號狀態
(b) u-center應用程式中的Messages瀏覽視窗的RELPOSNED標籤頁，顯示航向角資訊
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