2022-09-09
农业环境中的自主导航通常受到可能在耕地中可能出现的不同田间条件的挑战。在这些农业环境中自动导航的最新解决方案将需要昂贵的硬件，例如RTK-GPS。本文提出了一种强大的作物排检测算法，该算法可以承受这些变化，同时检测作物行进行视觉伺服。创建了一个糖图像的数据集，其中有43个组合在可耕地中发现的11个田间变化。新型的作物行检测算法既经过作物行检测性能，又要测试沿农作系的视觉伺服伺服的能力。该算法仅使用RGB图像作为输入，并且使用卷积神经网络来预测作物行面罩。我们的算法优于基线方法，该方法使用基于颜色的分割来实现场变化的所有组合。我们使用一个组合性能指标，该指标解释了作物行检测的角度和位移误差。我们的算法在作物的早期生长阶段表现出最差的表现。
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在现实世界中存在的各种田间条件下，通常会挑战准确的作物行检测。传统的基于颜色的细分无法满足所有此类变化。在农业环境中缺乏全面的数据集限制了研究人员开发强大的分割模型来检测作物行。我们提出了一个用于作物行检测的数据集，其中有11种与甜菜和玉米作物的田间变化。我们还提出了一种新型的作物行检测算法，用于在作物行场中进行视觉伺服。我们的算法可以在不同的田间条件下检测作物行，例如弯曲的作物行，杂草的存在，不连续性，生长阶段，具无金，阴影和光水平。我们的方法仅使用来自沙哑的机器人上正式摄像头的RGB图像来预测作物行。我们的方法表现优于经典的基于颜色的作物行检测基线。在农作物行检测算法的最具挑战性的田间条件下，杂草之间存在茂密的杂草，而作物行中的不连续性是最具挑战性的田间条件。我们的方法可以检测到作物行的末端，并在到达农作物行的末端时将机器人驶向岬角区域。
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昂贵的传感器和低效的算法管道显着影响自动机器的总成本。然而，实惠的机器人解决方案对于实际使用至关重要，其财务影响构成了在大多数申请领域采用服务机器人的基本要求。其中，精密农业领域的研究人员努力设计强大，经济高效的自主平台，以提供真正的大规模竞争解决方案。在本文中，我们提出了一个完整的算法管道，用于基于行的作物自主导航，专门设计用于应对低范围的传感器和季节性变化。首先，我们建立一个强大的数据驱动方法，为自主机器生成一个可行的路径，仅涵盖庄稼的占用网格信息的裁剪的完整扩展。此外，我们的解决方案利用了深入学习优化技术和综合生成数据的最新进步，以提供一种实惠的解决方案，可有效地解决由于植被生长在行的植被而有效地解决了众所周知的全球导航卫星系统不可靠性和降级。对计算机生成的环境和现实世界作物的广泛实验和模拟表明了我们的方法的稳健性和内在的完全平整性，其开辟了高度实惠和完全自主机器的可能性。
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休眠季节葡萄树修剪需要熟练的季节性工人，这在冬季变得越来越缺乏。随着在短期季节性招聘文化和低工资的短期季节性招聘文化和低工资的时间内，随着工人更少的葡萄藤，葡萄藤往往被修剪不一致地导致葡萄化物不平衡。除此之外，目前现有的机械方法无法选择性地修剪葡萄园和手动后续操作，通常需要进一步提高生产成本。在本文中，我们展示了崎岖，全自治机器人的设计和田间评估，用于休眠季节葡萄园的端到最终修剪。该设计的设计包括新颖的相机系统，运动冗余机械手，地面机器人和在感知系统中的新颖算法。所提出的研究原型机器人系统能够在213秒/葡萄藤中完全从两侧刺激一排藤蔓，总修枝精度为87％。与机械预灌浆试验相比，商业葡萄园中自治系统的初始现场测试显示出休眠季节修剪的显着变化。在手稿中描述了设计方法，系统组件，经验教训，未来增强以及简要的经济分析。
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由于它可能对粮食安全，可持续性，资源利用效率，化学处理的降低以及人类努力和产量的优化，因此，自主机器人在农业中的应用正在越来越受欢迎。有了这一愿景，蓬勃发展的研究项目旨在开发一种适应性的机器人解决方案，用于精确耕作，该解决方案结合了小型自动无人驾驶飞机（UAV）（UAV）的空中调查能力以及由多功能无人驾驶的无人接地车（UGV）执行的针对性干预措施。本文概述了该项目中获得的科学和技术进步和结果。我们引入了多光谱感知算法以及空中和地面系统，用于监测农作物密度，杂草压力，作物氮营养状况，并准确地对杂草进行分类和定位。然后，我们介绍了针对我们在农业环境中机器人身份量身定制的导航和映射系统，以及用于协作映射的模块。我们最终介绍了我们在不同的现场条件和不同农作物中实施和测试的地面干预硬件，软件解决方案以及接口。我们描述了一个真正的用例，在该案例中，无人机与UGV合作以监视该领域并进行选择性喷涂而无需人工干预。
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在农业环境中的现代除草剂应用通常依赖于将除草剂分配给作物和杂草相似的或便携式喷雾器的大型喷雾器，这些喷雾器需要劳动密集型手动操作。前一种方法导致过度使用除草剂并减少作物产量，而后者在大规模操作中经常站立。本文介绍了能够基于计算机视觉的导航，杂草检测，完整的现场覆盖以及\ $ 400下的计算机视觉的行作物的杂草管理的第一个完全自主机器人。目标应用程序是在裁剪领域中的自主行行杂草控制，例如，亚麻和油菜，在农作物之间的间距像一只脚一样小。所提出的机器人足够小，可以在植物生长的所有阶段之间通过植物生长的阶段，同时检测杂草和喷洒除草剂。充电系统包括新设计的机器人硬件，斜坡，机器人充电臂和移动充电站。采用集成视觉算法，有效地帮助充电器对齐。结合，它们使机器人能够在现场中连续工作而不获得电力。此外，将与预处理技术相结合的基于颜色的轮廓算法用于依赖于从车载单手套摄像机的输入上的鲁棒导航。将这种紧凑的机器人纳入农场可以帮助自动化杂草控制，即使在增长的后期阶段，并通过精确定位杂草减少除草剂。机器人平台在北达科他州的亚麻籽领域进行了现场测试。
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The field of autonomous mobile robots has undergone dramatic advancements over the past decades. Despite achieving important milestones, several challenges are yet to be addressed. Aggregating the achievements of the robotic community as survey papers is vital to keep the track of current state-of-the-art and the challenges that must be tackled in the future. This paper tries to provide a comprehensive review of autonomous mobile robots covering topics such as sensor types, mobile robot platforms, simulation tools, path planning and following, sensor fusion methods, obstacle avoidance, and SLAM. The urge to present a survey paper is twofold. First, autonomous navigation field evolves fast so writing survey papers regularly is crucial to keep the research community well-aware of the current status of this field. Second, deep learning methods have revolutionized many fields including autonomous navigation. Therefore, it is necessary to give an appropriate treatment of the role of deep learning in autonomous navigation as well which is covered in this paper. Future works and research gaps will also be discussed.
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本文提出了一种新颖的方法，用于在具有复杂拓扑结构的地下领域的搜索和救援行动中自动合作。作为CTU-Cras-Norlab团队的一部分，拟议的系统在DARPA SubT决赛的虚拟轨道中排名第二。与专门为虚拟轨道开发的获奖解决方案相反，该建议的解决方案也被证明是在现实世界竞争极为严峻和狭窄的环境中飞行的机上实体无人机的强大系统。提出的方法可以使无缝模拟转移的无人机团队完全自主和分散的部署，并证明了其优于不同环境可飞行空间的移动UGV团队的优势。该论文的主要贡献存在于映射和导航管道中。映射方法采用新颖的地图表示形式 - 用于有效的风险意识长距离计划，面向覆盖范围和压缩的拓扑范围的LTVMAP领域，以允许在低频道通信下进行多机器人合作。这些表示形式与新的方法一起在导航中使用，以在一般的3D环境中可见性受限的知情搜索，而对环境结构没有任何假设，同时将深度探索与传感器覆盖的剥削保持平衡。所提出的解决方案还包括一条视觉感知管道，用于在没有专用GPU的情况下在5 Hz处进行四个RGB流中感兴趣的对象的板上检测和定位。除了参与DARPA SubT外，在定性和定量评估的各种环境中，在不同的环境中进行了广泛的实验验证，UAV系统的性能得到了支持。
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自动化驾驶系统（广告）开辟了汽车行业的新领域，为未来的运输提供了更高的效率和舒适体验的新可能性。然而，在恶劣天气条件下的自主驾驶已经存在，使自动车辆（AVS）长时间保持自主车辆（AVS）或更高的自主权。本文评估了天气在分析和统计方式中为广告传感器带来的影响和挑战，并对恶劣天气条件进行了解决方案。彻底报道了关于对每种天气的感知增强的最先进技术。外部辅助解决方案如V2X技术，当前可用的数据集，模拟器和天气腔室的实验设施中的天气条件覆盖范围明显。通过指出各种主要天气问题，自主驾驶场目前正在面临，近年来审查硬件和计算机科学解决方案，这项调查概述了在不利的天气驾驶条件方面的障碍和方向的障碍和方向。
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本文介绍了使用腿收割机进行精密收集任务的集成系统。我们的收割机在狭窄的GPS拒绝了森林环境中的自主导航和树抓取了一项挑战性的任务。提出了映射，本地化，规划和控制的策略，并集成到完全自主系统中。任务从使用定制的传感器模块开始使用人员映射感兴趣区域。随后，人类专家选择树木进行收获。然后将传感器模块安装在机器上并用于给定地图内的本地化。规划算法在单路径规划问题中搜索一个方法姿势和路径。我们设计了一个路径，后面的控制器利用腿的收割机的谈判粗糙地形的能力。在达接近姿势时，机器用通用夹具抓住一棵树。此过程重复操作员选择的所有树。我们的系统已经在与树干和自然森林中的测试领域进行了测试。据我们所知，这是第一次在现实环境中运行的全尺寸液压机上显示了这一自主权。
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森林中自主冬季导航所固有的挑战包括缺乏可靠的全球导航卫星系统（GNSS）信号，低特征对比度，高照明变化和变化环境。这种类型的越野环境是一个极端的情况，自治车可能会在北部地区遇到。因此，了解对自动导航系统对这种恶劣环境的影响非常重要。为此，我们介绍了一个现场报告分析亚曲率区域中的教导和重复导航，同时受到气象条件的大变化。首先，我们描述了系统，它依赖于点云注册来通过北方林地定位移动机器人，同时构建地图。我们通过在教学和重复模式下在自动导航中进行了在实验中评估了该系统。我们展示了密集的植被扰乱了GNSS信号，使其不适合在森林径中导航。此外，我们突出了在森林走廊中使用点云登记的定位相关的不确定性。我们证明它不是雪降水，而是影响我们系统在环境中定位的能力的积雪。最后，我们从我们的实地运动中揭示了一些经验教训和挑战，以支持在冬季条件下更好的实验工作。
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本文介绍了Cerberus机器人系统系统，该系统赢得了DARPA Subterranean挑战最终活动。出席机器人自主权。由于其几何复杂性，降解的感知条件以及缺乏GPS支持，严峻的导航条件和拒绝通信，地下设置使自动操作变得特别要求。为了应对这一挑战，我们开发了Cerberus系统，该系统利用了腿部和飞行机器人的协同作用，再加上可靠的控制，尤其是为了克服危险的地形，多模式和多机器人感知，以在传感器退化，以及在传感器退化的条件下进行映射以及映射通过统一的探索路径计划和本地运动计划，反映机器人特定限制的弹性自主权。 Cerberus基于其探索各种地下环境及其高级指挥和控制的能力，表现出有效的探索，对感兴趣的对象的可靠检测以及准确的映射。在本文中，我们报告了DARPA地下挑战赛的初步奔跑和最终奖项的结果，并讨论了为社区带来利益的教训所面临的亮点和挑战。
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Mohamed Bin Zayed国际机器人挑战（MBZIRC）2020为无人机（无人机）构成了不同的挑战。我们提供了四个量身定制的无人机，专门为MBZIRC的单独空中机器人任务开发，包括自定义硬件和软件组件。在挑战1中，使用高效率，车载对象检测管道进行目标UAV，以捕获来自目标UAV的球。第二个UAV使用类似的检测方法来查找和流行散落在整个竞技场的气球。对于挑战2，我们展示了一种能够自主空中操作的更大的无人机：从相机图像找到并跟踪砖。随后，将它们接近，挑选，运输并放在墙上。最后，在挑战3中，我们的UAV自动发现使用LIDAR和热敏摄像机的火灾。它用船上灭火器熄灭火灾。虽然每个机器人都具有任务特定的子系统，但所有无人机都依赖于为该特定和未来竞争开发的标准软件堆栈。我们介绍了我们最开源的软件解决方案，包括系统配置，监控，强大无线通信，高级控制和敏捷轨迹生成的工具。为了解决MBZirc 2020任务，我们在多个研究领域提出了机器视觉和轨迹生成的多个研究领域。我们介绍了我们的科学贡献，这些贡献构成了我们的算法和系统的基础，并分析了在阿布扎比的MBZIRC竞赛2020年的结果，我们的系统在大挑战中达到了第二名。此外，我们讨论了我们参与这种复杂的机器人挑战的经验教训。
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Many aerial robotic applications require the ability to land on moving platforms, such as delivery trucks and marine research boats. We present a method to autonomously land an Unmanned Aerial Vehicle on a moving vehicle. A visual servoing controller approaches the ground vehicle using velocity commands calculated directly in image space. The control laws generate velocity commands in all three dimensions, eliminating the need for a separate height controller. The method has shown the ability to approach and land on the moving deck in simulation, indoor and outdoor environments, and compared to the other available methods, it has provided the fastest landing approach. Unlike many existing methods for landing on fast-moving platforms, this method does not rely on additional external setups, such as RTK, motion capture system, ground station, offboard processing, or communication with the vehicle, and it requires only the minimal set of hardware and localization sensors. The videos and source codes are also provided.
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为了使机器人系统在高风险，现实世界中取得成功，必须快速部署和强大的环境变化，表现不佳的硬件以及任务子任务失败。这些机器人通常被设计为考虑一系列任务事件，复杂的算法在某些关键的约束下降低了单个子任务失败率。我们的方法在视觉和控制中利用了共同的技术，并通过结果监测和恢复策略将鲁棒性编码为任务结构。此外，我们的系统基础架构可以快速部署，并且不需要中央通信。该报告还包括快速现场机器人开发和测试的课程。我们通过现实机器人实验在美国宾夕法尼亚州匹兹堡的户外测试地点以及2020年的穆罕默德·本·扎耶德国际机器人挑战赛开发和评估了我们的系统。所有竞争试验均在没有RTK-GP的情况下以完全自主模式完成。我们的系统在挑战2中排名第四，在大挑战赛中排名第七，诸如弹出五个气球（挑战1）之类的显着成就，成功地挑选和放置了一个障碍（挑战2），并将最多的水分配到户外，带有真正的户外火，并与自治无人机（挑战3）。
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在过去的十年中，自动驾驶航空运输车辆引起了重大兴趣。这是通过空中操纵器和新颖的握手的技术进步来实现这一目标的。此外，改进的控制方案和车辆动力学能够更好地对有效载荷进行建模和改进的感知算法，以检测无人机（UAV）环境中的关键特征。在这项调查中，对自动空中递送车辆的技术进步和开放研究问题进行了系统的审查。首先，详细讨论了各种类型的操纵器和握手，以及动态建模和控制方法。然后，讨论了降落在静态和动态平台上的。随后，诸如天气状况，州估计和避免碰撞之类的风险以确保安全过境。最后，调查了交付的UAV路由，该路由将主题分为两个领域：无人机操作和无人机合作操作。
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近年来，空中机器人背景下的高速导航和环境互动已成为几个学术和工业研究研究的兴趣领域。特别是，由于其若干环境中的潜在可用性，因此搜索和拦截（SAI）应用程序造成引人注目的研究区域。尽管如此，SAI任务涉及有关感官权重，板载计算资源，致动设计和感知和控制算法的具有挑战性的发展。在这项工作中，已经提出了一种用于高速对象抓握的全自动空中机器人。作为一个额外的子任务，我们的系统能够自主地刺穿位于靠近表面的杆中的气球。我们的第一款贡献是在致动和感觉水平的致动和感觉水平的空中机器人的设计，包括具有额外传感器的新型夹具设计，使机器人能够高速抓住物体。第二种贡献是一种完整的软件框架，包括感知，状态估计，运动计划，运动控制和任务控制，以便快速且强大地执行自主掌握任务。我们的方法已在一个具有挑战性的国际竞争中验证，并显示出突出的结果，能够在室外环境中以6米/分来自动搜索，遵循和掌握移动物体
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2021-11-26
农业部门的自动化和机器人被视为该行业面临的社会经济挑战的可行解决方案。该技术经常依赖于提供有关作物，植物和整个环境的信息的智能感知系统。传统的2D视觉系统面临的挑战可以由现代3D视觉系统解决，使物体，尺寸和形状估计的直接定位或闭塞的处理能够。到目前为止，使用3D感测主要限于室内或结构化环境。在本文中，我们评估了现代传感技术，包括立体声和飞行时间摄像机，用于在农业中的形状的3D感知，并根据其形状从背景中分割软果实的可用性。为此，我们提出了一种新颖的3D深度神经网络，其利用来自基于相机的3D传感器的信息的有组织性质。与最先进的3D网络相比，我们展示了所提出的体系结构的卓越性能和效率。通过模拟研究，我们还显示了农业中对象分割的3D感测范例的潜力，并提供了洞察力和分析所需的形状质量和预期作物的进一步分析。这项工作的结果应该鼓励研究人员和公司开发更准确和强大的3D传感技术，以确保他们在实际农业应用中更广泛的采用。
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精确农业正在迅速吸引研究，以有效地引入自动化和机器人解决方案，以支持农业活动。葡萄园和果园中的机器人导航在自主监控方面具有竞争优势，并轻松获取农作物来收集，喷涂和执行时必的耗时必要任务。如今，自主导航算法利用了昂贵的传感器，这也需要大量的数据处理计算成本。尽管如此，葡萄园行代表了一个具有挑战性的户外场景，在这种情况下，GPS和视觉进程技术通常难以提供可靠的定位信息。在这项工作中，我们将Edge AI与深度强化学习相结合，以提出一种尖端的轻质解决方案，以解决自主葡萄园导航的问题，而无需利用精确的本地化数据并通过基于灵活的学习方法来克服任务列出的算法。我们训练端到端的感觉运动剂，该端机直接映射嘈杂的深度图像和位置不可稳定的机器人状态信息到速度命令，并将机器人引导到一排的尽头，不断调整其标题以进行无碰撞的无碰撞中央轨迹。我们在现实的模拟葡萄园中进行的广泛实验证明了解决方案的有效性和代理的概括能力。
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While the capabilities of autonomous systems have been steadily improving in recent years, these systems still struggle to rapidly explore previously unknown environments without the aid of GPS-assisted navigation. The DARPA Subterranean (SubT) Challenge aimed to fast track the development of autonomous exploration systems by evaluating their performance in real-world underground search-and-rescue scenarios. Subterranean environments present a plethora of challenges for robotic systems, such as limited communications, complex topology, visually-degraded sensing, and harsh terrain. The presented solution enables long-term autonomy with minimal human supervision by combining a powerful and independent single-agent autonomy stack, with higher level mission management operating over a flexible mesh network. The autonomy suite deployed on quadruped and wheeled robots was fully independent, freeing the human supervision to loosely supervise the mission and make high-impact strategic decisions. We also discuss lessons learned from fielding our system at the SubT Final Event, relating to vehicle versatility, system adaptability, and re-configurable communications.
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