Autonomous navigation is the key to achieving the full automation of agricultural research and production management (e.g., disease management and yield prediction) using agricultural robots. In this paper, we introduced a vision-based autonomous navigation framework for agriculture robots in trellised cropping systems such as vineyards. To achieve this, we proposed a novel learning-based method to estimate the path traversibility heatmap directly from an RGB-D image and subsequently convert the heatmap to a preferred traversal path. An automatic annotation pipeline was developed to form a training dataset by projecting RTK GPS paths collected during the first setup in a vineyard in corresponding RGB-D images as ground-truth path annotations, allowing a fast model training and fine-tuning without costly human annotation. The trained path detection model was used to develop a full navigation framework consisting of row tracking and row switching modules, enabling a robot to traverse within a crop row and transit between crop rows to cover an entire vineyard autonomously. Extensive field trials were conducted in three different vineyards to demonstrate that the developed path detection model and navigation framework provided a cost-effective, accurate, and robust autonomous navigation solution in the vineyard and could be generalized to unseen vineyards with stable performance.


翻译:自主导航是使用农业机器人实现农业研究和生产管理(例如病害管理和收成预测)全自动化的关键。本文介绍了一种基于视觉的农业机器人在葡萄园等架设栽培系统中自主导航的框架。为了实现这一目的,我们提出了一种新颖的学习方法,直接从RGB-D图像估计路径遍历热力图,并将热力图转换为首选遍历路径。通过项目实地采集的RTK GPS路径在相应的RGB-D图像中作为真实路径注释,开发了一个自动注释流水线来构建训练数据集,从而允许快速的模型训练和微调,避免昂贵的人工注释。训练好的路径检测模型被用于开发一个完整的导航框架,包括行跟踪和行切换模块,使机器人能够在作物行内遍历,并在作物行之间转换,自主覆盖整个葡萄园。在三个不同的葡萄园中进行了广泛的现场试验,证明了开发的路径检测模型和导航框架在葡萄园中提供了一种经济实用、准确、稳定的自主导航解决方案,并且能够在未知的葡萄园中进行泛化处理,性能稳定。

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