10期( )
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- 环 赖
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1 中 国 农 学 通 报 2010,26(10): Chinese Agricultural Science Bulletin 智 能 机 器 人 在 农 业 自 动 化 领 域 的 主 要 应 用 赵 欣 ( 唐 山 师 范 学 院 物 理 系, 河 北 唐 山 ) 摘 要 : 通 过 对 智 能 机 器 人 在 农 业 自 动 化 领 域 的 主 要 应 用 进 行 研 究, 包 括 采 摘 机 器 人 嫁 接 机 器 人 耕 耘 机 器 人 除 草 机 器 人 喷 农 药 机 器 人 插 秧 机 器 人 林 木 清 洁 机 器 人 饲 喂 机 器 人 禽 蛋 检 测 与 分 级 机 器 人 发 现 应 用 于 农 业 智 能 机 器 人 的 主 要 技 术 有 感 知 与 避 障 技 术 机 器 视 觉 技 术 信 息 融 合 技 术 及 农 业 专 家 系 统 农 业 机 器 人 的 智 能 问 题 成 本 过 高 问 题 和 易 受 环 境 变 化 的 影 响 问 题, 需 要 进 一 步 研 究 解 决 关 键 词 : 智 能 机 器 人 ; 农 业 自 动 化 ; 主 要 技 术 ; 存 在 问 题 中 图 分 类 号 :S126;TP242.6 文 献 标 志 码 :A 论 文 编 号 : The Main Application of Intelligent Robot in the Field of Agriculture Automation Zhao Xin (Department of Physics, Tangshan Teachers College, Tangshan Hebei ) Abstract: The main application of intelligent robot in the field of agriculture automation is discussed. The picking robot, grafting robot, cultivating robot, weeding robot, spraying pesticides robot, planting robots, timber cleaning robot, feeding robots, egg inspection and grading robot are presented. The Perception and obstacle avoidance techniques, machine vision technology, information fusion technology and agricultural expert system are the main applications in agriculture intelligent robot technology. The intelligent problem of agricultural robots, high cost and the impact of environmental diversification shall be studied and solved in the future. Key words: intelligent robot; agricultural automation; main technology; existing problems 0 引 言 新 的 农 业 生 产 模 式 和 新 技 术 的 应 用 促 进 了 农 业 机 械 的 更 新 和 发 展, 智 能 农 业 机 械 的 技 术 条 件 已 经 成 熟 机 械 化 的 发 展 大 大 解 放 了 劳 动 力, 促 进 了 社 会 化 大 生 产, 创 造 了 无 穷 的 社 会 财 富, 其 影 响 重 大 而 深 远, 农 业 也 因 此 发 生 了 革 命 性 的 改 变 对 于 必 须 处 理 复 杂 又 模 糊 的 信 息, 还 要 进 行 综 合 判 断 的 农 业 生 产 机 械 化 来 讲, 只 有 靠 具 有 与 人 类 相 同 的 知 识 启 发 和 学 习 功 能 的 智 能 机 器 人 才 可 能 得 以 实 现 可 以 预 计,21 世 纪 将 是 农 业 机 械 向 智 能 化 方 向 发 展 的 重 要 时 期 此 文 就 智 能 机 器 人 的 研 究 进 展 应 用 于 农 业 智 能 机 器 人 的 主 要 技 术 存 在 问 题 等 方 面 进 行 论 述 1 农 业 智 能 机 器 人 的 研 究 进 展 随 着 工 业 机 器 人 的 发 展, 许 多 国 家 如 日 本 美 国 等 对 农 业 机 器 人 的 研 究 工 作 逐 渐 启 动, 已 研 制 出 多 种 农 用 机 器 人 中 国 从 20 世 纪 70 年 代 末 开 始 对 机 器 人 进 行 研 究 20 世 纪 90 年 代 以 来, 精 准 农 业 技 术 的 研 究 与 应 用 在 发 达 国 家 受 到 了 普 遍 的 重 视, 已 被 国 际 农 业 科 技 界 认 为 是 21 世 纪 实 现 农 业 可 持 续 发 展 的 先 导 技 术 之 一 具 有 相 当 智 能 的 农 业 机 器 人 是 精 准 农 业 体 系 中 有 效 的 装 备 之 一, 从 而 得 到 重 视 和 发 展 1.1 采 摘 机 器 人 对 农 业 采 摘 机 器 人 的 研 究 已 有 40 年 的 历 史, 美 国 学 者 Schertz 和 Brown 于 1968 年 首 次 提 出 应 用 机 器 人 技 术 进 行 果 蔬 的 收 获 美 国 加 拿 大 荷 兰 日 本 英 国 等 国 均 已 开 展 了 研 究 番 茄 采 摘 机 器 人 日 本 的 Kondo 等 研 制 的 番 茄 收 获 机 器 人, 由 机 械 手 末 端 执 行 器 视 觉 传 感 器 移 动 机 基 金 项 目 : 河 北 省 教 育 厅 基 金 项 目 应 用 于 智 能 机 器 人 的 多 传 感 系 统 (z ) 作 者 简 介 : 赵 欣, 女,1978 年 出 生, 河 北 唐 山 人, 讲 师, 在 读 博 士, 主 要 从 事 机 电 系 统 状 态 监 测 与 诊 断 研 究 通 信 地 址 : 唐 山 师 范 学 院 物 理 系, zhaoxin0661@sina.com 收 稿 日 期 : , 修 回 日 期 :
2 361 赵 欣 : 智 能 机 器 人 在 农 业 自 动 化 领 域 的 主 要 应 用 [1-2] 构 和 控 制 部 分 组 成, 用 彩 色 摄 像 机 作 为 视 觉 传 感 器 寻 找 和 识 别 成 熟 果 实, 用 7 自 由 度 的 SCORBOT-ER 工 业 机 器 人, 机 械 手 活 动 范 围 大, 能 避 开 障 碍 物 为 了 不 损 伤 果 实, 机 械 手 的 末 端 执 行 器 是 带 有 软 衬 垫 的 吸 引 器, 中 间 有 压 力 传 感 器, 把 果 实 吸 住 后, 利 用 机 械 手 的 腕 关 节 把 果 实 拧 下 行 走 机 构 有 4 个 车 轮, 能 在 田 间 自 动 行 走, 利 用 机 器 人 上 的 光 传 感 器 和 设 置 在 地 头 土 埂 的 反 射 板, 可 检 测 是 否 到 达 土 埂, 到 达 后 自 动 停 止, 转 动 后 再 继 续 前 进 该 番 茄 采 摘 机 器 人 从 识 别 到 采 摘 完 1 个 番 茄 只 需 要 15 s, 成 功 率 在 75% 左 右 黄 瓜 采 摘 机 器 人 日 本 的 Kondo 等 研 制 的 黄 瓜 采 摘 机 器 人, 采 用 三 菱 MITSUBISHI RV-E2 型 6 自 由 度 机 械 手, 利 用 CCD 摄 像 机, 根 据 黄 瓜 比 叶 茎 对 红 外 光 的 反 射 率 高 的 原 理 来 识 别 黄 瓜 和 叶 茎 黄 瓜 和 柄 的 连 接 与 番 茄 不 同, 因 此 采 用 拧 摘 方 法 较 难, 所 以 用 剪 断 方 法, 先 把 黄 瓜 抓 住, 用 接 触 传 感 器 找 出 柄, 然 后 剪 断, 采 摘 速 度 为 16 s/ 个, 由 于 黄 瓜 是 长 条 形, 受 到 叶 茎 的 影 响 更 大, 所 以 采 摘 的 成 功 率 较 低, 大 约 在 60% 左 右 蘑 菇 采 摘 机 器 人 蘑 菇 的 生 产 集 约 化 程 度 很 高, 但 人 工 采 摘 蘑 菇 的 效 率 低, 且 分 类 的 质 量 不 易 保 证, 从 [4] 而 制 约 了 生 产 效 率 与 经 济 效 益 的 提 高 英 国 Silsoe [5] 研 究 院 研 制 的 蘑 菇 采 摘 机 器 人, 可 以 自 动 测 量 蘑 菇 的 位 置 大 小, 并 选 择 性 的 采 摘 和 修 剪 他 的 机 械 手 包 括 2 个 气 动 移 动 关 节 和 一 个 步 进 电 机 驱 动 的 旋 转 关 节 组 成 ; 末 端 执 行 器 是 带 有 软 衬 垫 的 吸 引 器 ; 视 觉 传 感 器 采 用 TV 摄 像 头, 安 装 在 顶 部 用 来 确 定 蘑 菇 的 位 置 和 大 小 采 摘 成 功 率 在 75% 左 右, 采 摘 速 度 为 6.7 s/ 个 苹 果 采 摘 机 器 人 韩 国 Kyungpook 大 学 所 研 制 的 苹 果 采 摘 机 器 人, 其 机 械 手 工 作 空 间 可 以 达 到 3 m, 具 有 4 自 由 度, 包 括 3 个 旋 转 关 节 和 1 个 移 动 关 节 采 用 三 指 夹 持 器 作 为 末 端 执 行 器, 内 有 压 力 传 感 器 避 免 损 伤 苹 果 利 用 CCD 摄 像 机 和 光 电 传 感 器 识 别 果 实, 从 树 冠 外 部 识 别 苹 果 时 的 识 别 率 达 85%, 速 度 达 5 s/ 个 该 机 器 人 末 端 执 行 器 下 方 安 装 有 果 实 收 集 袋, 缩 短 了 从 摘 取 到 放 置 的 时 间, 提 高 了 采 摘 速 度 西 瓜 采 摘 机 器 人 日 本 Kyoto 大 学 研 制 出 一 个 5 自 由 度 液 压 驱 动 的 机 器 人 用 于 收 获 西 瓜, 包 括 机 械 手 [6] 末 端 执 行 器 视 觉 传 感 器 和 行 走 装 置 因 为 西 瓜 在 地 面 上, 机 器 手 由 5 个 旋 转 关 节 组 成, 使 机 械 手 能 在 地 面 工 作 茄 子 采 摘 机 器 人 刘 长 林 等 设 计 了 一 种 实 现 田 间 [7] 茄 子 收 获 机 器 人 视 觉 系 统 的 图 像 识 别 方 法 通 过 判 断 茄 子 图 像 每 点 像 素 值 差 值 实 现 分 割 ; 通 过 模 板 操 作 及 形 态 学 上 的 闭 运 算 操 作 去 除 残 留 物, 最 终 找 到 茄 子 图 像 的 外 接 矩 形 完 成 提 取 经 试 验 测 定, 对 样 本 茄 子 图 像 提 取 成 功 率 为 97%, 平 均 速 度 为 s/ 个 樱 桃 采 摘 机 器 人 日 本 的 Kanae 等 研 制 了 1 台 樱 [8] 桃 采 摘 机 器 人 该 樱 桃 采 摘 机 器 人 主 要 由 1 个 4 自 由 度 的 机 械 手 三 维 视 觉 传 感 器 末 端 执 行 机 构 1 台 电 脑 和 移 动 装 置 构 成 三 维 视 觉 传 感 器 配 备 了 红 外 和 红 外 激 光 二 极 管, 这 2 个 激 光 束 对 对 象 的 扫 描 同 时 进 行 通 过 处 理 三 维 视 觉 传 感 器 来 识 别 果 实 和 障 碍 物 的 位 置, 由 此 决 定 末 端 执 行 机 构 的 运 动 轨 迹 果 实 被 末 端 执 行 机 构 拾 起, 同 时 避 免 与 障 碍 物 碰 撞 1.2 嫁 接 机 器 人 日 本 农 产 省 1989 年 成 立 了 TGR 技 术 嫁 接 研 究 所 该 研 究 所 研 制 出 了 一 种 嫁 接 机 器 人, 其 嫁 接 过 程 分 切 断 合 位 和 接 苗 3 个 环 节, 该 机 器 人 为 全 自 动 式, 若 本 苗 或 嫁 苗 有 缺 苗 时 能 自 动 判 别, 并 跳 过 缺 苗 盆 该 机 器 人 的 嫁 接 成 功 率 为 97%, 同 时 也 大 大 提 高 了 作 业 速 度 中 国 农 业 大 学 研 制 的 2JSZ-600Ⅱ 型 蔬 菜 自 动 嫁 接 机 采 用 计 算 机 自 动 控 制, 实 现 了 蔬 菜 苗 砧 木 和 穗 木 的 取 苗 切 苗 接 合 塑 料 固 定 排 苗 等 嫁 接 作 业 的 自 动 化 操 作 1.3 移 栽 ( 育 苗 ) 机 器 人 台 湾 Ting 和 Yang 等 研 制 的 移 栽 机 器 人, 把 幼 苗 从 600 穴 的 育 苗 盘 中 移 植 到 48 穴 的 苗 盘 中 机 器 人 本 体 部 分 由 ADEPT-SCARA 型 4 自 由 度 工 业 机 器 人 和 SNS 夹 持 器 组 成, 位 于 顶 部 的 视 觉 传 感 器 确 定 苗 盘 的 尺 寸 和 苗 的 位 置, 力 觉 传 感 器 保 证 SNS 夹 持 器 夹 住 而 不 损 伤 蔬 菜 苗, 在 苗 盘 相 邻 的 情 况 下, 单 个 苗 移 栽 的 时 间 在 2.6~3.25 s 之 内 1.4 耕 耘 机 器 人 日 本 机 电 技 术 研 究 室 开 发 出 的 耕 作 机 器 人, 在 耕 作 场 内 可 进 行 辨 别 判 断 自 身 位 置 和 前 进 方 向 的 无 人 操 作, 其 耕 作 效 率 与 有 人 相 同 1994 年 芬 兰 开 发 出 利 用 GPS 和 左 右 两 轮 的 转 速 差 进 行 导 航 的 小 型 履 带 式 车 辆,Hate 等 开 展 了 用 彩 色 线 条 传 感 器 为 传 感 元 件 对 车 辆 走 向 的 研 究,Yong 等 研 制 了 以 微 型 计 算 机 为 基 础 的 车 辆 导 向 控 制 器,Choi 设 计 了 一 种 用 无 线 电 波 定 位 传 感 器 的 自 动 导 向 系 统, 王 荣 本 等 设 计 了 一 种 有 线 [9-10] 图 像 识 别 式 自 动 引 导 车 辆 系 统 1.5 除 草 机 器 人 除 草 机 器 人 是 由 电 子 计 算 机 操 作 并 用 雷 达 控 制 的 无 人 驾 驶 机 械 德 国 农 业 专 家 采 用 计 算 机 GPS 定 位 系 统 和 多 用 途 拖 拉 机 综 合 技 术, 研 制 出 可 准 确 施 用 除 草 剂 的 机 器 人 其 特 点 是, 当 机 器 人 到 达 杂 草 多 的 地 块 时,GPS 接 收 器 便 会 做 出 杂 草 位 置 的 坐 标 定 位 图,
3 中 国 农 学 通 报 机 械 杆 式 喷 雾 器 相 应 部 分 立 即 启 动 进 行 除 草 剂 的 喷 洒 英 国 科 技 人 员 开 发 的 菜 田 除 草 机 器 人 使 用 的 是 1 台 摄 像 机 1 台 识 别 野 草 蔬 菜 和 土 壤 图 像 的 计 算 机 组 合 装 置, 利 用 计 算 机 扫 描 和 图 像 分 析, 层 层 推 进 除 草 作 业 美 国 密 歇 根 大 学 开 发 了 草 坪 修 整 机 器 人, 利 用 已 修 和 未 修 草 坪 的 分 界 线 进 行 无 人 驾 驶 操 作 割 草 作 业 日 本 久 保 田 铁 工 在 割 草 机 前 端 装 有 摄 像 机, 利 用 图 像 处 理 判 断 分 割 区 域, 实 现 自 动 驾 驶 作 业 中 国 陈 勇 等 研 究 了 控 制 农 田 杂 草 的 直 接 施 药 方 法, 并 研 制 了 基 [11] 于 该 方 法 的 除 草 机 器 人, 该 研 究 减 少 了 除 草 剂 用 量 并 消 除 雾 滴 飘 移 现 象, 保 护 了 生 态 环 境 1.6 喷 农 药 机 器 人 日 本 开 发 的 喷 农 药 机 器 人 外 形 很 像 一 部 小 汽 车, 机 器 人 上 装 有 感 应 传 感 器 自 动 喷 药 控 制 装 置 及 压 力 [12] 传 感 器 等 在 果 园 内 沿 着 喷 药 作 业 路 径 铺 设 感 应 电 缆, 工 作 时, 电 缆 中 流 过 由 发 送 机 发 出 的 电 流, 在 电 缆 周 围 产 生 磁 场 机 器 人 上 的 控 制 装 置 根 据 传 感 器 检 测 到 的 磁 场 信 号 控 制 机 器 人 的 走 向 喷 药 机 器 人 能 够 全 自 动 对 树 木 进 行 喷 药, 控 制 系 统 还 能 够 根 据 方 向 传 感 器 和 速 度 传 感 器 的 输 出, 判 断 是 直 行 还 是 转 弯 喷 药 机 器 人 的 前 端 装 有 2 个 障 碍 物 传 感 器 ( 超 声 波 传 感 器 ) 和 按 触 传 感 器, 可 以 检 测 到 前 方 约 1 m 左 右 距 离 的 情 况, 当 有 障 碍 物 时, 行 走 和 喷 药 均 停 止 ; 当 机 器 人 和 障 碍 物 接 触 时, 接 触 传 感 器 发 出 信 号, 动 作 全 部 停 止 ; 机 器 人 左 右 两 侧 装 有 紧 急 手 动 按 钮, 可 以 用 手 动 按 钮 紧 急 停 止 1.7 插 秧 机 器 人 日 本 研 制 的 插 秧 机 器 人 在 没 有 任 何 人 力 的 协 助 下, 由 计 算 机 系 统 进 行 控 制, 并 通 过 全 球 卫 星 定 位 系 统 进 行 导 航, 最 后 通 过 感 应 器 和 其 他 一 些 装 置 来 计 算 出 动 作 的 角 度 和 方 向, 进 而 实 现 稻 田 工 作 的 精 确 定 位 [12] 作 业 时 水 稻 秧 苗 预 先 由 传 送 带 传 送 到 约 2 m 长 的 栽 培 垫 上 然 后 由 机 器 人 推 动 插 秧 机, 把 稻 苗 栽 进 稻 田 里 机 器 人 能 够 根 据 指 令 准 确 地 在 稻 田 穿 行, 移 动 误 差 也 小 于 10 cm, 碰 到 田 埂 还 能 自 行 做 180 大 转 弯 后 继 续 劳 作 每 个 机 器 人 每 20 min 可 种 植 约 m 2 的 稻 田, 中 途 无 须 作 任 何 停 顿 1.8 林 木 清 洁 机 器 人 清 洁 是 造 林 抚 育 作 业, 主 要 是 针 对 改 善 约 3 m 高 的 青 年 林 木 的 生 长 环 境 相 较 于 其 他 森 林 活 动 清 洁 的 成 本 在 增 加, 以 致 在 瑞 典 每 年 清 洗 面 积 在 减 少 因 此, 机 器 人 清 洗 是 提 高 盈 利 能 力 的 关 键 Karin 等 设 计 了 [13] 一 款 林 木 清 洁 机 器 人, 该 机 器 人 能 够 根 据 树 木 特 征 库 识 别 树 木 是 否 应 作 为 主 干 或 选 择 被 截 断 机 器 人 能 够 独 立 运 作 并 在 无 人 值 守 的 动 态 和 非 确 定 性 环 境 下 工 作 1.9 饲 喂 机 器 人 欧 洲 科 学 家 的 研 究 表 明, 奶 牛 的 精 确 饲 喂 和 每 天 多 次 饲 喂 不 仅 可 以 提 高 奶 牛 的 产 奶 量 增 强 奶 牛 的 体 [14] 质 减 少 生 病 机 会, 还 能 提 高 饲 料 的 利 用 率 精 确 饲 喂 的 机 器 人 主 要 由 行 走 机 构 料 箱 分 料 螺 旋 和 控 制 系 统 等 部 分 组 成, 利 用 霍 尔 传 感 器 和 无 线 识 别 装 置 分 别 实 现 自 身 的 精 确 定 位 以 及 奶 牛 的 识 别 机 器 人 的 控 制 器 采 用 PIC16F877 微 处 理 器 构 成, 主 要 完 成 机 器 人 的 运 动 控 制 以 及 与 管 理 微 机 的 数 据 交 换 1.10 禽 蛋 检 测 与 分 级 机 器 人 对 每 一 枚 禽 蛋 进 行 自 动 清 洗 检 测 分 级 喷 码 后 销 售 或 深 加 工, 既 可 使 消 费 者 了 解 每 个 鲜 蛋 的 生 产 时 间 商 标 质 量 等 级 等 信 息, 实 现 按 质 论 价 优 材 优 用, 又 可 以 防 止 生 产 过 程 中 的 交 叉 感 染, 实 现 产 品 的 可 追 踪 性, 既 提 高 了 生 产 者 的 收 益, 又 确 保 了 消 费 者 的 利 益 [15] 美 国 日 本 荷 兰 等 国 家 鲜 蛋 处 理 的 自 动 化 技 术 水 平 很 高, 鲜 蛋 加 工 处 理 设 备 有 : 气 吸 式 集 蛋 传 输 设 备 清 洗 消 毒 机 干 燥 上 膜 机 分 级 包 装 机 和 电 胶 打 码 ( 或 喷 码 )) 机 等, 对 禽 蛋 进 行 单 个 不 接 触 人 的 处 理, 实 现 全 自 动 高 精 度 无 破 损 的 处 理 和 分 级 包 装, 如 荷 兰 Hot-Cheers 公 司 推 出 的 FPS MOBA 电 脑 控 制 鸡 蛋 分 级 包 装 机 王 树 才 等 为 了 实 现 禽 蛋 检 测 与 分 级 的 自 动 化, 建 立 一 种 轻 型 自 动 化 系 统, 即 禽 蛋 检 测 与 分 级 智 能 机 器 人 系 统 (SIRDGE) SIRDGE 将 禽 蛋 的 破 损 检 测 内 部 品 质 检 测 以 及 检 测 和 分 级 时 的 搬 运 工 作 联 系 起 来, 统 一 由 一 个 关 节 型 机 器 人 来 完 成, 能 实 现 禽 蛋 检 测 和 分 级 的 全 程 自 动 化 2 应 用 于 农 业 智 能 机 器 人 的 主 要 技 术 农 业 机 器 人 仍 属 于 机 器 人 的 范 畴, 他 不 仅 是 机 械 与 电 子 的 简 单 结 合, 也 是 融 合 检 测 传 感 技 术 信 息 处 理 技 术 自 动 控 制 技 术 伺 服 驱 动 技 术 精 密 机 械 技 术 和 计 算 机 技 术 等 多 种 技 术 于 一 体 的 交 叉 学 科 与 综 合 2.1 自 主 导 航 与 路 径 规 划 ( 感 知 与 避 障 技 术 ) 农 业 多 机 器 人 在 执 行 任 务 过 程 中, 需 感 知 多 变 环 境 中 的 行 走 路 线 被 枝 叶 遮 挡 的 加 工 对 象 运 行 中 的 动 态 机 器 人 等, 这 是 农 业 多 机 器 人 准 确 完 成 群 体 运 移 定 [16] 位 工 作 工 作 任 务 执 行 的 基 础 目 前 农 业 单 体 机 器 人 主 要 利 用 GPS 粗 定 位, 定 位 精 度 达 到 了 厘 米 级, 融 合 陀 螺 仪 路 标 检 测 地 图 匹 配 CCD 彩 色 摄 像 机 识 别 等 多 种 信 息 检 测 手 段 正 被 研 究 应 用, 该 检 测 手 段 促 使 单 体 机 器 人 运 移 感 知 作 业 环 境 定 位 等 广 播 通 信 方 式 下 的 系 统 环 境 信 息 共 享 目 前 发 展 的 彩 色 CCD 摄 像
4 363 赵 欣 : 智 能 机 器 人 在 农 业 自 动 化 领 域 的 主 要 应 用 机 识 别 与 定 位 作 业 感 知 系 统, 虽 感 知 过 程 的 迭 代 计 算 比 黑 白 CCD 摄 像 机 工 作 量 大, 但 感 知 的 信 息 量 大, 能 改 进 作 业 质 量, 适 度 降 低 整 机 硬 件 成 本, 适 应 更 广 泛 的 工 作 环 境 条 件, 因 此 在 分 散 式 分 布 式 农 业 多 机 器 人 系 统 开 发 有 较 多 应 用 2.2 目 标 探 测 与 定 位 技 术 ( 机 器 视 觉 技 术 ) 任 何 一 种 农 业 生 产 机 器 人 的 正 常 工 作 均 有 赖 于 对 作 业 对 象 的 正 确 识 别 与 定 位, 但 由 于 作 业 环 境 的 复 杂 性, 特 别 是 光 照 条 件 的 不 确 定 性 环 境 的 相 似 性 个 体 差 异 性 和 遮 挡 等 问 题 的 存 在, 致 使 对 作 业 对 象 的 识 别 [17] 与 定 位 技 术 仍 是 有 待 于 解 决 的 关 键 技 术 目 前 主 要 采 用 机 器 视 觉 技 术, 但 需 要 融 合 其 他 技 术, 并 改 进 图 像 获 取 和 图 像 处 理 算 法 等, 以 提 高 识 别 与 定 位 的 准 确 性 与 精 确 度 机 器 视 觉 技 术 利 用 图 像 传 感 器 获 取 物 体 的 图 像, 将 图 像 转 换 成 一 个 数 据 矩 阵, 并 利 用 计 算 机 来 分 [18] 析 图 像, 同 时 完 成 一 个 与 视 觉 有 关 的 任 务 机 器 视 觉 技 术 在 农 业 生 产 上 的 研 究 与 应 用, 始 于 20 世 纪 70 年 代 末 期, 研 究 主 要 集 中 于 桃 香 蕉 西 红 柿 黄 瓜 等 农 产 品 的 品 质 检 测 和 分 级 农 作 物 收 获 自 动 化 是 机 器 视 觉 技 术 在 收 获 机 械 中 的 应 用, 是 近 年 来 最 热 门 的 研 究 课 题 之 一 其 基 本 原 理 是 在 收 获 机 械 上 配 备 摄 像 系 统, 采 集 田 间 或 果 树 上 作 业 区 域 图 像, 运 用 图 像 处 理 与 分 析 的 方 法 判 别 图 像 中 是 否 有 目 标 ( 如 水 果 蔬 菜 等 ), 发 现 目 标 后, 引 导 机 械 手 完 成 采 摘 2.3 信 息 融 合 技 术 农 业 机 器 人 系 统 的 定 位 与 导 航 及 作 业 对 象 的 识 别 与 定 位 应 具 有 更 高 的 智 能 特 性, 因 此 需 要 融 合 多 种 传 感 器 信 息 或 一 些 经 验 知 识, 实 现 对 环 境 信 息 的 充 分 理 [17] 解, 便 于 机 器 人 做 出 正 确 的 决 策 信 息 融 合 能 提 高 系 统 的 可 靠 性 与 分 辨 率, 增 加 测 量 空 间 维 数, 拓 宽 活 动 范 围, 从 而 提 高 系 统 在 复 杂 条 件 下 正 常 工 作 的 适 应 性 与 鲁 棒 性 但 是, 为 了 提 高 系 统 性 能, 需 要 结 合 新 的 理 论 不 断 改 进 与 完 善 信 息 融 合 算 法, 也 需 要 加 强 信 息 融 合 效 果 评 价 的 研 究 2.4 农 业 专 家 系 统 专 家 系 统 一 般 都 具 有 1 个 或 多 个 知 识 库 规 则 库, 能 自 动 进 行 推 理 和 逻 辑 判 断, 有 些 还 有 数 据 检 测 智 能 运 算 功 能, 以 及 友 好 的 人 机 界 面, 生 产 人 员 稍 作 培 训 后 就 可 熟 练 掌 握 专 家 系 统 还 被 用 于 农 业 中 的 灌 溉 系 统 等 方 面, 在 农 业 生 产 过 程 中 正 受 到 越 来 越 广 泛 的 重 视 [19] 专 家 系 统 (ES) 技 术 与 全 球 定 位 系 统 (GPS) 技 术 地 理 信 息 系 统 (GIS) 技 术 遥 感 (RS) 技 术 等 结 合 在 一 起, 构 成 了 精 准 农 业 控 制 平 台, 而 专 家 系 统 是 这 个 平 台 的 核 心, 他 综 合 所 得 到 的 数 据 和 知 识 库 中 的 知 识, 从 人 口 效 益 资 源 和 环 境 等 方 面 综 合 考 虑, 为 农 业 生 产 提 供 智 能 化 形 象 直 观 的 信 息 和 决 策 服 务, 具 体 到 为 每 一 块 农 田 提 供 品 种 施 肥 灌 溉 病 虫 害 防 治 产 后 处 理 和 销 售 等 的 辅 助 决 策 将 来 建 造 农 业 专 家 系 统 更 多 地 需 要 数 据 融 合 数 据 挖 掘 贝 叶 斯 概 念 推 理 等 理 论 的 支 持 3 存 在 问 题 3.1 农 业 机 器 人 的 智 能 问 题 农 业 生 产 的 特 点 要 求 农 业 机 器 人 具 有 相 当 的 智 能 和 柔 性 生 产 能 力 以 适 应 复 杂 的 非 结 构 环 境, 例 如 辨 识 和 避 障 能 力 等 专 家 纷 纷 把 研 究 重 心 从 机 械 部 分 转 向 机 器 视 觉 人 工 智 能 方 面, 力 图 解 决 农 业 机 器 人 的 智 能 问 题 技 术 上 在 自 动 导 航 视 觉 辨 识 定 位 等 方 面 已 有 成 熟 的 解 决 方 案, 但 总 的 来 讲, 智 能 系 统 的 发 展 还 不 够 完 善, 农 业 机 器 人 的 智 能 程 度 还 不 能 满 足 农 业 生 产 的 需 要, 很 多 任 务 无 法 由 农 业 机 器 人 单 独 完 成, 且 高 智 能 带 来 的 高 成 本 也 制 约 着 农 业 机 器 人 的 发 展 应 用 3.2 农 业 机 器 人 的 成 本 过 高 问 题 目 前 研 制 出 来 的 农 业 机 器 人 大 都 只 针 对 农 业 生 产 某 一 环 节 的 某 一 项 作 业 而 言, 农 业 生 产 的 特 征 之 一 是 季 节 性 强, 造 成 了 农 业 机 器 人 的 使 用 效 率 低, 间 接 地 增 加 了 农 业 机 器 人 的 成 本 其 性 价 比 不 能 满 足 市 场 的 需 要, 成 为 制 约 农 业 机 器 人 商 业 化 和 进 一 步 研 究 应 用 的 瓶 颈 问 题 3.3 农 业 机 器 人 易 受 环 境 变 化 的 影 响 问 题 在 农 业 机 器 视 觉 导 航 应 用 中, 存 在 受 自 然 光 照 等 外 界 环 境 干 扰 较 大, 作 物 品 种 差 异 大 作 物 缺 失 背 景 多 变 等 复 杂 因 素, 单 一 的 视 觉 传 感 器 越 来 越 难 以 满 足 精 确 定 位 的 要 求, 因 受 环 境 变 化 的 影 响, 检 测 导 航 信 息 [20] 的 稳 定 性 也 大 受 影 响 4 结 束 语 通 过 对 国 内 外 农 业 机 器 人 技 术 的 发 展 和 应 用 的 介 绍, 可 以 看 出 农 业 机 械 化 进 程 较 快 的 欧 美 一 些 国 家 已 经 证 明 了 现 代 农 业 能 够 产 生 巨 大 的 经 济 效 益, 农 业 机 器 人 技 术 发 展 水 平 较 高 的 日 本 也 充 分 证 明 了 农 业 机 器 人 技 术 能 够 大 大 解 放 生 产 力, 提 高 农 业 经 济 效 益 社 会 经 济 效 益 中 国 农 业 机 器 人 的 发 展 有 待 于 积 极 大 力 地 推 进, 克 服 其 局 限 性, 加 大 对 已 有 农 业 机 器 人 的 改 进, 设 计 制 造 出 适 应 中 国 具 体 国 情 的 农 业 机 器 人, 为 农 业 生 产 水 平 的 提 高 创 造 生 产 条 件, 最 终 促 进 中 国 国 民 经 济 快 速 稳 定 地 发 展 参 考 文 献 [1] Kondo N, Monta M. Basic study on chrysanthemun cutting sticking
5 中 国 农 学 通 报 robot[j]. In Proceedings of the International Symposium on Agricultural Mechanization and Automation, 1997, 1: [2] Kondo N, Monta M, Ogawa Y. Cutting providing system and vision algorithm for robotic chrysanthemum cutting sticking system[j]. In Proceedings of the International Workshop on Robotics and Automated Machinery for Bio-productions, 1997:7-12. Kondo N, Ting K C. Robotics for bio-production systems[m]. ASAE Publisher, [4] 王 辉, 程 雪, 李 玉 霞. 农 业 机 器 人 应 用 进 展 初 探 [J]. 安 徽 农 业 科 学, 2009,37(16): [5] J. N. Reed, S. J. Miles, J. Butler, et al. AE-Automation and Emerging Technologies: Automatic Mushroom Harvester Development [J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 2001, 78(1): [6] Iida M, Furube K, Namikawa K, et al. Development of watermelon harvesting gripper[j]. J Japan Soc Agric Mach, 1996, 58(3): [7] 刘 长 林, 张 铁 中, 杨 丽. 茄 子 收 获 机 器 人 视 觉 系 统 图 像 识 别 方 法 [J]. 农 业 机 械 学 报,2008,39(11): [8] Kanae T, Tateshi F, Akira A, et al. Cherry-harvesting robot[j]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 63: 温 效 朔. 机 器 人 技 术 在 农 业 上 的 开 发 与 应 用 现 状 [J]. 安 徽 农 业 科 学,2007,35(11): [10] 王 荣 本, 游 峰, 崔 高 健, 等. 基 于 计 算 机 视 觉 高 速 智 能 车 辆 的 道 路 识 别 [J]. 计 算 机 工 程 与 应 用, : [11] 陈 勇, 田 磊, 郑 加 强. 基 于 直 接 施 药 方 法 的 除 草 机 器 人 [J]. 农 业 机 械 学 报,2005,10: [12] 崔 勇. 农 业 机 器 人 的 研 究 与 应 用 浅 探 [J]. 南 方 农 机,2008,1: [13] Karin V, Thomas H. Requirements and system design for a robot performing selective cleaning in young forest stands[j]. Journal of Terramechanics, 2006, 43: [14] 方 建 军. 饲 喂 机 器 人 的 研 究 与 开 发 [J]. 农 机 化 研 究,2005,1: [15] 王 树 才, 文 友 先, 苏 工 兵. 禽 蛋 检 测 与 分 级 智 能 机 器 人 系 统 的 设 计 [J]. 机 械 工 程 学 报,2008,2: [16] 陈 震, 李 长 友, 邹 湘 军. 农 业 多 机 器 人 系 统 的 支 撑 技 术 与 研 究 进 展 [J]. 华 中 农 业 大 学 学 报,2007,12: [17] 薛 金 林, 徐 丽 明. 多 功 能 农 业 机 器 人 及 其 关 键 技 术 分 析 [J]. 安 徽 农 业 科 学,2009,37(15): [18] 傅 宇. 机 器 视 觉 技 术 在 农 业 生 产 自 动 化 领 域 中 应 用 研 究 [J]. 安 徽 农 业 科 学,2006,34(15): [19] 邓 璐 娟, 张 侃 谕, 龚 幼 民. 智 能 控 制 技 术 在 农 业 工 程 中 的 应 用 [J]. 现 代 化 农 业,2003,12:1-3. [20] 邵 刚, 毛 罕 平. 农 业 机 械 机 器 视 觉 导 航 研 究 进 展 [J]. 安 徽 农 业 科 学, 2007,35(14):
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