智能施药机器人关键技术研究现状及发展趋势

喷施化学农药是病虫害防治最主要的手段，对保证作物的产量起着至关重要的作用。传统的施药机械工作效率低，且使用同一施药量进行连续喷施作业易造成农药浪费、环境污染。随着农业智能化发展，机器人被广泛应用到农业植保作业中，智能施药机器人以减少劳动力投入、提高农药利用率、减少农药施用量以及减少环境污染为目的，实现了更加高效、精准的病虫害防治。智能施药机器人是集复杂农业机械、智能感知、智能决策、智能控制等技术为一体的现代农业施药装备，可自主、高效、安全、可靠地完成施药作业任务。为明确智能施药机器人及关键技术的国内外研究现状，本文总结了适用于不同作业场景的施药机器人的应用进展，从智能施药机器人的移动平台设计、喷雾装置设计、导航技术、智能识别技术4个方面进行分析，结合施药机器人作业环境的复杂多变性，分析智能施药机器人关键技术的现存问题，阐述智能施药机器人未来的发展趋势是精准变量施药、自主导航以及无人化作业，以期为智能施药机器人在未来的研究提供参考。     

多传感器信息融合技术及在农业工程中的应用前景

多传感器信息融合技术是20世纪80年代形成和发展起来的一种自动化信息综合处理技术，具有改善系统性能的巨大潜力。该文介绍了近年来多传感器信息技术在智能检测、智能制造、工业控制、工业机器人、智能交通、遥感以及农业工程等方面的应用研究与进展。特别指出了在农业工程领域中的应用前景广阔，目前可逐步应用于智能检测与控制系统、生产过程监视、精确农业技术、农业资源和农业环境的观测及监控方面，其将为农业生产的信息化和知识化提供技术上的支持。     

中国农业信息化技术发展现状及存在的问题

围绕农业传感器技术、精细农作技术、农业机器人技术、农业物联网技术和农业信息服务技术五大方面,对农业信息化前沿技术的发展态势进行了分析,同时探讨了中国农业信息化前沿技术发展存在的问题并提出了相应的建议。研究表明,农业传感器技术是农业信息获取与信息化的基础,精细农作技术代表了当今农业装备的先进水平,农业机器人技术是未来农业智能装备的重要方向,农业物联网技术是农业监管与质量监控的有效手段,农业信息服务技术则愈来愈聚焦农业信息服务中的云存储、云计算、云服务和移动互联的关键技术问题。     

变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析

为了实现机器人林区伐根的智能越障,保证机器人搭载扫描设备时的越障平稳性,该文设计了一种主动摆臂六轮腿式机器人结构,它具备2个独立的摆臂轮腿运动单元以及4个复合的摆臂轮腿运动单元。该文运用拉格朗日方程建立了机身智能越障过程中的摆臂轮腿动力学模型,采用最小二乘法拟合推杆的速度函数,通过ADAMS动态仿真以及样机试验,得到该变幅轮腿机器人在智能越障10 cm高度的过程中,机身的最大侧倾角与纵倾角较被动碰撞越障的右倾4.5°和前倾2.5°减小到左倾0.75°和前倾0.4°,验证了智能越障理论建模的正确性以及该系统的可靠性。该研究为该机器人在人工林区扫描作业的平稳越障提供了理论基础。     

移动式采摘机器人研究现状与进展

采摘机器人是21世纪精准农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。移动式采摘机器人由机械手、末端执行器、移动机构、机器视觉系统以及控制系统等构成。机械手的结构形式和自由度直接影响采摘机器人智能控制的复杂性、作业的灵活性和精度。移动机构的自主导航和机器视觉系统解决采摘机器人的自主行走和目标定位，是整个机器人系统的核心和关键。该文对移动式采摘机器人的研究现状进行综合，提出目前采摘机器人技术发展中面临的技术难题及相应的对策，包括采用开放式控制系统。     

书讯

Naoshi Kondo博士是日本京都大学教授,长期从事农业机器人和农业智能装备的研究工作,是农业机器人领域的国际著名学者,完成相关专著24本。本书     

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。     

农业复杂大系统的智能控制与农业物联网关系探讨

基于复杂大系统智能控制理念,研究农业大系统的控制智能问题是一个富有挑战意义的课题。依据大系统控制理论以及智能控制的定义构造以农业复杂大系统智能控制为核心的智能农业系统架构,并对智能农业的内涵进行了阐述,指出了智能农业应该是以农业大系统智能控制为核心的闭环系统。同时按照网络结构体系论述了物联网的基本含义,首次对智能农业与农业物联网的关系进行了论述,指出了农业物联网在智能农业大系统中的位置和作用,探讨了与智能农业大系统的接口问题。     

农业机器人新型肘关节的静力学性能分析

为了提高农业自动化程度,改善农业机器人的通用性与适应性,提高农业机器人工作时的承载能力和利用率,该文提出一种基于二自由度正交球面并联机构的农业机器人新型肘关节。新型肘关节由2条支链组成,其动平台相对于机架具有2个转动自由度。新型肘关节与其它机器人的肘关节相比,具有良好的运动性能和较大的工作空间。对新型肘关节进行静力学性能分析,首先采用虚功原理的方法建立新型肘关节的静力学传递方程,该方法简化了肘关节的静力学计算过程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入到静力学性能评价指标中,定义了肘关节的静力学力矩传递性能评价指标和力矩输入均衡性评价指标,分析了肘关节的静力学特性,并绘制了肘关节的静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。分析结果表明,农业机器人新型肘关节的力矩传递性能指标和力矩输入均衡性能指标都呈对称分布,静力学力矩传递性能随着转角的增大而降低,在初始位置附近约50%的工作空间内具有良好的静力学特性和运动稳定性。该研究为农业机器人新型肘关节的优化设计提供参考。     

果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策

该文在分析果蔬果实收获机器人工作对象特点的基础上，从果实的辨认与定位、成熟度检测、机械手设计、末端执行器设计等方面对国内外果实收获机器人的研究现状进行了分析。为促进果实收获机器人在生产实际中的应用，提出收获机器人目前应解决的3个关键问题：作业效率、结构体积和利用率，并对此提出相应的对策。     

基于WoS文献计量学和知识图谱的农业机器人进展与趋势

随着物联网、大数据、人工智能等技术的进步,全球农业机器人研究迅速发展.为了解全球农业机器人的发展现状,该研究基于Web of Science(WoS)核心数据,利用知识图谱可视化软件,绘制农业机器人研究领域知识图谱.研究表明:农业机器人研究大致可以分为4个发展阶段,当前农业机器人研究进入加速发展期,逐步向多功能、智能化...     

室外农业机器人导航研究综述

农业机器人是现代农业技术的集中体现和未来发展趋势,当前研究中还存在着许多制约因素,其中导航是完成自动作业的关键,也是制约农业机器人发展的最大瓶颈。在长期的农业机器人自动导航研究中,经历路标、气味、机器视觉及星基导航等多种方式的研究和探索,其中视觉和星基导航逐渐成为当前导航研究的主要内容,星基导航以其成本低、系统结构简单、控制灵活等特点,必将在未来机器人导航领域占有越来越重要的地位。     

三臂多功能棚室农业机器人的运动学分析及试验

果蔬培育过程涉及采摘、喷雾、剪枝等多种作业内容,为此该文提出了一种三臂多功能农业智能机器人,各机械手臂具有不同的作业功能,同时每2条手臂之间又可实施协同作业;建立该机器人的运动学模型是实现该系统多功能作业的前提,为此该文采用D-H方法建立了机器人连杆坐标系,分别推导了视觉系统、剪切执行器、采摘执行器、喷洒执行器的运动学方程,实现了运动学正解;采用代数方法得到了封闭形式的运动学方程逆解,求解了在采摘和喷洒模式下的各末端执行器包络空间,选取包络空间中的若干特征点作为试验样本,并为该机器人系统搭建了用以检验其执行精度的三维坐标系。试验结果表明,该机器人系统的运动模型能够指导各末端执行器完成指定动作且最大误差仅为8 mm,误差远远小于末端执行器的开度,能够满足要求。     

五自由度混联机器人优化设计与运动学分析

为提高农业自动化程度,拓宽并联机构在农业工程领域的应用,提出一种存在连续转轴、关节数目少、易于控制的两移一转运动冗余平面并联机构,该并联机构任意位置的转轴均为相互平行的连续转轴,使其具备良好的灵活性。基于此平面并联机构,构造出了多种五自由度混联机器人,首先建立了五自由度混联机器人的运动学模型,并对其进行了奇异分析,给出了减少机构奇异位型的条件;然后基于灵活性指标,对并联机构进行了尺寸优化,绘制了用于选取结构尺寸的性能图谱,且借助有限元软件对基于优化所得结构尺寸绘制的具有运动冗余特性的平面机构进行了结构拓扑优化,,完成了整体结构优化前后的静力学分析与对比,结果显示优化前后整体变形仅增大0.51%,优化前后机构优化部分的质量减少33.02%,满足机构变形要求。该混联机器人具有结构简单、运动学模型简单、结构刚度高和模块化程度高的特点,且其结构的变胞性有助于实现机构运动和驱动冗余模式的切换,增强了机器人的可研究性。该文可为混联机器人运动学分析及优化设计提供参考。     

农业机器人视觉传感系统的实现与应用研究进展

论述了农业机器人视觉传感系统的主要实现技术和当前的应用现状，包括基于视觉传感原理的距离检测技术，基于视觉传感原理的工作对象特征识别技术和基于视觉传感原理的运动导航技术。基于双目立体视觉的测距方法可应用于葡萄和番茄采摘机器人，配备激光光源和红外光源的测距系统可在室外有效抵抗日光变化对检测结果的影响。几何形状、灰度级、颜色，尤其是农产品表面的反射光谱特性，可以用于农业机器人识别操作对象。人工路标方法是实现农业机器人视觉导航的简单方法，另外，直接基于田间作物在空间排列的特征也可实现农业机器人的视觉导航。最后讨论了农业机器人视觉传感系统的未来发展趋势。     

基于绿色农业的智能喷药机器人的设计与应用

随着农业生产的发展，传统的喷药方式存在着药剂浪费、环境污染和作物质量下降等诸多问题。通过智能喷药机器人的应用，提高农业喷药的效率、减少药剂的使用量和环境污染，以推动绿色农业发展和提高农产品质量。结合物联网、大数据和人工智能等技术，设计了一款由底盘、四轮驱动机构、自动配药装置、喷药装置及智能控制器、传感器等组成的喷药智能机器人，能在不同路况下行走工作。通过图像识别技术深度分析农作物所受病虫害情况，通过控制模块获取速度传感器、压力传感器及流量传感器瞬时数值动态调整药液浓度、喷药压力，实现喷药过程平稳工作。该系统的设计为后续根据作物生长态势精准靶向喷药及远距离喷药等功能实现提供思路。     

农业机器人导航中两类纹理边缘的快速跟踪与透视变换

野外田间的主动摄像机视觉，尤其是对作物割过与未割过的高相似颜色表面进行实时识别与跟踪是一项极具挑战性的工作。提出了两种全新的快速分割方法，以用于农业机器人导航。其关键是基于多尺度特征提取，通过求取k-层行像素极值的加权均值来形成窄带兴趣区，以及基于相邻行像素两类特征证据增强与多证据模糊判别进行分割增强。提出了新的方法，分割出导向线能够自适应环境的一些变化。同时，本研究还提出了一种快速透视变换算方法和摄像机主姿态的一次性校正方法，能够在1 ms内完成对分割导向线参数的透视投影变换，在0.5 s内通过自校正获取相机的主姿态角。开发了一套对园艺草割过与未割过的边缘进行在线跟踪的分析软件。试验和相应的误差分析结果令人满意（160×120显示分辨率下，能在55 ms内自主做出经透视投影变换的作业机理想移动方向决策，普通难度的相似颜色序列图像的分割误差被控制在了平均5%以内）。对最佳适应步法（BFS）做了改进，提出了多行最佳适应步法（MR-BFS），在不降低正确性的前提下使其分割速度提高了100%以上。通过折衷组合多行最佳适应步法（MR-BFS）与多证据模糊增强法（MEFE）进行在线试验，获得了160×120分辨率下8～9帧/秒的边缘自动跟踪性能。边缘跟踪试验显示：自然图像中的不同色块和阴影对其分割影响不大，能够快速输出导向跟踪参数。如果待分割纹理表面的颜色距离相对较远，还可采用本文新提出的颜色分量运算＋颜色位屏蔽方法。该方法能在320×240分辨率下，在20～30 ms内实现全帧的鲁棒分割，获得田间实时的多边缘跟踪性能。该方法避免了耗时的计算和人的操作介入，可被进一步应用于农业机器人的实际导航控制中。     

农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验

针对一般农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间复杂作业环境以及推广应用成本较高等问题,该文设计了一种农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统,采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合控制器局域网络(controller area network,CAN)总线、串口通讯和传感器技术实现了该机器人移动轮转角、转速等数据的采集功能且应用了有效的硬件电路隔离保护方案;基于低速阿克曼四轮转向模型与比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法分析并验证了该机器人四轮独立转向驱动控制策略的有效性。试验结果表明:该机器人能够通过上位机或遥控器实现其四轮独立转向与转速控制功能,移动轮在0~360°转向过程中,控制效果鲁棒性强、稳定且转角控制的最大平均绝对误差为0.10°,通过上位机设定转速后经0.5~1 s左右,移动轮转速达到稳态,并具有较高转速控制精度。该研究为农用轮式机器人的四轮独立转向驱动控制方法提供了参考。