苹果采摘机器人激光视觉系统的构建

为了避免或减少自然光线的干扰,该文设计了一种用于苹果采摘机器人的激光视觉系统。基于飞行时间原理的LMS211激光测距仪可对目标距离进行测量,具有精度高、响应速度快等优点;研制的直线运动单元可自由调整其滑台的移动速度和行程,用来协助测距仪完成对目标场景的三维扫描。试验结果表明：在一定测量范围内,扫描数据能较理想地反映果实的曲面特性,选择合适的水平分辨率可提高数据的成像效果,生成的距离图像易于解析果实、枝叶的空间几何特性及相互间的层次关系,且效果不受光线变化的影响。该系统为后期果实的识别研究提供参考。     

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。     

双激光雷达温室运输机器人导航系统研制

为解决机器人在温室环境下的自主导航问题,该研究研制了基于双激光雷达的温室运输机器人导航系统,实现温室环境下的地图构建、路径规划和定位导航。融合激光雷达与编码器信息,使用cartographer算法及时定位与地图构建。根据地图与检测点信息,采用Dijkstra算法规划全局路径,使用动态窗口算法规划局部路径,完成自主导航。试验表明,车载系统分别以0.2、0.5和0.8 m/s速度运行时,实际导航路径与目标路径的横向平均偏差小于13 cm,标准差小于5 cm;导航目标点处横向偏差、纵向偏差的平均值不超过9 cm,均方根误差不超过11.2 cm,标准差小于5 cm,航向偏差的平均值小于10°,均方根误差小于12°,标准差小于6°,满足机器人温室运输作业的导航精度需求。     

基于视觉伺服的草莓采摘机器人果实定位方法

为解决基于手眼系统的视觉伺服方法在草莓采摘机器人应用中存在的视觉信息反馈延迟大、频率低以及深度信息无法确定等带来的定位耗时长、精度低的问题,采用摄像机曝光信号触发控制卡进行高速位置锁存,结合位置传感器的反馈信息,来减少定位耗时;采用基于运动恢复结构的方法,提高果实采摘参数的精度。在垄坡和摄像机像平面的夹角为±10°范围内的情况下,针对包含1~3粒成熟草莓的果实域,采用直角坐标式机械臂草莓采摘机器人样机进行了定位试验。试验结果表明:定位时间在0.633~0.886 s之间;草莓深度信息的相对误差在-4.34%~0.95%范围内。     

基于知识的视觉导航农业机器人行走路径识别

目前的农业生产方式引起了环境污染、生态恶化等诸多问题，研制具有精确作业能力的视觉导航农业机器人因而被较多关注。针对导航视觉系统采集的农田非结构化自然环境彩色图像，探讨了用于行走路径识别的适宜的彩色特征，并结合农田作业时农业机器人行走路径的特点，运用路径知识启发机制识别出行走路径。与传统的阈值分割算法的对比处理试验表明，此识别算法可以明显地改善路径识别效果。     

基于农田环境的农业机器人群协同作业策略

为合理分配农业机器人群协同作业中各机器人的工作量与工作区域,提高机器人群协同作业的整体效能与工作效率,该研究提出一种复杂环境下异质农业机器人群的任务分配及全区域覆盖策略。在考虑农业机器人异质性的基础上,以机器人团队整体效能最优为目标进行任务分配并确定各机器人的工作量。根据农场实际工作环境建立一级分区的概念,在栅格化环境建模与障碍物膨胀处理的基础上,在一级分区内部建立二级分区的栅格分区和分区合并规则,简化农田中的复杂工作环境;将遗传算法与混合粒子群算法相结合改进遗传算法交叉操作,建立遗传算法染色体种群多样性的概念,并综合考虑遗传算法染色体适应度值的差异以及种群多样性阶段设置自适应交叉变异概率,继而利用改进的遗传算法解决深度优先搜索算法在一级分区与二级分区间的遍历顺序问题;设置深度优先搜索算法在二级分区内的路径搜索规则,并在栅格图内遍历的同时根据各机器人的工作量分配其工作区域,设置机器人在其工作区域中的遍历规则,实现机器人群对农田的全区域覆盖。仿真试验结果表明,改进的遗传算法所得到的遍历各分区的路径长度与收敛迭代次数较传统遗传算法分别减少了2.8%与69.5%,较模拟退火算法分别减少了9.3%与19.0%;包含3、5、7、9和11个障碍物的5幅环境地图中,机器人群遍历工作区域的总面积重复率分别为6.3%、8.9%、16.7%、21.7%和23.4%。在4种面积相等的异形农田中设置相同数量的障碍物进行验证试验,结果表明,机器人群总遍历面积重复率分别为16.7%、13.1%、11.9%和6.7%。机器人群协同作业场地试验结果表明,4个试验机器人均可在规定的时间要求（25 min）内完成各自工作量,遍历面积重复率分别为5.77%、4.14%、6.75%和4.85%。研究结果可为复杂环境下农业机器人群协同作业策略提供理论支撑。     

农业机器人的研究进展及存在的问题

农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一，该文综述了国内外农业机器人的研究现状，介绍了几种典型的农业机器人的研究成果，指出了制约农业机器人研究应用的问题：成本高；没有达到农业生产的智能需要。该文提出了建立具有开放式结构的农业机器人控制系统可以降低农业机器人的成本，也为解决农业机器人的智能问题提供了有效的途径。     

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。     

农业机器人开放式结构控制系统的研究

在农业机器人控制系统的设计上采用开放式结构的思想。分析了开放式结构控制系统对硬件和软件的要求，采用PMAC(Programmable Multi-Axes Controller)运动控制卡以PC+DSP(Personal Computer & Digital Signal Processing)模式构建硬件平台；以RTLinux(Real Time Linux)为实时操作系统建立相应的软件体系结构，编写了PMAC基于RTLinux的驱动程序，并开发了相应的控制软件，设计出了具有开放式结构的农业机器人控制系统。以二自由度运动平台为控制对象进行了控制性能和实时性测试，当控制参数调整为：比例增益为19000，积分增益为1000，微分增益为1000，速度前馈为4700，加速度前馈为20，具有良好的瞬态特征、位置控制和速度控制性能；在RTLinux和Linux下运行相同任务消耗的时间分别为28.03s和30.28s。结果表明，该系统具有良好的控制性能和实时性。     

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。     

基于光照无关图的农业机器人视觉导航算法

完成沿作物行的行走作业是农业机器人视觉导航系统的一个基础功能,但是由于田间环境的复杂性,比如阴影的存在和天气的恶劣变化等外界因素的影响使导航参数的提取变得困难。该研究针对农业机器人视觉导航中存在的阴影干扰问题,采用基于光照无关图的方法去除导航图像中的阴影,然后采用增强的最大类间方差法进行图像分割和优化的Hough变换提取作物行中心线,最终通过坐标转换获得导航参数。最后,通过作物行跟踪试验表明,基于光照无关图的阴影去除方法不仅满足了导航实时性的要求,而且使农业机器人在光照变化的情况下导航参数提取的鲁棒性有了更大的提高。     

基于视觉伺服的联合收割机群协同导航从机定位方法

针对收割机群协同导航从机实际定位需求,在分析主机与从机间相对位置关系的基础上,提出了一种采用视觉系统求解靶标投影矩形区域形心坐标,并以此作为导引信息,引导相对位姿测量装置测量从机相对主机位姿,实现从机精确定位的方法。重点对从机定位方法中需解决的运动靶标跟踪和对靶控制2个关键问题进行了研究,提出了一种基于双重波门的运动靶标跟踪方法和一种基于变尺度变论域模糊控制的对靶控制方法。试验结果表明,该文所提定位方法基本不受收割机前进速度的影响,不同速度最大偏差的标准差为0.003 5 m,平均偏差的标准差为0.002 3 m。     

机器人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状

对国内外多指灵巧手的研究进展进行了综述，分析了传统工业机器人的末端执行器的局限性，展望了机器人灵巧多指手的必然发展趋势；同时对这些多指灵巧手的驱动器及其传动系统进行对比分析，提出了今后多指灵巧手驱动器及其传动系统的的发展趋势。     

蔬菜穴盘苗自动补苗试验台穴孔定位与缺苗检测系统

为了精确获得蔬菜穴盘育苗空穴信息并为自动补苗提供依据,研制了蔬菜穴盘苗自动补苗试验台。利用该试验台获取了苗龄25、35 d的拟南介穴盘苗彩色图像,对彩色图像依次进行灰度化处理、Otsu阈值分割得到幼苗和穴盘二值图;对幼苗二值图进行开运算去除噪声,提取出幼苗特征图像;将穴盘二值图去除幼苗图像并去除噪声获得穴盘特征图像,依据穴盘特征图像分别在行、列上的像素统计峰值、峰宽及穴盘规格化结构,精确确定了穴孔边界;对穴孔内幼苗图像像素统计以判定是否空穴,结果表明:25、35 d拟南芥穴盘苗有苗穴孔与无苗穴孔内像素统计值差异极显著,空穴、有苗穴判断正确率均为100%,为穴盘苗空穴自动补苗提供了精确的幼苗信息与穴孔位置。     

农业机械全方位视觉定位系统的定位算法

农业机械全方位视觉定位系统根据标识方位角角度估算传感器相对于标识坐标系的绝对位置,包括系统校正、除噪、标识特征提取、方位角度估算和定位算法,其中定位算法是实现农业机械全方位视觉定位系统的关键部分。该文主要研究了4个标识和3个标识的定位算法,并通过室外30m×30m平地上的定点试验和传感器倾斜试验验证定位精度及传感器倾斜对定位精度的影响。试验结果表明,试验点坐标的估算值与实测值之间距离的均方根误差与平均绝对误差分别为14.75和14.06cm,最大绝对误差为25.72cm;倾斜角度越大,对定位精度的影响越大。研究表明本文定位算法是可行的,且算法简单、运行速度快;实用中当传感器倾斜角度大于5°或者凹凸不平明显的作业环境中,有必要考虑传感器倾斜造成的定位误差的补偿。     

基于区块链的农机跨区域调度模型构建与应用

由于各区域之间的调度策略与农产品种类存在差异使得相互之间难以管理,因此农机跨区域调度呈现无中心的管理模式。且由于区域之间距离较远导致个体农户与调度方之间难以建立信任关系,从而无法充分利用已有的农机资源,难以有效降低各区域农机的购买成本。针对上述问题,该研究构建了基于区块链的农机跨区域调度系统。首先,对农机的调度成本进行分析,建立以农机数量、农机需求量与机手数量为约束条件的农机跨区域调度模型;然后以调度成本最小化为目标,采用基于最短距离的农机跨区域调度匹配方法求解农机调度方案,并通过区块链智能合约自动执行调度匹配算法;最后根据江苏省宜兴市与安徽省广德市的农田与农机数据以及随机生成的调度任务进行仿真试验,并与区域内的调度成本与农机利用率进行对比。结果表明：区块链的去中心化特点可以满足无中心的跨区域调度需求,其身份认证机制与高透明度、不可篡改的技术特性可为用户提供技术上的信任保障。在各区域农机总量充足的情况下,跨区域调度可以减少农机购买成本,并将农机利用率提升至90%,相较于域内调度,跨区域调度的投入成本随着任务数的增加而下降,当任务数为10时,成本下降大约21.3%。研究结果可为农机跨区域调度模式的建立提供科学依据。     

基于无源超高频RFID的农产品包装智能定位方法

射频识别（radio frequency identification,RFID）技术为工业物联网（industrial internet of things）带来了巨大的进步,作为实现智能仓储的关键技术之一,广泛应用于库存管理和智能定位等场景,然而现有的绝对/相对定位方法易受仓储环境、包装材料、货架材质等因素影响。为了进一步提升室内定位精度,该研究提出了一种基于接收信号强度指示器（receive signal strength indicator,RSSI）和测量相位融合的无源RFID定位方法（RFID positioning based on received signal strength indicator and phase measurement, RP-RaP）。首先,使用MATLAB 软件进行仿真模拟,在已知测量相位统计学分布的前提下,采用最大似然估计法对标签进行水平定位,同时基于双天线阅读器所测得的RSSI差值对标签进行垂直定位,实现了无源超高频RFID标签的水平和垂直定位仿真。其次,以农产品包装场景为例,在仓库中搭建射频定位测试系统,通过滑轨搭载射频阅读器及天线,对货架物品上的贴附标签进行水平和垂直定位分析,最后将无源标签分别贴附于金属盒、油桶、纸箱、面粉袋和大米袋,并以未贴附标签的测量结果作为对比。试验结果表明,与传统的室内定位算法LANDMARC相比,RP-RaP定位精度明显提升,平均水平和垂直定位精度分别达到94.6%和94.3%,基于接收信号强度指示器和测量相位融合的定位方法有效提升了农产品包装定位精度。研究结果可为大型农产品仓储智能化管理与应用提供参考。     

苗盘钵苗自动识别及控制装置的设计与试验

针对全自动移栽机在田间作业中,因苗盘的钵苗格缺苗而导致的漏栽问题,研制了一种苗盘钵苗自动识别及控制试验装置。该试验装置采用单苗爪取苗,步进电机驱动钵苗盘纵向和横向移动,光电传感器作为钵苗识别装置,由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制核心,触摸屏作为人机界面,可适应不同规格的苗盘参数,可选择对该装置进行手动或自动控制。试验结果表明,该装置可有效地对钵苗格是否缺苗进行自动识别,并控制苗盘输送装置,使缺苗的钵苗格快速跳过取苗爪,提高取苗爪的抓取效率,以降低漏栽率;相对于没有采用钵苗自动识别的移栽模式,该系统漏栽率整体降低了约12%。该研究可为全自动移栽机的进一步自动化智能化设计提供参考。