智能機器人在農(nóng)業(yè)自動化中的應(yīng)用研究

0農(nóng)業(yè)機械化新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機械的更新和開發(fā)，智能農(nóng)業(yè)機械的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。機械化的發(fā)展大大解放了勞動力,促進(jìn)了社會化大生產(chǎn),創(chuàng)造了無窮的社會財富,其影響重大而深遠(yuǎn),農(nóng)業(yè)也因此發(fā)生了革命性的改變。對于必須處理復(fù)雜又模糊的信息,還要進(jìn)行綜合判斷的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化來講,只有靠具有與人類相同的知識啟發(fā)和學(xué)習(xí)功能的智能機器人才可能得以實現(xiàn)?？梢灶A(yù)計,21世紀(jì)將是農(nóng)業(yè)機械向智能化方向發(fā)展的重要時期。此文就智能機器人的研究進(jìn)展、應(yīng)用于農(nóng)業(yè)智能機器人的主要技術(shù)、存在問題等方面進(jìn)行論述。1對機器人的研究隨著工業(yè)機器人的發(fā)展,許多國家如日本、美國等對農(nóng)業(yè)機器人的研究工作逐漸啟動,已研制出多種農(nóng)用機器人。中國從20世紀(jì)70年代末開始對機器人進(jìn)行研究。20世紀(jì)90年代以來,“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的研究與應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家受到了普遍的重視,已被國際農(nóng)業(yè)科技界認(rèn)為是21世紀(jì)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)之一。具有相當(dāng)智能的農(nóng)業(yè)機器人是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中有效的裝備之一,從而得到重視和發(fā)展。1.1田間生長機器人生長對農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究已有40年的歷史,美國學(xué)者Schertz和Brown于1968年首次提出應(yīng)用機器人技術(shù)進(jìn)行果蔬的收獲。美國、加拿大、荷蘭、日本、英國等國均已開展了研究。1.1.1番茄采摘機器人日本的Kondo等研制的番茄收獲機器人,由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動機構(gòu)和控制部分組成,用彩色攝像機作為視覺傳感器尋找和識別成熟果實,用7自由度的SCORBOT-ER工業(yè)機器人,機械手活動范圍大,能避開障礙物。為了不損傷果實,機械手的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器,中間有壓力傳感器,把果實吸住后,利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實擰下。行走機構(gòu)有4個車輪,能在田間自動行走,利用機器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板,可檢測是否到達(dá)土埂,到達(dá)后自動停止,轉(zhuǎn)動后再繼續(xù)前進(jìn)。該番茄采摘機器人從識別到采摘完1個番茄只需要15s,成功率在75%左右。1.1.2黃瓜采摘機器人日本的Kondo等研制的黃瓜采摘機器人,采用三菱MITSUBISHIRV-E2型6自由度機械手,利用CCD攝像機,根據(jù)黃瓜比葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。黃瓜和柄的連接與番茄不同,因此采用擰摘方法較難,所以用剪斷方法,先把黃瓜抓住,用接觸傳感器找出柄,然后剪斷,采摘速度為16s/個,由于黃瓜是長條形,受到葉莖的影響更大,所以采摘的成功率較低,大約在60%左右。1.1.5西瓜采摘機器人日本Kyoto大學(xué)研制出一個5自由度液壓驅(qū)動的機器人用于收獲西瓜,包括機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置。因為西瓜在地面上,機器手由5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成,使機械手能在地面工作。1.1.6茄子采摘機器人劉長林等設(shè)計了一種實現(xiàn)田間茄子收獲機器人視覺系統(tǒng)的圖像識別方法。通過判斷茄子圖像每點像素值差值實現(xiàn)分割;通過模板操作及形態(tài)學(xué)上的閉運算操作去除殘留物,最終找到茄子圖像的外接矩形完成提取。經(jīng)試驗測定,對樣本茄子圖像提取成功率為97%,平均速度為0.152s/個。1.1.7櫻桃采摘機器人日本的Kanae等研制了1臺櫻桃采摘機器人。該櫻桃采摘機器人主要由1個4自由度的機械手、三維視覺傳感器、末端執(zhí)行機構(gòu)、1臺電腦和移動裝置構(gòu)成。三維視覺傳感器配備了紅外和紅外激光二極管,這2個激光束對對象的掃描同時進(jìn)行。通過處理三維視覺傳感器來識別果實和障礙物的位置,由此決定末端執(zhí)行機構(gòu)的運動軌跡。果實被末端執(zhí)行機構(gòu)拾起,同時避免與障礙物碰撞。1.2苗木自動接苗和跳苗日本農(nóng)產(chǎn)省1989年成立了TGR技術(shù)嫁接研究所。該研究所研制出了一種嫁接機器人,其嫁接過程分切斷、合位和接苗3個環(huán)節(jié),該機器人為全自動式,若本苗或嫁苗有缺苗時能自動判別,并跳過缺苗盆。該機器人的嫁接成功率為97%,同時也大大提高了作業(yè)速度。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2JSZ-600Ⅱ型蔬菜自動嫁接機采用計算機自動控制,實現(xiàn)了蔬菜苗砧木和穗木的取苗、切苗、接合、塑料固定、排苗等嫁接作業(yè)的自動化操作。1.3苗麻黃、苗麻黃、苗麻黃、苗麻黃、苗麻黃、苗木麻黃、苗麻黃、苗木麻黃、苗麻黃、苗木麻黃、苗麻黃、苗木麻黃、苗麻黃、苗木麻黃、苗麻黃、帶盤、苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、花花花苗麻黃、苗麻黃、苗麻黃、花花花臺灣Ting和Yang等研制的移栽機器人,把幼苗從600穴的育苗盤中移植到48穴的苗盤中。機器人本體部分由ADEPT-SCARA型4自由度工業(yè)機器人和SNS夾持器組成,位于頂部的視覺傳感器確定苗盤的尺寸和苗的位置,力覺傳感器保證SNS夾持器夾住而不損傷蔬菜苗,在苗盤相鄰的情況下,單個苗移栽的時間在2.6~3.25s之內(nèi)。1.4效率與所需資源的比較日本機電技術(shù)研究室開發(fā)出的耕作機器人,在耕作場內(nèi)可進(jìn)行辨別、判斷自身位置和前進(jìn)方向的無人操作,其耕作效率與有人相同。1994年芬蘭開發(fā)出利用GPS和左右兩輪的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行導(dǎo)航的小型履帶式車輛,Hate等開展了用彩色線條傳感器為傳感元件對車輛走向的研究,Yong等研制了以微型計算機為基礎(chǔ)的車輛導(dǎo)向控制器,Choi設(shè)計了一種用無線電波定位傳感器的自動導(dǎo)向系統(tǒng),王榮本等設(shè)計了一種有線圖像識別式自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)。1.5機械桿式噴霧器除草機器人是由電子計算機操作并用雷達(dá)控制的無人駕駛機械。德國農(nóng)業(yè)專家采用計算機、GPS定位系統(tǒng)和多用途拖拉機綜合技術(shù),研制出可準(zhǔn)確施用除草劑的機器人。其特點是,當(dāng)機器人到達(dá)雜草多的地塊時,GPS接收器便會做出雜草位置的坐標(biāo)定位圖,機械桿式噴霧器相應(yīng)部分立即啟動進(jìn)行除草劑的噴灑。英國科技人員開發(fā)的菜田除草機器人使用的是1臺攝像機、1臺識別野草、蔬菜和土壤圖像的計算機組合裝置,利用計算機掃描和圖像分析,層層推進(jìn)除草作業(yè)。美國密歇根大學(xué)開發(fā)了草坪修整機器人,利用已修和未修草坪的分界線進(jìn)行無人駕駛操作割草作業(yè)。日本“久保田鐵工”在割草機前端裝有攝像機,利用圖像處理判斷分割區(qū)域,實現(xiàn)自動駕駛作業(yè)。中國陳勇等研究了控制農(nóng)田雜草的直接施藥方法,并研制了基于該方法的除草機器人,該研究減少了除草劑用量并消除霧滴飄移現(xiàn)象,保護了生態(tài)環(huán)境。1.6機器人上的磁場日本開發(fā)的噴農(nóng)藥機器人外形很像一部小汽車,機器人上裝有感應(yīng)傳感器、自動噴藥控制裝置及壓力傳感器等。在果園內(nèi)沿著噴藥作業(yè)路徑鋪設(shè)感應(yīng)電纜,工作時,電纜中流過由發(fā)送機發(fā)出的電流,在電纜周圍產(chǎn)生磁場。機器人上的控制裝置根據(jù)傳感器檢測到的磁場信號控制機器人的走向。噴藥機器人能夠全自動對樹木進(jìn)行噴藥,控制系統(tǒng)還能夠根據(jù)方向傳感器和速度傳感器的輸出,判斷是直行還是轉(zhuǎn)彎。噴藥機器人的前端裝有2個障礙物傳感器(超聲波傳感器)和按觸傳感器,可以檢測到前方約1m左右距離的情況,當(dāng)有障礙物時,行走和噴藥均停止;當(dāng)機器人和障礙物接觸時,接觸傳感器發(fā)出信號,動作全部停止;機器人左右兩側(cè)裝有緊急手動按鈕,可以用手動按鈕緊急停止。1.7其他裝置設(shè)計日本研制的插秧機器人在沒有任何人力的協(xié)助下,由計算機系統(tǒng)進(jìn)行控制,并通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航,最后通過感應(yīng)器和其他一些裝置來計算出動作的角度和方向,進(jìn)而實現(xiàn)稻田工作的精確定位。作業(yè)時水稻秧苗預(yù)先由傳送帶傳送到約2m長的栽培墊上。然后由機器人推動插秧機,把稻苗栽進(jìn)稻田里。機器人能夠根據(jù)指令準(zhǔn)確地在稻田穿行,移動誤差也小于10cm,碰到田埂還能自行做180°大轉(zhuǎn)彎后繼續(xù)勞作。每個機器人每20min可種植約1000m2的稻田,中途無須作任何停頓。1.8動清潔的成本清潔是造林撫育作業(yè),主要是針對改善約3m高的青年林木的生長環(huán)境。相較于其他森林活動清潔的成本在增加,以致在瑞典每年清洗面積在減少。因此,機器人清洗是提高盈利能力的關(guān)鍵。Karin等設(shè)計了一款林木清潔機器人,該機器人能夠根據(jù)樹木特征庫識別樹木是否應(yīng)作為主干或選擇被截斷。機器人能夠獨立運作并在無人值守的動態(tài)和非確定性環(huán)境下工作。1.9精確飼養(yǎng),提高飼料利用率歐洲科學(xué)家的研究表明,奶牛的精確飼喂和每天多次飼喂不僅可以提高奶牛的產(chǎn)奶量、增強奶牛的體質(zhì)、減少生病機會,還能提高飼料的利用率。精確飼喂的機器人主要由行走機構(gòu)、料箱、分料螺旋和控制系統(tǒng)等部分組成,利用霍爾傳感器和無線識別裝置分別實現(xiàn)自身的精確定位以及奶牛的識別。機器人的控制器采用PIC16F877微處理器構(gòu)成,主要完成機器人的運動控制以及與管理微機的數(shù)據(jù)交換。1.10鮮蛋加工技術(shù)的應(yīng)用對每一枚禽蛋進(jìn)行自動清洗、檢測、分級、噴碼后銷售或深加工,既可使消費者了解每個鮮蛋的生產(chǎn)時間、商標(biāo)、質(zhì)量等級等信息,實現(xiàn)按質(zhì)論價優(yōu)材優(yōu)用,又可以防止生產(chǎn)過程中的交叉感染,實現(xiàn)產(chǎn)品的可追蹤性,既提高了生產(chǎn)者的收益,又確保了消費者的利益。美國、日本、荷蘭等國家鮮蛋處理的自動化技術(shù)水平很高,鮮蛋加工處理設(shè)備有:氣吸式集蛋傳輸設(shè)備、清洗消毒機、干燥上膜機、分級包裝機和電膠打碼(或噴碼))機等,對禽蛋進(jìn)行單個、不接觸人的處理,實現(xiàn)全自動高精度無破損的處理和分級包裝,如荷蘭Hot-Cheers公司推出的FPSMOBA電腦控制雞蛋分級、包裝機。王樹才等為了實現(xiàn)禽蛋檢測與分級的自動化,建立一種輕型自動化系統(tǒng),即禽蛋檢測與分級智能機器人系統(tǒng)(SIRDGE)。SIRDGE將禽蛋的破損檢測、內(nèi)部品質(zhì)檢測以及檢測和分級時的搬運工作聯(lián)系起來,統(tǒng)一由一個關(guān)節(jié)型機器人來完成,能實現(xiàn)禽蛋檢測和分級的全程自動化。2交叉學(xué)科與綜合技術(shù)的結(jié)合農(nóng)業(yè)機器人仍屬于機器人的范疇,他不僅是機械與電子的簡單結(jié)合,也是融合檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、精密機械技術(shù)和計算機技術(shù)等多種技術(shù)于一體的交叉學(xué)科與綜合。2.1系統(tǒng)環(huán)境共享農(nóng)業(yè)多機器人在執(zhí)行任務(wù)過程中,需感知多變環(huán)境中的行走路線、被枝葉遮擋的加工對象、運行中的動態(tài)機器人等,這是農(nóng)業(yè)多機器人準(zhǔn)確完成群體運移、定位工作、工作任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)。目前農(nóng)業(yè)單體機器人主要利用GPS粗定位,定位精度達(dá)到了厘米級,融合陀螺儀、路標(biāo)檢測、地圖匹配、CCD彩色攝像機識別等多種信息檢測手段正被研究應(yīng)用,該檢測手段促使單體機器人運移感知、作業(yè)環(huán)境定位等廣播通信方式下的系統(tǒng)環(huán)境信息共享。目前發(fā)展的彩色CCD攝像機識別與定位作業(yè)感知系統(tǒng),雖感知過程的迭代計算比黑白CCD攝像機工作量大,但感知的信息量大,能改進(jìn)作業(yè)質(zhì)量,適度降低整機硬件成本,適應(yīng)更廣泛的工作環(huán)境條件,因此在分散式、分布式農(nóng)業(yè)多機器人系統(tǒng)開發(fā)有較多應(yīng)用。2.2算法的改進(jìn)為農(nóng)任何一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人的正常工作均有賴于對作業(yè)對象的正確識別與定位,但由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,特別是光照條件的不確定性、環(huán)境的相似性、個體差異性和遮擋等問題的存在,致使對作業(yè)對象的識別與定位技術(shù)仍是有待于解決的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要采用機器視覺技術(shù),但需要融合其他技術(shù),并改進(jìn)圖像獲取和圖像處理算法等,以提高識別與定位的準(zhǔn)確性與精確度。機器視覺技術(shù)利用圖像傳感器獲取物體的圖像,將圖像轉(zhuǎn)換成一個數(shù)據(jù)矩陣,并利用計算機來分析圖像,同時完成一個與視覺有關(guān)的任務(wù)。機器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的研究與應(yīng)用,始于20世紀(jì)70年代末期,研究主要集中于桃、香蕉、西紅柿、黃瓜等農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測和分級。農(nóng)作物收獲自動化是機器視覺技術(shù)在收獲機械中的應(yīng)用,是近年來最熱門的研究課題之一。其基本原理是在收獲機械上配備攝像系統(tǒng),采集田間或果樹上作業(yè)區(qū)域圖像,運用圖像處理與分析的方法判別圖像中是否有目標(biāo)(如水果、蔬菜等),發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,引導(dǎo)機械手完成采摘。2.3信息融合農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)的定位與導(dǎo)航及作業(yè)對象的識別與定位應(yīng)具有更高的智能特性,因此需要融合多種傳感器信息或一些經(jīng)驗知識,實現(xiàn)對環(huán)境信息的充分理解,便于機器人做出正確的決策。信息融合能提高系統(tǒng)的可靠性與分辨率,增加測量空間維數(shù),拓寬活動范圍,從而提高系統(tǒng)在復(fù)雜條件下正常工作的適應(yīng)性與魯棒性。但是,為了提高系統(tǒng)性能,需要結(jié)合新的理論不斷改進(jìn)與完善信息融合算法,也需要加強信息融合效果評價的研究。2.4精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制平臺專家系統(tǒng)一般都具有1個或多個知識庫、規(guī)則庫,能自動進(jìn)行推理和邏輯判斷,有些還有數(shù)據(jù)檢測、智能運算功能,以及友好的人機界面,生產(chǎn)人員稍作培訓(xùn)后就可熟練掌握。專家系統(tǒng)還被用于農(nóng)業(yè)中的灌溉系統(tǒng)等方面,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中正受到越來越廣泛的重視。專家系統(tǒng)(ES)技術(shù)與全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、遙感(RS)技術(shù)等結(jié)合在一起,構(gòu)成了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制平臺,而專家系統(tǒng)是這個平臺的核心,他綜合所得到的數(shù)據(jù)和知識庫中的知識,從人口、效益、資源和環(huán)境等方面綜合考慮,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化、形象直觀的信息和決策服務(wù),具體到為每一塊農(nóng)田提供品種、施肥、灌溉、病蟲害防治、產(chǎn)后處理和銷售等的輔助決策。將來建造農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)更多地需要數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘、貝葉斯概念推理等理論的支持。3問題3.1對農(nóng)業(yè)機器人智能問題的研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點要求農(nóng)業(yè)機器人具有相當(dāng)?shù)闹悄芎腿嵝陨a(chǎn)能力以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境,例如辨識和避障能力等。專家紛紛把研究重心從機械部分轉(zhuǎn)向機器視覺、人工智能方面,力圖解決農(nóng)業(yè)機器人的智能問題。技術(shù)上在自動導(dǎo)航、視覺辨識定位等方面已有成熟的解決方案,但總的來講,智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善,農(nóng)業(yè)機器人的智能程度還不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要,很多任務(wù)無法由農(nóng)業(yè)機器人單獨完成,且高智能帶來的高成本也制約著農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展應(yīng)用。3.2使用效率低,成本過高目前研制出來的農(nóng)業(yè)機器人大都只針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一環(huán)節(jié)的某一項作業(yè)而言,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征之一是季節(jié)性強,造成了農(nóng)業(yè)機器人的使用效率低,間接地增加了農(nóng)業(yè)機器人的成本。其性價比不能滿足市場的需要,成為制約農(nóng)業(yè)機器人商業(yè)化和進(jìn)一步研究應(yīng)用的瓶頸問題。3.3視覺傳感器的選擇在農(nóng)業(yè)機器視覺導(dǎo)航應(yīng)用中,存在受自然光照等外界環(huán)境干擾較大,作物品種差異大、作物缺失、背景多變等復(fù)雜因素