農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用

王家碩 陳炳舟 楊廣召 朱家瑋 雍飛

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合，使得智慧農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是智慧農(nóng)業(yè)的新興領(lǐng)域，也是近年來的研究熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在減少人力投入、提高生產(chǎn)效率、改善生產(chǎn)品質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)智能車是目前應(yīng)用較廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)器人裝備，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)靈活性、機(jī)動(dòng)性不足的缺陷，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)精度，擁有廣泛的應(yīng)用前景。該文闡述了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的常見類型，分析了國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及問題，并對(duì)其未來的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人;國內(nèi)外現(xiàn)狀;問題

中圖分類號(hào) S126;TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）20-0132-02

Application of Agricultural Robots in Agriculture

WANG Jiashuo et al.

（College of Information Engineering， Tarim University， Alar 843300，China）

Abstract： The close combination of Internet of things technology and agricultural technology makes the application of Intelligent Agriculture in agricultural production increasingly popular. Agricultural robot is an emerging field of agricultural intelligence， and gradually becomes a research hotspot in recent years. Agricultural robot plays an important role in reducing human input， improving production efficiency and improving production quality. Agricultural intelligent vehicle is currently widely used agricultural robot equipment， which can effectively make up for the shortcomings of the existing intelligent agricultural system in terms of flexibility and mobility， improve the accuracy of agricultural production monitoring， and has a wide application prospect.This paper describes the common types of agricultural robots at home and abroad， and discusses the research status of domestic agricultural robots in detail.

Key words： Agricultural robot; Current situation at home and abroad; Problem

近年來，隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平顯著提高，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越重要。農(nóng)業(yè)機(jī)器人涉及的層面十分廣泛，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和制造技術(shù)等多種前沿技術(shù)于一體的綜合體。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，針對(duì)不同地形，移動(dòng)機(jī)器人配有不同載體平臺(tái)，如履帶式機(jī)器人、高地隙輪式機(jī)器人、步行式和輪履式機(jī)器人等;不同的工作環(huán)境也對(duì)應(yīng)著不同種類的機(jī)器人，如采摘機(jī)器人、嫁接機(jī)器人、耕耘機(jī)器人、施肥以及噴霧機(jī)器人和除草機(jī)器人等。采用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可代替人們進(jìn)行笨重且繁瑣的勞動(dòng)，提高機(jī)械化與自動(dòng)化水平，增加農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家們已逐漸開始關(guān)注移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代，移動(dòng)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展越來越成熟，國內(nèi)外大量學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)都對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了研究，且取得了諸多成果。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 采摘機(jī)器人 1995年日本岡山大學(xué)研發(fā)出棚室采摘的履帶式機(jī)器人，采用ccd攝像頭對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，在機(jī)械手臂控制下，機(jī)器人可以完成果實(shí)噴藥、施肥、采摘等一系列動(dòng)作。1996年，荷蘭一所農(nóng)機(jī)研究所（IMAC）研制出專門用于采摘黃瓜的機(jī)器人。該機(jī)器人裝備了紅外識(shí)別系統(tǒng)，可對(duì)黃瓜實(shí)行精準(zhǔn)定位并進(jìn)行采摘，可將采摘的黃瓜放入機(jī)器人自身攜帶的儲(chǔ)物箱內(nèi)，整個(gè)過程可以實(shí)現(xiàn)自主完成。近年來，英國的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出蘑菇采摘機(jī)器人，作物識(shí)別率可以達(dá)到84%，收獲率達(dá)到80%，果實(shí)采摘完成后完整率可達(dá)到62%。

1.1.2 嫁接機(jī)器人 育苗嫁接技術(shù)雖然在歐洲國家早已普及，但嫁接類機(jī)器人研發(fā)產(chǎn)品卻非常少。1989年日本使用TGR 技術(shù)成功研制出一種嫁接輪式機(jī)器人。該機(jī)器人能夠自主完成切斷、合位、接苗步驟，完全滿足農(nóng)作物的嫁接工作要求，嫁接過程中可自主判斷是否缺苗并自動(dòng)跳過，嫁接成功率可達(dá)97%。2003年，洋馬公司研制的T600嫁接機(jī)器人極具代表性，能夠自主實(shí)現(xiàn)砧木和接穗的削切、對(duì)接等工作，平均成功率可達(dá)90%。2004年，Idealsystem公司研制出全自動(dòng)嫁接機(jī)器人。該機(jī)器人采用五角形陶瓷針進(jìn)行結(jié)合，生產(chǎn)效率大幅提高，約1200株/h。

1.1.3 耕耘機(jī)器人 耕耘機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)在于精確定位。1994年，芬蘭農(nóng)業(yè)研究所首次研究出自主行走的耕作機(jī)器人，機(jī)器人平臺(tái)采用履帶式，利用GPS定位技術(shù)和電機(jī)調(diào)速技術(shù)相融合，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行差速導(dǎo)航。近年來，日本電子技術(shù)綜合研究所研制出耕作機(jī)器人，該機(jī)器人可通過傳感器對(duì)田間環(huán)境進(jìn)行判別，同時(shí)根據(jù)GPS判斷自身位置進(jìn)行行走作業(yè)，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工。

1.1.4 施肥及噴霧機(jī)器人 施肥及噴霧機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)田間自動(dòng)行駛功能，同時(shí)還要具備分析土壤成分、配制營養(yǎng)液和精準(zhǔn)施肥的能力。2009年，美國蘇明達(dá)拉州農(nóng)機(jī)公司研發(fā)出施肥機(jī)器人，該機(jī)器人可自動(dòng)對(duì)土壤進(jìn)行檢測(cè)分析，并可根據(jù)分析結(jié)果適量施肥。澳大利亞農(nóng)業(yè)研究所研制出一種節(jié)約型噴霧機(jī)器人，該機(jī)器人具有視覺傳感器，速度傳感器和定位傳感器等多種裝備，能夠識(shí)別雜草并進(jìn)行精準(zhǔn)施藥，除草劑用量僅為人工的10%。

1.1.5 除草機(jī)器人 1988年，美國加州大學(xué)WONSUKLEE等以耕作機(jī)器人為平臺(tái)，研制出基于視覺導(dǎo)航的除草機(jī)器人。該機(jī)器人獲取圖像通過貝葉斯算法將雜草與農(nóng)作物分離開來，經(jīng)控制器操作設(shè)備對(duì)雜草進(jìn)行精準(zhǔn)施藥，精準(zhǔn)施藥率最高可達(dá)96%。瑞典的Halmstad大學(xué)制出一種機(jī)械式除草機(jī)器人，采用ccd相機(jī)識(shí)別農(nóng)作物，控制機(jī)器人沿農(nóng)作物方向行走，利用相機(jī)對(duì)雜草進(jìn)行識(shí)別，最后采用機(jī)械除草機(jī)清除雜草，除草準(zhǔn)確率可達(dá)65%。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.1 嫁接機(jī)器人 1988年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)出一款2JSZ—600型蔬菜嫁接機(jī)器人，可在計(jì)算機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)取苗、接合、排苗等一系列復(fù)雜工作。2005年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出JC-350型嫁接機(jī)器人，該移動(dòng)機(jī)器人采用了直插嫁接法，嫁接成功率可達(dá)90%以上。2005年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)根據(jù)管套式嫁接特點(diǎn)，研發(fā)出了管套式蔬菜嫁接機(jī)器人。

1.2.2 除草機(jī)器人 饒洪輝等研制的基于視覺導(dǎo)航的化學(xué)除草機(jī)器人是國內(nèi)具有代表性的除草機(jī)器人，以拖拉機(jī)為平臺(tái)，配置藥物噴灑裝置，攝像頭捕捉圖像，計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析，識(shí)別出雜草，啟動(dòng)噴藥裝置對(duì)雜草進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，可實(shí)現(xiàn)最大噴灑誤差不超過10cm。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的機(jī)械手抓式除草機(jī)器人采用土槽試驗(yàn)車為平臺(tái)，將除草裝置放置平臺(tái)前端，首先采用DMK21AG04型攝像頭進(jìn)行圖像采集，利用OpenCV進(jìn)行圖像處理，然后利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行雜草清除，雜草識(shí)別率達(dá)到95%，具有很高的實(shí)用性。

1.2.3 采摘機(jī)器人 2009年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)采摘機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究;同年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)研究所將重心投入到番茄采摘機(jī)器人，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。2011年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)成功研發(fā)出黃瓜采摘機(jī)器人，在國內(nèi)極具代表性，它利用攝像頭捕捉果實(shí)，判斷成熟度并進(jìn)行采摘，整套識(shí)別采摘只需15s即可完成。目前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究主要還是以高校為主，雖然在某些關(guān)鍵領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，但與國外還是存在較大差距。

2 存在的問題

從目前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究及應(yīng)用情況看，農(nóng)業(yè)機(jī)器人完全可以代替人類從事一些農(nóng)業(yè)勞動(dòng)，但要達(dá)到普及化，還存在2個(gè)關(guān)鍵問題：（1）農(nóng)業(yè)機(jī)器人的價(jià)格高昂，一般農(nóng)戶及經(jīng)營主體難以承擔(dān);農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有季節(jié)性特征，間接造成農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用效率低下。（2）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)器人的智能程度能夠識(shí)別復(fù)雜的環(huán)境，而目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能體系還不夠完善。

3 展望

隨著全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化進(jìn)程不斷加快，各個(gè)國家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求必將持續(xù)增加，未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。目前發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人的瓶頸是成本和高度智能化問題，但未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人一定是低成本且高適應(yīng)性的。目前，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)是我國當(dāng)前和今后的重要任務(wù)。中央及各級(jí)政府對(duì)農(nóng)業(yè)扶持力度持續(xù)加大，相信農(nóng)業(yè)機(jī)器人將會(huì)成為我國未來農(nóng)業(yè)的重要裝備。

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（責(zé)編：徐世紅）