采摘無人機研究綜述

謝 嘉，吳家楨，李永國*，梁錦濤

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.西安電子科技大學，西安 710071）

0 引言

現有的采摘機器人的移動平臺主要是基于在地面行走設計[1]，如中國農業大學的黃瓜采摘機器人用的是履帶式移動平臺[2]，國家農業智能裝備工程技術研究中心的草莓采摘機器人用的是輪式移動平臺[3]。其他如基于軌道移動、腿式、輪履復合式、輪腿復合式等移動方式的農業機器人也有研究人員在著手研究。因此目前采摘機器人主要作業目標都是低矮果樹，并不適用于較高果樹以及山區間的果樹的采摘任務。如采摘香榧果仍是靠人利用蜈蚣梯爬到樹上采摘，由于香榧樹濕滑、樹枝容易斷裂經常發生墜人事故，采摘代價十分高昂。

采摘無人機以無人機為移動載體攜帶采摘末端執行器進行高空采摘作業任務，在三維空間中相較于地面采摘機器人具有更高的自由度與靈活性。對采摘無人機進行研究可以有效的拓展采摘機器人的適用范圍，實現對長勢較高的果樹以及山間果園的采摘，降低人工采摘的風險。

近年來陸續有科研人員對采摘無人機進行研究，國外已有企業生產相關的產品推向市場，并計劃于2021年引進國內。國內對采摘無人機的研究以高校為主，相關設計的專利申請數量逐年增加。本文將對采摘無人機的國內外研究現狀、采摘執行器的設計進行詳細的梳理與綜述，并對采摘無人機的系統建模、控制、避障與續航問題進行分析與展望。

1 研究現狀

1.1 國外研究現狀

以色列的Yaniv Maor創立的Tevel公司對采摘無人機進行了多年的研究，在2020年推出了一種以無人機采摘為核心的果園收獲商業方案。該方案中有一采摘無人機如圖1，其具備一前伸的機械臂，通過視覺傳感器對果實進行位置與成熟度的識別。當識別到適合采摘的果實時，無人機會飛至果樹旁利用前伸的機械臂抓取果實，通過旋轉擰斷的方式摘取。無人機將采摘下來的果實置于隨行的地面收集裝置中，同時收集裝置也是無人機動力的來源通過電線供電[4]。

圖1 TEVEL公司推出的的采摘無人機產品

同時該公司還設計有多款采摘無人機方案，其中一種設計有一網狀籠子罩在采摘裝置外，采摘裝置可以是拉臂或者切割臂，采摘后的果子可以順著網籠垂在無人機下方攜帶，實現果實的連續采摘。另一款采摘無人機的收割臂如圖2(a)所示，其主要部分是一中空管，其中有穿過其中的線，所述線在其端部處具有環，使得所述環能夠抓住果實的柄，并且拉下或切下果實。針對果實采摘無人機果實收集困難的問題，在另一方案設計中采用了在果園中架設收類蹦床集底座的方法如圖2(b)所示，采摘機器人如圖2(c)只需要利用攜帶的鋸盤將目標果實的果柄切斷使果實自然掉落到收集底座上，由于具有底座彈性而不會受損，隨后順著軌道滑落到收集容器中[5]。

圖2 TEVEL公司多款采摘無人機方案設計

1.2 國內研究現狀

2016年廣東工業大學的張桃桃利用可拓設計的方法對無人機水果采摘進行了結構設計，該方案主要是由飛行器主體、機械手臂、平衡裝置與收集裝置組成。通過可拓學中的轉換橋方法得出在無人機載重限制的情況下，減小飛行器往來頻率的方法可采用在飛行器上添加水果導落管，讓采摘末端執行器切割下來的果實順著管道落至地面收集庫中，但是這種方案會使得采摘無人機縱向尺寸的增加[6]。

2018年昆明理工大學的朱慧斌等人設計了一種用于采摘堅果的小型無人機，該無人機體積小巧利用單螺旋槳提供飛行動力。其工作部分由夾持機構和小型圓盤鋸組成，當夾持住目標果實后，通過齒條帶動旋轉的圓盤鋸向果柄前移完成切割[7]。

2019年華南農業大學的唐昀超等人申請了一種帶有仿生蛇嘴采摘機構的無人機如圖3所示。該無人機通過蛇嘴上部的雙目相機對果實進行標定，由于其蛇嘴的造型，在接近目標時能將遮擋的樹枝引導至兩側，從而實現對果實的精確抓取。其蛇嘴內部上下共有14個刀片，利用電磁鐵與旋轉電機實現咬合動作實現果實的分離，并通過傾斜導軌將果實引入到蛇頸下端通向收集筐的尼龍網中。該設計對采摘環境與采摘偏差有較好的容錯率，并減少了無人機往返收集點的頻率，提高采摘效率[8]。

圖3 帶有仿生蛇嘴采摘機構的無人機

2 采摘無人機采摘末端執行器

采摘末端執行器是采摘無人機的重要部件，同時也是對不同設計的采摘無人機進行分類的依據之一。目前在采摘無人機的采摘末端執行器設計方面與地面采摘機器人相似，考慮到無人機本身對負載的限制，所使用的采摘末端執行器應考慮輕量化設計。

2.1 機械切割型采摘末端執行器

機械切割型采摘末端執行器的設計原理簡單，其主要是通過抓取到目標果實后，通過刀具或鋸盤等對抓取果實的果梗進行切割處理。

郭新溢設計的四旋翼采摘飛行器帶有雙切刀末端執行器，當果實落入第一切刀和第二切刀圍合而成的凹槽內時，電機工作帶動擺臂擺動，使得兩切刀沿著內外環支架組成的槽轉動實現切果柄作業[9]。紹興文理學院設計的一種無人機香榧果采摘器，通過在夾爪的上下爪都安裝上切割刀片，當夾爪抓取果實的同時對其果梗進行切割，由于刀座的刃口設計為V字形，減小了剪切力同時可以將香榧果的果柄牢牢固定[10]。

2.2 熱切割型采摘末端執行器

熱切割型采摘末端執行器是通過激光光束、電極切割等通過高溫將果柄燒斷。該方法能夠防止植物傳染病，控制水分蒸發有利于果實的保鮮[11]。江蘇大學的劉繼展等人對利用激光對果柄進行切割進行了研究，得出激光切割的非接觸穿透和切割對果梗直徑變化、焦斑定位與入射角度誤差具有良好的適應性[12]。

昆明理工大學的海建平設計的無人機自動椰子采摘裝置，該裝置的采摘機構由一倒刺鏢發射器與微型激光切割機組成。倒刺發射器內有多個類魚鰾的倒刺，發射后能插入椰子殼中，并通過繩子與無人機相連接。激光切割機針對被鎖定的果實的果蒂進行切割，結束后果實會垂吊于無人機下方，可繼續下一個目標的采摘[13]。

2.3 拉扭型采摘末端執行器

該類型的末端執行器在抓取到目標果實后，通過向后拉扯或旋轉末端使果柄被分離，是一種模仿人手采摘收獲的方式。該方法適用于果梗的韌性不大，較好分離的果實采摘中。

Tevel公司設計的某型采摘無人機如圖4所示，其于無人機載體部分設計有一環繞的保護罩，在保護罩上布置了各類傳感器，整體主要機構集中設計在無人機中心部分，具有一定的防撞安全性。果實的采摘通過水平前伸的采摘末端合住目標水果后，將果柄擰斷[5]。

圖4 帶有防護罩的采摘無人機

2.4 振動型采摘末端執行器

振動型末端執行器，通過振動器或撞擊樹木使果樹發生振動，從而使水果與果柄分離。該類型的主要目標一般為一些喬木的果實以及藍莓與棗等，常在樹下設計采集網收集掉落的果實。

同濟大學的司慧萍等人設計了一震動式松果采摘無人機如圖5所示，該無人機利用兩螺旋槳運動，第一螺旋槳提供升力，第二螺旋槳提供側向推動力。無人機飛至目標位置后，控制無人機下端兩排鉸鏈抱緊樹干，再激活激振器產生振動讓周圍的果實受振掉落[14]。

圖5 震動式松果采摘無人機

3 采摘無人機研究關鍵點

采摘無人機是一種新型采摘機器人其需要考慮的問題如圖6所示，其許多研究點與現有采摘機器人是相同的，如圖像識別的研究包括對果實的識別、對障礙物樹枝樹葉的識別和對果實成熟度的判斷；對采摘末端執行器的設計與力控制研究從而實現高效、無損的采摘；對采摘軌跡的設計與優化等。下文將對由于采用了飛行平臺后所帶來的問題進行論述分析。

圖6 采摘無人機研究分析圖

3.1 采摘無人機的系統建模的問題

采摘無人機的模型通常應由3部分組成：采摘無人機的3維剛體動力學模型、作業裝置的動力學模型、無人機的空氣動力學模型[15]，前兩者具有較強的耦合性故可以作為一個整體進行建?？紤]。

當考慮采摘無人機的動力學模型時，參考文獻[16]利用拉格朗日方程法構建的作業型飛行機器人的模型，可知采摘無人機的位姿、采摘裝置的位姿、采摘無人機受到的力、力矩以及采摘裝置工作時受到的外部力、力矩干擾等都會對模型產生影響。

當考慮采摘無人機的空氣動力學模型時，首先應當按照旋翼結構進行區分為單旋翼采摘無人機與多旋翼無人機。盡管兩者的原理都是通過旋翼產生的升力使得無人機飛行，但是兩者的空氣動力學模型并不相同。參考文獻[17，18]可知，相較于單旋翼無人機依靠主旋翼與復雜結構產生氣動力導致的復雜空氣動力學模型。多旋翼無人機由于其簡單的旋翼機構與對稱的機體結構，其空氣動力學模型較前者更為簡單，且能減少控制的耦合性。

此外對于采摘無人機的自主控制建模方法還可分為兩種，一種是將載體無人機與采摘裝置的耦合作用考慮為內部因素的總體建模方法，一種是將采摘裝置產生的擾動視為外部干擾分別對無人機與采摘裝置建模的獨立建模方法[15]。

因此選用多旋翼無人機作為采摘無人機的基本載體，同時采用總體建模的方法能有利于降低采摘無人機的耦合性以及設計統一的控制器來保證整體系統的運動性能。

3.2 重心的偏移與轉動慣量變化的問題

當采摘無人機的采摘裝置進行運動以及抓取果實時，都會導致整體重心的偏移與轉動慣量的變化，從而使得無人機的飛行不平穩，甚至會發生傾覆墜落的情況。

連杰等人在無人機作業部分設計了一重心調節機構，其利用了機身電池作為配重。同時設計了一種重心調節的控制器，能夠動態計算出復合系統重心位置的該變量，得出對配重的合理位移，從而實現對無人機系統整體的重心調節。通過樣機試驗，該方法響應迅速，相較于其他重心調節機構可以為負載留有更大余地[19]。

鐘杭等人通過建立帶臂無人機的系統模型，對系統重心進行了估算，得出當目標抓取物體的質量被估測完后，系統的重心只會與作業機械臂的關節角度相關。進而運用反演法設計了一姿態穩定控制器對重心偏移進行補償，有效的提高了對無人機位姿的控制[20]。

3.3 采摘無人機的避障的問題

對于其他作業任務的農用無人機，樹木常常作為障礙物而避開，而采摘無人機則需要身處果園的復雜環境并貼近目標果樹，這對無人機的避障提出了更高的要求。

無人機的避障主要依靠各類避障傳感器與避障技術，用于各種避障環境中的避障傳感器主要有：超聲波傳感器、單/雙目視覺傳感器、結構光傳感器、激光/紅外傳感器、微波雷達等[21]。部分傳感器由于其測量原理使得在無人機采摘作業的環境下并不適合，例如結構光傳感器適合復雜環境下的機器人測量與控制任務，但是在室外環境下自然光會導致其功能幾乎失效[22]。

融合多個傳感器的避障系統，將更加適合采摘無人機，例如極飛科技的V40系列農用無人機與大疆創新設計的T30植保無人機搭載了多種避障傳感器與避障技術以實現無人機的精確避障與精細化作業。

3.4 采摘無人機的續航的問題

相較于地面采摘機器人，采摘無人機在續航方面會面臨更大的考驗。無人機本體的重量對續航有很大影響，因此利用復合材料的無人機輕量化研究，一直是提升續航方面的重要研究方向。江蘇大學的郭學偉選用碳纖維復合材料并對機翼部件的鋪層結構進行了優化設計，新的方案使機翼質量減重64%，結構效率提高了70%[23]。西北農林科技大學的師志強通過對農用無人機的氣動參數進行優化，實現了優化后的無人機飛行時間明顯長于原始布局[24]。

現有的無人機常用高倍率鋰電池作為動力來源，而燃料電池因其高效、無污染、噪聲小等特點被認為在未來更適合于無人機。西北工業大學的趙冬冬對無人機燃料電池的陰極供氣系統建模與控制進行了研究，提出的FFM控制可實現燃料電池在0～3999m寬工況條件下的運行[25]。而電子科技大學的王仁康設計了一結合了燃料電池與鋰電池的無人機用燃料電池多電混合電源系統，使其能夠滿足負載變化劇烈的懸浮翼無人機的長續航[26]。

采摘無人機在設計時可以綜合多種延長續航的方法，從結構設計與材料的選擇之初就應遵循輕量化設計的要求，同時對機體的氣動性能進行優化設計等。采摘無人機也可以選擇利用隨行供電設備進行供電，供電設備收集裝置相結合的方案。這種方案能給無人機提供更長時間的續航以及機身負載的減輕，但會對采摘無人機的工作范圍造成一定程度的限制。

4 結語

采摘無人機有著作業功能的專業性、作業環境的復雜性、作業對象的復雜性等特征[27]?，F有的采摘無人機的研究多處于設計階段，國內相關研究主要體現在專利申請上，許多設計比較理想化并未落地試驗，相關的控制問題還有待進一步解決。采摘無人機相較于地面采摘機器人對續航、控制、避障等方面都提出了更高的要求。

實現良好的采摘作業任務后，如何降低操作難度實現更高的自動化、降低制造成本、提高采摘效率以及模塊化作業裝置的設計，實現一機多用等都可以是在研究后期考慮的。同時在今后采摘無人機的發展中若是有合理的農藝的配合將能更高效率、更高質量的實現智慧農業采摘。

本文對國內外采摘無人機的研究進行整理，并結合其他無人機領域如空中作業機器人、農用植保無人機等對采摘無人機研究中所應注意的研究點進行了分析，對后續科研人員從事該方面的研究具有一定的參考意義。