農業機器人技術在農業工程中的應用及發展趨勢

鄧 科

(綿陽職業技術學院,四川 綿陽 621000)

0 引言

近年來,隨著人口的不斷增長和城市化進程的加速,農業生產面臨著越來越多的挑戰。為了滿足日益增長的人口需求,農業生產需要不斷提高生產效率、降低成本、改善生產環境和保護自然資源[1-2]。在該背景下,農業機器人技術的出現為農業生產提供了新的解決方案。

農業機器人技術是一種集成了機械、電子、計算機和通訊技術的現代化技術,該技術可以通過計算機視覺、傳感器、控制系統和機器學習等技術實現農業生產的自動化和智能化,可以在不同環境和任務下完成各種復雜操作和控制[3]。農業機器人技術已經在種植、噴灑、采摘、除草、施肥等方面得到了廣泛應用,并且已經取得了顯著成果。隨著技術的不斷發展,農業機器人技術在未來還有很大發展潛力。未來的農業機器人技術將更加智能化、自主化,以及更加靈活、可靠,可以應對更加復雜的任務和環境[4]。同時,農業機器人技術還需要面對一系列挑戰,如成本、安全、標準化、監管等。為了推動農業機器人技術的發展,需要加大研究和投資力度,推動技術的創新和應用。

1 農業機器人技術在農業工程中的應用

1.1 應用優勢

農業機器人是一種可以應用于農業領域的機器人技術,主要用于輔助農業生產中的種植、噴灑、采摘、除草、施肥等任務。農業機器人通過集成多種傳感器、計算機視覺、人工智能、機器學習等技術,能實現自主導航、智能決策、自主操作等功能,從而提高農業生產效率、降低生產成本、減少農業生產對環境的影響。隨著技術的不斷發展和應用,農業機器人將成為未來農業發展的重要趨勢和方向。農業機器人具有廣泛的應用前景和優勢,可以有效提高農業生產效率和質量,促進農業可持續發展。農業機器人的應用優勢包括提高農業生產效率、降低勞動成本、精準化農業生產、保護環境和生態、適應多樣化需求等[5-7]。

1.2 應用案例

1.2.1 種植機器人

農業機器人技術在農業工程中的應用非常廣泛,其中最重要的應用之一就是精準種植。機器人可以通過傳感器和計算機視覺技術實時檢測土壤信息和植物信息,幫助農民進行精準種植。機器人可以根據檢測到的信息確定種植的位置和深度,同時還可以在種植時添加肥料和水分。

此外,農業機器人技術還可以應用于測土配方施肥。機器人可以通過傳感器檢測土壤的營養成分和pH值,從而確定合適的肥料種類和施肥量。該技術可以避免過度施肥和浪費資源,同時還可以減少對環境的污染[8]。

1.2.2 噴灑機器人

農業機器人可以通過傳感器和機器視覺等技術獲取作物信息和周圍環境信息,從而確定精確噴灑的藥物量和噴灑區域。例如,在無人機噴灑中,機器人可以使用高精度的GPS技術,根據農田的形狀和大小確定噴灑路徑和藥物用量。此外,機器人還可以根據不同作物需求進行不同噴灑,從而提高噴灑的效果和效率。

通過使用農業機器人技術進行精確噴灑,可以顯著減少農藥使用量和對環境的影響,同時還可以提高農作物產量和質量。此外,機器人還可以通過云端管理平臺進行數據分析和處理,從而實現更加精確的噴灑和管理。

1.2.3 采摘機器人

采摘是農業生產過程中不可或缺的一環,但由于采摘過程對人力成本和效率的要求較高,因此采摘一直是農業生產中的難題。而農業機器人技術的出現為解決這一難題提供了新的思路和解決方案。

農業機器人可以通過機器視覺和機器學習等技術對作物進行分類和判斷成熟度,根據作物狀態和需求實現精準采摘。此外,機器人的采摘速度和效率遠高于人工采摘,可以減少人力成本投入和提高采摘效率。

目前,市場上已經出現了一些具有自主采摘能力的機器人,例如,草莓采摘機器人、蘋果采摘機器人、橙子采摘機器人、番茄采摘機器人等,可以根據果蔬成熟度進行智能采摘,減少了采摘過程中的損耗[9-10]。

農業機器人采摘技術的發展還面臨一些挑戰,例如作物的形態多樣性和對不同成熟度的識別準確性等。隨著技術的不斷進步和發展,這些問題將會逐漸得到解決,農業機器人的采摘技術將會更加成熟和普及。

1.2.4 除草機器人

除草是農業生產中必不可少的任務之一,然而傳統的除草方法通常需要大量人工投入和化學藥劑,不僅費時費力,還會對環境造成不可逆轉的破壞。農業機器人技術可以通過無人機或地面機器人實現自動除草,降低勞動力成本和對環境的污染。

在機器人實現自動除草的過程中,機器視覺和人工智能等技術發揮了重要作用。機器視覺技術可以識別和分類雜草和作物,從而確定需要除草的區域和草種。機器人還可以通過傳感器等技術獲取作物信息和雜草信息,如大小、形狀和顏色等,從而更加準確地判斷需要除草的區域和草種。同時,機器人可以利用機器學習算法學習并識別新的雜草種類,從而不斷提高除草的精度和效率[11]。

除草機器人的實現可以為農業生產帶來許多好處。首先,機器人可以在不破壞土壤結構的前提下進行除草,保護土壤健康和生產環境不被破壞。其次,機器人可以減少農民在除草中的人力投入,節省人力成本和提高工作效率。最后,機器人可以減少農藥的使用量,降低對環境的污染和對作物的傷害。

1.2.5 施肥機器人

農業機器人在施肥方面的應用主要涉及兩個方面:一是測土配方施肥,二是自動施肥。

測土配方施肥是指通過對土壤進行分析,確定作物所需的營養元素和量,并按照比例配置肥料,使肥料的使用效果最大化。傳統的測土配方施肥需要人工采樣和實驗室測試,工作量大且耗時,而農業機器人可以通過傳感器等技術快速獲取土壤信息和作物需求,實現自動化的測土配方施肥。同時,由于機器人可以精準施肥,肥料的使用效率得到提高,可以節省肥料用量,減少對環境的污染,同時也可以降低農民的成本。

自動施肥是指根據作物需求和土壤情況,自動控制施肥量和時機,實現精準施肥。自動施肥可以通過傳感器等技術獲取土壤和作物信息,根據作物生長情況和肥料需求,自動調整施肥量和時機。相比傳統的手動施肥,自動施肥可以大幅度提高施肥的準確性和效率,同時也可以降低農民的勞動強度和成本。

2 農業機器人技術在農業工程中的發展趨勢

2.1 智能化

隨著人工智能和機器學習技術的快速發展,農業機器人將會變得越來越智能化。智能化的機器人可以通過深度學習和機器視覺等技術對大量農業數據進行分析,從而更好地理解作物需求和成長狀態。同時,智能化的機器人還可以通過自主決策,更好地適應復雜的農業環境。

在農作物識別方面,機器人可以通過深度學習和圖像處理技術進行作物識別,自動區分不同作物品種,判斷其生長狀態和需求。在農業施肥方面,機器人可以通過傳感器和數據分析技術,對作物和土壤信息進行監測和分析,并自動調整施肥量和施肥時間,從而實現更加精準的施肥。

智能化的農業機器人將會極大地提高農業生產效率和質量,減少資源浪費和環境污染,帶來更加可持續的農業發展。

2.2 自主化

隨著人工智能和機器學習等技術的發展,未來的農業機器人可以自主完成更多的任務。機器人可以通過多種傳感器實現自主感知環境,并且使用現代導航技術進行自主定位和導航(圖1),例如使用全球衛星定位系統(GNSS)、慣性導航系統(INS)和激光雷達等技術進行導航。此外,機器人還可以利用地圖和路徑規劃算法來規劃最優路徑,并避免障礙物和危險區域,從而實現自主化操作。這種自主化技術可以大大提高機器人的效率和準確性,同時也可以減少人類的操作和干預。

圖1 農業機器人自主定位控制系統

未來的農業機器人還將會越來越注重環境感知和環境適應性。機器人可以通過環境感知技術來獲取作物和土地的信息,例如土壤濕度、光照強度、溫度、濕度等,從而可以更好地適應環境并完成更多的任務。此外,機器人還可以通過人工智能和機器學習等技術對環境信息進行分析和預測,從而更好地為作物的生長和發展提供支持。

在未來,自主化技術還將促進機器人的多功能化。未來的農業機器人將不僅可以完成單一的任務,還可以通過模塊化設計和多功能工具實現多種不同的功能。例如,一個機器人可以同時進行噴灑、除草、施肥和采摘等多種任務,從而大大提高了機器人的效率和經濟效益。

2.3 靈活性

隨著農業技術的不斷發展和進步,農業機器人需要適應越來越多樣化的農業環境和作業需求。因此,機器人將會采用多關節設計和可拆卸式設計等技術實現更靈活的姿態和構型。

多關節設計可以讓機器人具有更多的運動自由度,從而適應更多的工作場景。例如,在采摘任務中,機器人需要具有較大的靈活性和操作范圍,以便更好地收集作物果實。在除草任務中,機器人需要具有靈活的構型,以便在作物之間進行穿梭和操作。

可拆卸式設計可以讓機器人在不同的作業需求下,快速更換和適應不同作業工具和設備。例如,在噴灑任務中,機器人需要使用不同的藥劑和工具,以適應不同的作物和需求。采用可拆卸式設計可以讓機器人快速更換不同的藥劑和工具,從而提高作業效率和靈活性。

2.4 可靠性

保證農業機器人的可靠性是未來農業機器人技術的重要發展趨勢之一。農業機器人需要在不同的環境中長時間工作,例如高溫、低溫、濕度等變化較大的環境。因此,農業機器人需要具有更高的耐久性和可靠性,以確保其在這些環境中的長時間運行。

為了提高農業機器人的可靠性,采用多傳感器冗余設計。這種設計方法使用多個傳感器來測量相同的物理量,以便更好地檢測故障或故障情況。例如,在自主駕駛農業機器人中,使用多個傳感器來檢測道路、路標、障礙物等,以確保機器人能夠準確導航。另外,自主故障檢測技術也是提高農業機器人可靠性的一種方法。這種技術可以在機器人出現故障時自動檢測和報警,從而及時修復故障并避免機器人在故障狀態下工作。

3 結論

隨著全球人口的不斷增長和城市化進程的加速,農業面臨著越來越大的挑戰。農業機器人技術的出現為解決這些問題提供了新的解決方案。農業機器人可以通過自主化、智能化、靈活性和可靠性等特點,實現農業作業的自動化和精準化,從而提高作業效率和生產質量,降低成本和對環境的影響。

未來,隨著技術的不斷發展和應用的不斷推廣,農業機器人將會在農業生產中扮演越來越重要的角色。同時,人工智能、物聯網、云計算等技術的發展也將為農業機器人的應用帶來更多的可能性和機會。

總之,農業機器人技術的發展將會為農業生產帶來更多的機遇和挑戰。隨著技術的不斷進步和應用的不斷推廣,農業機器人將成為未來農業發展的重要支撐,推動農業生產進入全新的階段。