智能化除草機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望

邢占強

摘要：為緩解機械施藥技術(shù)存在的浪費農(nóng)藥及污染生態(tài)環(huán)境問題，給出一種智能化除草設(shè)備的設(shè)計方案。綜述智能化除草機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹除草機器人技術(shù)原理及其重要技術(shù)內(nèi)容，展望其發(fā)展趨勢及前景，為發(fā)展智能化除草機械提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：除草機器人；機械除草；智能；運動主體；末端執(zhí)行器

中圖分類號：S224.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）05-0037-02

1 除草機器人發(fā)展概況

我國是農(nóng)業(yè)大國，80%的人口是農(nóng)民，人均土地擁有量少，農(nóng)業(yè)機械化、自動化的需求不如發(fā)達國家那么迫切，因此，農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展相對滯后。目前，我國已經(jīng)進入人口老齡化時期，加之受城鎮(zhèn)化進程的影響，農(nóng)村勞動力數(shù)量大為減少。這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本不斷提高，農(nóng)民的勞動強度越來越大。

目前，我國主要使用化學(xué)藥劑和人工的方式除草，其特點是勞動強度大、耗時費力、效率低、效果差，除草工作完成后，幼苗仍受不同程度的草害威脅。濫用農(nóng)藥在很大程度上造成農(nóng)民直接或間接經(jīng)濟損失，如人身中毒、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留量超標、環(huán)境污染、藥害、生物鏈破壞、農(nóng)藥浪費等。隨著人們生活水平的提高，人們開始重視生存環(huán)境，對食品安全也越來越關(guān)注。長期以來，我國在機械施藥技術(shù)方面的規(guī)范混亂短缺、無章可循，加之廣大用戶的機械施藥技術(shù)水平低、安全施藥意識淡薄，導(dǎo)致每年因施藥不當而中毒傷亡的人數(shù)高達10萬人左右。同時，由于使用不當，農(nóng)藥大量飄移流失，導(dǎo)致農(nóng)藥有效利用率僅為30%左右，嚴重污染農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在大田除草的生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，智能型機器人開始融入其中：從產(chǎn)生到現(xiàn)在，從國外到國內(nèi)，從圖像識別分析到機械手準確定位。目前，發(fā)達國家已經(jīng)廣泛開展農(nóng)業(yè)機器人研究。近年來，瑞典、丹麥、荷蘭等歐洲國家及美國、日本等相繼開展雜草識別和除草機器人的研究。雖然我國對除草機器人的研究剛剛起步，但隨著國家對農(nóng)業(yè)機器人重視程度的提高，農(nóng)業(yè)除草機器人的研究領(lǐng)域必將取得重大突破，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力提高方面發(fā)揮重要作用。

2 除草機器人技術(shù)原理及其重要技術(shù)

除草機器人的硬件部分由PC處理機、運動主體、末端執(zhí)行器、攝像頭等組成（見圖1）。

在除草機器人的設(shè)計中，攝像頭的視覺圖像分析運動主體的靈活快速響應(yīng)和末端執(zhí)行器的指令執(zhí)行為關(guān)鍵所在。

2.1 除草原理

除草機器人工作原理：在PC處理機內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫，存儲作物生命特征，并作為對照；除草工作時，攝像頭沿著作物生長的壟條進行拍攝，并將所拍攝的地貌特征影像輸送到PC處理機內(nèi)進行比對分析，然后快速響應(yīng)，控制各電器部件完成運動主體的前、后、左、右、上、下移動且與作物保持安全距離，由末端執(zhí)行器在所經(jīng)過的區(qū)域完成除草工作。

2.2 實施除草的重要技術(shù)

2.2.1 視覺圖像分析 利用機器視覺導(dǎo)航技術(shù)引導(dǎo)除草機器人沿著農(nóng)作物行自動行走，同時利用機器視覺技術(shù)檢測農(nóng)作物行間作物位置。

主要應(yīng)用方法：1） 基于OCD-ICP的圖像配準方法。該方法利用圖形學(xué)原理，對圖像邊緣角點候選點集提出4個篩選規(guī)則，逐步篩選優(yōu)化的角點集，并在此基礎(chǔ)上利用迭代最近點的方法得到最優(yōu)配準。2） 基于HSI顏色分量的顏色特征提取方法。該方法結(jié)合HSI顏色分量反映物體本質(zhì)顏色的特點，采用直方圖多閾值分類方法量化各HSI顏色分量，組合量化后的顏色分量提取圖像顏色特征，對該方法提取的視覺圖像顏色特征進行聚類，并對視覺圖像進行分割。

大部分方法都是多種原理并用，采用先進的彩色處理技術(shù)，基于一定的平臺技術(shù)。我國的相關(guān)技術(shù)還有很大的需求和發(fā)展空間，國外在這方面的研究比較成熟和先進。

2.2.2 運動主體的準確快速響應(yīng)和末端執(zhí)行器的指令執(zhí)行 除草機器運動主體運送末端執(zhí)行器在作物間行走除草并繞過作物所在位置。在整個過程中，機器人的圖像識別處理能力直接決定作業(yè)效果。運動主體及末端執(zhí)行器的行走路徑分別見圖2和圖3。

主要應(yīng)用方法：1）在三維軟件中建模，然后利用模型在三維軟件環(huán)境中進行仿真，模擬在不同路面條件下機器人的移動滑移效果，并根據(jù)機器人的運動學(xué)特性重建出不可測的滑移量。將滑移量傳遞給控制器參數(shù)設(shè)計出滑移補償控制器，并進行三維軟件與MATLAB聯(lián)合仿真。仿真效果表明，該控制器可以有效地補償滑移效果，改善移動機器人在滑移狀態(tài)下的控制精度。2）數(shù)字圖像處理和計算機視覺技術(shù)發(fā)展十分迅速，廣泛地應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域，是智能機器人獲取外部信息和理解世界的重要途徑。運動檢測與目標跟蹤是計算機視覺中兩個最重要的應(yīng)用，也是實現(xiàn)智能化識別及除草的關(guān)鍵技術(shù)，借助傳感器信息執(zhí)行部件能夠快速安全地到達目標點，并實施除草的動作指令。

3 除草機器人發(fā)展趨勢

隨著信息化時代的到來和設(shè)施農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式也乘上了“現(xiàn)代化的快車”，而農(nóng)業(yè)的新發(fā)展離不開生物工程與信息化。除草機器人融合田間測繪、變量操作和決策支持系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，將在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中擔當主體角色。

使用除草機器人可以提高勞動生產(chǎn)率，解決勞動力不足問題，改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，避免農(nóng)藥對人體的傷害。因此，開發(fā)高效去除雜草、降低甚至消除生態(tài)污染的自動化除草機器人十分必要。從長遠來看，除草機器人具有很高的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益。

未來，我國農(nóng)業(yè)機器人將會朝著更加智能、準確、高效、綠色的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，特別是除草機器人的發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)高效產(chǎn)業(yè)化的組成部分，會使我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展更加現(xiàn)代化、科學(xué)化。

參考文獻

[1] 楊晶東，楊敬輝，洪炳镕.移動機器人視覺圖像特征提取與匹配算法[J].計算機應(yīng)用研究，2009（9）：3526-3529.

[2] 侯學(xué)貴，陳勇，郭偉.除草機器人田間機器視覺導(dǎo)航[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39（3）：106-108.

[3] 陳勇，田磊，鄭加強.基于直接施藥方法的除草機器人[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005，36（10）：91-93.