果園噴霧機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

董文杰

（溫州大學(xué)，浙江溫州325035）

果園在我國(guó)農(nóng)業(yè)占據(jù)重要的分量，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)有統(tǒng)計(jì)到2020年，中國(guó)的果園將會(huì)穩(wěn)定在2 億畝，約占耕地約12%[1]。常年多次噴施農(nóng)藥對(duì)施藥機(jī)械作業(yè)水平要求較高，但是我國(guó)果園施藥裝備相對(duì)落后，很多地區(qū)仍然使用低端噴霧機(jī)械[2]。在農(nóng)業(yè)噴施過(guò)程中霧滴漂移和農(nóng)業(yè)殘留比較嚴(yán)重；為了達(dá)到良好的防控效果，經(jīng)常采用過(guò)量施藥方式，對(duì)周圍環(huán)境和人產(chǎn)生嚴(yán)重影響，繁瑣的施藥作業(yè)不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。在果園施藥領(lǐng)域改善施藥裝備和提高施藥技術(shù)水平是提高果品品質(zhì)的重要途徑。果園施藥機(jī)器人作為一種新型施藥機(jī)械，利用機(jī)器人搭載施藥設(shè)備，在控制系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧。果園機(jī)器人在應(yīng)對(duì)我國(guó)農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力不足的現(xiàn)狀中能夠發(fā)揮巨人的作用，同時(shí)能夠降低果園生產(chǎn)中的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了果園生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

1 果園施藥機(jī)器人概述

1.1 果園施藥機(jī)器人的介紹

如圖1所示，果園施藥機(jī)器人是利用導(dǎo)航技術(shù)、病蟲害識(shí)別技術(shù)、變量施藥技術(shù)、底盤技術(shù)等多種技術(shù)融合的智能化機(jī)械，由導(dǎo)航系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。果機(jī)器人能夠自主避障并根據(jù)樹形和樹高自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭噴霧；機(jī)器人自動(dòng)行走系統(tǒng)利用RTK 定位和其他定位方式實(shí)時(shí)建模，實(shí)現(xiàn)較為理想的路徑規(guī)劃[4]。噴霧系統(tǒng)能夠根據(jù)病蟲害檢測(cè)系統(tǒng)反饋值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧量，通過(guò)高壓霧化后再通過(guò)風(fēng)送裝置進(jìn)行二次霧化，可形成比傳統(tǒng)噴霧槍更加細(xì)膩的霧滴，作業(yè)效果更加。

1.2 國(guó)外果園機(jī)器人發(fā)展概況

西方國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人在20世紀(jì)80年代開始發(fā)展應(yīng)用，其中日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展速度最為迅速，種類最為齊全，引領(lǐng)世界農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展[5]。20世紀(jì)90年代，日本率先研制了基于模糊控制算法的電磁誘導(dǎo)式果樹噴霧機(jī)器人，機(jī)器人位置傳感器根據(jù)地下30m 的電纜發(fā)送機(jī)發(fā)出的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制走向，控制了機(jī)器人的走向，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化作業(yè)[6]。英國(guó)科學(xué)家研制了了一種新的導(dǎo)航定位系統(tǒng)機(jī)器人，這種機(jī)器人利用CCD 攝像機(jī)和機(jī)器人左右行走輪的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。進(jìn)入21世紀(jì)，信息時(shí)代開始后，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展十分快，智能技術(shù)應(yīng)用開始在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中廣泛應(yīng)用。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)Tony Grift 博士和他的學(xué)生Nathaniel Gringrich 開發(fā)出了一種太陽(yáng)能除草機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人裝有超聲波探測(cè)器、全球定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自主避障和精確定位，搭載的小型攝像機(jī)和一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)可以精確判斷出雜草，利用刀片切斷機(jī)器人并涂抹除草劑[7]。Blue River 開發(fā)出一種新型施藥機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)機(jī)器視覺技術(shù)分辨雜草和作物，利用機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制農(nóng)藥噴灑，大大降低了農(nóng)藥的浪費(fèi)。丹麥人發(fā)明了如圖2所示的基于拖拉機(jī)載體的果園施藥機(jī)器人，采用RTK-GPS 導(dǎo)航器，增加了光纖陀螺以提高導(dǎo)航能力，以提高航向精度和激光掃描儀，而且配有自主避障功能。增加緩沖器作為終極安全裝置，緩沖器可以使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，保證拖拉機(jī)在遇到障礙物前緊急停車。國(guó)外果園機(jī)器人一般以大中型為主，主要是因?yàn)閲?guó)外果園的種植標(biāo)準(zhǔn)化程度高，而且地勢(shì)較為平坦、面積大[8]。

1.3 國(guó)內(nèi)施藥機(jī)器人發(fā)展概況

相對(duì)而言，我國(guó)果園地勢(shì)多變地形復(fù)雜，密植型種植需要體積較小的機(jī)器人[9]。經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展，我國(guó)也建立了相應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)體系。在我國(guó)得到初步應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有嫁接機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、草莓和林果采摘機(jī)器人、噴藥機(jī)器人等[10]。但是我國(guó)對(duì)果園施藥機(jī)器人的研究比較少，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)也比較少。我國(guó)科研人員提出直接施藥的方法并研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)除草機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器標(biāo)志著我國(guó)能自主研發(fā)農(nóng)業(yè)類機(jī)器人。依托高校的研究，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)果園施藥機(jī)器人的發(fā)展。在國(guó)家科技項(xiàng)目的支撐下，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)自主行走和智能噴藥，研制了電磁誘導(dǎo)式噴霧機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了直線行走和45°轉(zhuǎn)彎[11]。西北農(nóng)林科技大學(xué)研究了基于紅外掃描的果園自動(dòng)噴藥機(jī)械的控制系統(tǒng)；西南大學(xué)研究了基于超聲波傳感器的輪式噴霧機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)?；贑CD 傳感器的自動(dòng)化可視除草機(jī)器人系統(tǒng)由我國(guó)科學(xué)家在2011年研制成功，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化除草。現(xiàn)在我國(guó)機(jī)器人帶有移動(dòng)平臺(tái)、升降平臺(tái)和執(zhí)行系統(tǒng)等智能化較高的裝置。圖3 為迅凱科技研發(fā)柑橘施藥機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)果園精細(xì)化管理柑橘施藥自動(dòng)巡航機(jī)器人是基于雙頻RTK 技術(shù)進(jìn)行果園路徑的規(guī)劃及導(dǎo)航，該機(jī)器人的特點(diǎn)是小型化、載藥量大、操作簡(jiǎn)單，而且可以在夜間操作。采用風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)，履帶底盤，適合丘陵坡地等南方地形作業(yè)。該裝置帶有液面?zhèn)鞲衅?，?shí)現(xiàn)自動(dòng)返航加載藥液。裝備的適量噴霧系統(tǒng)可根據(jù)樹形樹冠自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭噴霧。最重要的是通用性高，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的模塊更換后，就可以實(shí)現(xiàn)其他功能，如除草、開溝、水果運(yùn)輸?shù)取?/p>

2 果園施藥機(jī)器人精準(zhǔn)施藥技術(shù)

果園施藥機(jī)器人要通過(guò)病蟲害識(shí)別技術(shù)和變量施藥技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧。首先是病害識(shí)別問(wèn)題，這是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，即復(fù)雜的作物生長(zhǎng)環(huán)境中精確識(shí)別作物、對(duì)于相似病害的識(shí)別率很低、檢測(cè)角度單一等，未來(lái)應(yīng)該在這方面做更多研究，特別是多病害識(shí)別技術(shù)。其次是精準(zhǔn)施藥問(wèn)題，精準(zhǔn)施藥目的是提高農(nóng)藥利用率和降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境和人體副作用，目前比較常用的方式是變量施藥，變量施藥技術(shù)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。

2.1 病蟲害識(shí)別技術(shù)

病蟲害的檢測(cè)始終是一個(gè)重要的問(wèn)題，直接導(dǎo)致了施藥效果的質(zhì)量。果樹病蟲害識(shí)別是利用作物病害時(shí)其形狀、紋理、顏色等會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)作物特征提取、處理等操作鑒別病害種類、程度。病蟲害檢測(cè)主要有光譜成像技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)。

2.1.1 光譜技術(shù)

光譜技術(shù)是根據(jù)已有的光譜數(shù)據(jù)分析目標(biāo)作物的病蟲害，檢測(cè)準(zhǔn)確率依賴于所建數(shù)據(jù)庫(kù)的好壞。光譜技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)普遍存在病蟲害種類不全，設(shè)備昂貴等問(wèn)題。

馮潔[12]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多光譜技術(shù)，對(duì)抓取的黃瓜圖像進(jìn)行灰度值處理，建立了病蟲害識(shí)別模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：能對(duì)紅粉、黑星、白粉病識(shí)別，其中對(duì)白粉病識(shí)別率達(dá)到百分之百。遲茜等[13]通過(guò)采集有損和無(wú)損的獼猴桃的近紅外光譜信息，對(duì)光譜信息的特征波長(zhǎng)進(jìn)行提取，對(duì)高光譜圖像用ENVI軟件的BasicTools/Masking 進(jìn)行掩模處理，利用Matlab2011a 對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行分割處理，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波和閾值分割，灰度閾值為230，并提出了早期隱性損傷獼猴桃的識(shí)別算法，該算法對(duì)有損獼猴桃的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到97.9%。此研究表明近紅外光譜技術(shù)對(duì)于識(shí)別早期有損獼猴桃是可行的。

2.1.2 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)，涉及學(xué)科眾多，主要應(yīng)用視覺設(shè)備和計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬人的視覺功能，從所采集的圖像中通過(guò)提取、處理、分析得到所需信息。現(xiàn)在基于機(jī)器視覺的植物病害識(shí)別主要通過(guò)有色圖像分割，其效果依賴于訓(xùn)練模型的質(zhì)量。

鄭建華[14]等研究了基于多特征融合與支持向量機(jī)的葡萄病害識(shí)別問(wèn)題，對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取4 種特征(RGB、HSV、GLCM、HOG)，經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)融合方式得到葡萄病害特征，并利用支持向量機(jī)算法進(jìn)行訓(xùn)練和檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：綜合顏色特征和紋理特征的支持向量機(jī)識(shí)別方法對(duì)葡萄病種識(shí)別的正確率高于只用顏色特征或紋理特征的準(zhǔn)確率。劉鵬將快速獨(dú)立分量方法與顏色矩的方法結(jié)合提取了甜柿病害圖像的紋理特征和顏色特征參數(shù)，并使用支持向量機(jī)（SVM)識(shí)別甜柿表面病害，這種方法可能受到背景顏色的影響[15]，沒(méi)有選取檢測(cè)區(qū)域會(huì)收到無(wú)效區(qū)域的干擾。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)劉媛[16]設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的葡萄葉片病害識(shí)別方法，該方法可以識(shí)別葡萄葉上6 種病害，通過(guò)使用Faster R-CNN 模型檢測(cè)圖像中的葉片框選病斑區(qū)域，然后將框選的矩形圖像送入CNNs 進(jìn)行病害識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每種病害識(shí)別率高于90%。溫芝元等[17]設(shè)計(jì)了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)，有效識(shí)別了臍橙多種病害，該算法需要提前訓(xùn)練模型，需要采集大量數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有基于機(jī)器視覺的識(shí)別技術(shù)只能識(shí)別特定作物的一種或者多種病害，不能檢測(cè)不同作物病害；圖像采集很大程度上要受到天氣和光照條件影響；現(xiàn)在設(shè)計(jì)基于深度學(xué)習(xí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別系統(tǒng)都需要提前訓(xùn)練模型，需要進(jìn)行視覺識(shí)別技術(shù)的數(shù)據(jù)量，大部分技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，應(yīng)用于實(shí)際效果不佳。未來(lái)研究多種病害識(shí)別系統(tǒng)和全過(guò)程病害自動(dòng)化識(shí)別，

2.2 變量施藥技術(shù)

傳統(tǒng)的施藥方式采用常量噴施，往往造成大量農(nóng)藥沉積，對(duì)農(nóng)藥的利用率很低。研究人員為降低農(nóng)藥殘留采用變量施藥技術(shù)。變量施藥技術(shù)是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的一種重要手段，主要是采用各種定位識(shí)別技術(shù)，獲取作業(yè)目標(biāo)圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行各種處理得到靶標(biāo)圖像，并以此作為施藥系統(tǒng)施藥的依據(jù)[18]。變量施藥的主要控制手段為PID 控制、模糊控制等。很多研究人員設(shè)計(jì)了不同的變量噴霧系統(tǒng)，主要通過(guò)改變泵和閥的流量從而實(shí)現(xiàn)噴頭流量的變化。

張可兒[19]設(shè)計(jì)了基于52 單片機(jī)的變量噴霧器，利用PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)泵的工作頻率實(shí)現(xiàn)噴霧變化，但是該系統(tǒng)儲(chǔ)存量小，在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)時(shí)性不太好。張敏[20]從變量施藥系統(tǒng)入手，設(shè)計(jì)了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變量噴霧供藥系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)其噴霧量大小的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：誤差率為0.2072，采用BP 避免了采用模糊控制算法分級(jí)控制流量所帶來(lái)的流量輸出不精確的弊端，使得農(nóng)藥流量的智能控制更加適宜于在針對(duì)動(dòng)態(tài)變化植物作業(yè)時(shí)的可變量精確供藥系統(tǒng)。

變量施藥目前應(yīng)用廣泛，但是也存在很多問(wèn)題，很多變量施藥技術(shù)存在嚴(yán)重滯后問(wèn)題，很多時(shí)候會(huì)受到來(lái)自自然界或系統(tǒng)本身的干擾，未來(lái)在這方多深入研究，特別是系統(tǒng)延時(shí)問(wèn)題，以提高變量施藥質(zhì)量

3 果園施藥機(jī)器人自主移動(dòng)技術(shù)和配套裝備

機(jī)械在移動(dòng)過(guò)程很產(chǎn)生的顫抖和振動(dòng)，嚴(yán)重影響施藥的效果，因此需要對(duì)其行走技術(shù)和配套裝備進(jìn)行研究。

3.1 機(jī)器人自主移動(dòng)技術(shù)

3.1.1 導(dǎo)航技術(shù)

對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)，主要有電磁式導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、組合式導(dǎo)航，每種導(dǎo)航方式都有各自的優(yōu)勢(shì)。激光導(dǎo)航技術(shù)檢測(cè)距離長(zhǎng)、精度高，受環(huán)境因素影響小，多用于移動(dòng)機(jī)器人，可以在沒(méi)有光照的地方使用，而機(jī)器視覺導(dǎo)航必須在光照良好的環(huán)境中使用。

（1）電磁導(dǎo)航

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了我國(guó)第一臺(tái)電磁誘導(dǎo)式導(dǎo)航果園施藥機(jī)，在地下30m 處埋設(shè)電纜誘導(dǎo)，利用模糊算法完成自主導(dǎo)航。張賓[21]教授設(shè)計(jì)了一種電磁誘導(dǎo)式農(nóng)用噴霧機(jī)器人路徑導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)器人行走時(shí)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為600 cm，機(jī)器人的行走速度在0.15～0.52 m/s的范圍內(nèi)，可以跟蹤誘導(dǎo)線行走，最大偏移距離為30cm。該設(shè)計(jì)最小轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，行走速度過(guò)低，位置偏移量比較大，在果園作業(yè)時(shí)不利。張賓[11]等人采用PID 算法和PWM 直流電機(jī)利用試驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明：行駛速度12m/s，導(dǎo)航精度為90%，轉(zhuǎn)彎半徑0.5m，提過(guò)了作業(yè)速度，降低了最小轉(zhuǎn)彎半徑。

電磁導(dǎo)磁導(dǎo)航方式需要提前對(duì)線路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并埋設(shè)導(dǎo)航線，，在后續(xù)應(yīng)用中如果想要更改或者擴(kuò)充路線，就會(huì)變得十分麻煩。且導(dǎo)航線的埋設(shè)在一定程度上來(lái)說(shuō)比較麻煩，固定線路的導(dǎo)航在智能化中略顯不足。因此現(xiàn)在這種導(dǎo)航方式使用比較少。

（2）GPS 導(dǎo)航（衛(wèi)星導(dǎo)航）

GPS 導(dǎo)航主要是利用已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離（偽距測(cè)量），進(jìn)行多方位的立體幾何運(yùn)算進(jìn)行包括（偽距單點(diǎn)定位、載波相位定位、實(shí)時(shí)分差定位），來(lái)求得接收機(jī)具體的位置。張智剛[22]等在久保田插秧機(jī)上開發(fā)了基于GPS 和電子羅盤的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，利用航向跟蹤實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，但是在果園生產(chǎn)中，果樹在成樹后比較高大，對(duì)GPD導(dǎo)航的屏蔽作用明顯，會(huì)影響其作業(yè)效果。

（3）視覺導(dǎo)航

圖像處理技術(shù)日益發(fā)展進(jìn)步且廣泛應(yīng)用，視覺處理機(jī)器人在農(nóng)業(yè)工程機(jī)械中的應(yīng)用越來(lái)越重要。視覺系統(tǒng)采集的圖像具有信息量大，圖像中包含的我們需要檢測(cè)的目標(biāo)信息相對(duì)全面等優(yōu)點(diǎn)。

聶森[23]等人利用HSV 色彩模型和最大類間方差法對(duì)果樹樹行特征進(jìn)行提取，同時(shí)使用H 變換對(duì)果樹樹行線進(jìn)行了擬合，并最終獲得了相鄰兩樹行的中線作為導(dǎo)航路徑，能夠有效地克服非果樹的干擾，但是對(duì)于光照和天氣有很嚴(yán)格的要求。國(guó)內(nèi)的學(xué)者安秋[24]關(guān)于解決機(jī)器視覺導(dǎo)航中的光照問(wèn)題，首次提出顏色恒常性理論，圖像分割采用增強(qiáng)的方法是最大類間方差法，作物的中心線的提取采用優(yōu)化的Hough 變換，最后通過(guò)一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得導(dǎo)航參數(shù)，并自行設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法，進(jìn)行了作物行跟蹤和地頭轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的可靠性，對(duì)于復(fù)雜性果園效果不佳。針對(duì)果園導(dǎo)航環(huán)境的復(fù)雜性，馮娟[25]提出了一種基于圖像處理的果園導(dǎo)航基準(zhǔn)線生成算法，采用二維Otsu 算法、二值化處理、二乘擬合法，提取邊界線上各行中心點(diǎn)生成果園導(dǎo)航基準(zhǔn)線，結(jié)果表明，該算法對(duì)噪聲的干擾有較強(qiáng)的魯棒性，使導(dǎo)航基準(zhǔn)線的生成準(zhǔn)確率高于90.7%，具有較好的實(shí)時(shí)性。機(jī)器視覺在外界自然環(huán)境下主要處理分散、復(fù)雜的自然物體，會(huì)影響視覺系統(tǒng)處理的效率。

（4）組合式導(dǎo)航

單一的導(dǎo)航模式不能夠完美解決果園導(dǎo)航問(wèn)題，組合式導(dǎo)航不再選取單一角度，最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。吳東明[26]采用GPS 和機(jī)器視覺聯(lián)合定位系統(tǒng)，使得定位誤差不超過(guò)0.1m，大大提高了定位精度，只是試驗(yàn)還處于試驗(yàn)階段，需要進(jìn)一步研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者張漫[27]利用RTK-GPS、RTD-GPS和電子羅盤來(lái)獲取車輛的位置信息和航向信息。系統(tǒng)采用卡爾曼濾波對(duì)RTD-GPS 信息和電子羅盤信息進(jìn)行了融合，并對(duì)單一GPS 導(dǎo)航和兩種信息融合的導(dǎo)航方式通過(guò)計(jì)算權(quán)重值進(jìn)行了評(píng)估，最終發(fā)現(xiàn)GPS、電子羅盤融合系統(tǒng)和單一GPS 系統(tǒng)相比定位精度更高，穩(wěn)定性更好。Cho[28]等學(xué)者開發(fā)了基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，并利用模糊控制將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，該系統(tǒng)被用于果園噴藥作業(yè)上。此外，Cho[29]等利用模糊控制理論將DGPS 和超聲波信號(hào)進(jìn)行了融合，開發(fā)出了一套果園導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人。

未來(lái)導(dǎo)航技術(shù)的研究熱點(diǎn)是機(jī)器視覺和組合式導(dǎo)航，特別是組合式的導(dǎo)航會(huì)避免了單個(gè)導(dǎo)航的弊端。

3.1.2 底盤平衡技術(shù)

機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中噴桿會(huì)抖動(dòng)，影響了施藥機(jī)器人的作業(yè)效率，其中很重要的因素就是底盤平衡技術(shù)的落后。底盤平衡技術(shù)可以減輕地面不平度引起的車身晃動(dòng)，保證機(jī)器人作業(yè)的穩(wěn)定性。20世紀(jì)60年代美國(guó)是世界上第一個(gè)研制出被動(dòng)適應(yīng)式車身調(diào)平系統(tǒng)，采用電液式調(diào)平技術(shù)，通過(guò)控制電磁閥通斷以此控制車身平衡，但此系統(tǒng)靈敏度不高，精度低，受外界因素影響大。約翰迪爾4030 系列自走式噴霧機(jī)具備底盤空氣懸浮平衡系統(tǒng)，該平衡系統(tǒng)是在4 個(gè)輪胎處安裝懸掛裝置，通過(guò)空氣閥來(lái)調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的空氣體積，始終保持機(jī)器有更平穩(wěn)的噴藥作業(yè)狀態(tài)和牽引水平，氣動(dòng)技術(shù)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，有沖擊的問(wèn)題，承載量比較小。液壓減震懸浮系統(tǒng)通過(guò)縱向和橫向推力桿，保證液壓缸在伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，車轎與車架之問(wèn)只有豎直方向位移，而無(wú)前后和左右方向位移，從而保證噴桿升高和速度變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定[30]。

3.2 機(jī)器人底盤裝置

機(jī)器人底盤行走裝置有輪式、履帶式、足式和組合式，它們各有各的特點(diǎn)，雙足式機(jī)器人幾乎可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形，能夠跨越障礙，缺點(diǎn)是行進(jìn)速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻、不穩(wěn)定，所以很少采用。組合式底盤機(jī)構(gòu)的機(jī)器人能夠融合兩種或多種底盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，克服單一方式的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于組合式果園研究比較少，未來(lái)果園底盤的研究熱點(diǎn)將會(huì)是組合式底盤。東北林業(yè)大學(xué)孫雪[31]副教授等人設(shè)計(jì)了一種新型果園噴藥機(jī)器人，該機(jī)設(shè)計(jì)了輪子-履帶復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)，減少對(duì)地面土壤的碾壓，實(shí)現(xiàn)了靈活轉(zhuǎn)彎和翻越障礙等功能，針對(duì)不同的路況擺臂可做出相應(yīng)的移動(dòng)姿勢(shì)。如圖4所示，機(jī)器人裝有的噴霧升降平臺(tái)可根據(jù)果樹特征適時(shí)調(diào)整噴霧，對(duì)地面的附著力和強(qiáng)大的牽引力，對(duì)于復(fù)雜地形具有很好的作業(yè)能力。

如圖5所示朱學(xué)才[32]通過(guò)對(duì)復(fù)合履帶式機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算出了機(jī)器人底盤在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速阻力、爬坡時(shí)的阻力、擺桿的驅(qū)動(dòng)力矩，找到了機(jī)器人底盤的越障能力和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系，得到了機(jī)器人底盤爬坡的最大坡度角。

4 發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外果園噴霧機(jī)器人研究進(jìn)展進(jìn)行梳理分析，總結(jié)了以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 圖像識(shí)別技術(shù)

越來(lái)越的圖像識(shí)別技術(shù)被運(yùn)用到農(nóng)業(yè)上，更過(guò)的是圖像處理技術(shù)在精度、信息量靈活性以及再現(xiàn)性上都存在著不可替代的優(yōu)勢(shì)。但是現(xiàn)在圖像識(shí)別技術(shù)大多處理的信息為二維信息，而且對(duì)于果園枝繁葉葉茂會(huì)導(dǎo)致樹葉重疊、光照等自然因素的干擾，使得圖像技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中效果差強(qiáng)人意。未來(lái)圖像識(shí)別技術(shù)研究熱點(diǎn)在于將深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合[33]、三維成像視覺技術(shù)[34]，此舉是提高作業(yè)效率的關(guān)鍵。

4.2 穩(wěn)定的移動(dòng)端操作平臺(tái)

隨著智能化、信息化的興起，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)很多操作系統(tǒng)，但是沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，存在接口不融合問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作和高度融合，要盡快搭建一個(gè)公開、開放的統(tǒng)一操作系統(tǒng)平臺(tái)，建立我國(guó)成熟穩(wěn)定安全的移動(dòng)端操作平臺(tái)。

4.3 多模式識(shí)別

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)果園病蟲害和路徑識(shí)別技術(shù)研究很多，也取得了很多成果，但是大部分識(shí)別技術(shù)都是功能單一，很多還處于理論研究階段。為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須研究多模式研究，多模式識(shí)別技術(shù)融合使得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而準(zhǔn)確、快速、靈敏的辨識(shí)。

4.4 多傳感器融合

新時(shí)代下，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化需求不斷增大，同時(shí)面臨農(nóng)業(yè)環(huán)境復(fù)雜而且多變局面，單個(gè)角度或者單一傳感器技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)精度、靈敏度等指標(biāo)的要求。未來(lái)要解決精準(zhǔn)化問(wèn)題，必須從多角度、多技術(shù)研究開展融合，最大限度發(fā)揮傳感器的優(yōu)良性能，為智能化機(jī)器的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。

4.5 農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)相結(jié)合

我國(guó)果園地理差異大，種植品種差別明顯，種植模式不同，因而果園的株距、行距、密度等千差萬(wàn)別。果園施藥機(jī)器人不能夠完全與現(xiàn)在的種植模式相適應(yīng)，限制了機(jī)械的作業(yè)效果和潛力。為了進(jìn)一步挖掘果園施藥機(jī)械的作業(yè)潛能，提高噴霧效果，相關(guān)部門要建立標(biāo)準(zhǔn)化種植模式，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化、智能化奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外果園噴霧機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，有助于把握我國(guó)果園機(jī)器人的發(fā)展方向。發(fā)展我國(guó)果園施藥機(jī)器人時(shí)，要借鑒國(guó)外的成功技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，立足我國(guó)果園的實(shí)際情況，依托我國(guó)產(chǎn)學(xué)研技術(shù)體系，突破技術(shù)瓶頸，研制適合我國(guó)果園的施藥機(jī)器人。隨著我國(guó)職業(yè)農(nóng)民計(jì)劃的興起，我國(guó)農(nóng)民專業(yè)化程度不斷提高，對(duì)果園的管理更加科學(xué)，同時(shí)對(duì)果園噴霧機(jī)器人也提出更高的要求。