智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

胡 科 王瑞雪 田思遠(yuǎn)

（荊楚理工學(xué)院 湖北荊門(mén) 448000）

農(nóng)業(yè)是人民生產(chǎn)和生活的根本，世界大國(guó)均是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平在一定程度上決定了國(guó)家的發(fā)達(dá)程度。然而近年來(lái)，隨著新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐步從手工、機(jī)械化農(nóng)業(yè)向智能化農(nóng)業(yè)方向發(fā)展[1]。以往的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，借助智能化技術(shù)成為智能化機(jī)械。智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)智能化技術(shù)和傳統(tǒng)作業(yè)模式的深度融合，降低了人工勞動(dòng)作業(yè)程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。其中，大力發(fā)展具備知識(shí)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造能力的智能機(jī)器人是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要舉措之一。

1 智能機(jī)器人簡(jiǎn)介

智能機(jī)器人的發(fā)展由來(lái)已久，最早開(kāi)始于美國(guó)和英國(guó)等眾多發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)20世紀(jì)70年代開(kāi)始著手農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人研究工作，直至90年代，機(jī)器人作業(yè)執(zhí)行的精準(zhǔn)性問(wèn)題得以解決后，機(jī)器人的研究才取得了突破性進(jìn)展[2]。如今智能機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，大幅提升了農(nóng)民的勞動(dòng)生產(chǎn)率。農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人，從本質(zhì)上講是一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活的機(jī)器，它和傳統(tǒng)機(jī)器人的不同在于，智能機(jī)器人是受不同程序控制以完成不同作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行，具備感知和適應(yīng)作業(yè)環(huán)境的能力，同時(shí)具有檢測(cè)和預(yù)測(cè)功能的新一代無(wú)人自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在作物采摘、作物嫁接、農(nóng)作物噴涂等方面，和智能機(jī)器人相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航規(guī)劃、線(xiàn)路識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)集成分析技術(shù)、多維信息的融合技術(shù)等。

2 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 作物的采摘

針對(duì)不同作物，智能機(jī)器人的樣式和作業(yè)方式也不同，每一類(lèi)作物的采摘機(jī)器人會(huì)根據(jù)作物的特點(diǎn)、成熟度等表征特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，如西瓜、黃瓜、冬瓜和西紅柿的采摘作業(yè)各不相同。文章以西紅柿和蘋(píng)果采摘機(jī)器人為例介紹智能機(jī)器人在作物采摘中的應(yīng)用。

西紅柿機(jī)器人主要由視覺(jué)檢測(cè)、采摘作業(yè)執(zhí)行裝置組成。其中視覺(jué)檢測(cè)裝置配置有彩色攝像裝置，主要用于視覺(jué)的檢測(cè)，用來(lái)檢測(cè)果實(shí)的成熟度，以便更好地選擇果實(shí)。為了避免采摘過(guò)程中對(duì)農(nóng)作物造成損害，采集作業(yè)執(zhí)行裝置搭載了較長(zhǎng)的機(jī)器人手臂，具備一定范圍的操作面[3]。為了避免采摘過(guò)程中對(duì)果實(shí)造成損害，還在采摘機(jī)器人的底端設(shè)置了柔軟的襯里，以及相應(yīng)的壓力傳感器裝置，保障了機(jī)器人可高效地采摘西紅柿。在具體采摘過(guò)程中，機(jī)器人可根據(jù)光傳感器和反射裝置，自動(dòng)確定西紅柿的采摘時(shí)間，每個(gè)西紅柿的采摘時(shí)間一般會(huì)在1.5 s 左右，采摘的成功率接近八成。

蘋(píng)果的采摘機(jī)器人，設(shè)計(jì)的采摘空間尺寸大約有5 m2，由1 個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，同時(shí)還安裝了果實(shí)收集結(jié)構(gòu)，避免果實(shí)在收集過(guò)程中受到損傷，保證了水果采摘的新鮮度。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，本裝置的果實(shí)采集成功率接近九成[4]。

采摘類(lèi)的機(jī)器人，其基本作業(yè)流程為：視頻采集裝置首先根據(jù)傳感器和紅外遙控器反饋的信息確定果實(shí)的成熟度，如果果實(shí)成熟則進(jìn)入采摘作業(yè)流程，否則轉(zhuǎn)移到下一個(gè)采集點(diǎn)。

采集流程：設(shè)備在主控制器的作用下，主控制板輸出控制指令給控制模塊，使得自由度機(jī)械臂和履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，調(diào)動(dòng)機(jī)械臂，完成果實(shí)的抓取。果實(shí)抓取完成后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入收集裝置，最大限度降低果實(shí)的受損程度，保障果實(shí)的新鮮度。

2.2 作物的噴涂

日本在農(nóng)作物噴涂方面的智能化機(jī)器人技術(shù)較為領(lǐng)先，其靈感來(lái)源于汽車(chē)行業(yè)，采用儀表、壓力裝置，并且含有自動(dòng)噴霧裝置。其基本原理為：機(jī)器人的行走路徑受電纜控制，電纜中通有電流，電流流經(jīng)電纜會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。噴藥機(jī)器人控制裝置，在收到電纜發(fā)出的電磁信息后，可控制機(jī)器人的行走方向，而具體噴灑作業(yè)是由自動(dòng)噴霧控制器負(fù)責(zé)。

智能?chē)娝帣C(jī)器人可對(duì)各類(lèi)樹(shù)木和農(nóng)作物進(jìn)行噴藥操作，在藥物噴灑過(guò)程中，還可智能判斷行走方向，如進(jìn)行轉(zhuǎn)向或者拐彎操作。此種機(jī)器人還包含接觸傳感器和超聲波傳感器控制系統(tǒng)，主要用于檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境。一旦藥物噴灑系統(tǒng)遇到障礙物后，傳感器會(huì)自動(dòng)發(fā)出告警信息，對(duì)自身執(zhí)行響應(yīng)保護(hù)措施。機(jī)器人具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式，在機(jī)器人的兩側(cè)位置，有手動(dòng)按鈕可進(jìn)行手工操作，將機(jī)器人切換至手動(dòng)模式。

2.3 作物的嫁接

在嫁接機(jī)器人方面，日本也處于領(lǐng)先水平。近年來(lái)日本TGR 研究院開(kāi)發(fā)了嫁接機(jī)器人，主要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)作物的嫁接執(zhí)行工作。嫁接主要包含三個(gè)過(guò)程：切割、連接和揀選。首先是要選擇嫁接幼苗，嫁接機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)篩選含有缺陷幼苗，對(duì)適合嫁接的幼苗進(jìn)行嫁接，并自動(dòng)跳過(guò)不適合嫁接的幼苗。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，機(jī)器人對(duì)嫁接的移植成功率接近百分之百。和日本的全自動(dòng)作業(yè)機(jī)器人不同，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人主要是使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制，這樣可更好地對(duì)扦插苗、幼苗及秧苗進(jìn)行嫁接工作。

除此以外，農(nóng)業(yè)機(jī)器人還可用于土壤的光譜檢測(cè)，作物的扦插，產(chǎn)品的分揀、耕作、播種和施肥，田間除草等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，但機(jī)器人并不是萬(wàn)能的，經(jīng)過(guò)實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人對(duì)地形特點(diǎn)和作業(yè)面積也有一定要求，只有滿(mǎn)足一定條件的地形特點(diǎn)以及作業(yè)環(huán)境，才能保證機(jī)器人順利完成各類(lèi)作業(yè)。因此，現(xiàn)如今我國(guó)農(nóng)業(yè)作業(yè)執(zhí)行中，大部分還是采用自動(dòng)化機(jī)械和手工作業(yè)相結(jié)合的方式，距離實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化和智能化機(jī)器人作業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走，這一切都取決于智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。

3 農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

全球人口數(shù)量的劇增，對(duì)食品的質(zhì)量和安全提出了很大的挑戰(zhàn)。為滿(mǎn)足世界人民對(duì)糧食產(chǎn)量、價(jià)格和品質(zhì)的要求，農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新和改善變得尤為迫切，在此背景下，智能機(jī)器人便是解決這一問(wèn)題的最好方式之一。從對(duì)土壤的狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品性狀的分析、產(chǎn)品的收割到機(jī)械除草，均是智能機(jī)器人在為產(chǎn)出更加安全的產(chǎn)品做努力。采用小型專(zhuān)業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人代替現(xiàn)有收割機(jī)，可降低土地的緊實(shí)程度，從而達(dá)到能源節(jié)約的目的。以上舉措不僅可以降低農(nóng)業(yè)成本，而且還能更加高效產(chǎn)出安全的產(chǎn)品。因此智能機(jī)器人的使用范圍變得更加廣泛。阻礙農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 線(xiàn)路規(guī)劃和導(dǎo)航技術(shù)

如果把機(jī)器人比作“正常人”，首要任務(wù)是為其設(shè)計(jì)大腦和眼睛，因?yàn)闆](méi)有大腦，機(jī)器人便無(wú)法思考，如果沒(méi)有眼睛，機(jī)器人便會(huì)誤入歧途。因此線(xiàn)路規(guī)劃和導(dǎo)航便是機(jī)器人的核心技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要自行確定工作路線(xiàn)，對(duì)自己的路線(xiàn)和目標(biāo)自行進(jìn)行規(guī)劃和導(dǎo)航?，F(xiàn)如今機(jī)器人采用GPS 技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)基于厘米精度的定位。同時(shí)，還可用信號(hào)檢測(cè)和移動(dòng)環(huán)境定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能定位和方位感知。此種技術(shù)雖然迭代次數(shù)較多，對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算能力要求比較高，但其信息感知量較豐富，從而可以更好地促進(jìn)和改善自身的工作環(huán)境。

3.2 數(shù)據(jù)集成和分析技術(shù)

機(jī)器人暴露在農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中，其接收到的數(shù)據(jù)多種多樣，在實(shí)際作業(yè)執(zhí)行過(guò)程中，智能機(jī)器人的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)都具備優(yōu)秀的智能屬性，所以需要對(duì)補(bǔ)貼渠道來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和分析，然后分析數(shù)據(jù)以及未來(lái)的行走路徑和行走環(huán)境，把分析結(jié)果傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行具體的作業(yè)執(zhí)行。通過(guò)信息集成和融合，可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定和健壯性，提升了機(jī)器人的測(cè)量空間和移動(dòng)空間，保障了系統(tǒng)具備在困難條件下的超強(qiáng)適應(yīng)能力。

3.3 多維信息融合技術(shù)

通過(guò)信息的融合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于外界系統(tǒng)的多維信息綜合分析。如可提高系統(tǒng)對(duì)物體識(shí)別的分辨率，從而提升系統(tǒng)的可靠程度，加強(qiáng)系統(tǒng)在運(yùn)行期間的穩(wěn)定程度，使智能機(jī)器人在工作期間不會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題。同時(shí)機(jī)器人內(nèi)部還應(yīng)有信息融合技術(shù)和信息增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)外界獲取的信息采用一定規(guī)則予以加強(qiáng)，以此提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和工作效率。

盡管機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)范圍內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但其局限性仍然存在，這也阻礙了機(jī)器人的大范圍全面應(yīng)用。首先其研發(fā)成本是首要問(wèn)題，在智能機(jī)器人的研發(fā)過(guò)程中，不論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)均投入了大量的研究資金，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要更多的資金在將來(lái)的研究中逐步投入，因此資金不足也成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展緩慢的關(guān)鍵因素之一。另外，在外界環(huán)境識(shí)別和技術(shù)判斷上仍存在很大缺陷，這使機(jī)器人因外界環(huán)境的變化而受到很大影響。各類(lèi)分析算法和路徑規(guī)劃算法的執(zhí)行效率還需要得到不同程度的提升。機(jī)器人的智能化水平仍有待提升。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)水平越來(lái)越高，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平已經(jīng)經(jīng)過(guò)跨越式發(fā)展，各類(lèi)智能機(jī)器人逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中。盡管智能機(jī)器人的智能化水平在現(xiàn)階段還存在不足，其應(yīng)用面也未達(dá)到全面應(yīng)用的程度，但隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)算法的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人必將是未來(lái)的方向之一。加上兩化融合的持續(xù)推進(jìn)，不論從經(jīng)濟(jì)還是政策上的投入正在不斷加大，因此未來(lái)智能機(jī)器人的前景比較廣闊，將來(lái)不僅在農(nóng)業(yè)而且在其他行業(yè)也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)智能機(jī)器人的身影。