采摘無人機(jī)研究綜述

謝 嘉，吳家楨，李永國(guó)*，梁錦濤

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

0 引言

現(xiàn)有的采摘機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)主要是基于在地面行走設(shè)計(jì)[1]，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的黃瓜采摘機(jī)器人用的是履帶式移動(dòng)平臺(tái)[2]，國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的草莓采摘機(jī)器人用的是輪式移動(dòng)平臺(tái)[3]。其他如基于軌道移動(dòng)、腿式、輪履復(fù)合式、輪腿復(fù)合式等移動(dòng)方式的農(nóng)業(yè)機(jī)器人也有研究人員在著手研究。因此目前采摘機(jī)器人主要作業(yè)目標(biāo)都是低矮果樹，并不適用于較高果樹以及山區(qū)間的果樹的采摘任務(wù)。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(jīng)常發(fā)生墜人事故，采摘代價(jià)十分高昂。

采摘無人機(jī)以無人機(jī)為移動(dòng)載體攜帶采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行高空采摘作業(yè)任務(wù)，在三維空間中相較于地面采摘機(jī)器人具有更高的自由度與靈活性。對(duì)采摘無人機(jī)進(jìn)行研究可以有效的拓展采摘機(jī)器人的適用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)勢(shì)較高的果樹以及山間果園的采摘，降低人工采摘的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來陸續(xù)有科研人員對(duì)采摘無人機(jī)進(jìn)行研究，國(guó)外已有企業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并計(jì)劃于2021年引進(jìn)國(guó)內(nèi)。國(guó)內(nèi)對(duì)采摘無人機(jī)的研究以高校為主，相關(guān)設(shè)計(jì)的專利申請(qǐng)數(shù)量逐年增加。本文將對(duì)采摘無人機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、采摘執(zhí)行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的梳理與綜述，并對(duì)采摘無人機(jī)的系統(tǒng)建模、控制、避障與續(xù)航問題進(jìn)行分析與展望。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

以色列的Yaniv Maor創(chuàng)立的Tevel公司對(duì)采摘無人機(jī)進(jìn)行了多年的研究，在2020年推出了一種以無人機(jī)采摘為核心的果園收獲商業(yè)方案。該方案中有一采摘無人機(jī)如圖1，其具備一前伸的機(jī)械臂，通過視覺傳感器對(duì)果實(shí)進(jìn)行位置與成熟度的識(shí)別。當(dāng)識(shí)別到適合采摘的果實(shí)時(shí)，無人機(jī)會(huì)飛至果樹旁利用前伸的機(jī)械臂抓取果實(shí)，通過旋轉(zhuǎn)擰斷的方式摘取。無人機(jī)將采摘下來的果實(shí)置于隨行的地面收集裝置中，同時(shí)收集裝置也是無人機(jī)動(dòng)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(jī)產(chǎn)品

同時(shí)該公司還設(shè)計(jì)有多款采摘無人機(jī)方案，其中一種設(shè)計(jì)有一網(wǎng)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(wǎng)籠垂在無人機(jī)下方攜帶，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的連續(xù)采摘。另一款采摘無人機(jī)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(huán)，使得所述環(huán)能夠抓住果實(shí)的柄，并且拉下或切下果實(shí)。針對(duì)果實(shí)采摘無人機(jī)果實(shí)收集困難的問題，在另一方案設(shè)計(jì)中采用了在果園中架設(shè)收類蹦床集底座的方法如圖2(b)所示，采摘機(jī)器人如圖2(c)只需要利用攜帶的鋸盤將目標(biāo)果實(shí)的果柄切斷使果實(shí)自然掉落到收集底座上，由于具有底座彈性而不會(huì)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(jī)方案設(shè)計(jì)

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2016年廣東工業(yè)大學(xué)的張?zhí)姨依每赏卦O(shè)計(jì)的方法對(duì)無人機(jī)水果采摘進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方案主要是由飛行器主體、機(jī)械手臂、平衡裝置與收集裝置組成。通過可拓學(xué)中的轉(zhuǎn)換橋方法得出在無人機(jī)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(dǎo)落管，讓采摘末端執(zhí)行器切割下來的果實(shí)順著管道落至地面收集庫(kù)中，但是這種方案會(huì)使得采摘無人機(jī)縱向尺寸的增加[6]。

2018年昆明理工大學(xué)的朱慧斌等人設(shè)計(jì)了一種用于采摘堅(jiān)果的小型無人機(jī)，該無人機(jī)體積小巧利用單螺旋槳提供飛行動(dòng)力。其工作部分由夾持機(jī)構(gòu)和小型圓盤鋸組成，當(dāng)夾持住目標(biāo)果實(shí)后，通過齒條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓盤鋸向果柄前移完成切割[7]。

2019年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的唐昀超等人申請(qǐng)了一種帶有仿生蛇嘴采摘機(jī)構(gòu)的無人機(jī)如圖3所示。該無人機(jī)通過蛇嘴上部的雙目相機(jī)對(duì)果實(shí)進(jìn)行標(biāo)定，由于其蛇嘴的造型，在接近目標(biāo)時(shí)能將遮擋的樹枝引導(dǎo)至兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的精確抓取。其蛇嘴內(nèi)部上下共有14個(gè)刀片，利用電磁鐵與旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)咬合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離，并通過傾斜導(dǎo)軌將果實(shí)引入到蛇頸下端通向收集筐的尼龍網(wǎng)中。該設(shè)計(jì)對(duì)采摘環(huán)境與采摘偏差有較好的容錯(cuò)率，并減少了無人機(jī)往返收集點(diǎn)的頻率，提高采摘效率[8]。

圖3 帶有仿生蛇嘴采摘機(jī)構(gòu)的無人機(jī)

2 采摘無人機(jī)采摘末端執(zhí)行器

采摘末端執(zhí)行器是采摘無人機(jī)的重要部件，同時(shí)也是對(duì)不同設(shè)計(jì)的采摘無人機(jī)進(jìn)行分類的依據(jù)之一。目前在采摘無人機(jī)的采摘末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方面與地面采摘機(jī)器人相似，考慮到無人機(jī)本身對(duì)負(fù)載的限制，所使用的采摘末端執(zhí)行器應(yīng)考慮輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械切割型采摘末端執(zhí)行器

機(jī)械切割型采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，其主要是通過抓取到目標(biāo)果實(shí)后，通過刀具或鋸盤等對(duì)抓取果實(shí)的果梗進(jìn)行切割處理。

郭新溢設(shè)計(jì)的四旋翼采摘飛行器帶有雙切刀末端執(zhí)行器，當(dāng)果實(shí)落入第一切刀和第二切刀圍合而成的凹槽內(nèi)時(shí)，電機(jī)工作帶動(dòng)擺臂擺動(dòng)，使得兩切刀沿著內(nèi)外環(huán)支架組成的槽轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切果柄作業(yè)[9]。紹興文理學(xué)院設(shè)計(jì)的一種無人機(jī)香榧果采摘器，通過在夾爪的上下爪都安裝上切割刀片，當(dāng)夾爪抓取果實(shí)的同時(shí)對(duì)其果梗進(jìn)行切割，由于刀座的刃口設(shè)計(jì)為V字形，減小了剪切力同時(shí)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(zhí)行器

熱切割型采摘末端執(zhí)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(fā)有利于果實(shí)的保鮮[11]。江蘇大學(xué)的劉繼展等人對(duì)利用激光對(duì)果柄進(jìn)行切割進(jìn)行了研究，得出激光切割的非接觸穿透和切割對(duì)果梗直徑變化、焦斑定位與入射角度誤差具有良好的適應(yīng)性[12]。

昆明理工大學(xué)的海建平設(shè)計(jì)的無人機(jī)自動(dòng)椰子采摘裝置，該裝置的采摘機(jī)構(gòu)由一倒刺鏢發(fā)射器與微型激光切割機(jī)組成。倒刺發(fā)射器內(nèi)有多個(gè)類魚鰾的倒刺，發(fā)射后能插入椰子殼中，并通過繩子與無人機(jī)相連接。激光切割機(jī)針對(duì)被鎖定的果實(shí)的果蒂進(jìn)行切割，結(jié)束后果實(shí)會(huì)垂吊于無人機(jī)下方，可繼續(xù)下一個(gè)目標(biāo)的采摘[13]。

2.3 拉扭型采摘末端執(zhí)行器

該類型的末端執(zhí)行器在抓取到目標(biāo)果實(shí)后，通過向后拉扯或旋轉(zhuǎn)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(shí)采摘中。

Tevel公司設(shè)計(jì)的某型采摘無人機(jī)如圖4所示，其于無人機(jī)載體部分設(shè)計(jì)有一環(huán)繞的保護(hù)罩，在保護(hù)罩上布置了各類傳感器，整體主要機(jī)構(gòu)集中設(shè)計(jì)在無人機(jī)中心部分，具有一定的防撞安全性。果實(shí)的采摘通過水平前伸的采摘末端合住目標(biāo)水果后，將果柄擰斷[5]。

圖4 帶有防護(hù)罩的采摘無人機(jī)

2.4 振動(dòng)型采摘末端執(zhí)行器

振動(dòng)型末端執(zhí)行器，通過振動(dòng)器或撞擊樹木使果樹發(fā)生振動(dòng)，從而使水果與果柄分離。該類型的主要目標(biāo)一般為一些喬木的果實(shí)以及藍(lán)莓與棗等，常在樹下設(shè)計(jì)采集網(wǎng)收集掉落的果實(shí)。

同濟(jì)大學(xué)的司慧萍等人設(shè)計(jì)了一震動(dòng)式松果采摘無人機(jī)如圖5所示，該無人機(jī)利用兩螺旋槳運(yùn)動(dòng)，第一螺旋槳提供升力，第二螺旋槳提供側(cè)向推動(dòng)力。無人機(jī)飛至目標(biāo)位置后，控制無人機(jī)下端兩排鉸鏈抱緊樹干，再激活激振器產(chǎn)生振動(dòng)讓周圍的果實(shí)受振掉落[14]。

圖5 震動(dòng)式松果采摘無人機(jī)

3 采摘無人機(jī)研究關(guān)鍵點(diǎn)

采摘無人機(jī)是一種新型采摘機(jī)器人其需要考慮的問題如圖6所示，其許多研究點(diǎn)與現(xiàn)有采摘機(jī)器人是相同的，如圖像識(shí)別的研究包括對(duì)果實(shí)的識(shí)別、對(duì)障礙物樹枝樹葉的識(shí)別和對(duì)果實(shí)成熟度的判斷；對(duì)采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與力控制研究從而實(shí)現(xiàn)高效、無損的采摘；對(duì)采摘軌跡的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等。下文將對(duì)由于采用了飛行平臺(tái)后所帶來的問題進(jìn)行論述分析。

圖6 采摘無人機(jī)研究分析圖

3.1 采摘無人機(jī)的系統(tǒng)建模的問題

采摘無人機(jī)的模型通常應(yīng)由3部分組成：采摘無人機(jī)的3維剛體動(dòng)力學(xué)模型、作業(yè)裝置的動(dòng)力學(xué)模型、無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型[15]，前兩者具有較強(qiáng)的耦合性故可以作為一個(gè)整體進(jìn)行建?？紤]。

當(dāng)考慮采摘無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，參考文獻(xiàn)[16]利用拉格朗日方程法構(gòu)建的作業(yè)型飛行機(jī)器人的模型，可知采摘無人機(jī)的位姿、采摘裝置的位姿、采摘無人機(jī)受到的力、力矩以及采摘裝置工作時(shí)受到的外部力、力矩干擾等都會(huì)對(duì)模型產(chǎn)生影響。

當(dāng)考慮采摘無人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)按照旋翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分為單旋翼采摘無人機(jī)與多旋翼無人機(jī)。盡管兩者的原理都是通過旋翼產(chǎn)生的升力使得無人機(jī)飛行，但是兩者的空氣動(dòng)力學(xué)模型并不相同。參考文獻(xiàn)[17，18]可知，相較于單旋翼無人機(jī)依靠主旋翼與復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣動(dòng)力導(dǎo)致的復(fù)雜空氣動(dòng)力學(xué)模型。多旋翼無人機(jī)由于其簡(jiǎn)單的旋翼機(jī)構(gòu)與對(duì)稱的機(jī)體結(jié)構(gòu)，其空氣動(dòng)力學(xué)模型較前者更為簡(jiǎn)單，且能減少控制的耦合性。

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

因此選用多旋翼無人機(jī)作為采摘無人機(jī)的基本載體，同時(shí)采用總體建模的方法能有利于降低采摘無人機(jī)的耦合性以及設(shè)計(jì)統(tǒng)一的控制器來保證整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。

3.2 重心的偏移與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化的問題

當(dāng)采摘無人機(jī)的采摘裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)以及抓取果實(shí)時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致整體重心的偏移與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，從而使得無人機(jī)的飛行不平穩(wěn)，甚至?xí)l(fā)生傾覆墜落的情況。

連杰等人在無人機(jī)作業(yè)部分設(shè)計(jì)了一重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其利用了機(jī)身電池作為配重。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種重心調(diào)節(jié)的控制器，能夠動(dòng)態(tài)計(jì)算出復(fù)合系統(tǒng)重心位置的該變量，得出對(duì)配重的合理位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)整體的重心調(diào)節(jié)。通過樣機(jī)試驗(yàn)，該方法響應(yīng)迅速，相較于其他重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以為負(fù)載留有更大余地[19]。

鐘杭等人通過建立帶臂無人機(jī)的系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)重心進(jìn)行了估算，得出當(dāng)目標(biāo)抓取物體的質(zhì)量被估測(cè)完后，系統(tǒng)的重心只會(huì)與作業(yè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度相關(guān)。進(jìn)而運(yùn)用反演法設(shè)計(jì)了一姿態(tài)穩(wěn)定控制器對(duì)重心偏移進(jìn)行補(bǔ)償，有效的提高了對(duì)無人機(jī)位姿的控制[20]。

3.3 采摘無人機(jī)的避障的問題

對(duì)于其他作業(yè)任務(wù)的農(nóng)用無人機(jī)，樹木常常作為障礙物而避開，而采摘無人機(jī)則需要身處果園的復(fù)雜環(huán)境并貼近目標(biāo)果樹，這對(duì)無人機(jī)的避障提出了更高的要求。

無人機(jī)的避障主要依靠各類避障傳感器與避障技術(shù)，用于各種避障環(huán)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(jié)構(gòu)光傳感器、激光/紅外傳感器、微波雷達(dá)等[21]。部分傳感器由于其測(cè)量原理使得在無人機(jī)采摘作業(yè)的環(huán)境下并不適合，例如結(jié)構(gòu)光傳感器適合復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)器人測(cè)量與控制任務(wù)，但是在室外環(huán)境下自然光會(huì)導(dǎo)致其功能幾乎失效[22]。

融合多個(gè)傳感器的避障系統(tǒng)，將更加適合采摘無人機(jī)，例如極飛科技的V40系列農(nóng)用無人機(jī)與大疆創(chuàng)新設(shè)計(jì)的T30植保無人機(jī)搭載了多種避障傳感器與避障技術(shù)以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精確避障與精細(xì)化作業(yè)。

3.4 采摘無人機(jī)的續(xù)航的問題

相較于地面采摘機(jī)器人，采摘無人機(jī)在續(xù)航方面會(huì)面臨更大的考驗(yàn)。無人機(jī)本體的重量對(duì)續(xù)航有很大影響，因此利用復(fù)合材料的無人機(jī)輕量化研究，一直是提升續(xù)航方面的重要研究方向。江蘇大學(xué)的郭學(xué)偉選用碳纖維復(fù)合材料并對(duì)機(jī)翼部件的鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，新的方案使機(jī)翼質(zhì)量減重64%，結(jié)構(gòu)效率提高了70%[23]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的師志強(qiáng)通過對(duì)農(nóng)用無人機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化后的無人機(jī)飛行時(shí)間明顯長(zhǎng)于原始布局[24]。

現(xiàn)有的無人機(jī)常用高倍率鋰電池作為動(dòng)力來源，而燃料電池因其高效、無污染、噪聲小等特點(diǎn)被認(rèn)為在未來更適合于無人機(jī)。西北工業(yè)大學(xué)的趙冬冬對(duì)無人機(jī)燃料電池的陰極供氣系統(tǒng)建模與控制進(jìn)行了研究，提出的FFM控制可實(shí)現(xiàn)燃料電池在0～3999m寬工況條件下的運(yùn)行[25]。而電子科技大學(xué)的王仁康設(shè)計(jì)了一結(jié)合了燃料電池與鋰電池的無人機(jī)用燃料電池多電混合電源系統(tǒng)，使其能夠滿足負(fù)載變化劇烈的懸浮翼無人機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航[26]。

采摘無人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)可以綜合多種延長(zhǎng)續(xù)航的方法，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇之初就應(yīng)遵循輕量化設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)對(duì)機(jī)體的氣動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等。采摘無人機(jī)也可以選擇利用隨行供電設(shè)備進(jìn)行供電，供電設(shè)備收集裝置相結(jié)合的方案。這種方案能給無人機(jī)提供更長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航以及機(jī)身負(fù)載的減輕，但會(huì)對(duì)采摘無人機(jī)的工作范圍造成一定程度的限制。

4 結(jié)語(yǔ)

采摘無人機(jī)有著作業(yè)功能的專業(yè)性、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性、作業(yè)對(duì)象的復(fù)雜性等特征[27]。現(xiàn)有的采摘無人機(jī)的研究多處于設(shè)計(jì)階段，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要體現(xiàn)在專利申請(qǐng)上，許多設(shè)計(jì)比較理想化并未落地試驗(yàn)，相關(guān)的控制問題還有待進(jìn)一步解決。采摘無人機(jī)相較于地面采摘機(jī)器人對(duì)續(xù)航、控制、避障等方面都提出了更高的要求。

實(shí)現(xiàn)良好的采摘作業(yè)任務(wù)后，如何降低操作難度實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化、降低制造成本、提高采摘效率以及模塊化作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用等都可以是在研究后期考慮的。同時(shí)在今后采摘無人機(jī)的發(fā)展中若是有合理的農(nóng)藝的配合將能更高效率、更高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)采摘。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外采摘無人機(jī)的研究進(jìn)行整理，并結(jié)合其他無人機(jī)領(lǐng)域如空中作業(yè)機(jī)器人、農(nóng)用植保無人機(jī)等對(duì)采摘無人機(jī)研究中所應(yīng)注意的研究點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)后續(xù)科研人員從事該方面的研究具有一定的參考意義。