智能除草機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望_甄研.pdf

智能除草機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀分析與展望 甄 研 莊衛(wèi)東 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院 黑龍江 大慶 1 6 3 3 1 9 摘要 除草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要管理環(huán)節(jié) 在環(huán)境和效率兼顧的原則下 物理除草相較于化學(xué)除草 生物除草 正得到廣泛的關(guān)注和重視 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中引入了機(jī)器人和自動(dòng)化的技術(shù)后 各種類(lèi)型的除草機(jī)器人也隨之出現(xiàn) 這 大大降低了農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響 文章主要概括了智能除草機(jī)器人的優(yōu)勢(shì) 并詳細(xì)描述了其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn) 狀 同時(shí)還探討了目前存在的問(wèn)題 最終對(duì)智能除草機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與展望 關(guān)鍵詞 智能除草機(jī)器人 識(shí)別技術(shù) 智慧農(nóng)業(yè) 人工智能 機(jī)器人平臺(tái) 中圖分類(lèi)號(hào) S 2 2 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1 0 0 1 0 2 5 4 2 0 2 5 0 5 0 0 5 5 0 3 0 引言 雜草影響作物生長(zhǎng) 是作物減產(chǎn)的重要因素之一 在我國(guó)農(nóng)田中的雜草大約有1 4 3 0種 包括變種 每 年由于這些雜草的影響 農(nóng)作物的產(chǎn)量減少了1 0 糧食產(chǎn)量下降了6 0 0 0萬(wàn)t 造成了2 2 0 0億元的經(jīng)濟(jì)損 失 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 除草是一個(gè)必不可少的步驟 其重要性不言而喻 除草技術(shù)按照原理可分為物理除 草 化學(xué)除草 生物除草等 化學(xué)除草是一種通過(guò)向植株噴灑除草劑來(lái)消滅或限制雜草生長(zhǎng)的方法 其效果 顯著且成本較低 然而 近些年來(lái)不當(dāng)使用除草劑已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題 對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成了巨大 威脅 這與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的原則相悖 與此同時(shí) 長(zhǎng)期單一的除草劑施用 也促進(jìn)了雜草抗藥性的發(fā)展 進(jìn) 一步增大了雜草防控的難度 利用生物 微生物以及他感物質(zhì)與雜草的生態(tài)關(guān)系 生物除草技術(shù)能夠?qū)﹄s草 進(jìn)行控制 實(shí)現(xiàn)環(huán)保和安全 但生物防控技術(shù)依然存在應(yīng)用方法復(fù)雜 操作難度大 效果不穩(wěn)定 普適性差等 問(wèn)題 在國(guó)內(nèi)農(nóng)田雜草控制中暫未得到廣泛應(yīng)用 除草機(jī)器人是一類(lèi)具有自主導(dǎo)航 雜草識(shí)別 自動(dòng)除草等能力的自主操作機(jī)器人系統(tǒng) 可幫助維護(hù)農(nóng)田 果 園 設(shè)施大棚 園藝場(chǎng)地等園區(qū)的植物健康 1 除草機(jī)器人可以自主工作 無(wú)需人工干預(yù) 從而節(jié)省了大量的時(shí) 間及勞動(dòng)成本 而且可以減少化學(xué)農(nóng)藥的使用量 從而保障食品綠色無(wú)公害 保障食品安全 還可以搭載不同 工具 同時(shí)開(kāi)展農(nóng)情監(jiān)測(cè) 作物估產(chǎn)等多項(xiàng)農(nóng)事工作 除草機(jī)器人通常配備了先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng) 避障系統(tǒng)和識(shí) 別系統(tǒng) 可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和地形 許多除草機(jī)器人使用電力等清潔能源 而不是燃油 這不僅可以減 少空氣污染 而且相比傳統(tǒng)割草機(jī) 電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人運(yùn)行成本更低 此外 隨著各個(gè)國(guó)家積極出臺(tái)相關(guān)政策 文件大力推動(dòng)農(nóng)業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)工作的數(shù)字化 信息化 智能化變革 以期在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位 智能除 草機(jī)器人也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者的青睞 由此 對(duì)環(huán)境友好 效果穩(wěn)定 可持續(xù)性強(qiáng)的物理除草方式 正得到越來(lái)越多的關(guān)注 隨著人工智能技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備智能化水平的提升 物理除草技術(shù)近年來(lái)取得了 快速發(fā)展 智能除草技術(shù)被廣泛地研究和應(yīng)用 成為智慧農(nóng)業(yè)下農(nóng)田除草的發(fā)展趨勢(shì) 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 國(guó)外現(xiàn)狀 在國(guó)外 一些國(guó)家因其政府對(duì)化學(xué)除草劑使用的諸多限制 迫使其除草作業(yè)時(shí)不得不廣泛采用機(jī)械除草 方式 日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求極大地促進(jìn)了其智能化苗間機(jī)械除草技術(shù)的發(fā)展 2 諸多基于機(jī)器視覺(jué)的除草 機(jī)和更加智能化的田間除草機(jī)器人開(kāi)始相繼誕生 這些除草機(jī)和除草機(jī)器人已經(jīng)具備了比較優(yōu)良的除草性 能 其中有些也已被商業(yè)化并投入了田間使用 澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)B a w d e n等研發(fā)了名為A g B o t I I的除草機(jī)器人 3 這種設(shè)備結(jié)合了機(jī)械與化 學(xué)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的除草任務(wù) 它的主要工作部件包括鋤式的機(jī)械清除部分及一系列化學(xué)藥液噴射 器 通過(guò)運(yùn)用視覺(jué)識(shí)別技術(shù) 除草機(jī)器人能夠辨別植物和雜草并對(duì)其進(jìn)行區(qū)分處理 同時(shí) 它還具備使用控 制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械清除功能 并且可以精準(zhǔn)地把除草劑施加到雜草身上 收稿日期 2 0 2 4 0 3 2 5 55 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期 瑞典哈姆斯塔德大學(xué)制造了除草機(jī)器人 4 其采用了能夠平穩(wěn)操控車(chē)輛方向的阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 使得它 能輕松地完成各種角度和路徑的變化操作 此設(shè)備還配置有兩臺(tái)相機(jī)作為輔助工具使用 一臺(tái)為黑色白色 相間的攝影機(jī)主要負(fù)責(zé)捕捉作物的邊緣特性以便引導(dǎo)機(jī)械按照這些特定的路線(xiàn)工作 另一部則是色彩豐富 的攝像機(jī)則專(zhuān)門(mén)用來(lái)辨別出植物及野生的植被之間的差異并加以區(qū)分開(kāi)來(lái) 經(jīng)過(guò)對(duì)耕地上的測(cè)試結(jié)果表明 這種自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的工作精度最高小于2 c m 丹麥奧爾胡斯大學(xué)農(nóng)業(yè)研究所進(jìn)行了關(guān)于使用機(jī)器人的一項(xiàng) 試驗(yàn) 開(kāi)發(fā)了一款名叫 H o r t i B o t 的除草機(jī)器人 5 這種設(shè)備能在植株成熟的耕地上精確找出并去除雜草 它獨(dú)特的構(gòu)造能避免觸及周?chē)钠渌脖欢粫?huì)對(duì)其產(chǎn)生損害 通過(guò)運(yùn)用相應(yīng)的技術(shù)和方法來(lái)分析形態(tài)數(shù) 據(jù)以確定目標(biāo)為雜草后 系統(tǒng)就能有效識(shí)別它們與其他作物的區(qū)別從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)清除的目標(biāo) 機(jī)器人在實(shí)際 操作中的表現(xiàn)表明它選擇性地去莠功能可使農(nóng)民減少約7 0 的使用化學(xué)藥劑的比例 1 2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 2 0 2 3年1月 工業(yè)和信息化部 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等十七部門(mén)印發(fā) 機(jī)器人 應(yīng)用行動(dòng)計(jì)劃 中明確指出 農(nóng) 業(yè)作為重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域 需要加速對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備的智能升級(jí) 以促進(jìn)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的深入整合 從而 助力智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展 6 2 0世紀(jì)6 0年代 我國(guó)對(duì)于作物株間機(jī)械除草技術(shù)的研究才正式開(kāi)始 但是其大多 集中于高校和科研院所 除草機(jī)器人商業(yè)化程度較低 成本偏高 對(duì)于用戶(hù)而言沒(méi)有性?xún)r(jià)比 致使我國(guó)還是 以大面積的化學(xué)農(nóng)藥除草為主 但是近年來(lái) 隨著國(guó)內(nèi)電子信息 自動(dòng)控制和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展 我國(guó)科研人員對(duì)作物株間機(jī)械除草進(jìn)行了大量研究 也取得了諸多研究成果 由南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等 7 9 開(kāi)發(fā)的一臺(tái)新型農(nóng)用設(shè)備直接施藥除草機(jī)器人 它可以利用先進(jìn)的技術(shù)手 段來(lái)完成各種復(fù)雜的工作任務(wù) 例如使用圖像處理技術(shù)來(lái)自動(dòng)規(guī)劃路徑 通過(guò)顏色分析提取目標(biāo)信息并實(shí) 施精確定位 此外還采用了人工智能算法以?xún)?yōu)化機(jī)器人的作業(yè)路線(xiàn)及作業(yè)效果等一系列創(chuàng)新性的功能設(shè)計(jì) 與應(yīng)用模式都得到了廣泛關(guān)注并且取得了顯著的效果 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張春龍等 1 0 提出了關(guān)于一種具有 四個(gè)車(chē)軸和單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)的多功能自動(dòng)除草機(jī)器人的構(gòu)想 其工作原理是利用三個(gè)手指形狀的手抓來(lái)實(shí)現(xiàn)精確 切割植物的功能 這個(gè)系統(tǒng)的核心部分包括攝像頭模塊 G P S導(dǎo)向設(shè)備 移動(dòng)式自動(dòng)化車(chē)輛 A G V 用于實(shí) 施剪枝動(dòng)作的主控單元并配有可調(diào)節(jié)高度的設(shè)計(jì)元素以適應(yīng)不同的高度需求 當(dāng)它開(kāi)始操作的時(shí)候 其中 兩根穩(wěn)定的觸須會(huì)一直保持著對(duì)目標(biāo)區(qū)域的工作狀態(tài) 而另一只可以活動(dòng)的機(jī)械臂則會(huì)在需要處理特定情 況或應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形變化的過(guò)程中做出相應(yīng)的姿態(tài)變換以便更準(zhǔn)確無(wú)誤地完成任務(wù) 蘭州理工大學(xué)的賈耀 文 1 1 基于西北地區(qū)果園特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款果園避障除草機(jī)器人 該機(jī)器人采用了雙側(cè)避障機(jī)構(gòu) 升降模組 轉(zhuǎn)向裝置 扶手機(jī)構(gòu)和除草執(zhí)行器等主要機(jī)械結(jié)構(gòu) 可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整刀具位置和作業(yè)幅寬的功能 保護(hù)作物不 受損害 同時(shí)滿(mǎn)足不同種植模式的果園作業(yè)需求 2 存在問(wèn)題分析 2 1 性?xún)r(jià)比不高 智能除草機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)成本較高 導(dǎo)致市場(chǎng)上的售價(jià)偏高 這使得一些用戶(hù)可能更傾向于使用傳 統(tǒng)的除草方法 1 2 同時(shí) 智能除草機(jī)器人的操作和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜 需要一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn) 這對(duì)于普通用 戶(hù)來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰(zhàn) 2 2 識(shí)別精度有待提高 智能除草機(jī)器人的核心技術(shù)之一是圖像識(shí)別和分類(lèi)技術(shù) 1 3 然而 現(xiàn)階段的識(shí)別精度仍有待提高 由 于農(nóng)田的環(huán)境復(fù)雜多變 機(jī)器人可能難以準(zhǔn)確區(qū)分草和其他植物 從而導(dǎo)致誤識(shí)別 誤操作等問(wèn)題 2 3 復(fù)雜地形適應(yīng)性差 耕地大體分為水田和旱田 兩種耕地對(duì)作業(yè)機(jī)械有著不同的要求 如今 除草機(jī)器人多是履帶式 因其 底盤(pán)通過(guò)性較好 但是針對(duì)不同性質(zhì)的農(nóng)田 如何讓除草機(jī)器人適應(yīng)性更強(qiáng) 能保證在不同耕地作業(yè)的同時(shí) 兼顧速度和效率是除草機(jī)器人的一大難題 2 4 株間除草質(zhì)量欠佳 株間除草屬于精細(xì)化作業(yè)范疇 尤其依賴(lài)于機(jī)器人對(duì)農(nóng)作物和雜草識(shí)別的精準(zhǔn)度 1 4 在行間除草表現(xiàn)良好 的機(jī)具不一定適合株間除草 而具有株間除草能力的部分機(jī)具 其除草效率比較低下 無(wú)法將雜草完全清除干凈 65 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期 3 技術(shù)研究展望 3 1 成本降低與普及化 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇 智能除草機(jī)器人的成本將逐漸降低 這將使更多的用戶(hù)能夠 購(gòu)買(mǎi)和使用智能除草機(jī)器人 從而促進(jìn)其普及化 同時(shí) 銷(xiāo)售公司應(yīng)配備完備的售后體系 只有讓用戶(hù)有經(jīng) 濟(jì)賬可算 才能使智能除草機(jī)器人走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù) 3 2 深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用 隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步 智能除草機(jī)器人的圖像辨識(shí)和分類(lèi)準(zhǔn)確性將有顯著提升 這將使機(jī)器 人能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別草和其他植物 從而減少誤識(shí)別 誤操作等問(wèn)題 3 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)智能除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其在復(fù)雜地形和環(huán)境中的適應(yīng)性 例如 通過(guò)改進(jìn)機(jī)器 人的底盤(pán)設(shè)計(jì) 增加懸掛系統(tǒng)等 可以使機(jī)器人更好地適應(yīng)各種地形和氣候條件 3 4 多機(jī)群控制與協(xié)同作業(yè) 除草機(jī)器人的多機(jī)群控制與協(xié)同作業(yè)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一 這種技術(shù)可以顯著提高除草效率 擴(kuò)大 作業(yè)范圍 并更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境 多機(jī)群控制主要涉及到如何有效地管理和調(diào)度多個(gè)除草機(jī)器人 使它們能夠協(xié)同工作 共同完成除草任務(wù) 這涉及到的問(wèn)題包括路徑規(guī)劃 任務(wù)分配 通信協(xié)議 避障和防撞 等 協(xié)同作業(yè)則是指多個(gè)除草機(jī)器人在工作中相互配合 共同實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo) 為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)群控制與協(xié)同 作業(yè) 需要借助先進(jìn)的傳感器 控制系統(tǒng)和通信技術(shù) 例如 可以利用激光雷達(dá) 攝像頭等傳感器來(lái)感知周?chē)?環(huán)境 利用G P S R T K等技術(shù)進(jìn)行精確定位 利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的信息共享和協(xié)同控制 4 總結(jié) 隨著智慧農(nóng)業(yè)與A I技術(shù)的深入發(fā)展 除草技術(shù)也將不斷創(chuàng)新和發(fā)展 智能除草機(jī)器人必將是未來(lái)智慧農(nóng) 業(yè)的應(yīng)用趨勢(shì) 目前除草機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中還存在一定的應(yīng)用困境 需要在技術(shù) 效率 成本等方面不斷進(jìn) 行優(yōu)化和完善 盡管我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展相對(duì)滯后 但是已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作 然而 由于技術(shù)上的 限制 目前我們的智能除草機(jī)器人還不夠完善 不能適應(yīng)各種復(fù)雜的工作場(chǎng)景和不斷變化的需求 此外 它還 沒(méi)有達(dá)到能夠使用智能導(dǎo)航系統(tǒng)的精確控制水平 這使得其難以進(jìn)入商用生產(chǎn)的軌道 基于此 結(jié)合本領(lǐng)域的 研究現(xiàn)狀和研究成果 可以看出國(guó)內(nèi)外的差距 因此要積極投資于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 系統(tǒng)控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的 研究 以培育更多相關(guān)的人才 要鼓勵(lì)科技創(chuàng)新型企業(yè)的成長(zhǎng) 推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加速前進(jìn) 5 參考文獻(xiàn) 1 高勇 陳中武 李沐桐 等 果園除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2 0 2 3 4 4 5 2 8 2 9 2 馬中洋 基于改進(jìn)U N e t模型的白菜株間避苗除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) D 長(zhǎng)春 吉林大學(xué) 2 0 2 3 3 B A W D E N O K U L K J R U S S E L L R e t a l R o b o t f o r w e e d s p e c i e s p l a n t s p e c i f i c m a n a g e m e n t J J o u r n a l o f F i e l d R o b o t i c s 2 0 1 7 3 4 6 1 1 7 9 1 1 9 9 4 A S T R A N D B B A E R V E L D T A J A n a g r i c u l t u r a l m o b i l e r o b o t w i t h v i s i o n b a s e d p e r c e p t i o n f o r m e c h a n i c a l w e e d c o n t r o l J A u t o n o m o u s R o b o t s 2 0 0 2 1 3 1 2 1 3 5 5 張寄塵 丹麥 研制出農(nóng)田除草機(jī)器人 J 農(nóng)村 農(nóng)業(yè) 農(nóng)民 2 0 0 4 7 4 6 6 谷毅 淺析農(nóng)作物智能除草技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 J 農(nóng)業(yè)科技通訊 2 0 2 3 1 0 2 2 7 陳勇 田磊 鄭加強(qiáng) 基于直接施藥方法的除草機(jī)器人 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2 0 0 5 3 6 1 0 9 1 9 3 8 侯學(xué)貴 除草機(jī)器人雜草識(shí)別與視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)研究 D 南京 南京林業(yè)大學(xué) 2 0 0 7 9 郭偉斌 除草機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制 D 南京 南京林業(yè)大學(xué) 2 0 0 8 1 0 張春龍 黃小龍 耿長(zhǎng)興 等 智能鋤草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2 0 1 1 4 2 7 1 9 6 1 9 9 1 1 賈耀文 多功能果園避障除草機(jī)器人機(jī)械及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 蘭州 蘭州理工大學(xué) 2 0 2 0 1 2 蘭天 李端玲 張忠海 等 智能農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析 J 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2 0 2 1 2 9 5 1 7 1 3 尹麒麟 丘陵果園除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究 D 武漢 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2 0 2 3 1 4 周志強(qiáng) 水田機(jī)械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) J 南方農(nóng)機(jī) 2 0 2 2 5 3 5 1 6 1 8 2 8 0 2 3 75 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 2 0 2 5年第5期 總第5 5 0期