本專題我***整理了9篇文章，來自北京農業智能裝備技術研究中心、華中農業大學、中國農業大學、中國農村技術開發中心、上海市農業機械研究所、上海交通大學、上海市農業科學院、石河子大學、山東農業大學等單位。
文章包含農業機械與信息技術融合發展、果蔬采摘機器手設計、自動導航與測控技術的應用、天然橡膠割膠機器人、白蘆筍采收機器人、畜禽舍防疫消毒機器人、輪式谷物聯合收獲機、中國智能農機裝備標準體系、油電混合果園自動導航車控制器硬件的設計與應用等內容。供大家閱讀、參考。
專題--農業機器人與智能裝備
Topic--Agricultural Robot and Intelligent Equipment
[1]陳學庚, 溫浩軍, 張偉榮, 潘佛雛, 趙巖. 農業機械與信息技術融合發展現狀與方向[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 1-16.
CHEN Xuegeng, WEN Haojun, ZHANG Weirong, PAN Fochu, ZHAO Yan. Advances and progress of agricultural machinery and sensing technology fusion[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 1-16.
摘要： 為理清國內外農業機械與信息技術融合發展現狀，找到重點發展方向，借此大力推進中國農業機械智能化發展，本文首先分析了國外農業機械與信息技術融合發展的現狀，總結了其發展的五大特點。之後指出中國農業機械化發展雖然成效顯著，但仍存在農機信息化融合的區域及結構發展不平衡、企業和農民對農業機械信息化的認可度還不高、基礎研究與關鍵技術研究薄弱、農機作業信息系統管理水平不高且缺乏統壹標準等問題。最後提出了中國農業機械與信息技術融合發展的方向，包括促進智能感知技術發展與導航技術研究、推進農業機械裝備智能化、構建農機智慧作業系統、推進農機自主作業技術研究與無人農場建設、加強農機信息化技術標準制定與復合型人才培養等。農業機械與信息技術融合是中國現代農業機械發展的必然趨勢，利用信息技術促進農業機械的發展，能夠最大化發揮信息技術的引導效應，提高農業生產效率，對於推進中國農業機械高質高效發展具有重要意義。
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[2]吳劍橋, 範聖哲, 貢亮, 苑進, 周強, 劉成良. 果蔬采摘機器手系統設計與控制技術研究現狀和發展趨勢[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 17-40.
WU Jianqiao, FAN Shengzhe, GONG Liang, YUAN Jin, ZHOU Qiang, LIU Chengliang. Research status and development direction of design and control technology of fruit and vegetable picking robot system[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 17-40.
摘要： 鮮食果蔬收獲是難以實現機械化作業的生產環節，高效低損采摘也是農業機器人研發領域中的難題，導致目前市場化的自動化果蔬采摘裝備生產應用幾乎空白。針對鮮食果蔬采摘需求，為改善人工采摘費時費力、效率低下、自動化程度低的問題，近30年來，國內外學者設計了壹系列自動化采摘設備，推動了農業機器人技術的發展。在研發鮮食果蔬采摘設備時，首先要確定采收對象和采收場景，針對作物的生長位置、形狀和重量、場景的復雜程度、所需自動化程度，通過復雜度預估、力學特性分析、姿態建模等方式，明確農業機器人的設計需求。其次，作為整個采摘動作的核心執行者，采摘機器人的末端執行器設計尤為重要。本文對采摘機器人末端執行器的結構進行了分類，總結了末端執行器的設計流程與方法，闡述了常見的末端執行器驅動方式、切割方案，並對果實收集機構進行了概括。再次，本文概述了采摘機器人的總體控制方案、識別定位方法、避障方法及自適應控制方案、品質分類方法以及人機交互、多機協作方案。為了總體評價采摘機器人的性能，本文還提出了平均采摘效率、長期采摘效率、采收質量、損傷率和漏采率指標。最後，本文對自動化采摘機械的總體發展趨勢進行了展望，指明了采摘機器手系統將向著采摘目標場景通用化、結構形式多樣化、全自動化、智能化、集群化方向發展的趨勢。
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[3]王春雷, 李洪文, 何進, 王慶傑, 盧彩雲, 陳立平. 自動導航與測控技術在保護性耕作中的應用現狀和展望[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 41-55.
WANG Chunlei, LI Hongwen, HE Jin, WANG Qingjie, LU Caiyun, CHEN Liping. State-of-the-art and prospect of automatic navigation and measurement techniques application in conservation tillage[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 41-55.
摘要： 實現智能化是提升保護性耕作機具作業質量和效率的重要途徑，自動導航與測控技術作為智能化技術的重要組成部分，近年來在保護性耕作中的應用發展迅速。本文首先從接觸式、機器視覺式和GNSS式三種免少耕播種自動導航技術入手，闡述了自動導航技術在保護性耕作中的應用現狀；然後對作業參數監測技術的發展動態進行了詳細介紹，包括地表稭稈覆蓋率的快速檢測技術、免少耕播種機播種參數監測技術及保護性耕作機具作業面積監測技術；之後闡述了保護性耕作機具作業控制技術的發展現狀，主要介紹了免少耕播種機漏播補償控制技術和作業深度控制技術。最後在總結自動導航與測控技術在保護性耕作中現有應用的基礎上，展望了未來保護性耕作機具自動導航技術、作業參數監測技術和保護性耕作機具作業控制技術三者的研究方向。
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[4]周航, 張順路, 翟毅豪, 王松, 張春龍, 張俊雄, 李偉. 天然橡膠割膠機器人視覺伺服控制方法與割膠試驗[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 56-64.
ZHOU Hang, ZHANG Shunlu, ZHAI Yihao, WANG Song, ZHANG Chunlong, ZHANG Junxiong, LI Wei. Vision servo control method and tapping experiment of natural rubber tapping robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 56-64.
摘要： 自動化割膠不僅可以把膠工從繁重的體力勞動和惡劣的工作環境中解放出來，還能降低對膠工的技術依賴，極大地提高生產效率。實現非結構環境下作業信息自主獲取及割膠位置伺服控制是割膠機器人的關鍵技術。針對工作環境復雜多變、作業信息疊加交互、目標背景特征相近、亞毫米級作業精度要求等技術難點，本研究以人工橡膠林中橡膠樹為割膠對象研發割膠機器人，通過建立割膠軌跡的空間數學模型，規劃機器人快速接近和遠離操作空間的運動路徑；采用雙目立體視覺技術獲取樹幹和割線結構參數，融合機器人運動學、機器視覺技術和多傳感器反饋控制技術研制了割膠機器人模塊化樣機。割膠機器人主要由軌道式機器人移動平臺、多關節機械臂、雙目立體視覺系統和末端執行器等組成。在海南天然橡膠林進行的割膠試驗結果表明，在割膠機器人切割1 mm厚的橡膠樹皮時，耗皮量誤差約為0.28 mm，切割深度誤差約為0.49 mm。該研究可為 探索 天然橡膠樹的自動化割膠作業提供技術參考。
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[5]李揚, 張萍, 苑進, 劉雪美. 白蘆筍采收機器人視覺定位與采收路徑優化方法[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 65-78.
LI Yang, ZHANG Ping, YUAN Jin, LIU Xuemei. Visual positioning and harvesting path optimization of white asparagus harvesting robot[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 65-78.
摘要： 依據筍芽出土狀態的選擇性收獲是目前白蘆筍公認的最佳收獲方式。針對采收過程中機器視覺識別筍尖存在筍尖與壟面紋理和顏色相近等識別難題，本研究提出了壹種變尺度感興趣區域（ROI）檢測方法，融合圖像色域變換、直方圖均值化、形態學和紋理濾波等技術，研究了筍尖識別與精準定位方法；在定位多筍尖坐標基礎上，提出了多筍芽的采收路徑優化方法，解決了因采收路徑不合理導致的采收效率低的問題。首先，通過機器人視覺系統實時采集采收區域圖像並進行RGB三通道高斯濾波，采用HSV色域變換並進行直方圖均值化處理。在此基礎上，對筍尖、土壤進行特征聚類分析，根據筍芽抽發程度研究變尺度ROI檢測方法，對采集圖像中筍尖的形態學以及筍尖和土壤的紋理進行統計學分析，設定筍尖的似圓度閾值，並參考紋理特征參數，判定筍尖位置，計算其幾何中心，獲得筍尖輪廓中心坐標。其次，為實現白蘆筍的高效采收，根據多目標點與集箱點的位置分布，本研究設計了壹種基於多叉樹遍歷的采收路徑優化算法，以獲得多個目標筍尖的最優采收路徑。最後，搭建采收機器人試驗平臺開展了筍尖定位與采收驗證性試驗。結果表明，視覺系統對白蘆筍的識別率可達98.04%，筍尖輪廓中心坐標的定位最大誤差X方向為0.879 mm，Y方向為0.882 mm，采收筍的個數在不同情況下，采用路徑優化後的末端執行器運動距離平均可節省43.89%，末端執行器定位成功率達到100%，在實驗室環境下的白蘆筍采收率達到88.13%，驗證了采用視覺定位的白蘆筍采收機器人選擇性采收的可行性。
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[6]馮青春, 王秀, 邱權, 張春鳳, 李斌, 徐瑞峰, 陳立平. 畜禽舍防疫消毒機器人設計與試驗[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 79-88.
FENG Qingchun, WANG Xiu, QIU Quan, ZHANG Chunfeng, LI Bin, XU Ruifeng, CHEN Liping. Design and test of disinfection robot for livestock and poultry house[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 79-88.
摘要： 針對畜禽養殖防疫消毒勞動強度大、安全性差的問題，設計了防疫消毒機器人系統，以實現畜禽舍防疫消毒噴霧的智能化作業。機器人系統由移動承載平臺、防疫噴霧部件、環境監測傳感器以及控制器等4部分構成，支持全自動運行和遙控操作2種工作模式。針對畜禽舍內弱光、低應激的工況條件，提出了“磁標-射頻識別”組合的導航路徑探測方法，實現在畜禽舍內養殖籠架間的自主移動。設計了風助式藥液噴嘴，可同步實現消毒藥液的霧化和擴散。通過對噴嘴內腔風場進行流體動力學仿真，對噴嘴氣體導流和藥液霧化部件結構參數進行了優化設計，確定了錐形導流墊塊和霧化柵板的傾角分別為75 和90 。最後，在禽舍內對機器人導航和噴霧性能進行了現場測試。試驗結果表明，機器人移動平臺可滿足0.1~0.5 m/s速度範圍的自動巡線導航，其實際軌跡相對磁釘標記的最大偏移量為50.8 mm；風助式噴嘴可適用於200~400 mL/min流量的藥液噴灑，形成的霧滴直徑（DV.9）為51.82~137.23 μm，霧滴沈積密度為116~149 個/cm2。本畜禽舍防疫消毒機器人可實現養殖舍內消毒和免疫藥液的智能化噴霧作業。
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[7]丁幼春, 王緒坪, 彭靖葉, 夏中州. 輪式谷物聯合收獲機視覺導航系統設計與試驗[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 89-102.
DING Youchun, WANG Xuping, PENG Jingye, XIA Zhongzhou. Visual navigation system for wheel-type grain combine harvester[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 89-102.
摘要： 為提高聯合收獲機收獲質量與效率，構建了輪式谷物聯合收獲機視覺導航控制系統，結合OpenCV設計了谷物收獲邊界直線檢測算法識別水稻田間已收獲區域與未收獲區域邊界，經預處理、二次邊緣分割和直線檢測等得到聯合收獲機視覺導航作業前視目標路徑，並根據前視路徑相對位置信息進行田間動態標定獲得聯合收獲機滿幅收獲作業狀態；提出了壹種基於前視點的直線路徑跟蹤控制方法，通過預糾偏控制實現維持滿割幅的同時防止作物漏割，以相對位置偏差值和實時轉向後輪轉角作為視覺導航控制器的輸入，並根據糾偏策略對應輸出轉向輪控制電壓大小。稻田試驗結果表明，該導航系統實現了輪式聯合收獲機田間相對位置姿態的可靠采集及目標直線路徑跟蹤控制的穩定執行，在田間照度符合人眼正常工作的情況下，收獲邊界識別算法檢測準確率不低於96.28%，單幀檢測時間50 ms以內；以不產生漏割為前提的視覺導航平均割幅率為94.16%，隨作業行數增多，割幅壹致性呈提高趨勢。本研究可為聯合收獲機自動導航滿割幅作業提供技術支撐。
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[8]胡小鹿, 梁學修, 張俊寧, 梅岸君, 呂程序. 中國智能農機裝備標準體系框架構建與研制建議[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 116-123.
HU Xiaolu, LIANG Xuexiu, ZHANG Junning, MEI Anjun, LYU Chengxu. Construction of standard system framework for intelligent agricultural machinery in China[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 116-123.
摘要： 針對中國智能農機裝備標準化工作中缺乏系統性標準體系指導的問題，本研究構建了中國智能農機裝備標準體系框架。首先從標準體系、具體標準、國際化水平等方面分析了中國智能農機裝備標準化現狀及存在問題；依托智能農機裝備標準體系框架構建的目標及原則，總結了級別、約束力、通用性、性質、對象、標準類別、參考模型、行業分類、產業環節等構成標準體系框架的維度。之後利用級別、類別、產業環節構建了中國智能農機裝備標準體系三維框架結構，並將其二維分解為基礎層、***性通用層和應用領域層。最後提出了中國智能農機裝備標準研究與編制的建議。本研究可為中國智能農機裝備標準的制修訂、實施與服務提供系統性指導，引領中國智能農機裝備產業快速發展。
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[9]吳應新, 吳劍橋, 楊雨航, 李沐桐, 甘玲, 貢亮, 劉成良. 油電混合果園自動導航車控制器硬件在環仿真平臺設計與應用[J]. 智慧農業(中英文), 2020, 2(4): 149-164.
WU Yingxin, WU Jianqiao, YANG Yuhang, LI Mutong, GAN Ling, GONG Liang, LIU Chengliang. Design and application of hardware-in-the-loop simulation platform for AGV controller in hybrid orchard[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 149-164.
摘要： 果園由於面積範圍廣、地形復雜、壕溝多、雜草叢生、土壤濕度較高且土質較為疏松，對自動導航小車（AGV）的機械結構、控制系統，以及能源動力系統的設計都提出了更高的標準和要求。混合動力AGV小車可以滿足果園中長距離移動的需求。為 探索 合適的混合動力AGV控制系統算法以及能量管理策略，同時減少設計過程中由於果園地形復雜導致的控制器設計驗證叠代、需求多樣化問題帶來的人力、物力，以及時間成本，本研究針對果園面積廣的特點，選擇串聯式油電混合動力系統進行AGV動力能源系統模型的搭建。另外，針對果園AGV需要適應地形範圍廣的特點，采用履帶車模型結構，利用硬件在環仿真技術，以樹莓派作為控制系統搭載控制算法實物，利用Matlab和RecurDyn軟件建立包含能源動力系統、電機驅動系統、履帶車行駛部分模型以及路面模型的系統實時仿真模型，最終實現了串聯式混合動力AGV控制器硬件在環仿真功能。基於串級比例積分微分（PID）以及模糊控制器控制算法的仿真驗證表明，模糊控制器控制算法能夠減少參數調節帶來的時間成本，在轉向角度小時響應速度加快了50%，在轉向角度大時串級PID控制器產生了10%的超調，而模糊控制器無超調，轉向更加平穩。結果表明硬件在環仿真平臺能夠有效地應用於果園AGV控制器的開發，避免了控制實物試驗，在降低成本的同時可以加快果園自動導航小車的開發過程。
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