除草机器人执行机构及任务信息管理系统设计文献综述

 2022-08-03 14:53:51

除草机器人国内外研究现状

农田杂草影响作物的生长,对农作物的危害很大,争夺养料、水分、阳光和空间,降低作物的产量和质量,是在作物田中弊大于利的植物。全世界大约有3000种杂草,其中1800种可影响作物的收成。根据我国一次农田草害调查研究结果:我国农田共有杂草约580种,其中危害严重又难于防除的恶性杂草有 15 种,还有分布较广而危害较重的主要杂草31种。农田草害面积约4300万 hm2,其中严重受害面积约1000万 hm2,因杂草危害减产15.4%,估计每年减产粮食1750万吨。[1]我国是一个农业大国,地域迂阔,田间杂草种类繁多,农田草害一直是阻碍我国农业生产快速持续发展、农作物产量提高的一个重要因素。而现有的人工除草、机械除草和化学除草,一方面劳动强度大、效率低、满足不了需求;另一方面大面积的喷洒农药对环境污染严重,也浪费资源。农田除草机器人应运而生。除草机器人可以代替人类进行除草活动,减轻劳动强度.[2]

农田除草机器人是集环境感知、路径规划、目标识别和动作控制于一体的智能机器人系统,是精确农业高农药有效利用率,降低农业成本;另一方面通过适当减少农药用量,降低环境污染,改善农业生态环境,提高农产品的品质。[3]

20 世纪 60 年代国外率先有了关于除草机器人的研究,而到了 20 世纪 90 年代,除草机器人技术己经得到了广泛的研究。1999年美国California 大学Davis 分 校生物与农业工程系的W.S.LEE,D.C.SLAUGHTER和D.K.GILES提出番茄除草机器人原型,该系统由作物识别模块和杂草控制模块两个部分组成。作物识别模块包括 CCD 摄像头、计算机及图像处理组件;杂草控制模块包括一个精确的微控制器喷雾系统和距离传感器等。喷雾系统有8 个喷头,每个喷头分别由电磁阀控制。[4]丹麦科学家研制出一种用于农田除草的机器人Horti Bot。该除草机器人利用摄像头完成田间扫描工作,其研发的识别软件可通过十五种不同的参数来描述杂草的外部特征,再通过全球定位系统定位杂草。在甜菜田间的试验表明,除草机器人能识别杂草并且可以有选择地清除杂草,大大减少了除草剂的使用量。[5]C.Cordill,T.E.Grift 设计了一种玉米秸秆行内除草系统。该系统包括三个部分:秸秆传感器、控制算法和除草末端执行器。该系统利用激光发射接收对识别玉米秸秆,并控制除草执行器避开识别出的秸秆除草。试验表明,该系统能够避开植株除草。西班牙农业部瓦伦西亚研究所研发了一款适用于生菜田除草机器人,通过视觉系统识别出杂草后将机械手移动至杂草的上方,机械手末端的电极释放高压电将杂草杀死。在工作速度0.8m/s为时,可以识别出84%的杂草和99%的生菜。[6]

我国自20世纪60年代开始研究除草机械,至70年代有一定程度的发展,但大都为行间中耕除草机。对于株间除草机,尤其是对具有一定智能的除草机械装备的研究相对国外来说起步晚,但目前随着控制技术的成熟以及计算机视觉技术在杂草识别方面的深入研究,我国已开始着手研制集行间、株间一体的高效、智能除草机械。[7]北京林业大学的吴健等人设计了一种自动可视除草机器人通过视觉系统对杂草进行识别,然后控制机械臂上的末端执行器将杂草切除,室内试验表明该机器人初步实现了林业苗圃智能化除草。中国农业大学的张春龙、李伟等人设计了一种智能働草机器人是通过机器视觉获取作物苗株位置信息,然后控制末端执行器在作物苗株之间的运动轨迹,使其完成锄草和避苗等作业任务。[8]黑龙江八一农垦大学的李谦和蔡晓华2014年以土槽试验车为例进行了基于机器视觉的机械手除草机器人实验。该实验将除草机器人悬挂在土槽试验车前进行苗草识别,在土槽车行进间使用 DMK 21AG04 型号摄像头采集图像,并通过 OpenCV 平台 ( 基于开源发行的跨平台计算机视觉库)进行图像处理,对苗草进行识别后驱动上弦月型机械手进行决策从而绕过苗草,进行完全的杂草清除。该试验达到了预期的 95%以上识别率的目标,土槽车行走速度也达到了 1.8 km/h 以上,除草机器人拥有较高作业效率。[9]南京林业大学陈勇提出了直接施药方法,即先切割杂草,然后在杂草的切口处涂抹除草剂。田间药效试验显示,该方法只需常规喷雾用量的 1/7 就可以杀死杂草。在此基础上,侯学贵开展了基于机器视觉自动导航和基于色彩特征识别玉米苗期杂草等研究;郭伟斌开展了基于模糊控制的除草机器人导航控制研究。江苏大学毛罕平等人研制了基于机器视觉的精确喷施智能除草机器人。该装置由车身、施药系统机械结构和视觉系统机械结构组成。车身总长为 1550mm,总宽为1000mm。车架前端采用了梁结构,车轮由两个直流电机驱动。施药系统装置包括汽油机、压力泵、精确施药微控制器、药箱、电磁阀、喷头和高频减震器。视觉系统设备有电脑、摄像头、光源等。[10]

中国作为世界人口大国,能以不到7%世界的耕地面积养活占世界21%的人口,粮食问题至关重要。而杂草对农作物质量和产量的危害巨大,由此可见,除草机器人技术将获得进一步发展,它的应用也将会越来越广泛。[11]

  1. 张文莉,陈树人,褚德宏.除草机器人研究现状与趋势[J].农业装备技术,2015,41(02):6-10.
  2. 郭振东.农田杂草的危害及防除[J].河南农业,2003(9):32.
  3. 郭伟斌. 除草机器人设计与控制[D].南京林业大学,2008.
  4. 王艳. 高效除草机器人控制系统设计[D].南京林业大学,2013.
  5. 金小俊,陈勇,孙艳霞.农田杂草识别方法研究进展[J].农机化研究, 2011, 33(7): 23~27,33
  6. 赵德升.基于机器视觉的精确喷施智能除草装置杂草实时识别技术[D].镇江:江苏大学, 2009
  7. 丹麦:研制出农田除草机器人[J].环球农业,2004
  8. 赵德升. 基于机器视觉的精确喷施智能除草装置杂草实时识别技术[D].江苏大学,2009.
  9. 李谦,蔡晓华.机器视觉在除草机器人中的应用[J].农机化研究,2014,36(07):204-206 231.
  10. 黄小龙. 蔬菜株间锄草机器人末端执行器优化设计研究[D].中国农业大学,2014.
  11. 夏欢. 水田用除草机器人的结构与实现[D].华南理工大学,2012.

资料编号:[77641]

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