前言：農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化、智能化的技術(shù)手段，為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供了重要支持。本文節(jié)選自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國際學(xué)院院長李道亮的《我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)與發(fā)展趨勢》一文，重點(diǎn)分析農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)過程中的四大關(guān)鍵技術(shù)。

感知、規(guī)劃、定位導(dǎo)航與控制是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)過程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

· 感知技術(shù)能夠給予機(jī)器人感受外部世界的能力，使其像人類一樣擁有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官能力；

· 規(guī)劃技術(shù)決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡和機(jī)械臂的作業(yè)軌跡，使其運(yùn)動(dòng)和作業(yè)獲取更高效、更便捷、更安全的行動(dòng)路線，讓機(jī)器人學(xué)會(huì) “走更好的路”和“做更好的操作”；

· 定位導(dǎo)航技術(shù)則能讓機(jī)器人知曉自身位置信息，使其沿著規(guī)劃好的路線正確運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人學(xué)會(huì)“沿著路線正確走路”；

· 控制技術(shù)決定了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人更加準(zhǔn)確、敏捷的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，讓農(nóng)業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)“更好的走路和作業(yè)”。

以上關(guān)鍵技術(shù)相輔相成，一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人要完成采摘、收割、巡檢等任務(wù)離不開上述四個(gè)技術(shù)的集成。

一是感知技術(shù)。感知技術(shù)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化等方面發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)主要包括目標(biāo)感知、環(huán)境感知、狀態(tài)感知、位置感知和身份感知。目標(biāo)感知是指農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過各種傳感器和算法識(shí)別定位外部環(huán)境的目標(biāo)信息，如農(nóng)作物、果實(shí)、雜草等。其關(guān)鍵技術(shù)包括圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、激光雷達(dá)以及超聲波傳感器等感知技術(shù)。

其中，圖像處理與機(jī)器視覺是利用農(nóng)業(yè)機(jī)器人裝配的高清攝像頭獲取作業(yè)環(huán)境圖像，通過深度學(xué)習(xí)方法對作物、雜草、病蟲害等進(jìn)行目標(biāo)檢測與分類等。此外，多光譜成像技術(shù)幫助識(shí)別患病的作物；溫室大棚內(nèi)的采摘機(jī)器人利用所裝配的雙目攝像機(jī)和立體匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)對果實(shí)的三維位置和姿態(tài)識(shí)別，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取及采摘。

病蟲害監(jiān)測與防治利用圖像處理和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作物病蟲害情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，減少農(nóng)藥使用量，進(jìn)而保護(hù)環(huán)境。激光雷達(dá)可以生成高精度3D點(diǎn)云地圖，特別適用于精細(xì)農(nóng)業(yè)和復(fù)雜地形的作物感知。

例如，在葡萄園區(qū)，激光雷達(dá)可以生成葡萄藤的3D模型，幫助農(nóng)民精確修剪和管理。超聲波傳感器通過測量聲波的反射時(shí)間來檢測目標(biāo)物體的距離，常用于輔助定位和導(dǎo)航。例如，在果樹種植區(qū)，超聲波傳感器可以幫助農(nóng)業(yè)機(jī)器人確定果樹的距離和位置，以便進(jìn)行精確的農(nóng)藥噴施和果樹修剪。

環(huán)境感知是指農(nóng)業(yè)機(jī)器人對農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測和理解，以便作出適應(yīng)性決策和操作。環(huán)境感知作為農(nóng)業(yè)裝備智能化的首要條件，是智能農(nóng)機(jī)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化農(nóng)田環(huán)境中安全可靠作業(yè)的保障。其主要技術(shù)包括動(dòng)態(tài)環(huán)境識(shí)別、實(shí)時(shí)環(huán)境建模以及多傳感器數(shù)據(jù)融合。

實(shí)時(shí)環(huán)境建模是農(nóng)業(yè)機(jī)器人環(huán)境感知的重要組成部分。通過激光雷達(dá)和視覺傳感器，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以實(shí)時(shí)構(gòu)建農(nóng)田的三維模型，這些模型會(huì)用于后續(xù)的路徑規(guī)劃、障礙物檢測與避障。

例如，在果園中，實(shí)時(shí)三維建模可以幫助機(jī)器人在復(fù)雜的地形和果樹之間進(jìn)行導(dǎo)航，避免碰撞。農(nóng)田環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，識(shí)別天氣變化、作物生長等，并作出相應(yīng)的決策。例如，農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過分析視覺數(shù)據(jù)監(jiān)測作物的葉片顏色和形狀變化，以此判斷作物的健康狀況和生長進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害并采取相應(yīng)的防治措施。

此外，多傳感器數(shù)據(jù)融合是提升環(huán)境感知精度和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常配備多種傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器、溫濕度傳感器等。通過對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以獲得更全面和準(zhǔn)確的環(huán)境信息。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)應(yīng)用廣泛，涵蓋了從作物監(jiān)測到環(huán)境管理的多個(gè)領(lǐng)域，這些技術(shù)通過多種傳感器和算法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田環(huán)境和作物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和精確分析，不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，減少了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還顯著提升了農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平。

二是路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑規(guī)劃技術(shù)能夠精確感知環(huán)境，智能避開障礙物，為機(jī)器人量身打造出一條高效、安全的作業(yè)路徑。不僅能夠避免重復(fù)交叉作業(yè)帶來的資源浪費(fèi)，還能顯著提高作業(yè)效率，優(yōu)化作業(yè)流程，大幅減少能源消耗，有效控制作業(yè)成本。

如今，路徑規(guī)劃技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)機(jī)器人中，成為高效、節(jié)能作業(yè)的“得力助手”。其中，移動(dòng)車體的路徑規(guī)劃在田間作業(yè)中大顯身手，確保農(nóng)業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜多變的農(nóng)田環(huán)境中游刃有余；機(jī)械臂的路徑規(guī)劃則精準(zhǔn)服務(wù)于采摘作業(yè)，使采摘過程更加高效、精確。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)不僅展示了現(xiàn)代科技的魅力，更展現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。隨著這一技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將更加智能、高效。

首先是移動(dòng)車體路徑規(guī)劃。隨著農(nóng)業(yè)智能化水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)裝備的路徑規(guī)劃技術(shù)正逐漸成為引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)步的“關(guān)鍵鑰匙”。特別是在收割機(jī)的應(yīng)用上，這一技術(shù)已展現(xiàn)出巨大潛力。過去，收割機(jī)的工作往往需要農(nóng)民手工規(guī)劃路線，這不僅耗時(shí)耗力，而且效率低下。

如今，通過先進(jìn)的路徑規(guī)劃技術(shù)，農(nóng)機(jī)可以自主規(guī)劃出合理、高效的作業(yè)路線和順序，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)機(jī)利用率。不僅避免了重復(fù)作業(yè)和返工，還顯著節(jié)省了時(shí)間和能源。

其次是機(jī)械臂路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、林果業(yè)的采摘作業(yè)正面臨人工成本高漲和勞動(dòng)力短缺的雙重挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一難題，高性能機(jī)械臂以其獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸嶄露頭角，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)采摘的“新星”。

其中，機(jī)械臂路徑規(guī)劃技術(shù)作為其核心控制算法，扮演著至關(guān)重要的角色。機(jī)械臂路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在最短時(shí)間和距離內(nèi)，確保在有限的作業(yè)范圍找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的安全無碰撞路徑。這一技術(shù)追求以最小的工作空間和最優(yōu)的能耗實(shí)現(xiàn)最高的工作效率，其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性直接決定了采摘機(jī)械臂的作業(yè)效率、耐用性和采收精度。

在復(fù)雜的采摘作業(yè)中，路徑規(guī)劃不僅要考慮作物的成熟度、收獲機(jī)器的工作范圍和效率，還要根據(jù)不同作物的生長方式和密度等因素進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高效的采摘。隨著智慧農(nóng)業(yè)的興起、機(jī)器人技術(shù)的普及以及控制技術(shù)與算法的革新，采摘機(jī)械臂及其路徑規(guī)劃技術(shù)將會(huì)迎來新的發(fā)展機(jī)遇。采摘機(jī)械臂將成為農(nóng)業(yè)采摘的主力軍，其路徑規(guī)劃技術(shù)也將實(shí)現(xiàn)更大的突破，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力。

三是定位導(dǎo)航技術(shù)。定位導(dǎo)航技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心功能之一，不僅使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別自身位置，還能引導(dǎo)其按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。無論是平坦的耕地還是崎嶇的山地，定位導(dǎo)航系統(tǒng)都能為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供準(zhǔn)確的位置信息，使其能夠順利到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，并完成播種、施肥、噴藥、收割等作業(yè)任務(wù)。在室內(nèi)環(huán)境中，由于定位系統(tǒng)信號(hào)較弱，往往難以提供高精度定位服務(wù)。針對這一挑戰(zhàn)，目前業(yè)界主要采取了多種室內(nèi)定位方案。

這些方案主要分為兩大類：一是依賴外置人工信號(hào)源的定位技術(shù)，包括WiFi、藍(lán)牙和超寬帶定位；二是利用天然信號(hào)源的定位技術(shù)，例如慣性導(dǎo)航定位和地磁定位。室外農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜多變，由于農(nóng)業(yè)地區(qū)的差異，農(nóng)作物區(qū)域不僅僅限于大面積的平原田間，也包括田地狹小且難以抵達(dá)的丘陵地區(qū)果園農(nóng)業(yè)。多數(shù)室外大田農(nóng)業(yè)機(jī)器人的定位導(dǎo)航算法以GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）和視覺識(shí)別技術(shù)等為代表。針對室外大場景的移動(dòng)作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用離不開GNSS。在我國，“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+農(nóng)機(jī)作業(yè)”的方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平，減少了對人工操作的依賴，同時(shí)也提高了作業(yè)效率。

同樣地，視覺識(shí)別技術(shù)也是農(nóng)業(yè)機(jī)器人室外定位導(dǎo)航的不二法寶。一家農(nóng)業(yè)科技型企業(yè)已成功研發(fā)出一款無人駕駛多功能植保機(jī)器人，其核心技術(shù)在于結(jié)合視覺識(shí)別與深度相機(jī)作為視覺系統(tǒng)，并集成多種傳感器進(jìn)行信息的接收與處理，通過搭載的攝像頭等視覺傳感器，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)，增加多種傳感器形成視覺慣導(dǎo)系統(tǒng)。當(dāng)前，這款無人駕駛智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人已在部分大型蘋果、刺梨、獼猴桃等果園得到實(shí)際應(yīng)用，有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性與效率，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的提質(zhì)增效。

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航的科研領(lǐng)域尚存廣闊的探索天地。目前，由于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用案例相對較少，在一定程度上減緩了導(dǎo)航技術(shù)研究的進(jìn)展。一個(gè)重要原因是農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的高昂成本，使得其市場普及率不高，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械化或半自動(dòng)化作業(yè)方式，農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)并未展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，限制了系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與升級(jí)。

此外，復(fù)雜的真實(shí)農(nóng)田環(huán)境也是一大挑戰(zhàn)，當(dāng)前多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人尚無法在非結(jié)構(gòu)化的農(nóng)田環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。因此，為了滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)模化應(yīng)用的需求，我們需要在成本控制和技術(shù)創(chuàng)新上持續(xù)投入研究力量。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為智慧農(nóng)業(yè)的重要推動(dòng)力量，其未來發(fā)展方向?qū)⒏厰?shù)字化和智能化。

四是控制技術(shù)。在農(nóng)田、果園中，根據(jù)使用場景與需求的不同，各具特色的農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過提高自動(dòng)化控制執(zhí)行任務(wù)來提高效率和生產(chǎn)力。根據(jù)行進(jìn)結(jié)構(gòu)的不同，常見的農(nóng)業(yè)機(jī)器人可分為輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人和履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人。輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種多自由度的自主操作設(shè)備，具有精確感知、自主決策、智能控制和自動(dòng)執(zhí)行能力，特別適合農(nóng)業(yè)環(huán)境。它們可以在農(nóng)田中進(jìn)行高精度的定位和導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的作業(yè)，如播種、施肥、噴灑農(nóng)藥等。

此外，輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢、定點(diǎn)采集、自動(dòng)避障、自動(dòng)返航等，適用于平坦的農(nóng)田和大田環(huán)境，例如小麥、玉米、大豆等作物的種植區(qū)域。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人比傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人更適合在不同類型地形上行駛，包括泥濘的農(nóng)田、濕地或不平坦的地形，如坡地果園、葡萄園等。

通過使用履帶這種與挖掘機(jī)、坦克相同的行進(jìn)裝置來適應(yīng)不平坦的地形，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供更大的接地面積，減少了對土壤的擠壓和對植物的損害。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以穿越泥濘區(qū)域并在果園中穩(wěn)定行走，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)和智能種植管理，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤質(zhì)量、植株生長情況等數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整作業(yè)策略，實(shí)現(xiàn)智能種植管理，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

隨著人工智能等技術(shù)的進(jìn)步，一批技術(shù)研究員和初創(chuàng)公司投入到更加自動(dòng)化、更加智能的采摘機(jī)器人的研發(fā)中。近幾年，采摘機(jī)器人取得了一些產(chǎn)業(yè)上的突破，但從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)農(nóng)場，采摘機(jī)器人需要解決的遠(yuǎn)不止技術(shù)問題。作為人力的替代品，成本和效率是采摘機(jī)器人商業(yè)化道路上最大的痛點(diǎn)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了使用吸盤作為末端執(zhí)行器的農(nóng)業(yè)機(jī)器人用于采摘。整個(gè)機(jī)器設(shè)備像是一臺(tái)吸塵器，吸取的東西是識(shí)別到的已成熟蘋果。用“吸”代替“抓”減少了對蘋果表皮的損壞，將單個(gè)蘋果的采摘時(shí)間控制到了2秒，進(jìn)一步提高了機(jī)器采摘的效率。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人功能的增加也使得數(shù)據(jù)量劇增，云計(jì)算的數(shù)據(jù)集中處理模式存在實(shí)時(shí)性不足、能耗過高以及數(shù)據(jù)安全等一系列問題。邊緣計(jì)算是在靠近數(shù)據(jù)源端執(zhí)行計(jì)算的分散處理模式，其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求，與云計(jì)算相比具有延遲和成本更低、安全性更高且可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，更好地滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中實(shí)時(shí)性的要求。

隨著智慧農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，結(jié)合深度學(xué)習(xí)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用屢見不鮮，如作物病害檢測、生長環(huán)境監(jiān)測、作物自動(dòng)采摘、無人農(nóng)場管理等，邊緣計(jì)算可以為農(nóng)業(yè)多場景、復(fù)雜任務(wù)提供高效、可靠的新型數(shù)據(jù)處理方案。

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