Citation:CHEN Ruiyun, TIAN Wenbin, BAO Haibo, LI Duan, XIE Xinhao, ZHENG Yongjun, TAN Yu. Three-dimensional environment perception technology for agricultural wheeled robots: A review[J]. Smart Agriculture, 2023, 5(4): 16-32.

農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展與其具體應(yīng)用場景高度相關(guān)，環(huán)境感知系統(tǒng)作為機器人實現(xiàn)自主作業(yè)的核心部分，實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展依賴于以農(nóng)業(yè)輪式機器人為代表的基礎(chǔ)平臺的發(fā)展和應(yīng)用特點。因此，分析農(nóng)業(yè)輪式機器人不同的分類和國內(nèi)外研究及推廣應(yīng)用中的經(jīng)驗和問題，對發(fā)展三維環(huán)境感知技術(shù)具有重要意義。

輪式機器人是移動機器人的一種，是機器人領(lǐng)域的重要分支。廣義上來說，只要移動機構(gòu)屬于或包含輪式結(jié)構(gòu)的都可以稱之為輪式機器人。除了常見的掃地機器人、物流機器人和智能輪椅等，無人駕駛汽車、輪式無人駕駛農(nóng)機等大型智能車輛也屬于輪式機器人的范疇。

車輪數(shù)目決定了輪式機器人的設(shè)計原理與功能，因此根據(jù)車輪數(shù)目可以將輪式機器人分為單輪滾動機器人、兩輪移動機器人、三輪及四輪移動機器人、多輪移動機器人及復(fù)合式（帶有車輪）移動機器人。而按照農(nóng)業(yè)輪式機器人進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時作業(yè)對象的不同，可以進一步將其分為表1所示的不同應(yīng)用類型。

表1 主要農(nóng)業(yè)輪式機器人分類及功能簡介

Table 1  Agricultural wheeled robot taxonomy and functional overview

不同類型的農(nóng)業(yè)輪式機器人具有不同的使用特點，如表2所示。單輪滾動機器人分為單輪移動機器人和球形機器人兩種，前者的典型代表是1996年美國卡耐基-梅隆大學(xué)所研制的Gyrover機器人。但由于單輪滾動機器人屬于動態(tài)穩(wěn)定而靜態(tài)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，控制較為復(fù)雜，因此對其的研究和在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用都較少。

兩輪移動機器人根據(jù)車輪布置方式的不同可以分為兩類，分別是兩輪前后布置的自行車機器人和呈左右對稱布置的兩輪移動機器人。自行車機器人在具有一定的側(cè)向不穩(wěn)定性的同時屬于欠驅(qū)動的非完整約束系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)環(huán)境等復(fù)雜地形適應(yīng)能力較弱。與之類似，呈左右對稱布置的兩輪機器人也需要考慮自平衡問題，該類型機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中也較為少見。

表2 輪式機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的使用特點

Table 2  Characteristics of wheeled robots in the Agricultural Sector

三輪及四輪移動機器人是輪式機器人中最常見的類型和研究的重點，也是輪式機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用類型。農(nóng)業(yè)四輪移動機器人主要以四輪無人車和無人駕駛拖拉機等為代表，其概念樣機如圖1所示。與其他幾種輪式機器人相比較，四輪移動機器人最符合農(nóng)業(yè)環(huán)境下的作業(yè)與使用要求。

圖1　概念無人駕駛拖拉機

Fig. 1  Conceptual autonomous tractor

從整體上看，各個國家特有的農(nóng)業(yè)發(fā)展特點與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式使得農(nóng)業(yè)輪式機器人在不同國家的發(fā)展現(xiàn)狀有所不同。例如，日本在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，是農(nóng)業(yè)機器人研究較早、市場發(fā)育較為成熟的國家之一。但由于土地資源有限，日本的農(nóng)業(yè)以高度的精細化管理為特點。因此日本的研究人員開發(fā)了各種類型的農(nóng)業(yè)輪式機器人用于育苗、扦插、采摘和農(nóng)藥噴灑等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。這些農(nóng)業(yè)輪式機器人具備高度的自動化和精確性，有助于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。美國在農(nóng)業(yè)輪式機器人領(lǐng)域也有廣泛的研究和應(yīng)用，但與日本相比，美國領(lǐng)土面積大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以大規(guī)模農(nóng)場為主，農(nóng)業(yè)高度機械化和工業(yè)化。在這一前提下，美國對農(nóng)業(yè)輪式機器人的研究側(cè)重于大田環(huán)境下的作物種植、管理和收割，在無人駕駛拖拉機、無人駕駛收獲機等方面取得了較多研究成果，并且已經(jīng)將部分農(nóng)業(yè)輪式機器人產(chǎn)品用于實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。

與外國相比，中國在農(nóng)業(yè)輪式機器人領(lǐng)域的研究起步較晚，目前中國對于農(nóng)業(yè)輪式機器人的研究處于快速發(fā)展階段，已經(jīng)開發(fā)了多種適合中國農(nóng)業(yè)大規(guī)模和多樣性特點的農(nóng)業(yè)輪式機器人，如蔬果采摘機器人（圖2）、嫁接機器人和田間管理機器人等。雖然近年來中國農(nóng)業(yè)輪式機器人的相關(guān)研究取得了很大進展，但現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)輪式機器人更多地停留在研究階段，在適用性、作業(yè)效果以及智能化程度等方面仍面臨亟需解決的瓶頸問題。適用性方面，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)輪式機器人多為針對某一特定作業(yè)場景下的某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)而設(shè)計，不適用于同一作業(yè)場景下的其他環(huán)節(jié)和不同的作業(yè)場景。這在限制了使用效率的同時，增加了使用農(nóng)業(yè)輪式機器人進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。在生產(chǎn)規(guī)模有限的情況下，這將阻礙農(nóng)業(yè)輪式機器人在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用。作業(yè)效果方面，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)輪式機器人在大田播種、大田收獲等方面已經(jīng)有了較為成熟的作業(yè)解決方案，可以替代人工進行作業(yè)。但在果蔬采摘、切種育種等領(lǐng)域仍存在識別精度低與作業(yè)速度慢的問題。智能化程度方面，隨著機器視覺與人工智能技術(shù)的不斷進步，農(nóng)業(yè)輪式機器人的智能化程度較以前有了較大提升，但作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性使得現(xiàn)有技術(shù)水平仍然無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對其智能化程度的要求，很多任務(wù)無法由農(nóng)業(yè)輪式機器人單獨完成。

圖2　輪式番茄采摘機器人

Fig. 2  Wheeled tomato picking robot

為提升農(nóng)業(yè)輪式機器人的適用性、作業(yè)效果和智能化程度，不僅需要改進農(nóng)業(yè)輪式機器人的結(jié)構(gòu)，還需要進一步提升其感知系統(tǒng)和決策控制系統(tǒng)的水平。環(huán)境感知技術(shù)作為感知系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在直接影響信息獲取效果的同時，還間接影響了后續(xù)決策、控制和執(zhí)行環(huán)節(jié)。因此，對農(nóng)業(yè)環(huán)境感知技術(shù)的研究具有重要意義。

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