大田農(nóng)業(yè)機器人是指在大田環(huán)境下從事作物表型、農(nóng)情巡檢、墑情檢測、雜草去除、土地平整、特種選擇性作物收獲等任務的自主作業(yè)裝備，其關鍵技術包括精準導航、機器視覺、智慧決策、自主行走和智能作業(yè)控制等。

大田信息獲取類機器人主要完成作物發(fā)育表型、作物長勢、病蟲草害、土壤理化性質等信息采集，可用于品種選育、田間管理、適時收獲等作業(yè)決策。其主要技術難點在于種類繁多的高性價比機載傳感器研發(fā)，以及田間高效巡檢平臺自適應快速穩(wěn)定行走設計問題。

荷蘭Phenospex、德國LemnaTec和法國RoboPec公司開發(fā)了龍門式和懸臂式植物表型機器人，通過疊加3D和多光譜信息準確測量最大植物高度、3D葉面積、葉片角度、光穿透深度等形態(tài)參數(shù)，具有高精準度、完全自動化、不受照明條件影響、可實現(xiàn)晝夜掃描等優(yōu)點，實現(xiàn)了每天10000平方米的高通量分析(圖1a～1c)。SHAFIEKHANI、MUELLER-SIM和BAO等人研制了田間移動式作物表型分析機器人，實現(xiàn)了作物莖稈強度及幾何形態(tài)的高通量測量(圖1d、1e)。上海交通大學張偉軍等開發(fā)了全地形適應性田間作物巡檢機器人，采用8輪錯位構型與主被動復合柔性驅控算法，保障了行進過程中機載激光傳感器和魚眼相機圖像獲取的穩(wěn)定性(圖1f)。

圖1 高通量表型檢測機器人

加拿大薩斯喀徹溫大學BAYAI等人開發(fā)了一種高通量油菜植物表型監(jiān)測分析移動機器人平臺（圖2）。該平臺具有GIS標注功能，實現(xiàn)了高通量大范圍精準圖像獲取和表型分析。美國卡耐基梅隆大學KAYACAN等人提出了采用激光環(huán)視掃描、實時目標定位和場景重構方法開發(fā)高速表型分析機器人，能夠實現(xiàn)在高粱或玉米等行間作物冠層之下的測量植物莖強度、葉片直立性、葉片發(fā)病率、植被指數(shù)（GRVI）等表型數(shù)據(jù)。

圖2 高通量油菜表型監(jiān)測分析平臺

1.GPS天線 2.機械臂 3.油菜畦 4.檢測設備

美國伊利諾伊大學KAYACAN等人開發(fā)了一種應用于玉米田冠下的輕小型機器人TerraSentia（圖3）。該機器人利用機器視覺算法自動駕駛穿越田地來收集作物數(shù)據(jù)。利用深度學習算法，它還可以監(jiān)測早期植物生長活力、識別疾病和估計農(nóng)作物產(chǎn)量。

圖3 TerraSentia作物巡檢機器人

農(nóng)情巡檢方面，羅錫文、何勇團隊利用無人機、結構光技術和地面無線傳感器網(wǎng)絡中繼等方法采集農(nóng)田信息和獲取植物三維形態(tài)結構，滿足了農(nóng)田信息數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的生命周期長、傳輸數(shù)據(jù)可靠、覆蓋面積廣的要求。

田間耕種類機器人是指通過自主導航、智慧決策和精準化作業(yè)的伺服控制技術，實現(xiàn)大田生產(chǎn)土地耕整一致性、播種精量化、移栽智能化的機器人，它能夠保障大田種床平整度，降低播種移栽成本，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質量。相較于其他農(nóng)業(yè)機器人，播種/施肥/移栽機器人相對成熟。其主要技術難點在于高精度高程圖實時繪制、對特殊形態(tài)種子的精量播種、漏播監(jiān)測和補種，以及移栽中的高速識苗取苗剔苗補苗問題。

作業(yè)區(qū)平整地作業(yè)是全程自主作業(yè)的基礎，聯(lián)適導航公司研制的自主平地機器人根據(jù)機載高精度北斗衛(wèi)星實時測量平地機具在作業(yè)軌跡點的高程信息，并繪制高程圖，繼而與方案圖中目標高程進行對比，系統(tǒng)作業(yè)時通過實時計算不同定位點的高程差自主調整平地鏟高度，從而精準獲得平地效果（圖4）。ZHOU等人研究了農(nóng)田三維地形圖繪制、不平水田硬底層平整前饋補償控制、平整路徑規(guī)劃等關鍵技術，實現(xiàn)了基于北斗的水田智能化精準平整作業(yè)。John Deere公司開發(fā)了無人駕駛激光平地機，實現(xiàn)激光平地機群協(xié)同作業(yè)，提升了作業(yè)效能。

圖4 基于高程地圖的激光平地機器人作業(yè)方案

德國烏爾姆應用科學大學的BLENDER等人開發(fā)了管理集群播種機器人的OptiVisor云控系統(tǒng)，可以協(xié)調控制多機器人機群的播種模式、播種密度、路徑規(guī)劃、播種補種、多機避碰。魏新華等人設計了穴盤苗全自動移栽協(xié)調控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了苗盤橫向進給運動、取苗機械手縱向往復運動、垂直取放苗和喂苗動作的電動氣動復合伺服控制，保障了地輪行進速度和移栽動作的時序協(xié)調，缽苗移栽成功率達到96.9%。

田間管理類機器人是指通過自主導航、視覺識別與定位和精準作業(yè)控制技術完成除草、噴藥、追肥等功能的機器人，主要針對病蟲草害實現(xiàn)精準對靶施藥，針對作物生理需求實現(xiàn)按需變量追肥，提高農(nóng)藥和肥料利用率，提高農(nóng)產(chǎn)品品質，減少生產(chǎn)成本，改善生態(tài)環(huán)境。它的主要技術難點在于作物雜草高精度實時識別、精準對靶作業(yè)等。澳大利亞昆士蘭科技大學的MCCOOL等人研發(fā)了新一代作物和雜草管理機器人AgBot II（圖5），以機器人團隊協(xié)作方式在田間自主導航、施肥、除草，雜草檢測和分類識別成功率在90%以上。

圖5 AgBot II機器人

美國John Deere、BlueRiver公司研發(fā)的智能除草機器人采用新一代See&Spray化學雜草控制技術，利用高分辨率攝像機實時識別雜草，實現(xiàn)了單株雜草個性化噴施，大大降低殺蟲劑使用量(圖6a)。瑞士EcoRobotix公司研發(fā)了太陽能驅動的除草機器人，應用機器視覺、GPS和其他傳感器自主跟蹤作物行并以95%的精度檢測定位雜草，然后通過并聯(lián)機械臂以高響應速度將小劑量的除草劑直接噴到雜草上，可減少農(nóng)藥用量20倍(圖6b)。美國Carbon Robotic(CR)公司研制了大田除草機器人，利用人工智能和激光模組來進行大田除草，二氧化碳激光模組陣列每50 ms發(fā)射一次，精度控制在3 mm內，可以同時對8處目標進行激光除草(圖6c)。法國的Naio Technologies公司研發(fā)了不同尺度的系列純電動力農(nóng)業(yè)機器人，采用四輪驅動四輪轉向的田間U形行間轉向，可完成大田雜草控制、中耕等作業(yè)以及采集作物的數(shù)據(jù)，輔助作物產(chǎn)量管理(圖6d)。

圖6 典型大田除草機器人

李南等人設計了電驅動田間鋤草機器人，以中小功率拖拉機為配套動力，機器視覺系統(tǒng)實時對作物和雜草進行識別與定位，伺服電動機驅動月牙形鋤草刀對行護苗鋤草，傷苗率小于10%,雜草鋤凈率約為90%。

大田收獲類機器人是指通過機器視覺等技術識別與定位、選擇作業(yè)對象并依據(jù)對象特征實現(xiàn)差異化精準收獲控制的機器人，它關注無法大規(guī)模自動化采收的對象，同時注重收獲作業(yè)的高效性和適應性，彌補了農(nóng)機裝備在精細選擇性收獲作業(yè)方面裝備的不足。其主要技術難點是高效、低損收獲末端執(zhí)行器設計與控制。

翟長遠等人將無人駕駛技術、機器視覺與甘藍收獲技術結合，研制了大田甘藍自主收獲機器人(圖7a)，通過北斗系統(tǒng)定位種植行后將采收臂與甘藍對齊、機器視覺微調后完成對行采收作業(yè)，同時通過傳輸通道將甘藍運至協(xié)同運輸?shù)淖詣有旭傑囕v。美國CROO Robotics研發(fā)了大田高壟草莓收獲機器人(圖7b)，利用草莓與莖葉的位置差異，設計了柔性莖葉和草莓果分離末端執(zhí)行器和開合式硅爪采收輪，通過旋轉光學相機識別定位目標草莓，實現(xiàn)了快速采收、輸送和集箱。

圖7 大田甘藍、草莓收獲機器人

荷蘭Cerescon、AvL Motion公司研發(fā)了產(chǎn)品化的白蘆筍選擇性收獲機器人。前者采用了基于介電特性的壟面下蘆筍檢測，白蘆筍收獲末端執(zhí)行器和雙臂并行收筍機構等技術，實現(xiàn)了最大采收效率0.3 hm2/h。后者采用光學視覺手段檢測出土筍芽，設計了基于回轉鏈循環(huán)的多末端執(zhí)行器，實現(xiàn)了壟上多個白蘆筍的入土、切割、柔性夾持和出土集箱過程，每株平均收獲時間為1.3 s(圖8)。

圖8 大田白蘆筍收獲機器人