多功能农业机器人及其关键技术分析.pdf
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1、多功能农业机器人及其关键技术分析薛金林1,徐丽明2(1.南京农业大学工学院,江苏南京210031;2.中国农业大学工学院,北京100083)摘要 为了改善农业机器人的通用性与适应性,提高其使用效率,本文提出了针对类似作业环境或工作条件、易于操作转换的农业生产作业的多功能农业机器人设计思想,阐述了多功能农业机器人的重要特性与要求,并分析了其设计与开发时的关键技术。多功能农业机器的开发对提高农业机器人的使用效率、降低农业生产成本、促进农业机器人的实用普及具有重要的意义。关键词 农业机器人;多功能性;关键技术中图分类号 TP242文献标识码A 文章编号 0517-6611(2009)15-07201
2、-03Multi2functional AgriculturalR obot and Its Key TechnologiesAnalysisXUE Jin2lin et al(Collegeof Engineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210031)Abstract T o improvepopularityandadaptabilityof agriculturalrob ot andadvanceits serviceefficiency,a designconceptof multi2functionalrob
3、ot waspresented for agriculturalproduction,whichwascarriedout within the sim ilar operationenvironm entsor conditionsand sw itched handily.The importantpropertiesandrequestsof multi2functionalagriculturalrob ot wereillustrated,andthekeytechn ologieswereanalyzedduringits designanddevelopm ent.Itis im
4、 portantto developmulti2functionalagriculturalrobot to increaseusefactor evidentlyand reduceagricultureproductioncostindirectly andacceleratepracticalityandpopularization of agriculturalrobot.Key words Agricultural robot;Multi2 functionality;Key techn ologies基金项目 中国农业大学南京农业大学青年教师开放科研基金(NC22007006)。作
5、者简介 薛金林(1974-),男,江苏涟水人,讲师,从事测控技术研究。收稿日期 2009203202开发农业机器人是21世纪农业机械自动化和智能化的发展趋势之一。用于采摘、收获、除草、修剪、耕作、嫁接和农产品分级等方面的各具特色的农业机器人已在许多国家得以研究与开发应用1-8。但这些农业机器人只具有特定的功能,适应于特定的环境,通用性差,不便于对系统进行扩展和改进,并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下,间接地增加了成本9-10。因此,研究具有通用性、适应性强、可扩展的和低成本的多功能多用途的农业机器人是农业机器人走向实用普及的重要举措之一。1 多功能农业机器人概述将农业机器人应用于农业
6、生产,不仅需要能提高劳动生产率,合理利用劳动力资源,而且还能改善农业的生产环境,提高作业质量等。但是,农业机器人所具有的作业对象的差异性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性、操作对象与价格的特殊性等特点,需要农业机器人具有高度的智能系统,实现最佳的作业内容与作业方法;需要其结构简单,价格合理,便于操纵与推广使用;需要其具有较强的适应性,符合农业生产的多样性与作业对象的多变性等要求。目前,农业机器人的实现方式主要体现为2种11,一种是利用现有的工业机器人实现具体的农业生产作业,另一种是研制专用机电系统实现具体的农业生产作业。而已经开发出来的农业机器人主要分为两大类,一类为行走系列机器人,其主要
7、目标是自主行走,边行走边作业,技术比较成熟,此类机器人有自行走耕作机器人、施肥机器人和除草机器人等;另一类为机械手系列机器人,其作业对象是果实、家畜等离散个体,由于作业对象的基本形态特征和力学特征的不同,对机器人的目标识别技术和机械手的控制技术有很高的要求,此类机器人主要有嫁接机器人、收摘机器人和移栽(育苗)机器人等。但这些机器人由于仅仅是为解决专门农业生产中的自动化与智能化而研制的,因而只具有特定的功能,适应于特定的环境,通用性差,不便于对系统进行扩展和改进,并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下,间接地增加了农业生产成本。国内外对于适用于农作物不同生产任务的多用途多功能机器人的研究较
8、少,仅有Monta等与Van Henten等开展了相关工作的研究12-13。尽管研究不多,但这类机器的开发,特别是针对具有类似工作条件、易于操作转换的农业机器人而言具有广阔前景。笔者主要针对叶菜类蔬菜的除草(机械除草)、喷药(杀虫剂和除草剂)、喷水(移栽时喷水)和收获等作业任务,分析多功能农业机器人的特性要求与关键技术。2 多功能农业机器人的重要特性与要求农业机器人的多功能性,就是在进行一定范围内的农业操作时易于从一个操作转换至另一个操作,从而可以实现某些农作物生长与生产的自动化,使得机器人更有吸引力。为此,多功能农业机器人应具有如下的规范与要求:2.1 机器本体的广适应性农业机械的特点是使用
9、时间短,间隔周期长,利用率低。多功能农业机器人只要做到更换末端执行器、传感器和软件就可以进行多种作业转换,提高利用率,降低作业成本。例如,在机器本体不变或少变的基础上,更换除草装置和喷洒装置就可实现机械除草、喷药和喷水等作业内容的转换。另外,因许多农作物种植模式并不统一,机器本体尺寸也应能随垄形、定植高度或定植行距的大小在一定范围内可进行调节。2.2 控制系统的模块化 由于农业机器人的研究基本上沿袭工业机器人的研究思路,从而限制了机器人的可扩展性和灵活性。控制系统在硬件与软件上如能实现模块化,只要改变部分软、硬件,就能变更判断基准,变更动作顺序,进行多种作业,则机器人将具有良好的可扩展性、灵活
10、性和可重构性。机器人的标准化和模块化,可以迅速构建新的机器人系统,减少开发时间和成本,提高应用的适应性。2.3 良好的人机交互功能 农业机器人应具有标准化的人机界面与良好的通信和接口协议,便于信息交换,方便用户使用;通过初始化设置实现功能分配,便于对系统作补充、扩安徽农业科学,Journalof Anhui Agri.Sci.2009,37(15):7201-7203责任编辑 章炼红 责任校对 卢瑶展、裁减和修改;通过人机的协同,能发挥人的经验、能动性以及对意外事件的反应能力,增强机器人处理突发事件以及不精确事件的能力,增强系统的鲁棒性。2.4 系统的高度可靠性与易操作性 农业机器人的使用者是
11、农民,他们在使用机器并定期维护机器时一般不具备专门的机电知识,因此在设计上需要农业机器人具有高度的可靠性和良好的操作性,易于维护与拆装,这就需要在农业机器人中引入人工智能技术,提高其生产自动化程度和稳定性,减少人工的操作。2.5 系统的自学习功能 由于农产品特征和工作环境的复杂性,控制系统设计的数学建模比较困难,因此基于模糊逻辑、神经网络和智能模拟技术的自学功能十分必要,农业机器人应在人工辅助条件下,不断进行学习,并记忆学习结果,形成自身处理复杂情况的知识库。2.6良好的环境适应性农业机器人通常工作在恶劣的、复杂的和变化的环境中,因此需要其具有良好的环境适应性,即其感知、执行和信息处理各部件和
12、系统必须适应照明、阳光、风沙、极端气温、雨天、潮湿和振动等各种环境,不受其干扰,可以稳定地进行各种作业。2.7 良好的经济性 虽然多功能农业机器人因能提高使用效率而间接地降低成本,但仍需要进一步降低其成本。如果农业机器人价格较高,就很难普及与推广,也就使多功能农业机器人在普及推广中受到了限制。3 多功能行走式农业机器人的关键技术农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术和精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人。开发多功能行走式农业机器人应解决如下的关键问题:3.1 农业机器人系统设计的开放性 多功能行走式农业机器人应是一个模块化、可重构和可扩充的系统
13、,即整个系统应采用开放式结构设计14,包括结构系统设计的开放性与控制系统设计的开放性。对于结构系统设计的开放性,一方面体现为硬件结构的开放,即设计时应考虑通过更换不同的执行部件适应不同的作业任务,传感器部分可适当地增加和减少,而控制部分保留足够接口以控制执行部件及接收传感信号。图1为多功能农业机器人操作转换示意图例,即在同一个机体上通过更换有关硬件与末端执行器就可实现机器人作业功能的转换。其中,(a)图表示对蔬菜进行喷洒(杀虫剂或水)作业;而(b)与(c)图则为化学除草与物理除草作业;(d)图可表示换成收获机构就可实现收获作业。注:(a)为蔬菜喷洒作业,由和(c)为化学除草与物理除草作业;(d
14、)为收获作业;图中1.视觉传感器;2.视觉传感器;3.喷管;4.除草机构;5.收获机构。Note:(a),S prayingoperationon vegetables;(b)and(c),Chem ical weedingandphysicalweedingoperations;(d),Harvestingoperation;1,Vision sens or;2,Vi2sionsens or;3,Vision sens or;3,Nozzle;4,Weedingmechanism;5,Harvestingmechanism.图1 机器人多功能操作示意Fig.1The multi2functi
15、onal operation of robot图2 控制系统的分层递阶结构Fig.2Hierarchic structure of control system另一方面体现为软件结构的开放,即软件结构便于二次开发,便于智能扩展,特别是为实现人机协同和机机协作等控制技术提供理想平台。控制系统采用分层递阶结构15,如图2所示。其中,组织级是机器人的决策系统,具有最高的智能水平,根据作业任务,完成任务规划;根据环境信息、地图知识和规划知识等构建环境模型,并结合位姿等其他信息对机器人进行全局路径规划。协调级是组织级和执行级的接口,接受规划信息,通过协调机制和信息融合算法给出决策系统动作指令的最佳控制方
16、案。执行级是递阶控制的底层,具备高精度和低智能的特点,由常规控制理论进行控制,根据协调级输出的期望值形成相应的控制量,完成相应的动作,并完成环境信息、本体状态和位姿信息的感知与测量及系统的应急处理。图3 基本导航体系结构Fig.3The basic architecture for navigation2027 安徽农业科学 2009年文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:
17、CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V
18、3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8
19、HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J7F5V10 ZX10X2H8Q5Z9文档编码:CM8F9V3V7H8 HG8U5J
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