智能除草机器人发展现状分析与展望_甄研.pdf

智能除草机器人发展现状分析与展望 甄 研 庄卫东 黑龙江八一农垦大学 工程学院 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 9 摘要 除草是农业生产中的重要管理环节 在环境和效率兼顾的原则下 物理除草相较于化学除草 生物除草 正得到广泛的关注和重视 农业领域中引入了机器人和自动化的技术后 各种类型的除草机器人也随之出现 这 大大降低了农药对生态环境的影响 文章主要概括了智能除草机器人的优势 并详细描述了其在国内外的研究现 状 同时还探讨了目前存在的问题 最终对智能除草机器人的未来发展方向进行了总结与展望 关键词 智能除草机器人 识别技术 智慧农业 人工智能 机器人平台 中图分类号 S 2 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 2 5 4 2 0 2 5 0 5 0 0 5 5 0 3 0 引言 杂草影响作物生长 是作物减产的重要因素之一 在我国农田中的杂草大约有1 4 3 0种 包括变种 每 年由于这些杂草的影响 农作物的产量减少了1 0 粮食产量下降了6 0 0 0万t 造成了2 2 0 0亿元的经济损 失 在农业生产过程中 除草是一个必不可少的步骤 其重要性不言而喻 除草技术按照原理可分为物理除 草 化学除草 生物除草等 化学除草是一种通过向植株喷洒除草剂来消灭或限制杂草生长的方法 其效果 显著且成本较低 然而 近些年来不当使用除草剂已经导致了严重的环境污染问题 对人类健康构成了巨大 威胁 这与农业可持续发展的原则相悖 与此同时 长期单一的除草剂施用 也促进了杂草抗药性的发展 进 一步增大了杂草防控的难度 利用生物 微生物以及他感物质与杂草的生态关系 生物除草技术能够对杂草 进行控制 实现环保和安全 但生物防控技术依然存在应用方法复杂 操作难度大 效果不稳定 普适性差等 问题 在国内农田杂草控制中暂未得到广泛应用 除草机器人是一类具有自主导航 杂草识别 自动除草等能力的自主操作机器人系统 可帮助维护农田 果 园 设施大棚 园艺场地等园区的植物健康 1 除草机器人可以自主工作 无需人工干预 从而节省了大量的时 间及劳动成本 而且可以减少化学农药的使用量 从而保障食品绿色无公害 保障食品安全 还可以搭载不同 工具 同时开展农情监测 作物估产等多项农事工作 除草机器人通常配备了先进的导航系统 避障系统和识 别系统 可以适应各种复杂的环境和地形 许多除草机器人使用电力等清洁能源 而不是燃油 这不仅可以减 少空气污染 而且相比传统割草机 电力驱动的机器人运行成本更低 此外 随着各个国家积极出台相关政策 文件大力推动农业装备和农业工作的数字化 信息化 智能化变革 以期在智慧农业领域占据主导地位 智能除 草机器人也越来越受到国内外专家和学者的青睐 由此 对环境友好 效果稳定 可持续性强的物理除草方式 正得到越来越多的关注 随着人工智能技术和现代农业装备智能化水平的提升 物理除草技术近年来取得了 快速发展 智能除草技术被广泛地研究和应用 成为智慧农业下农田除草的发展趋势 1 国内外发展现状 1 1 国外现状 在国外 一些国家因其政府对化学除草剂使用的诸多限制 迫使其除草作业时不得不广泛采用机械除草 方式 日益增长的市场需求极大地促进了其智能化苗间机械除草技术的发展 2 诸多基于机器视觉的除草 机和更加智能化的田间除草机器人开始相继诞生 这些除草机和除草机器人已经具备了比较优良的除草性 能 其中有些也已被商业化并投入了田间使用 澳大利亚昆士兰科技大学B a w d e n等研发了名为A g B o t I I的除草机器人 3 这种设备结合了机械与化 学两种方法来实现高效的除草任务 它的主要工作部件包括锄式的机械清除部分及一系列化学药液喷射 器 通过运用视觉识别技术 除草机器人能够辨别植物和杂草并对其进行区分处理 同时 它还具备使用控 制系统驱动的机械清除功能 并且可以精准地把除草剂施加到杂草身上 收稿日期 2 0 2 4 0 3 2 5 55 现代化农业 2 0 2 5年第5期 总第5 5 0期 瑞典哈姆斯塔德大学制造了除草机器人 4 其采用了能够平稳操控车辆方向的阿克曼转向机构 使得它 能轻松地完成各种角度和路径的变化操作 此设备还配置有两台相机作为辅助工具使用 一台为黑色白色 相间的摄影机主要负责捕捉作物的边缘特性以便引导机械按照这些特定的路线工作 另一部则是色彩丰富 的摄像机则专门用来辨别出植物及野生的植被之间的差异并加以区分开来 经过对耕地上的测试结果表明 这种自动驾驶系统的工作精度最高小于2 c m 丹麦奥尔胡斯大学农业研究所进行了关于使用机器人的一项 试验 开发了一款名叫 H o r t i B o t 的除草机器人 5 这种设备能在植株成熟的耕地上精确找出并去除杂草 它独特的构造能避免触及周围的其他植被而不会对其产生损害 通过运用相应的技术和方法来分析形态数 据以确定目标为杂草后 系统就能有效识别它们与其他作物的区别从而实现精准清除的目标 机器人在实际 操作中的表现表明它选择性地去莠功能可使农民减少约7 0 的使用化学药剂的比例 1 2 国内现状 2 0 2 3年1月 工业和信息化部 农业农村部等十七部门印发 机器人 应用行动计划 中明确指出 农 业作为重点应用领域 需要加速对基础设施及设备的智能升级 以促进机器人在农业领域的深入整合 从而 助力智慧农业的发展 6 2 0世纪6 0年代 我国对于作物株间机械除草技术的研究才正式开始 但是其大多 集中于高校和科研院所 除草机器人商业化程度较低 成本偏高 对于用户而言没有性价比 致使我国还是 以大面积的化学农药除草为主 但是近年来 随着国内电子信息 自动控制和人工智能等技术的不断发展 我国科研人员对作物株间机械除草进行了大量研究 也取得了诸多研究成果 由南京林业大学的陈勇等 7 9 开发的一台新型农用设备直接施药除草机器人 它可以利用先进的技术手 段来完成各种复杂的工作任务 例如使用图像处理技术来自动规划路径 通过颜色分析提取目标信息并实 施精确定位 此外还采用了人工智能算法以优化机器人的作业路线及作业效果等一系列创新性的功能设计 与应用模式都得到了广泛关注并且取得了显著的效果 中国农业大学的张春龙等 1 0 提出了关于一种具有 四个车轴和单独转动的多功能自动除草机器人的构想 其工作原理是利用三个手指形状的手抓来实现精确 切割植物的功能 这个系统的核心部分包括摄像头模块 G P S导向设备 移动式自动化车辆 A G V 用于实 施剪枝动作的主控单元并配有可调节高度的设计元素以适应不同的高度需求 当它开始操作的时候 其中 两根稳定的触须会一直保持着对目标区域的工作状态 而另一只可以活动的机械臂则会在需要处理特定情 况或应对复杂地形变化的过程中做出相应的姿态变换以便更准确无误地完成任务 兰州理工大学的贾耀 文 1 1 基于西北地区果园特点设计了一款果园避障除草机器人 该机器人采用了双侧避障机构 升降模组 转向装置 扶手机构和除草执行器等主要机械结构 可以实现调整刀具位置和作业幅宽的功能 保护作物不 受损害 同时满足不同种植模式的果园作业需求 2 存在问题分析 2 1 性价比不高 智能除草机器人的研发和生产成本较高 导致市场上的售价偏高 这使得一些用户可能更倾向于使用传 统的除草方法 1 2 同时 智能除草机器人的操作和维护相对复杂 需要一定的技术和经验 这对于普通用 户来说可能是一个挑战 2 2 识别精度有待提高 智能除草机器人的核心技术之一是图像识别和分类技术 1 3 然而 现阶段的识别精度仍有待提高 由 于农田的环境复杂多变 机器人可能难以准确区分草和其他植物 从而导致误识别 误操作等问题 2 3 复杂地形适应性差 耕地大体分为水田和旱田 两种耕地对作业机械有着不同的要求 如今 除草机器人多是履带式 因其 底盘通过性较好 但是针对不同性质的农田 如何让除草机器人适应性更强 能保证在不同耕地作业的同时 兼顾速度和效率是除草机器人的一大难题 2 4 株间除草质量欠佳 株间除草属于精细化作业范畴 尤其依赖于机器人对农作物和杂草识别的精准度 1 4 在行间除草表现良好 的机具不一定适合株间除草 而具有株间除草能力的部分机具 其除草效率比较低下 无法将杂草完全清除干净 65 现代化农业 2 0 2 5年第5期 总第5 5 0期 3 技术研究展望 3 1 成本降低与普及化 随着技术的不断进步和市场的竞争加剧 智能除草机器人的成本将逐渐降低 这将使更多的用户能够 购买和使用智能除草机器人 从而促进其普及化 同时 销售公司应配备完备的售后体系 只有让用户有经 济账可算 才能使智能除草机器人走进千家万户 3 2 深度学习技术应用 随着深度学习技术的持续进步 智能除草机器人的图像辨识和分类准确性将有显著提升 这将使机器 人能够更准确地识别草和其他植物 从而减少误识别 误操作等问题 3 3 机械结构优化设计 优化设计智能除草机器人的机械结构可以增强其在复杂地形和环境中的适应性 例如 通过改进机器 人的底盘设计 增加悬挂系统等 可以使机器人更好地适应各种地形和气候条件 3 4 多机群控制与协同作业 除草机器人的多机群控制与协同作业是当前研究的热点之一 这种技术可以显著提高除草效率 扩大 作业范围 并更好地适应复杂多变的环境 多机群控制主要涉及到如何有效地管理和调度多个除草机器人 使它们能够协同工作 共同完成除草任务 这涉及到的问题包括路径规划 任务分配 通信协议 避障和防撞 等 协同作业则是指多个除草机器人在工作中相互配合 共同实现某一目标 为了实现多机群控制与协同 作业 需要借助先进的传感器 控制系统和通信技术 例如 可以利用激光雷达 摄像头等传感器来感知周围 环境 利用G P S R T K等技术进行精确定位 利用无线通信技术实现机器人之间的信息共享和协同控制 4 总结 随着智慧农业与A I技术的深入发展 除草技术也将不断创新和发展 智能除草机器人必将是未来智慧农 业的应用趋势 目前除草机器人在实际生产中还存在一定的应用困境 需要在技术 效率 成本等方面不断进 行优化和完善 尽管我国在这个领域的进展相对滞后 但是已经进行了大量的研究工作 然而 由于技术上的 限制 目前我们的智能除草机器人还不够完善 不能适应各种复杂的工作场景和不断变化的需求 此外 它还 没有达到能够使用智能导航系统的精确控制水平 这使得其难以进入商用生产的轨道 基于此 结合本领域的 研究现状和研究成果 可以看出国内外的差距 因此要积极投资于机器视觉系统 系统控制技术和导航技术的 研究 以培育更多相关的人才 要鼓励科技创新型企业的成长 推动农业现代化进程加速前进 5 参考文献 1 高勇 陈中武 李沐桐 等 果园除草机器人研究现状与展望 J 现代农业装备 2 0 2 3 4 4 5 2 8 2 9 2 马中洋 基于改进U N e t模型的白菜株间避苗除草装置设计与试验 D 长春 吉林大学 2 0 2 3 3 B A W D E N O K U L K J R U S S E L L R e t a l R o b o t f o r w e e d s p e c i e s p l a n t s p e c i f i c m a n a g e m e n t J J o u r n a l o f F i e l d R o b o t i c s 2 0 1 7 3 4 6 1 1 7 9 1 1 9 9 4 A S T R A N D B B A E R V E L D T A J A n a g r i c u l t u r a l m o b i l e r o b o t w i t h v i s i o n b a s e d p e r c e p t i o n f o r m e c h a n i c a l w e e d c o n t r o l J A u t o n o m o u s R o b o t s 2 0 0 2 1 3 1 2 1 3 5 5 张寄尘 丹麦 研制出农田除草机器人 J 农村 农业 农民 2 0 0 4 7 4 6 6 谷毅 浅析农作物智能除草技术的应用与发展 J 农业科技通讯 2 0 2 3 1 0 2 2 7 陈勇 田磊 郑加强 基于直接施药方法的除草机器人 J 农业机械学报 2 0 0 5 3 6 1 0 9 1 9 3 8 侯学贵 除草机器人杂草识别与视觉导航技术研究 D 南京 南京林业大学 2 0 0 7 9 郭伟斌 除草机器人设计与控制 D 南京 南京林业大学 2 0 0 8 1 0 张春龙 黄小龙 耿长兴 等 智能锄草机器人系统设计与仿真 J 农业机械学报 2 0 1 1 4 2 7 1 9 6 1 9 9 1 1 贾耀文 多功能果园避障除草机器人机械及控制系统设计 D 兰州 兰州理工大学 2 0 2 0 1 2 兰天 李端玲 张忠海 等 智能农业除草机器人研究现状与趋势分析 J 计算机测量与控制 2 0 2 1 2 9 5 1 7 1 3 尹麒麟 丘陵果园除草机器人结构设计与控制研究 D 武汉 华中农业大学 2 0 2 3 1 4 周志强 水田机械除草技术的研究现状与发展趋势 J 南方农机 2 0 2 2 5 3 5 1 6 1 8 2 8 0 2 3 75 现代化农业 2 0 2 5年第5期 总第5 5 0期