大田農(nóng)業(yè)機(jī)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(wù)的自主作業(yè)裝備，其關(guān)鍵技術(shù)包括精準(zhǔn)導(dǎo)航、機(jī)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(jī)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(zhì)等信息采集，可用于品種選育、田間管理、適時(shí)收獲等作業(yè)決策。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于種類繁多的高性價(jià)比機(jī)載傳感器研發(fā)，以及田間高效巡檢平臺(tái)自適應(yīng)快速穩(wěn)定行走設(shè)計(jì)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(jī)器人，通過疊加3D和多光譜信息準(zhǔn)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(zhǔn)度、完全自動(dòng)化、不受照明條件影響、可實(shí)現(xiàn)晝夜掃描等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)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(dòng)式作物表型分析機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了作物莖稈強(qiáng)度及幾何形態(tài)的高通量測量(圖1d、1e)。上海交通大學(xué)張偉軍等開發(fā)了全地形適應(yīng)性田間作物巡檢機(jī)器人，采用8輪錯(cuò)位構(gòu)型與主被動(dòng)復(fù)合柔性驅(qū)控算法，保障了行進(jìn)過程中機(jī)載激光傳感器和魚眼相機(jī)圖像獲取的穩(wěn)定性(圖1f)。

圖1 高通量表型檢測機(jī)器人

加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)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(dòng)機(jī)器人平臺(tái)（圖2）。該平臺(tái)具有GIS標(biāo)注功能，實(shí)現(xiàn)了高通量大范圍精準(zhǔn)圖像獲取和表型分析。美國卡耐基梅隆大學(xué)KAYACAN等人提出了采用激光環(huán)視掃描、實(shí)時(shí)目標(biāo)定位和場景重構(gòu)方法開發(fā)高速表型分析機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在高粱或玉米等行間作物冠層之下的測量植物莖強(qiáng)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(tái)

1.GPS天線 2.機(jī)械臂 3.油菜畦 4.檢測設(shè)備

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

圖3 TerraSentia作物巡檢機(jī)器人

農(nóng)情巡檢方面，羅錫文、何勇團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中繼等方法采集農(nóng)田信息和獲取植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，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(jī)器人是指通過自主導(dǎo)航、智慧決策和精準(zhǔn)化作業(yè)的伺服控制技術(shù)，實(shí)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(jī)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(zhì)量。相較于其他農(nóng)業(yè)機(jī)器人，播種/施肥/移栽機(jī)器人相對成熟。其主要技術(shù)難點(diǎn)在于高精度高程圖實(shí)時(shí)繪制、對特殊形態(tài)種子的精量播種、漏播監(jiān)測和補(bǔ)種，以及移栽中的高速識(shí)苗取苗剔苗補(bǔ)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(chǔ)，聯(lián)適導(dǎo)航公司研制的自主平地機(jī)器人根據(jù)機(jī)載高精度北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)測量平地機(jī)具在作業(yè)軌跡點(diǎn)的高程信息，并繪制高程圖，繼而與方案圖中目標(biāo)高程進(jìn)行對比，系統(tǒng)作業(yè)時(shí)通過實(shí)時(shí)計(jì)算不同定位點(diǎn)的高程差自主調(diào)整平地鏟高度，從而精準(zhǔn)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(bǔ)償控制、平整路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于北斗的水田智能化精準(zhǔn)平整作業(yè)。John Deere公司開發(fā)了無人駕駛激光平地機(jī)，實(shí)現(xiàn)激光平地機(jī)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(jī)器人作業(yè)方案

德國烏爾姆應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的BLENDER等人開發(fā)了管理集群播種機(jī)器人的OptiVisor云控系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)控制多機(jī)器人機(jī)群的播種模式、播種密度、路徑規(guī)劃、播種補(bǔ)種、多機(jī)避碰。魏新華等人設(shè)計(jì)了穴盤苗全自動(dòng)移栽協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了苗盤橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、取苗機(jī)械手縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、垂直取放苗和喂苗動(dòng)作的電動(dòng)氣動(dòng)復(fù)合伺服控制，保障了地輪行進(jìn)速度和移栽動(dòng)作的時(shí)序協(xié)調(diào)，缽苗移栽成功率達(dá)到96.9%。

田間管理類機(jī)器人是指通過自主導(dǎo)航、視覺識(shí)別與定位和精準(zhǔn)作業(yè)控制技術(shù)完成除草、噴藥、追肥等功能的機(jī)器人，主要針對病蟲草害實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對靶施藥，針對作物生理需求實(shí)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(zhì)，減少生產(chǎn)成本，改善生態(tài)環(huán)境。它的主要技術(shù)難點(diǎn)在于作物雜草高精度實(shí)時(shí)識(shí)別、精準(zhǔn)對靶作業(yè)等。澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的MCCOOL等人研發(fā)了新一代作物和雜草管理機(jī)器人AgBot II（圖5），以機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式在田間自主導(dǎo)航、施肥、除草，雜草檢測和分類識(shí)別成功率在90%以上。

圖5 AgBot II機(jī)器人

美國John Deere、BlueRiver公司研發(fā)的智能除草機(jī)器人采用新一代See&Spray化學(xué)雜草控制技術(shù)，利用高分辨率攝像機(jī)實(shí)時(shí)識(shí)別雜草，實(shí)現(xiàn)了單株雜草個(gè)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(qū)動(dòng)的除草機(jī)器人，應(yīng)用機(jī)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(jī)械臂以高響應(yīng)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(jī)器人，利用人工智能和激光模組來進(jìn)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(nèi)，可以同時(shí)對8處目標(biāo)進(jìn)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(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)器人，采用四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向的田間U形行間轉(zhuǎn)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(jī)器人

李南等人設(shè)計(jì)了電驅(qū)動(dòng)田間鋤草機(jī)器人，以中小功率拖拉機(jī)為配套動(dòng)力，機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)對作物和雜草進(jìn)行識(shí)別與定位，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)月牙形鋤草刀對行護(hù)苗鋤草，傷苗率小于10%,雜草鋤凈率約為90%。

大田收獲類機(jī)器人是指通過機(jī)器視覺等技術(shù)識(shí)別與定位、選擇作業(yè)對象并依據(jù)對象特征實(shí)現(xiàn)差異化精準(zhǔn)收獲控制的機(jī)器人，它關(guān)注無法大規(guī)模自動(dòng)化采收的對象，同時(shí)注重收獲作業(yè)的高效性和適應(yīng)性，彌補(bǔ)了農(nóng)機(jī)裝備在精細(xì)選擇性收獲作業(yè)方面裝備的不足。其主要技術(shù)難點(diǎn)是高效、低損收獲末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與控制。

翟長遠(yuǎn)等人將無人駕駛技術(shù)、機(jī)器視覺與甘藍(lán)收獲技術(shù)結(jié)合，研制了大田甘藍(lán)自主收獲機(jī)器人(圖7a)，通過北斗系統(tǒng)定位種植行后將采收臂與甘藍(lán)對齊、機(jī)器視覺微調(diào)后完成對行采收作業(yè)，同時(shí)通過傳輸通道將甘藍(lán)運(yùn)至協(xié)同運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)行駛車輛。美國CROO Robotics研發(fā)了大田高壟草莓收獲機(jī)器人(圖7b)，利用草莓與莖葉的位置差異，設(shè)計(jì)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(zhuǎn)光學(xué)相機(jī)識(shí)別定位目標(biāo)草莓，實(shí)現(xiàn)了快速采收、輸送和集箱。

圖7 大田甘藍(lán)、草莓收獲機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最大采收效率0.3 hm2/h。后者采用光學(xué)視覺手段檢測出土筍芽，設(shè)計(jì)了基于回轉(zhuǎn)鏈循環(huán)的多末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了壟上多個(gè)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(shí)間為1.3 s(圖8)。

圖8 大田白蘆筍收獲機(jī)器人