【摘要】農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化、智能化的技術(shù)手段，為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供了重要支持。感知、規(guī)劃、定位導(dǎo)航與控制是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展依賴于科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和政策支持的協(xié)同作用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人向著更高效、更智能、更綠色的方向發(fā)展。面向我國(guó)農(nóng)業(yè)主戰(zhàn)場(chǎng)所需的農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，應(yīng)構(gòu)建交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)機(jī)器人 農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力 農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化 農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)
【中圖分類號(hào)】S23;F323 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
農(nóng)業(yè)是人類一切生產(chǎn)活動(dòng)與社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)和根本，也是支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的重要支柱。隨著新型城鎮(zhèn)化和人口老齡化進(jìn)程的加快，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺問(wèn)題日益突出，導(dǎo)致人工作業(yè)成本不斷攀升。農(nóng)業(yè)機(jī)器人利用現(xiàn)代傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田環(huán)境、農(nóng)業(yè)動(dòng)植物生長(zhǎng)狀態(tài)和農(nóng)業(yè)裝備工作狀態(tài)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行精準(zhǔn)管理和智能決策，通過(guò)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)。隨著自動(dòng)導(dǎo)航和無(wú)人駕駛技術(shù)的進(jìn)步，使其能高效執(zhí)行播種、施肥和收獲等任務(wù)，顯著減少人力需求和操作誤差。農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以在眾多農(nóng)業(yè)活動(dòng)中替代人工，如對(duì)作物進(jìn)行自動(dòng)灌溉、農(nóng)藥噴施、害蟲(chóng)及雜草控制、果實(shí)采收、分級(jí)分揀，且能夠靈活適應(yīng)大田、溫室、果園等各種復(fù)雜環(huán)境。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛使用將會(huì)減少對(duì)人工勞動(dòng)力的依賴，在很大程度上改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支持，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化、智能化的技術(shù)手段，為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供了重要支持。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人是新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表，也是以新質(zhì)生產(chǎn)力引領(lǐng)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要抓手。首先，農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠顯著提升農(nóng)作物的種植、養(yǎng)殖、管理和收獲效率，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而確保糧食安全和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。其次，農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的資源投入，優(yōu)化農(nóng)田管理，減少環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力短缺、自然災(zāi)害和市場(chǎng)變化方面，農(nóng)業(yè)機(jī)器人展現(xiàn)了極高的適應(yīng)能力和靈活性，成為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、保障農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要力量。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人的分類及其功能
農(nóng)業(yè)機(jī)器人是指專門(mén)服務(wù)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有精準(zhǔn)感知、自主決策、智能控制與高效執(zhí)行能力的特種機(jī)器人，主要由信息感知系統(tǒng)、決策控制系統(tǒng)、作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和自主移動(dòng)平臺(tái)四部分構(gòu)成，可視為人的“五官、腦、手、腳”的替代和擴(kuò)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成了綜合性的農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在大田、果園和設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括施肥、植保、產(chǎn)量預(yù)估、嫁接、整枝、巡檢、采摘、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，在畜禽養(yǎng)殖方面，該系統(tǒng)也展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，涵蓋了飼喂、巡檢、消毒、擠奶等核心操作。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，涵蓋了投餌、巡檢、清污、分揀、分級(jí)、計(jì)數(shù)等核心操作。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人按照作業(yè)對(duì)象不同，可以分為種植機(jī)器人和養(yǎng)殖機(jī)器人。根據(jù)作業(yè)場(chǎng)景不同，種植機(jī)器人可以分為田間種植、果園種植、設(shè)施種植機(jī)器人，養(yǎng)殖機(jī)器人可以分為畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人、水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)器人。根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同，田間種植機(jī)器人可以分為品種選育、翻耕播種、田間管理、大田收獲等機(jī)器人，果園種植機(jī)器人可以分為嫁接、噴藥、剪枝、除草、采摘、分揀等機(jī)器人，設(shè)施種植機(jī)器人可以分為育苗、移栽、作物巡檢、收獲等機(jī)器人，畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人可以分為飼喂、擠奶、養(yǎng)殖巡檢、捕捉、清掃等機(jī)器人，水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)器人可以分為投餌、水質(zhì)巡檢、清污、誘捕、捕獲等機(jī)器人。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備具有以下區(qū)別：一是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備僅具備作業(yè)能力，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)等信息的全域感知能力。例如，傳統(tǒng)中耕機(jī)械僅能完成松土和除草作業(yè)，而田間管理機(jī)器人在完成雜草識(shí)別與清除的同時(shí)還能進(jìn)行作物表型數(shù)據(jù)和土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集。二是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備依賴人工經(jīng)驗(yàn)，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人融合機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)推理、人機(jī)交互、作業(yè)規(guī)劃等自主決策能力。例如，傳統(tǒng)噴藥機(jī)械需要人工識(shí)別后再進(jìn)行作業(yè)，而果園噴藥機(jī)器人可以根據(jù)果園地圖自主規(guī)劃飛行軌跡并逐一遍歷果樹(shù)，通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)果樹(shù)病蟲(chóng)害部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。三是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備需要標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)環(huán)境，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以在復(fù)雜非／半結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事批量重復(fù)性工作。例如，傳統(tǒng)草莓采摘機(jī)械需要改變農(nóng)藝后在特定位置作業(yè)，而采摘機(jī)器人可以在大田或溫室、無(wú)土或有土條件下完成草莓采摘。四是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人不需要人工參與一線作業(yè)，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控或自主完成作業(yè)，減少繁重勞動(dòng)的同時(shí)能有效避免動(dòng)物應(yīng)激和疫病交叉?zhèn)魅尽?/p>
農(nóng)業(yè)機(jī)器人的四大關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)揮的重要作用
感知、規(guī)劃、定位導(dǎo)航與控制是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。感知技術(shù)能夠給予機(jī)器人感受外部世界的能力，使其像人類一樣擁有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等感官能力；規(guī)劃技術(shù)決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡和機(jī)械臂的作業(yè)軌跡，使其運(yùn)動(dòng)和作業(yè)獲取更高效、更便捷、更安全的行動(dòng)路線，讓機(jī)器人學(xué)會(huì) “走更好的路”和“做更好的操作”；定位導(dǎo)航技術(shù)則能讓機(jī)器人知曉自身位置信息，使其沿著規(guī)劃好的路線正確運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人學(xué)會(huì)“沿著路線正確走路”；控制技術(shù)決定了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人更加準(zhǔn)確、敏捷的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，讓農(nóng)業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)“更好的走路和作業(yè)”。以上關(guān)鍵技術(shù)相輔相成，一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人要完成采摘、收割、巡檢等任務(wù)離不開(kāi)上述四個(gè)技術(shù)的集成。
一是感知技術(shù)。感知技術(shù)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化等方面發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)主要包括目標(biāo)感知、環(huán)境感知、狀態(tài)感知、位置感知和身份感知。目標(biāo)感知是指農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器和算法識(shí)別定位外部環(huán)境的目標(biāo)信息，如農(nóng)作物、果實(shí)、雜草等。其關(guān)鍵技術(shù)包括圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、激光雷達(dá)以及超聲波傳感器等感知技術(shù)。其中，圖像處理與機(jī)器視覺(jué)是利用農(nóng)業(yè)機(jī)器人裝配的高清攝像頭獲取作業(yè)環(huán)境圖像，通過(guò)深度學(xué)習(xí)方法對(duì)作物、雜草、病蟲(chóng)害等進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與分類等。此外，多光譜成像技術(shù)幫助識(shí)別患病的作物；溫室大棚內(nèi)的采摘機(jī)器人利用所裝配的雙目攝像機(jī)和立體匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的三維位置和姿態(tài)識(shí)別，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取及采摘。病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與防治利用圖像處理和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作物病蟲(chóng)害情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少農(nóng)藥使用量，進(jìn)而保護(hù)環(huán)境。激光雷達(dá)可以生成高精度3D點(diǎn)云地圖，特別適用于精細(xì)農(nóng)業(yè)和復(fù)雜地形的作物感知。例如，在葡萄園區(qū)，激光雷達(dá)可以生成葡萄藤的3D模型，幫助農(nóng)民精確修剪和管理。超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量聲波的反射時(shí)間來(lái)檢測(cè)目標(biāo)物體的距離，常用于輔助定位和導(dǎo)航。例如，在果樹(shù)種植區(qū)，超聲波傳感器可以幫助農(nóng)業(yè)機(jī)器人確定果樹(shù)的距離和位置，以便進(jìn)行精確的農(nóng)藥噴施和果樹(shù)修剪。
環(huán)境感知是指農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測(cè)和理解，以便作出適應(yīng)性決策和操作。環(huán)境感知作為農(nóng)業(yè)裝備智能化的首要條件，是智能農(nóng)機(jī)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化農(nóng)田環(huán)境中安全可靠作業(yè)的保障。其主要技術(shù)包括動(dòng)態(tài)環(huán)境識(shí)別、實(shí)時(shí)環(huán)境建模以及多傳感器數(shù)據(jù)融合。實(shí)時(shí)環(huán)境建模是農(nóng)業(yè)機(jī)器人環(huán)境感知的重要組成部分。通過(guò)激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以實(shí)時(shí)構(gòu)建農(nóng)田的三維模型，這些模型會(huì)用于后續(xù)的路徑規(guī)劃、障礙物檢測(cè)與避障。例如，在果園中，實(shí)時(shí)三維建?？梢詭椭鷻C(jī)器人在復(fù)雜的地形和果樹(shù)之間進(jìn)行導(dǎo)航，避免碰撞。農(nóng)田環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，識(shí)別天氣變化、作物生長(zhǎng)等，并作出相應(yīng)的決策。例如，農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過(guò)分析視覺(jué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)作物的葉片顏色和形狀變化，以此判斷作物的健康狀況和生長(zhǎng)進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲(chóng)害并采取相應(yīng)的防治措施。
此外，多傳感器數(shù)據(jù)融合是提升環(huán)境感知精度和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常配備多種傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器、溫濕度傳感器等。通過(guò)對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以獲得更全面和準(zhǔn)確的環(huán)境信息。農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)應(yīng)用廣泛，涵蓋了從作物監(jiān)測(cè)到環(huán)境管理的多個(gè)領(lǐng)域，這些技術(shù)通過(guò)多種傳感器和算法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田環(huán)境和作物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確分析，不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，減少了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還顯著提升了農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平。
二是路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑規(guī)劃技術(shù)能夠精確感知環(huán)境，智能避開(kāi)障礙物，為機(jī)器人量身打造出一條高效、安全的作業(yè)路徑。不僅能夠避免重復(fù)交叉作業(yè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)，還能顯著提高作業(yè)效率，優(yōu)化作業(yè)流程，大幅減少能源消耗，有效控制作業(yè)成本。如今，路徑規(guī)劃技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)機(jī)器人中，成為高效、節(jié)能作業(yè)的“得力助手”。其中，移動(dòng)車體的路徑規(guī)劃在田間作業(yè)中大顯身手，確保農(nóng)業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜多變的農(nóng)田環(huán)境中游刃有余；機(jī)械臂的路徑規(guī)劃則精準(zhǔn)服務(wù)于采摘作業(yè)，使采摘過(guò)程更加高效、精確。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)不僅展示了現(xiàn)代科技的魅力，更展現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)。隨著這一技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將更加智能、高效。
首先是移動(dòng)車體路徑規(guī)劃。隨著農(nóng)業(yè)智能化水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)裝備的路徑規(guī)劃技術(shù)正逐漸成為引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)步的“關(guān)鍵鑰匙”。特別是在收割機(jī)的應(yīng)用上，這一技術(shù)已展現(xiàn)出巨大潛力。過(guò)去，收割機(jī)的工作往往需要農(nóng)民手工規(guī)劃路線，這不僅耗時(shí)耗力，而且效率低下。如今，通過(guò)先進(jìn)的路徑規(guī)劃技術(shù)，農(nóng)機(jī)可以自主規(guī)劃出合理、高效的作業(yè)路線和順序，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)機(jī)利用率。不僅避免了重復(fù)作業(yè)和返工，還顯著節(jié)省了時(shí)間和能源。
其次是機(jī)械臂路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、林果業(yè)的采摘作業(yè)正面臨人工成本高漲和勞動(dòng)力短缺的雙重挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一難題，高性能機(jī)械臂以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸嶄露頭角，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)采摘的“新星”。其中，機(jī)械臂路徑規(guī)劃技術(shù)作為其核心控制算法，扮演著至關(guān)重要的角色。機(jī)械臂路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在最短時(shí)間和距離內(nèi)，確保在有限的作業(yè)范圍找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的安全無(wú)碰撞路徑。這一技術(shù)追求以最小的工作空間和最優(yōu)的能耗實(shí)現(xiàn)最高的工作效率，其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性直接決定了采摘機(jī)械臂的作業(yè)效率、耐用性和采收精度。在復(fù)雜的采摘作業(yè)中，路徑規(guī)劃不僅要考慮作物的成熟度、收獲機(jī)器的工作范圍和效率，還要根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)方式和密度等因素進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高效的采摘。隨著智慧農(nóng)業(yè)的興起、機(jī)器人技術(shù)的普及以及控制技術(shù)與算法的革新，采摘機(jī)械臂及其路徑規(guī)劃技術(shù)將會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。采摘機(jī)械臂將成為農(nóng)業(yè)采摘的主力軍，其路徑規(guī)劃技術(shù)也將實(shí)現(xiàn)更大的突破，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力。
三是定位導(dǎo)航技術(shù)。定位導(dǎo)航技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心功能之一，不僅使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別自身位置，還能引導(dǎo)其按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。無(wú)論是平坦的耕地還是崎嶇的山地，定位導(dǎo)航系統(tǒng)都能為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供準(zhǔn)確的位置信息，使其能夠順利到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，并完成播種、施肥、噴藥、收割等作業(yè)任務(wù)。在室內(nèi)環(huán)境中，由于定位系統(tǒng)信號(hào)較弱，往往難以提供高精度定位服務(wù)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，目前業(yè)界主要采取了多種室內(nèi)定位方案。這些方案主要分為兩大類：一是依賴外置人工信號(hào)源的定位技術(shù)，包括WiFi、藍(lán)牙和超寬帶定位；二是利用天然信號(hào)源的定位技術(shù)，例如慣性導(dǎo)航定位和地磁定位。室外農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜多變，由于農(nóng)業(yè)地區(qū)的差異，農(nóng)作物區(qū)域不僅僅限于大面積的平原田間，也包括田地狹小且難以抵達(dá)的丘陵地區(qū)果園農(nóng)業(yè)。多數(shù)室外大田農(nóng)業(yè)機(jī)器人的定位導(dǎo)航算法以GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)等為代表。針對(duì)室外大場(chǎng)景的移動(dòng)作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用離不開(kāi)GNSS。在我國(guó)，“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+農(nóng)機(jī)作業(yè)”的方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平，減少了對(duì)人工操作的依賴，同時(shí)也提高了作業(yè)效率。同樣地，視覺(jué)識(shí)別技術(shù)也是農(nóng)業(yè)機(jī)器人室外定位導(dǎo)航的不二法寶。一家農(nóng)業(yè)科技型企業(yè)已成功研發(fā)出一款無(wú)人駕駛多功能植保機(jī)器人，其核心技術(shù)在于結(jié)合視覺(jué)識(shí)別與深度相機(jī)作為視覺(jué)系統(tǒng)，并集成多種傳感器進(jìn)行信息的接收與處理，通過(guò)搭載的攝像頭等視覺(jué)傳感器，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)，增加多種傳感器形成視覺(jué)慣導(dǎo)系統(tǒng)。當(dāng)前，這款無(wú)人駕駛智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人已在部分大型蘋(píng)果、刺梨、獼猴桃等果園得到實(shí)際應(yīng)用，有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性與效率，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的提質(zhì)增效。
在農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航的科研領(lǐng)域尚存廣闊的探索天地。目前，由于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用案例相對(duì)較少，在一定程度上減緩了導(dǎo)航技術(shù)研究的進(jìn)展。一個(gè)重要原因是農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的高昂成本，使得其市場(chǎng)普及率不高，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械化或半自動(dòng)化作業(yè)方式，農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)并未展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，限制了系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與升級(jí)。此外，復(fù)雜的真實(shí)農(nóng)田環(huán)境也是一大挑戰(zhàn)，當(dāng)前多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人尚無(wú)法在非結(jié)構(gòu)化的農(nóng)田環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。因此，為了滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用的需求，我們需要在成本控制和技術(shù)創(chuàng)新上持續(xù)投入研究力量。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為智慧農(nóng)業(yè)的重要推動(dòng)力量，其未來(lái)發(fā)展方向?qū)⒏厰?shù)字化和智能化。
四是控制技術(shù)。在農(nóng)田、果園中，根據(jù)使用場(chǎng)景與需求的不同，各具特色的農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過(guò)提高自動(dòng)化控制執(zhí)行任務(wù)來(lái)提高效率和生產(chǎn)力。根據(jù)行進(jìn)結(jié)構(gòu)的不同，常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人可分為輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人和履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人。輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種多自由度的自主操作設(shè)備，具有精確感知、自主決策、智能控制和自動(dòng)執(zhí)行能力，特別適合農(nóng)業(yè)環(huán)境。它們可以在農(nóng)田中進(jìn)行高精度的定位和導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的作業(yè)，如播種、施肥、噴灑農(nóng)藥等。此外，輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢、定點(diǎn)采集、自動(dòng)避障、自動(dòng)返航等，適用于平坦的農(nóng)田和大田環(huán)境，例如小麥、玉米、大豆等作物的種植區(qū)域。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人比傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人更適合在不同類型地形上行駛，包括泥濘的農(nóng)田、濕地或不平坦的地形，如坡地果園、葡萄園等。通過(guò)使用履帶這種與挖掘機(jī)、坦克相同的行進(jìn)裝置來(lái)適應(yīng)不平坦的地形，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供更大的接地面積，減少了對(duì)土壤的擠壓和對(duì)植物的損害。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以穿越泥濘區(qū)域并在果園中穩(wěn)定行走，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)和智能種植管理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量、植株生長(zhǎng)情況等數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整作業(yè)策略，實(shí)現(xiàn)智能種植管理，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
隨著人工智能等技術(shù)的進(jìn)步，一批技術(shù)研究員和初創(chuàng)公司投入到更加自動(dòng)化、更加智能的采摘機(jī)器人的研發(fā)中。近幾年，采摘機(jī)器人取得了一些產(chǎn)業(yè)上的突破，但從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)農(nóng)場(chǎng)，采摘機(jī)器人需要解決的遠(yuǎn)不止技術(shù)問(wèn)題。作為人力的替代品，成本和效率是采摘機(jī)器人商業(yè)化道路上最大的痛點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了使用吸盤(pán)作為末端執(zhí)行器的農(nóng)業(yè)機(jī)器人用于采摘。整個(gè)機(jī)器設(shè)備像是一臺(tái)吸塵器，吸取的東西是識(shí)別到的已成熟蘋(píng)果。用“吸”代替“抓”減少了對(duì)蘋(píng)果表皮的損壞，將單個(gè)蘋(píng)果的采摘時(shí)間控制到了2秒，進(jìn)一步提高了機(jī)器采摘的效率。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人功能的增加也使得數(shù)據(jù)量劇增，云計(jì)算的數(shù)據(jù)集中處理模式存在實(shí)時(shí)性不足、能耗過(guò)高以及數(shù)據(jù)安全等一系列問(wèn)題。邊緣計(jì)算是在靠近數(shù)據(jù)源端執(zhí)行計(jì)算的分散處理模式，其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求，與云計(jì)算相比具有延遲和成本更低、安全性更高且可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，更好地滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)性的要求。隨著智慧農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，結(jié)合深度學(xué)習(xí)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用屢見(jiàn)不鮮，如作物病害檢測(cè)、生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、作物自動(dòng)采摘、無(wú)人農(nóng)場(chǎng)管理等，邊緣計(jì)算可以為農(nóng)業(yè)多場(chǎng)景、復(fù)雜任務(wù)提供高效、可靠的新型數(shù)據(jù)處理方案。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與展望
農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜多變，面臨諸多挑戰(zhàn)。感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主作業(yè)的基本功能，現(xiàn)有的感知技術(shù)在面對(duì)多變的光照條件、作物形態(tài)差異、遮擋情況時(shí)仍存在局限性。在傳感器方面，首要考慮的是其對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要在多樣化的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，包含塵土、極端的溫濕度等復(fù)雜條件，這些環(huán)境因素會(huì)對(duì)傳感器的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，引起測(cè)量上的誤差，甚至導(dǎo)致傳感器失效。因此需要面向農(nóng)業(yè)環(huán)境感知的多樣化需求，以視覺(jué)技術(shù)為引領(lǐng)探索生物對(duì)象、環(huán)境、機(jī)器人本體感知新原理新方法，以及聽(tīng)/嗅/味覺(jué)、力/觸覺(jué)等多模態(tài)感知與多源異構(gòu)信息SOC/MOC（System-on-the-chip/Model-on-the-chip）邊緣計(jì)算融合技術(shù)，開(kāi)發(fā)嵌入輕量級(jí)深度學(xué)習(xí)模型的農(nóng)用人工智能芯片、專用傳感器，實(shí)現(xiàn)高速高精度信息處理。
與此同時(shí)，需要設(shè)計(jì)合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人本體材料—結(jié)構(gòu)—功能—性能一體化設(shè)計(jì)新理念新方法，以應(yīng)對(duì)在特定環(huán)境下特殊任務(wù)需求。應(yīng)對(duì)多障礙多角度的復(fù)雜情況或意外事件，提高機(jī)器人的越野能力和通過(guò)性，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)/驅(qū)動(dòng)/感知/控制一體化關(guān)節(jié)，柔性化、輕量化被動(dòng)安全及人—機(jī)器人—環(huán)境共融型機(jī)械臂和仿生仿形末端執(zhí)行器，適應(yīng)更復(fù)雜的地形和環(huán)境，是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要挑戰(zhàn)之一，在提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人性能的同時(shí)還要考慮到如何降低能耗，保證在較大的工作量下延長(zhǎng)使用時(shí)間與壽命。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人中使用的傳感器技術(shù)可以通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)器人傳感器自身的性能和適應(yīng)性，突破多傳感器融合導(dǎo)航技術(shù)的瓶頸，開(kāi)發(fā)多信息融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)展集 GNSS、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)等感知技術(shù)相融合的高端導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地塊邊界、作物行、田間障礙物的精準(zhǔn)感知。對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)而言，模塊化和輕量化是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要方向，模塊化設(shè)計(jì)可以提高機(jī)器人的可維修性和可擴(kuò)展性，輕量化設(shè)計(jì)可以降低機(jī)器人的能耗和提高其運(yùn)動(dòng)性能。
未來(lái)在實(shí)際的農(nóng)業(yè)環(huán)境中，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練模型，使農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠自主學(xué)習(xí)并適應(yīng)不同的農(nóng)田環(huán)境，提高路徑規(guī)劃的智能化水平，結(jié)合PID（比例—積分—微分）控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種路徑跟蹤控制技術(shù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主導(dǎo)航控制算法，控制機(jī)器人按照預(yù)定路線精確跟蹤行走，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人作業(yè)運(yùn)動(dòng)的精確自動(dòng)控制。融合多種傳感器的信息，如視覺(jué)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航等，提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)農(nóng)田環(huán)境的感知精度，為路徑規(guī)劃提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，多傳感器融合技術(shù)使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人在不同環(huán)境條件下都能夠保持穩(wěn)定的感知性能，從而提高路徑規(guī)劃的魯棒性，同時(shí)可以將不同的路徑規(guī)劃算法集成在一起，根據(jù)具體作業(yè)任務(wù)和環(huán)境條件選擇合適的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，打破耕、種、管、收、運(yùn)全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)孤島，面向農(nóng)田、果園、設(shè)施等不同類型生產(chǎn)環(huán)境，建立多尺度的智能生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的綜合效率。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展依賴于科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和政策支持的協(xié)同作用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人向著更高效、更智能、更綠色的方向發(fā)展。在科技方面，通過(guò)科技攻關(guān)等手段提升農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能感知、自主作業(yè)路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、自主學(xué)習(xí)與跨場(chǎng)景作業(yè)、端—邊—云協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)水平，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，使農(nóng)業(yè)機(jī)器人更智能、更精準(zhǔn)、更高效。在產(chǎn)業(yè)方面，應(yīng)為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供傳感器、精密驅(qū)動(dòng)、控制軟件等先進(jìn)技術(shù)支撐，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和核心零部件的突破，將會(huì)進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)機(jī)器人的成本。我國(guó)龐大的市場(chǎng)需求也將推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速成長(zhǎng)，形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新生態(tài)。在政策方面，政府的科研資金支持、產(chǎn)業(yè)政策扶持、標(biāo)準(zhǔn)制定和人才培養(yǎng)將為農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。農(nóng)業(yè)機(jī)器人融合了農(nóng)業(yè)、生物、機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多門(mén)學(xué)科，是多學(xué)科交叉融合的高技術(shù)產(chǎn)品，需要專門(mén)的技術(shù)人才作支撐。因此，應(yīng)面向我國(guó)農(nóng)業(yè)主戰(zhàn)場(chǎng)所需的農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，構(gòu)建交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。
（作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院教授）
責(zé)編/銀冰瑤 美編/楊玲玲
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