“农业智能机器人”专题

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  • 1  “农业智能机器人”专题导读
    本刊编辑部
    2021, 37(2). DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.000
    [摘要](1350) [HTML](0) [PDF 2.10 M](972)
    摘要:
    农业机器人是一种新型的多功能农业机械。农业机器人的广泛应用,改变了传统的农业生产方式,提高了劳动生产率,促进了现代农业的发展,具有先进人工智能(AI)技能和内置分析体系的农业机器人正被广泛应用于各种场合,如耕作机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、采摘机器人、温室作业机器人等。为全面、深入了解中国农业机器人的发展现状和趋势,反映农业机器人发展过程中存在的问题及技术难点,明确行业未来发展趋势,本刊特策划“农业智能机器人”专题,共刊发6篇相关研究成果报道。 赵春江院士团队对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多机械臂协同作业任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,并给出了基于遗传算法的优化求解方法。该方法能够协调规划多臂采摘机器人系统的作业任务,确保各个机械臂避免发生冲突,以较短时间遍历所有目标果实,作业效率大幅提高,可为其他多机械臂采摘机器人任务规划提供参考。兰玉彬院士团队基于分区思想,自适应改变交叉概率与变异概率增强了算法的寻优能力,应用混合粒子群算法的交叉操作提高了算法的收敛速度,通过改进路径搜索规则,实现了异质机器人群的全区域覆盖,对农业机器人群协同作业具有重要参考意义。靳航嘉等设计了可行驶灵活的螺旋驱动式粮面行走机构,通过对螺旋驱动轮与粮面相互作用关系分析,确定其行驶控制方法并开发了控制系统,可实现机器人在粮面上前进、后退、旋转和差速转向行驶,对开发该领域机器人有一定参考价值。陈子文等设计了一种气动吸-夹一体式类球形果实无损采摘机械手,实现了吸盘回拉和夹持爪闭合两个动作由单一主动气缸驱动并完成顺序运动,获得了机械手的相关结构参数,具有较好的采摘效果,对实现水果自动化采摘具有重要参考。蔡舒平等对已有目标检测网络进行改进,提出一种基于改进型YOLOv4的果园障碍物实时检测方法,分别对检测速度和密集目标的检测能力进行优化,提升了模型的现实表现,增强了果园作业机器人障碍物识别的准确性与实时性,具有一定的实际应用价值和参考意义。高可可等提出一种采用高分子材料制作的固定式割胶机器人,提出一种先扫描后切割的割胶控制方式。利用超声波传感器预先扫描树围,通过建立测量误差控制模型得到刀尖与树皮的距离,利用PID控制算法控制刀具进给量。论文研究结果对控制割胶机器人的割胶误差及节省电能、促进橡胶割胶作业自动化有一定的借鉴价值。 本专题集中刊发的6篇系列文章,分别来自北京市农林科学院北京农业智能装备技术研究中心、山东理工大学、吉林大学、江苏大学、西南大学、北京信息科技大学等机构,源于国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划项目、重庆市技术创新与应用发展专项重点项目、江苏省重点研发计划、江苏省自然科学基金等的研究成果,从理论研究到实用技术,具有创新性和实用性,对促进国内农业机器人事业发展和未来智慧农业的发展与实现具有重要的理论和现实意义。
    2  矮化密植果园多臂采摘机器人任务规划
    李涛,邱权,赵春江,谢丰
    2021, 37(2):1-10. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.001
    [摘要](1834) [HTML](0) [PDF 5.98 M](1566)
    摘要:
    为提高矮化密植果园多机械臂采摘机器人的协同作业效率,该研究对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多臂协同任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,给出了基于遗传算法的优化求解方法。试验结果表明:该研究所提任务规划算法在求解4个机械臂采摘43和90颗果实的任务规划问题时,分别在500和2 000次迭代后收敛,相比于随机遍历算法,作业遍历时长可缩短40.97%和54.98%;采摘90颗果实,单机械臂的遍历时长约为该方法的4.28倍;采摘3种不同分布条件下的28颗果实,相比于顺序规划法和随机遍历法,该方法的作业遍历时长分别缩短10.69%和27.18%、20.45%和23.33%以及12.94%和21.69%。综上,基于遗传算法的任务规划方法能够协调规划多臂采摘机器人系统的作业任务,确保各个机械臂避免发生冲突,以较短时间遍历所有目标果实,提升作业效率。研究结果可为其他多机械臂采摘机器人任务规划提供参考。
    3  基于农田环境的农业机器人群协同作业策略
    宫金良,王伟,张彦斐,兰玉彬
    2021, 37(2):11-19. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.002
    [摘要](1371) [HTML](0) [PDF 1.62 M](1235)
    摘要:
    为合理分配农业机器人群协同作业中各机器人的工作量与工作区域,提高机器人群协同作业的整体效能与工作效率,该研究提出一种复杂环境下异质农业机器人群的任务分配及全区域覆盖策略。在考虑农业机器人异质性的基础上,以机器人团队整体效能最优为目标进行任务分配并确定各机器人的工作量。根据农场实际工作环境建立一级分区的概念,在栅格化环境建模与障碍物膨胀处理的基础上,在一级分区内部建立二级分区的栅格分区和分区合并规则,简化农田中的复杂工作环境;将遗传算法与混合粒子群算法相结合改进遗传算法交叉操作,建立遗传算法染色体种群多样性的概念,并综合考虑遗传算法染色体适应度值的差异以及种群多样性阶段设置自适应交叉变异概率,继而利用改进的遗传算法解决深度优先搜索算法在一级分区与二级分区间的遍历顺序问题;设置深度优先搜索算法在二级分区内的路径搜索规则,并在栅格图内遍历的同时根据各机器人的工作量分配其工作区域,设置机器人在其工作区域中的遍历规则,实现机器人群对农田的全区域覆盖。仿真试验结果表明,改进的遗传算法所得到的遍历各分区的路径长度与收敛迭代次数较传统遗传算法分别减少了2.8%与69.5%,较模拟退火算法分别减少了9.3%与19.0%;包含3、5、7、9和11个障碍物的5幅环境地图中,机器人群遍历工作区域的总面积重复率分别为6.3%、8.9%、16.7%、21.7%和23.4%。在4种面积相等的异形农田中设置相同数量的障碍物进行验证试验,结果表明,机器人群总遍历面积重复率分别为16.7%、13.1%、11.9%和6.7%。机器人群协同作业场地试验结果表明,4个试验机器人均可在规定的时间要求(25 min)内完成各自工作量,遍历面积重复率分别为5.77%、4.14%、6.75%和4.85%。研究结果可为复杂环境下农业机器人群协同作业策略提供理论支撑。
    4  螺旋驱动式粮仓机器人行走机构设计与试验
    靳航嘉,吴文福,吴子丹,韩峰,董平,徐岩
    2021, 37(2):20-26. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.003
    [摘要](1519) [HTML](0) [PDF 5.05 M](1091)
    摘要:
    目前粮仓管理中的粮面平整、施药、翻倒等作业主要靠人工完成,存在成本高、费时费力、工作环境差等缺点,且因粮面松软,现有粮面行驶机构存在易下陷、易倾覆和行驶不便的问题,亟需开发粮面行驶能力较强的机构为粮面作业提供移动平台。为此,该研究设计了一种螺旋驱动式粮仓粮面行走机构,主要由2个旋向相反的螺旋驱动轮组成。通过对螺旋驱动轮与粮面相互作用关系的分析,确定了机构的行驶控制方法并开发了相应的控制系统,可实现在粮面上前进、后退、旋转和差速转向行驶。试制了小型样机并对机构在不同驱动轮转速和转向组合下进行粮面行驶试验,试验结果表明:该行走机构粮面通行能力较强,行驶过程平稳;螺旋驱动轮转速为0.33、1.06、1.72和1.92 r/s时,行走机构的直线行驶速度分别为0.07、0.22、0.34和0.37 m/s,旋转行驶转速分别为0.10、0.24、0.39和0.53 r/s;直线行驶速度和旋转行驶速度均与驱动轮转速成正比例关系,比例系数分别约为0.197和0.251,拟合决定系数分别为0.999 5和0.993 3,线性相关性较高;在试验转速范围内,直线行驶时随着驱动轮转速的增大,滑转率逐渐增大,下陷深度逐渐减小;直线行驶速度越低,沉陷量越大,最大沉陷量70 mm,为浮筒直径的63.64%,滑转率均较小,最大滑转率约为2.49%,说明该机器人具有较好的粮面通行性。结果可为螺旋驱动式粮面行驶机器人的结构设计及其控制系统研发提供参考。
    5  基于气动无损夹持控制的番茄采摘末端执行器设计与试验
    陈子文,杨明金,李云伍,杨玲
    2021, 37(2):27-35. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.004
    [摘要](1456) [HTML](0) [PDF 7.78 M](1221)
    摘要:
    为实现类球形果实采收过程中稳定夹持和无损采摘,该研究以番茄为研究对象,设计了一款全气动吸-夹一体式无损采摘末端执行器。首先设计空间多连杆三爪机构,采用3个夹持爪单元空间轴向均布的方式构成空间多连杆末端执行器主体机构,实现中心吸盘回拉果实和夹持爪夹持果实两个动作由单一主动气缸驱动并实现顺序动作;其次,建立末端执行器夹持爪单元的数学模型,并确定满足夹持爪尖端张开最大范围156 mm和吸盘回拉移动最大距离38.7 mm条件下的末端执行器结构参数,通过ADAMS软件对其进行运动学和动力学仿真分析,获得各部件间运动速度和加速度的相对关系,以及夹持力与气动系统压力和果实尺寸的关系。最后,设计并搭建具有压力负反馈和气压连续调节功能的电气伺服控制系统,通过分析果实在拉动和转动两种情况的滑移试验,提出基于动态标准差波动上升节点的双阈值滑移判别算法和基于滑移判据及损伤极限压力的无损采摘控制策略。204个不同尺寸番茄果实的实地采摘试验表明,末端执行器采摘成功率为96.03%,采摘过程耗时5 s,采摘过程中的直接损伤率为1.58%,72 h褐变率为1.76%。结果表明该采摘末端执行器具有较好的采摘效果,可满足实际工作需求。
    6  基于改进型YOLOv4的果园障碍物实时检测方法
    蔡舒平,孙仲鸣,刘慧,吴翃轩,庄珍珍
    2021, 37(2):36-43. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.005
    [摘要](2177) [HTML](0) [PDF 4.02 M](1384)
    摘要:
    针对农业机器人在复杂的果园环境中作业时需要精确快速识别障碍物的问题,该研究提出了一种改进型的YOLOv4目标检测模型对果园障碍物进行分类和识别。为了减少改进后模型的参数数量并提升检测速度,该研究使用了深度可分离卷积代替模型中原有的标准卷积,并将主干网络CSP-Darknet中的残差组件(Residual Unit)改进为逆残差组件(Inverted Residual Unit)。此外,为了进一步增强模型对目标密集区域的检测能力,使用了软性非极大值抑制(Soft DIoU-Non-Maximum Suppression,Soft-DIoU-NMS)算法。为了验证该研究所提方法的有效性,选取果园中常见的3种障碍物作为检测对象制作图像数据集,在Tensorflow深度学习框架上训练模型。然后将测试图片输入训练好的模型中检测不同距离下的目标障碍物,并在同一评价指标下,将该模型的测试结果与改进前YOLOv4模型的测试结果进行评价对比。试验结果表明,改进后的YOLOv4果园障碍物检测模型的平均准确率和召回率分别为96.92%和91.43%,视频流检测速度为58.5帧/s,相比于原模型,改进后的模型在不损失精度的情况下,将模型大小压缩了75%,检测速度提高了29.4%。且改进后的模型具有鲁棒性强、实时性更好、轻量化的优点,能够更好地实现果园环境下障碍物的检测,为果园智能机器人的避障提供了有力的保障。
    7  固定式割胶机器人割胶误差分析与精度控制
    高可可,孙江宏,高锋,焦健
    2021, 37(2):44-50. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.2.006
    [摘要](1250) [HTML](0) [PDF 2.97 M](925)
    摘要:
    针对固定式自动割胶设备成本高、质量大和割胶精度低等问题,该研究提出一种采用高分子材料制作的固定式割胶机器人,提出一种先扫描后切割的割胶控制方式。利用超声波传感器预先扫描树围,通过建立测量误差控制模型得到刀尖与树皮的距离,利用PID控制算法控制刀具进给量。为减少进退刀次数和降低电机功率损耗,根据橡胶树皮结构和割胶技术规程,将切割深度从5.5 mm调整为5.2~5.8 mm,并进行试验验证。结果表明:固定式割胶机器人割胶时螺旋角为25°~30°,其控制方式可保证刀尖到达目标位置,且1次走刀即可完成割胶工作,有效切割时间仅为22 s,相比于传统人工割胶(需多次走刀,有效切割时间为1 min),该割胶机器人的割胶效率提高了63%,可实现快速精准割胶。在固定的切割深度范围内作业时,进退刀次数减少36%;刀具电流变化幅度最大减小4.11%。该研究设计的固定式割胶机器人及控制方式不损伤橡胶树,可替代人工作业,提高割胶效率,具有一定的推广应用价值。

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