基于语义分割网络的植保机器人视觉伺服控制方法

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线提取算法获取导航路径,并利用卡尔曼滤波对主导航线几何参数进行平滑处理,有效抑制了不平整地面导致的机器人运动颠簸与视觉图像测量噪声引起的导航参数波动。继而构建机器人前轮转向、后轮差速的阿克曼运动学模型;在图像空间坐标下设计纯追踪控制器实现植保机器人的伺服运动控制。大田环境下的现场实验结果为:总体横向偏差为0.092 m,验证了本文方法的有效性。

基于改进ACO-DWA算法的轮式植保机器人避障路径研究

山地非标准果园内大型植保机械通行性差,小型轮式植保机器人有广阔的应用前景。为解决因果园枝叶郁闭所造成的视觉信息误判,作业地形复杂所造成的机器人避障不及时等问题,提出了一种基于改进ACO-DWA算法的轮式植保机器人路径规划算法。首先通过激光雷达获取果园环境信息,应用体素化网格法精简点云密度,利用栅格法分割地面点云,采用K-means算法提取机器人行间通行区域;再结合植保机器人的运动学模型及作业规范约束,采用基于模型预测算法(SBMPO)生成一系列待选轨迹集合;然后采用改进的ACO-DWA算法,将机器人的通行成本融入搜索节点的目标函数,根据环境地图在线进行路径规划;最后,利用MATLAB R2021仿真平台和机器人ROS操作系统分别进行了仿真验证和实景布置试验。试验结果表明,该方法可以明显改善机器人在果园复杂场景下的通行能力,算法路径规划效果和运行效率明显提高。

基于测距值修正的温室植保机器人定位方法

针对温室植保机器人作业过程中,UWB节点之间频繁出现的非视距通信现象导致UWB系统定位精度低和稳定性差的问题,提出了一种基于UWB测距值修正的融合定位方法。首先,设计了基于测距残差的UWB节点间通信类型识别方法;其次,分析了视距和非视距通信下UWB测距误差产生原因并建立了两种通信条件下的测距值修正模型;最后,基于扩展卡尔曼滤波器设计了UWB测距修正值和IMU数据融合方法,实现了温室机器人作业过程中的可靠定位。在温室环境下的实际验证结果表明:非视距通信条件下,经过UWB测距修正的融合定位方法的定位误差为11.95 cm,相较于未进行UWB测距值修正的融合定位方法,定位误差降低83.11%,可为温室植保机器人提供稳定的高精度定位信息。

基于CPS的果园植保机器人系统体系结构设计

信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)是计算、通信、控制与物理过程高度集成的新一代智能控制系统,具有安全、可靠、实时、高效等特点,应用前景广泛。将CPS应用到果园植保机器人系统,根据CPS特征和植保机器人系统特点,提出4层体系结构框架。该体系结构分为物理层、网络通信层、数据服务层和用户应用层。介绍植保机器人信息物理系统各层协同工作的流程,并对各层的组成和功能进行详细描述。

高遮挡环境下玉米植保机器人作物行间导航研究

玉米小型植保机器人可以有效解决病虫害防治难的问题,然而玉米生长中后期作物行间叶片纵横交错会严重遮挡可通行区域,给植保机器人沿垄间导航造成了极大的困难。本文将16线激光雷达搭载在植保机器人顶端作为感知单元,实现玉米行间信息获取并提取植保机器人可通行区域识别方法。由于植株叶片属于非刚性障碍,通过分析机器人前进方向上的玉米植株三维点云数据,研究其叶片与主干点云地面投影的分布规律,将K-means聚类估算所得玉米点云中心点作为主干区域点。然后,利用玉米作物成行种植特性引入置信区间去除所估计玉米主干区域离群的聚类点,提高分析精确度。最终解析出高遮挡环境下玉米作物行中心导航线。模拟真实玉米农田场景开展试验,与实际仿真玉米的主干位置对比,该方法识别的玉米位置沿作物行两侧感知系统3.0~3.5 m前视距离最大误差3.55 cm,系统感知响应平均用时2 s,满足60 cm宽小型植保机器人最大移动1 m/s速度的自主通行局部导航的环境感知需求。

基于RANSAC算法的植保机器人导航路径检测

为实现植保机器人精准自主导航和提高路径检测的精度、可靠性,提出一种基于RANSAC算法的视觉导航路径检测方法。首先,采用超绿灰度化法和最大类间方差法进行图像分割;继而结合形态学操作与动态面积阈值滤波算法滤除干扰;最后,在垄行的边缘中,根据均值法提取特征点,采用RANSAC算法剔除离群点后由最小二乘法进行直线拟合,以提高导航路径的检测精度。实验表明,与Hough变换相比,本文垄行中心线检测方法具有更高的检测精度,导航路径的检测率可达93.8%,比未使用RANSAC算法提高了18.8个百分点。

农业植保机器人研究现状及展望

随着精细农业、智慧农业等新概念的提出,机器人越来越广泛的应用于农业植保作业。本文从农业植保机器人移动平台、环境信息获取、物联网植保技术等方面综述了国内外农业植保机器人研究现状和发展动态,分析了农业植保机器人移动平台行走方式、环境信息获取途径、无人自主作业以及物联网在农业植保机器人领域的应用。最后对农业植保机器人未来的发展方向进行展望。

电动履带式果园植保机器人虚拟遥控器设计

为降低果园植保机器人遥控器研发周期,或在实物遥控器出现故障时能及时控制果园植保机器人正常工作,设计了一种虚拟遥控器设备。结合实物遥控器工作特点,将虚拟遥控器分为状态监控模块、姿态调整模块和数据处理模块。首先在设计界面对虚拟遥控器的外观进行制作,其次在程序界面对数据处理和逻辑算法进行编辑,最后对虚拟遥控器进行试验验证。结果表明:虚拟遥控器开发周期短,能够取代实物遥控器控制果园植保机器人正常工作。

3WP-200型智能植保机器人作业效率设计计算

3WP-200型智能植保机器人,适合丘陵山区小地块的植保作业,其喷洒作业分喷枪、喷杆式两种作业型式,其中喷枪作业用于果树的喷洒;喷杆式又分为葡萄架和大田两种作业型式。更换喷杆、喷枪,可完成果树、葡萄架及大田的植保作业。对植保机器人的作业幅宽、作业效率、单位面积用药量、药液续航时间等参数进行了设计计算。计算结果表明,各项参数的数值符合项目任务书的要求。

3WP-200型植保机器人喷洒摆动机构设计与试验

市场上常用小型植保机结构之一,其喷洒装置的左右摆动,采用连杆机构来实现。连杆摆动机构存在运转不平稳、死点、急回运动特征、尺寸较大等缺点。针对存在的问题,设计了3WP-200型植保机器人齿轮传动喷洒摆动机构,取代连杆摆动机构,并对主动齿轮、被动齿轮、介轮等主要部件进行了设计优化。田间试验表明,采用齿轮传动摆动机构后,喷洒装置运转平稳,结构尺寸紧凑,提高了农药的喷洒质量,降低了农药的喷洒量,实现化肥减量提效,减轻了对土壤及空气的污染。

3WP-200A型智能植保机器人喷枪设计与试验

我国丘陵山区地带占国土面积的10%,丘陵山区地块小,道路狭窄,大型植保机械不方便进入作业。针对上述问题,研制一种适合丘陵山区果园植保作业的3WP-200A型智能植保机器人,设计后置式双摆动喷枪喷洒装置,该装置可实现180°无死角喷洒。在不考虑风力,只考虑空气阻力的条件下,应用物理学及理论力学的基本概念,计算摆动喷枪射程。介绍喷洒装置结构及工作原理,对喷枪进出口径、药液压力损失、枪体直径等参数进行设计,并对喷枪射程进行试验。试验结果表明,工作压力为0.4~0.5 MPa时,药液喷洒最大行距为7~9 m,高度大于6 m,满足设计参数要求。研究结果可为果园植保机械喷洒装置的研发提供理论参考和技术支撑。

变自动浇花系统为植保机器人

自动浇花系统是创客教育中比较基础和简单的一个课例,适合处于创客教育人门阶段的学生学习。但是该系统有一个很大的缺点:一套系统只能为一盆植物服务,非常浪费资源。因此,可以引导学生创新思维,对其进行改进——将它与小车机器人整合,设计出植保机器人,达到用一套设备为多盆植物服务的目标,并赋予其更多的功能。同时,在改进过程中可培养学生解决问题的能力和创新精神。

3WP-200型智能植保机器人纵横向极限稳定性分析

为确保3WP-200型智能植保机器人的作业稳定性,分析其行走系统的受力情况,计算其发生上下坡纵翻和坡上横翻的临界条件。分析结果表明:机器人满载时,上坡时最大坡度<49.23°,下坡时最大坡度<60.11°;横向行驶时,质心偏心距值朝下和朝上的最大坡度分别为30.11°和35.75°。

3WP-200型智能植保机器人行走参数设计

3WP-200型智能植保机器人,既适合丘陵山区果树农药喷洒作业,又适合大田农药喷洒作业。植保机器人的行走系统由四轮驱动机构和转向机构组成。四个行走轮均安装有驱动电机和转向电机,完成植保机器人的行走及转向工作,轮胎可原地转动90度,转弯作业灵活。对植保机器人的行走速度、行走阻力、爬坡能力、驱动轮电机参数等进行了设计计算。计算结果表明,各项参数的设计值符合项目任务书的要求。

基于 PIX 飞控果园植保机器人设计及应用

针对传统果树植保机械在植保作业过程易发生中毒事件,不能自主巡航作业等缺点,设计了基于 PIX 飞控系统智 能果树植保履带机器人,利用 PIX 飞控的自动巡航,自动控制,将数据回传到地面管理平台,实现了植保机器人在作业过程 中的自动巡航,操作简单,从而避免农药对人体的伤害,减少中毒事件的发生。

对靶施药机器人及其关键技术的研究现状与分析

农业机器人的研发与应用是如今智慧农业发展的重要趋势,对靶施药机器人是农业机器人领域的重要分支。本研究总结了国内外对靶施药机器人的研究现状与进展,介绍了对靶施药机器人的工作原理与主要技术点。分析了对靶施药机器人关键技术的研究现状,包括病虫害检测技术、对靶施药技术以及自主行走和控制技术,并阐明了这些关键技术在国内外的研究进展和挑战。指出了目前国内外对靶施药机器人大多可以做到节省农药、提高农药利用率的效果,但其研发状态更多处于实验室阶段,尚不能完全胜任实际生产任务。本研究可为对靶施药机器人研发的推进和智能化农业的发展提供参考和思路。

植保机械智能化技术研究现状与趋势

大田智能化植保机械是提高农药利用率、提升粮食品质、保障农业可持续发展的重要手段。为了解植保机械智能化技术的研究现状、明确未来发展方向,围绕高地隙植保机智能化作业的规模农田大尺度下的处方施药、地块级小尺度下的对靶喷药以及随速变量喷药三大主流方向,从感知、分析、决策、控制等方面,阐述了融合高精度卫星定位的处方图构建、空间坐标变换方法和处方识别的技术原理、对靶喷药技术路线及杂草识别关键技术研究水平,认为基于在线处方的高精度喷药是未来研究的重点;针对随速变量喷药的高精度测速这一关键技术,进行了4种测速模式的优缺点对比分析,随着卫星定位在农机上的广泛应用,卫星测速以其更加通用、便捷、精准将成为高精度测速的主要方式。为探究变量喷药控制的发展现状,对压力控制变量喷药和管路截流式流量控制变量喷药两种控制方式及实现方法进行了总结,从结构复杂性、实现的安全性和系统稳定性方面综合来看,管路截流式流量控制是实现变量喷药的主要方式,并从技术原理、实现过程及优化应用情况对流量控制的分段控制、脉宽调制、PID控制3种控制算法进行了论述,认为基于机器学习的PID控制将是改善流量调控性能重要方向。随着人工智能技术的不断发展,融合智能感知、分析决策和自主作业能力的植保机器人将成为植保机械未来主流的发展方向。