农业机器人技术在农业工程中的应用及发展趋势

2023-09-19邓科

农机使用与维修 2023年9期

邓科

(绵阳职业技术学院,四川绵阳 621000)

0 引言

近年来,随着人口的不断增长和城市化进程的加速,农业生产面临着越来越多的挑战。为了满足日益增长的人口需求,农业生产需要不断提高生产效率、降低成本、改善生产环境和保护自然资源[1-2]。在该背景下,农业机器人技术的出现为农业生产提供了新的解决方案。

农业机器人技术是一种集成了机械、电子、计算机和通讯技术的现代化技术,该技术可以通过计算机视觉、传感器、控制系统和机器学习等技术实现农业生产的自动化和智能化,可以在不同环境和任务下完成各种复杂操作和控制[3]。农业机器人技术已经在种植、喷洒、采摘、除草、施肥等方面得到了广泛应用,并且已经取得了显著成果。随着技术的不断发展,农业机器人技术在未来还有很大发展潜力。未来的农业机器人技术将更加智能化、自主化,以及更加灵活、可靠,可以应对更加复杂的任务和环境[4]。同时,农业机器人技术还需要面对一系列挑战,如成本、安全、标准化、监管等。为了推动农业机器人技术的发展,需要加大研究和投资力度,推动技术的创新和应用。

1 农业机器人技术在农业工程中的应用

1.1 应用优势

农业机器人是一种可以应用于农业领域的机器人技术,主要用于辅助农业生产中的种植、喷洒、采摘、除草、施肥等任务。农业机器人通过集成多种传感器、计算机视觉、人工智能、机器学习等技术,能实现自主导航、智能决策、自主操作等功能,从而提高农业生产效率、降低生产成本、减少农业生产对环境的影响。随着技术的不断发展和应用,农业机器人将成为未来农业发展的重要趋势和方向。农业机器人具有广泛的应用前景和优势,可以有效提高农业生产效率和质量,促进农业可持续发展。农业机器人的应用优势包括提高农业生产效率、降低劳动成本、精准化农业生产、保护环境和生态、适应多样化需求等[5-7]。

1.2 应用案例

1.2.1 种植机器人

农业机器人技术在农业工程中的应用非常广泛,其中最重要的应用之一就是精准种植。机器人可以通过传感器和计算机视觉技术实时检测土壤信息和植物信息,帮助农民进行精准种植。机器人可以根据检测到的信息确定种植的位置和深度,同时还可以在种植时添加肥料和水分。

此外,农业机器人技术还可以应用于测土配方施肥。机器人可以通过传感器检测土壤的营养成分和pH值,从而确定合适的肥料种类和施肥量。该技术可以避免过度施肥和浪费资源,同时还可以减少对环境的污染[8]。

1.2.2 喷洒机器人

农业机器人可以通过传感器和机器视觉等技术获取作物信息和周围环境信息,从而确定精确喷洒的药物量和喷洒区域。例如,在无人机喷洒中,机器人可以使用高精度的GPS技术,根据农田的形状和大小确定喷洒路径和药物用量。此外,机器人还可以根据不同作物需求进行不同喷洒,从而提高喷洒的效果和效率。

通过使用农业机器人技术进行精确喷洒,可以显著减少农药使用量和对环境的影响,同时还可以提高农作物产量和质量。此外,机器人还可以通过云端管理平台进行数据分析和处理,从而实现更加精确的喷洒和管理。

1.2.3 采摘机器人

采摘是农业生产过程中不可或缺的一环,但由于采摘过程对人力成本和效率的要求较高,因此采摘一直是农业生产中的难题。而农业机器人技术的出现为解决这一难题提供了新的思路和解决方案。

农业机器人可以通过机器视觉和机器学习等技术对作物进行分类和判断成熟度,根据作物状态和需求实现精准采摘。此外,机器人的采摘速度和效率远高于人工采摘,可以减少人力成本投入和提高采摘效率。

目前,市场上已经出现了一些具有自主采摘能力的机器人,例如,草莓采摘机器人、苹果采摘机器人、橙子采摘机器人、番茄采摘机器人等,可以根据果蔬成熟度进行智能采摘,减少了采摘过程中的损耗[9-10]。

农业机器人采摘技术的发展还面临一些挑战,例如作物的形态多样性和对不同成熟度的识别准确性等。随着技术的不断进步和发展,这些问题将会逐渐得到解决,农业机器人的采摘技术将会更加成熟和普及。

1.2.4 除草机器人

除草是农业生产中必不可少的任务之一,然而传统的除草方法通常需要大量人工投入和化学药剂,不仅费时费力,还会对环境造成不可逆转的破坏。农业机器人技术可以通过无人机或地面机器人实现自动除草,降低劳动力成本和对环境的污染。

在机器人实现自动除草的过程中,机器视觉和人工智能等技术发挥了重要作用。机器视觉技术可以识别和分类杂草和作物,从而确定需要除草的区域和草种。机器人还可以通过传感器等技术获取作物信息和杂草信息,如大小、形状和颜色等,从而更加准确地判断需要除草的区域和草种。同时,机器人可以利用机器学习算法学习并识别新的杂草种类,从而不断提高除草的精度和效率[11]。

除草机器人的实现可以为农业生产带来许多好处。首先,机器人可以在不破坏土壤结构的前提下进行除草,保护土壤健康和生产环境不被破坏。其次,机器人可以减少农民在除草中的人力投入,节省人力成本和提高工作效率。最后,机器人可以减少农药的使用量,降低对环境的污染和对作物的伤害。

1.2.5 施肥机器人

农业机器人在施肥方面的应用主要涉及两个方面:一是测土配方施肥,二是自动施肥。

测土配方施肥是指通过对土壤进行分析,确定作物所需的营养元素和量,并按照比例配置肥料,使肥料的使用效果最大化。传统的测土配方施肥需要人工采样和实验室测试,工作量大且耗时,而农业机器人可以通过传感器等技术快速获取土壤信息和作物需求,实现自动化的测土配方施肥。同时,由于机器人可以精准施肥,肥料的使用效率得到提高,可以节省肥料用量,减少对环境的污染,同时也可以降低农民的成本。

自动施肥是指根据作物需求和土壤情况,自动控制施肥量和时机,实现精准施肥。自动施肥可以通过传感器等技术获取土壤和作物信息,根据作物生长情况和肥料需求,自动调整施肥量和时机。相比传统的手动施肥,自动施肥可以大幅度提高施肥的准确性和效率,同时也可以降低农民的劳动强度和成本。

2 农业机器人技术在农业工程中的发展趋势

2.1 智能化

随着人工智能和机器学习技术的快速发展,农业机器人将会变得越来越智能化。智能化的机器人可以通过深度学习和机器视觉等技术对大量农业数据进行分析,从而更好地理解作物需求和成长状态。同时,智能化的机器人还可以通过自主决策,更好地适应复杂的农业环境。

在农作物识别方面,机器人可以通过深度学习和图像处理技术进行作物识别,自动区分不同作物品种,判断其生长状态和需求。在农业施肥方面,机器人可以通过传感器和数据分析技术,对作物和土壤信息进行监测和分析,并自动调整施肥量和施肥时间,从而实现更加精准的施肥。

智能化的农业机器人将会极大地提高农业生产效率和质量,减少资源浪费和环境污染,带来更加可持续的农业发展。

2.2 自主化

随着人工智能和机器学习等技术的发展,未来的农业机器人可以自主完成更多的任务。机器人可以通过多种传感器实现自主感知环境,并且使用现代导航技术进行自主定位和导航(图1),例如使用全球卫星定位系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)和激光雷达等技术进行导航。此外,机器人还可以利用地图和路径规划算法来规划最优路径,并避免障碍物和危险区域,从而实现自主化操作。这种自主化技术可以大大提高机器人的效率和准确性,同时也可以减少人类的操作和干预。

图1 农业机器人自主定位控制系统

未来的农业机器人还将会越来越注重环境感知和环境适应性。机器人可以通过环境感知技术来获取作物和土地的信息,例如土壤湿度、光照强度、温度、湿度等,从而可以更好地适应环境并完成更多的任务。此外,机器人还可以通过人工智能和机器学习等技术对环境信息进行分析和预测,从而更好地为作物的生长和发展提供支持。

在未来,自主化技术还将促进机器人的多功能化。未来的农业机器人将不仅可以完成单一的任务,还可以通过模块化设计和多功能工具实现多种不同的功能。例如,一个机器人可以同时进行喷洒、除草、施肥和采摘等多种任务,从而大大提高了机器人的效率和经济效益。

2.3 灵活性

随着农业技术的不断发展和进步,农业机器人需要适应越来越多样化的农业环境和作业需求。因此,机器人将会采用多关节设计和可拆卸式设计等技术实现更灵活的姿态和构型。

多关节设计可以让机器人具有更多的运动自由度,从而适应更多的工作场景。例如,在采摘任务中,机器人需要具有较大的灵活性和操作范围,以便更好地收集作物果实。在除草任务中,机器人需要具有灵活的构型,以便在作物之间进行穿梭和操作。

可拆卸式设计可以让机器人在不同的作业需求下,快速更换和适应不同作业工具和设备。例如,在喷洒任务中,机器人需要使用不同的药剂和工具,以适应不同的作物和需求。采用可拆卸式设计可以让机器人快速更换不同的药剂和工具,从而提高作业效率和灵活性。

2.4 可靠性

保证农业机器人的可靠性是未来农业机器人技术的重要发展趋势之一。农业机器人需要在不同的环境中长时间工作,例如高温、低温、湿度等变化较大的环境。因此,农业机器人需要具有更高的耐久性和可靠性,以确保其在这些环境中的长时间运行。

为了提高农业机器人的可靠性,采用多传感器冗余设计。这种设计方法使用多个传感器来测量相同的物理量,以便更好地检测故障或故障情况。例如,在自主驾驶农业机器人中,使用多个传感器来检测道路、路标、障碍物等,以确保机器人能够准确导航。另外,自主故障检测技术也是提高农业机器人可靠性的一种方法。这种技术可以在机器人出现故障时自动检测和报警,从而及时修复故障并避免机器人在故障状态下工作。