許威廣 丁 羽

(1．塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2．塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

我國水果無論是產(chǎn)量還是消費量在世界排名上都名列前茅，目前，我國水果產(chǎn)業(yè)已逐漸實現(xiàn)規(guī)模化種植[1]。雖然近年來我國農(nóng)業(yè)機械裝備無論在數(shù)量上還是質(zhì)量上都有了很大的提高，但總體來看我國果園機械化仍處于較低的水平階段，林果業(yè)生產(chǎn)仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)[2]。其機械化和自動化程度相對其他農(nóng)產(chǎn)品而言發(fā)展滯后，現(xiàn)有的機具品種和性能還不能完全適應(yīng)林果業(yè)的發(fā)展，在實際生產(chǎn)過程中需要投入的人工勞動力依舊較多，伴隨著我國老齡化現(xiàn)象的加劇當(dāng)前的林果業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)開始出現(xiàn)了用工難、用工貴的現(xiàn)象，這無疑提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低了果農(nóng)的收益[3]。因此加快林果業(yè)機械化和智能化的發(fā)展是當(dāng)前林果業(yè)發(fā)展的迫切需求[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速進步，農(nóng)業(yè)智能化機器人的發(fā)展已經(jīng)成為了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不可分割的部分，而這其中機器人的自主導(dǎo)航技術(shù)是更大效能完成其他智能作業(yè)的基礎(chǔ)[5]。

1 果園機器人自主導(dǎo)航主要方法

自主導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展是多學(xué)科知識交叉融合的結(jié)果，它包括了計算機技術(shù)、電子電路設(shè)計、通信工程、自動控制原理等學(xué)科知識。通過將實時定位、地圖建構(gòu)和路徑規(guī)劃等功能的統(tǒng)一融合為農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在無人為因素干擾的情況下實現(xiàn)多種智能化作業(yè)打下了一個堅實的基礎(chǔ)，其不僅提高了果園作業(yè)的效率和質(zhì)量，而且降低了人工生產(chǎn)成本[6]。按照導(dǎo)航方式來進行劃分的話，目前運用的比較成熟的方式有 衛(wèi)星導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航，激光導(dǎo)航等技術(shù)[7]。

1.1 視覺導(dǎo)航技術(shù)

農(nóng)機視覺導(dǎo)航主要是利用安裝在農(nóng)機上的攝像頭搭配其他類型的傳感器對農(nóng)田的環(huán)境進行識別從而獲得導(dǎo)航需要的原始信息，在通過系統(tǒng)分析處理后對農(nóng)機行走裝置發(fā)出控制指令使其按照規(guī)劃路徑形式從而實現(xiàn)導(dǎo)航作業(yè)[8]。彭順正[9]等人根據(jù)紅棗在矮化密植棗園當(dāng)中的生長環(huán)境特點，提出一種基于圖像處理原理的導(dǎo)航基準(zhǔn)線算法，該算法通過將拍攝到棗樹樹干與背景照片進行分割處理，在經(jīng)過去除行間噪聲后，采用最小二乘法原理對圖像進行擬合，經(jīng)過提取和處理最終生成棗園視覺導(dǎo)航的規(guī)劃路線。葉小琴[10]等人設(shè)計了一種通過對圖像邊界進行提取從而實現(xiàn)自主導(dǎo)航的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用均值偏移算法對采集到的果園圖像中首先進行處理，接著通過圖像分割算法和Canny算子分別對圖像進行分割和邊緣的濾波，最后利用Hough處理后，最終生成果園機器人的視覺導(dǎo)航規(guī)劃路線。張雄楚[11]等人針對棉花鋪膜播種作業(yè)中的實際環(huán)境，設(shè)計了一種視覺導(dǎo)航路徑檢測算法，試驗結(jié)果表明:此款視覺導(dǎo)航路徑檢測算法不僅對農(nóng)田環(huán)境的識別準(zhǔn)確率很高，而且設(shè)備的抗干擾能力較強，滿足棉花鋪膜播種作業(yè)的實際要求。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要依靠目前在太空中的衛(wèi)星形成覆蓋性網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)能夠在全球位置實現(xiàn)定位與導(dǎo)航，機器人通過接收機和衛(wèi)星之間的通信以此獲取機器人設(shè)備的行駛方向、路徑及準(zhǔn)確位置信息[12]。熊斌[13]等人設(shè)計一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的果園施藥機的路徑自主規(guī)劃導(dǎo)航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過從衛(wèi)星接收到的定位信息經(jīng)過處理后在由電控氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制施藥機的運動從而實現(xiàn)了施藥機無人為干預(yù)下的自主導(dǎo)航功能。黎永鍵[14]等人以拖拉機為研究對象設(shè)計一套基于GPS和雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制的自動導(dǎo)航定位系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)表明:此系統(tǒng)下的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制方法有效地提高了拖拉機自主導(dǎo)航的精度。郭鴻鵬[15]等人基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控與優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了能夠?qū)崟r對農(nóng)機工作狀態(tài)進行監(jiān)控，而且對農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量能夠做出有效評價。

1.3 激光導(dǎo)航技術(shù)

激光導(dǎo)航當(dāng)前主流的是采用激光雷達，在果園環(huán)境狀態(tài)下設(shè)備正常工作時只需要果園當(dāng)中有適當(dāng)?shù)奈矬w特征和輪廓，傳感器就能夠不斷在空間環(huán)境內(nèi)進行平面掃描檢測，通過這些連續(xù)不斷掃描得到的信息就可以實現(xiàn)連續(xù)的定位和構(gòu)建地圖，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境感知和機器人的精準(zhǔn)定位[16]。戚樹騰[17]等人設(shè)計了一款履帶式果園移動機器人，該裝備通過激光測距儀來獲得果園圖像信息之后，再經(jīng)過霍夫變換最終實現(xiàn)果園機器人的自主導(dǎo)航。劉沛[18]等人以拖拉機為研究對象，通過采用激光掃描儀采集果園信息并經(jīng)過最小二乘法算法對路徑進行合理規(guī)劃，最終實現(xiàn)了果園拖拉機的自動導(dǎo)航。倪江楠[19]等人以收割機為研究對象設(shè)計了一款基于激光導(dǎo)航的收割機自動導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠激光測距儀獲取工作時的環(huán)境信息，然后經(jīng)過對這些信息進行特征化的提取和處理，最終實現(xiàn)收割機的自主導(dǎo)航功能。

2 各類導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)缺點分析

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)具有全天候、全球化，定位數(shù)據(jù)快等優(yōu)點。但對于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)而言由于果樹的樹冠通常都比較密集，衛(wèi)星信號極易受到干擾，甚至?xí)l(fā)生由于果樹樹冠遮蔽的作用導(dǎo)致信號數(shù)據(jù)無法發(fā)射與接收造成機器人無法正常工作的現(xiàn)象，因此單一利用衛(wèi)星定位來進行導(dǎo)航存在較大局限性問題。對于機器人視覺導(dǎo)航技術(shù)而言雖然其環(huán)境感知能力能力較強，但同樣受環(huán)境因素影響嚴(yán)重，比如果園內(nèi)的光照強度，空氣質(zhì)量等問題都對其導(dǎo)航的精度有較大的影響。對于激光導(dǎo)航技術(shù)而言由于激光雷達采用的為激光束，其具有分辨率高，體積小，質(zhì)量強等優(yōu)點，但是激光雷達的在工作時受天氣和大氣的影響很大同時由于其制造工藝復(fù)雜，其價格較高。

3 結(jié)語與展望

無論是哪一種單一的導(dǎo)航技術(shù)都存在局限性，僅靠單一的導(dǎo)航技術(shù)無法滿足智慧果園的作業(yè)要求，為使導(dǎo)航系統(tǒng)能夠獲取更加全面豐富的作業(yè)環(huán)境信息，以提高導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，將2種或多種導(dǎo)航技術(shù)融合運用，將會取得更好的導(dǎo)航效果。隨著科技的不斷發(fā)展以及我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，果園機械智能化的研究必將受到更多的關(guān)注，果園機器人自主導(dǎo)航技術(shù)未來擁有良好的研發(fā)與應(yīng)用前景。