許哲鈴

（湖南農(nóng)業(yè)大學，湖南 長沙 410125）

隨著全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的推進，農(nóng)業(yè)機器人的出現(xiàn)標志著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正朝著更加智能、高效的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)機器人作為一種自動化、智能化的技術手段，在解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動力短缺、生產(chǎn)效率低下等問題上發(fā)揮了重要作用。因此，深入探索農(nóng)業(yè)機器人的關鍵技術研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，對于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 農(nóng)業(yè)機器人關鍵技術研究現(xiàn)狀

1.1 機器人感知技術

農(nóng)業(yè)機器人的感知技術在當前已取得顯著進展。傳感技術的不斷創(chuàng)新，使機器人能夠實時獲取農(nóng)田環(huán)境的關鍵信息，包括土壤質地、濕度、溫度等多維度數(shù)據(jù)。視覺感知系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機器人中的應用也日益廣泛，通過高分辨率攝像頭和先進的圖像處理算法，能夠實現(xiàn)對作物生長狀況、病蟲害情況的精準監(jiān)測。激光雷達等三維感知技術提高了機器人對地形、障礙物等的感知精度，從而提高了機器人在不同地形下的適應性。綜合而言，機器人感知技術目前已經(jīng)能夠實現(xiàn)對農(nóng)田復雜環(huán)境的高效感知，為機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的智能化應用奠定了堅實基礎。

1.2 決策與控制技術

當前，農(nóng)業(yè)機器人通過先進的定位與導航系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度的路徑規(guī)劃和導航，確保在農(nóng)田中的精準操作。同時，智能控制算法的應用使得機器人能夠根據(jù)實時感知數(shù)據(jù)做出實時決策，例如智能化的病蟲害防治策略和施肥方案。農(nóng)業(yè)機器人的自主性得到提升，其決策與控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了對不同農(nóng)業(yè)任務的適應能力，從而提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和作業(yè)質量[1]。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，決策與控制技術將進一步提升農(nóng)業(yè)機器人的智能化和自主化水平。

1.3 通信與數(shù)據(jù)處理技術

農(nóng)業(yè)機器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術正處于不斷演進的前沿。目前，農(nóng)業(yè)機器人采用了多種先進的通信技術，如5G 通信、衛(wèi)星導航和物聯(lián)網(wǎng)等，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人之間、機器人與農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)之間的高效信息傳遞。在數(shù)據(jù)處理方面，機器學習和人工智能等技術的應用逐漸成為關鍵趨勢，不僅可以處理龐大的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，還能夠提供精準的決策支持[2]。

2 農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展趨勢

2.1 智能化與自主性

2.1.1 視覺感知

視覺感知技術的發(fā)展使農(nóng)業(yè)機器人具備了更高級別的自主性，能夠實現(xiàn)在復雜農(nóng)田環(huán)境中的智能導航和作業(yè)。通過視覺系統(tǒng)獲取的信息，機器人能夠實時調(diào)整路徑、避開障礙物，甚至進行精準的農(nóng)業(yè)操作，如定點施肥、病蟲害定向治理等[3]。這種智能化與自主性不僅提高了農(nóng)業(yè)機器人的效率，同時也降低了對人工干預的需求，為未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更加可持續(xù)和智能化的解決方案。

2.1.2 激光雷達與雷達感知

在智能化與自主性的農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展趨勢中，激光雷達與雷達感知技術成為關鍵動力。激光雷達通過發(fā)射激光束并測量其回波時間，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的高精度三維建模。這項技術能夠提供機器人所需的詳細地圖信息，使其能夠更加精準地感知并理解農(nóng)田中的地形、障礙物分布等特征，不僅使機器人能夠實現(xiàn)精確的定位和導航，還在避障和防側翻方面發(fā)揮著關鍵作用。

2.1.3 GPS與慣性導航

在智能化與自主性的農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展趨勢中，GPS 與慣性導航技術發(fā)揮著至關重要的作用。全球定位系統(tǒng)（GPS）通過衛(wèi)星信號實現(xiàn)對機器人在地球表面的精準定位，為其提供全球性的導航支持。搭配慣性導航系統(tǒng)，機器人在沒有外部信號的情況下仍能準確判斷自身位置和方向。GPS 與慣性導航技術的結合使農(nóng)業(yè)機器人具備了高度的自主性和導航精度，機器人可以根據(jù)預設的路徑進行智能導航，實現(xiàn)定點作業(yè)和軌跡規(guī)劃[4]。這項技術在農(nóng)業(yè)領域的應用不僅提高了作業(yè)的準確性，還降低了能耗，使農(nóng)田作業(yè)更為高效和節(jié)能。此外，GPS 與慣性導航技術也為農(nóng)業(yè)機器人的集群協(xié)同作業(yè)提供了支持。通過實時的位置信息共享，機器人團隊能夠協(xié)同完成更大范圍的作業(yè)任務，進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益。

2.2 決策與控制技術

2.2.1 路徑規(guī)劃與導航

在農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展趨勢中，決策與控制技術的關鍵領域之一是路徑規(guī)劃與導航。路徑規(guī)劃涉及農(nóng)業(yè)機器人在復雜環(huán)境中選擇最優(yōu)路徑的決策過程，而導航則是機器人在執(zhí)行路徑?jīng)Q策時實時調(diào)整姿態(tài)和方向以保持準確位置的過程。

在路徑規(guī)劃方面，算法的創(chuàng)新對機器人的自主性和效率至關重要。最新的路徑規(guī)劃技術結合了機器學習和仿生學原理，使機器人能夠更好地適應各種地形和作業(yè)需求。同時，考慮到農(nóng)業(yè)場景的復雜性，機器人需要能夠避開障礙物、優(yōu)化作業(yè)路線以及適應不同地形，這些都是路徑規(guī)劃技術未來需要不斷探索的方向。

導航技術則要求機器人實時獲取位置信息，并根據(jù)路徑規(guī)劃的要求進行準確的運動控制。先進的傳感器技術如激光雷達和視覺感知系統(tǒng)，為機器人提供了高精度的環(huán)境感知和自身定位能力。同時，實時數(shù)據(jù)的處理和反饋機制也在不斷完善，以確保機器人能夠在動態(tài)的農(nóng)業(yè)場景中安全、高效地執(zhí)行任務。

2.2.2 決策算法

在農(nóng)業(yè)機器人的決策與控制技術中，決策算法是關鍵的組成部分之一。決策算法負責分析傳感器獲得的信息，制定合理的行動策略，以實現(xiàn)機器人在農(nóng)業(yè)任務中的智能化決策。最新的決策算法通常采用深度學習和強化學習等技術，以處理大量的感知數(shù)據(jù)并學習復雜的環(huán)境模型。深度學習算法通過對農(nóng)田景象、植物狀態(tài)等信息的學習，使機器人能夠識別不同的農(nóng)業(yè)對象，并做出相應的決策[5]。

2.3 機械設計與執(zhí)行技術

2.3.1 機械結構設計

在農(nóng)業(yè)機器人的機械設計與執(zhí)行技術中，機械結構設計是至關重要的一部分，直接影響到農(nóng)業(yè)機器人的穩(wěn)定性、效率和適應性。

對于農(nóng)業(yè)機器人的機械結構設計而言，考慮到不同的農(nóng)田地形和多樣的作業(yè)任務，機器人需要具備良好的適應性和穩(wěn)定性。機械結構的設計應該滿足在不同土壤條件下實現(xiàn)平穩(wěn)移動，并保持在各種農(nóng)業(yè)操作中的可控性[6]。機械結構的設計還需要兼顧負載能力和作業(yè)效率，對于不同類型的農(nóng)業(yè)工具和作業(yè)任務，機械結構的設計應該能夠支持相應的負載，并確保在作業(yè)過程中保持高效率和準確性。

2.3.2 電動執(zhí)行器

在農(nóng)業(yè)機器人的機械設計與執(zhí)行技術中，電動執(zhí)行器是負責轉化電能為機械動能的裝置，其性能直接關系到農(nóng)業(yè)機器人的定位精度、作業(yè)效率和能源利用率。

電動執(zhí)行器的精準度對于農(nóng)業(yè)機器人的定位和操作至關重要。高精度的電動執(zhí)行器能夠確保機器人在作業(yè)中實現(xiàn)精準的位置控制，從而提高種植、施肥等農(nóng)業(yè)操作的準確性。電動執(zhí)行器的動力輸出和能效對于機器人的作業(yè)效率具有重要影響[7]，優(yōu)秀的電動執(zhí)行器應該能夠在不同負載下提供穩(wěn)定的輸出動力，并通過高效的能源轉換技術減少能源浪費，從而提高機器人的作業(yè)效率。

現(xiàn)代電動執(zhí)行器還需要具備輕量化和緊湊設計的特點，以適應農(nóng)業(yè)機器人的結構布局和空間限制。采用先進的電機設計、傳感器技術和智能控制算法，可以使電動執(zhí)行器更加輕便、高效，并且更好地適應不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)需求。

2.4 通信與數(shù)據(jù)處理技術

2.4.1 無線通信技術

在農(nóng)業(yè)機器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術中，無線通信技術是關鍵的技術支持，對于實現(xiàn)機器人的智能化和自主性具有重要意義。當前，無線通信技術在農(nóng)業(yè)機器人中得到了廣泛應用，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟，農(nóng)業(yè)機器人的無線通信系統(tǒng)逐漸向更高級別的智能化系統(tǒng)演進。通過與傳感器、控制器等設備的無縫連接，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，為機器人提供全面的感知和信息交互能力。

2）5G 技術的推廣應用為農(nóng)業(yè)機器人提供了更大的帶寬和更低的延遲，支持更復雜、高頻率的數(shù)據(jù)傳輸。這對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人的即時響應、高效協(xié)同作業(yè)具有重要意義，特別是在大規(guī)模農(nóng)田中的多機器人協(xié)同工作場景[8]。

3）針對農(nóng)田環(huán)境的特殊性，低功耗、長距離傳輸、抗干擾等特性是無線通信技術未來的發(fā)展方向。例如，LoRa（低功耗廣域網(wǎng)）技術具有低功耗、遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，適用于廣大農(nóng)田區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸需求，未來可將其運用至農(nóng)業(yè)機器人的系統(tǒng)設計中。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

隨著農(nóng)業(yè)智能化的深入發(fā)展，在農(nóng)業(yè)機器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術中，數(shù)據(jù)的高效采集和精準處理成為提高農(nóng)業(yè)機器人性能的關鍵。目前，數(shù)據(jù)采集與處理技術呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1）農(nóng)業(yè)機器人采用多源數(shù)據(jù)融合技術，結合視覺、激光雷達、傳感器等多種感知手段，實現(xiàn)全方位、多維度的數(shù)據(jù)采集。這種綜合感知能力有助于機器人對農(nóng)田環(huán)境進行全面而深入的了解，為精準農(nóng)業(yè)提供更為豐富的信息[9]。

2）數(shù)據(jù)采集技術不斷向高分辨率、高頻率發(fā)展，以更準確地獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)。高分辨率的圖像、視頻和傳感器數(shù)據(jù)可以提供更為細致的農(nóng)田信息，有助于及時發(fā)現(xiàn)植株生長狀況、土壤變化等關鍵指標，為農(nóng)業(yè)機器人科學自主決策提供強有力的支持。

3 未來研究方向

未來，農(nóng)業(yè)機器人將更廣泛地應用于種植、施肥、收割等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細化管理，降低資源浪費，提高產(chǎn)量，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。故適應不同地域、氣候和農(nóng)業(yè)模式的要求將成為研究的重點，包括在不同氣候條件下的性能優(yōu)化和多樣化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的應用。農(nóng)業(yè)機器人還將與無人機、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術深度融合，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化、智能化，為提高生產(chǎn)效率、降低成本提供有效途徑[10]?？鐚W科合作與創(chuàng)新也將推動這一融合發(fā)展，助力農(nóng)業(yè)機器人技術的不斷進步與創(chuàng)新。

4 結論

在農(nóng)業(yè)機器人技術的發(fā)展中，感知技術、決策與控制技術、機械設計與執(zhí)行技術、通信與數(shù)據(jù)處理技術等關鍵領域已取得顯著進展，但仍存在不足之處。未來的研究方向應聚焦于跨學科合作與創(chuàng)新，推動農(nóng)業(yè)機器人與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的深度融合。隨著農(nóng)業(yè)機器人的智能化水平與自主性不斷提升，多模態(tài)感知融合、精準農(nóng)業(yè)與定制化種植、大數(shù)據(jù)與人工智能等的應用將成為技術發(fā)展的主要方向，這一深度融合將助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效化、智能化發(fā)展，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的可能性。