(1.北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041；3.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

農(nóng)作物受雜草影響汲取不到充足的光照與養(yǎng)分，并且產(chǎn)生病蟲(chóng)害的風(fēng)險(xiǎn)加劇，導(dǎo)致產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值會(huì)有所下降。全球現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)約3 000種雜草，其中超過(guò)六成會(huì)影響作物產(chǎn)量[1]。我國(guó)農(nóng)田雜草近1 500種，其中近10%的雜草對(duì)作物具有重度危害。我國(guó)雜草面積高達(dá)近1×105khm2，造成各類(lèi)糧食和其他作物損失超過(guò)5 000 kt[2]。因此，雜草已成為影響作物收成和質(zhì)量的重要限制因素。

手工除草和噴施除草劑是主要的傳統(tǒng)除草方式，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中具有一定的局限性。其中，人工除草耗費(fèi)大量勞動(dòng)力和成本，但效果非常有限，近35%的雜草會(huì)被誤判或遺漏[3]。而大量使用除草劑雖然對(duì)雜草生長(zhǎng)有一定的抑制作用，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并且雜草的抗藥性問(wèn)題隨著農(nóng)藥的廣泛使用愈加嚴(yán)重。為減少農(nóng)藥使用，許多國(guó)家和地區(qū)制定了農(nóng)藥使用相關(guān)法律法規(guī)。生活水平的提高使人們更加注重食品安全，這進(jìn)一步降低了除草劑使用的可持續(xù)性。因此，傳統(tǒng)的除草方式已不符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

基于精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)的除草機(jī)器人具有較高的自動(dòng)化程度，能夠提高除草劑使用效率，減少用量，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)成本，減輕環(huán)境污染，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物質(zhì)量，有利于提高農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化程度，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

在物聯(lián)網(wǎng)與人工智能等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智能農(nóng)業(yè)裝備的研制面對(duì)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，除草機(jī)器人未來(lái)將會(huì)更加精巧與智能。

1 除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀

除草機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，于20世紀(jì)90年代得到廣泛研究。農(nóng)業(yè)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的定位和識(shí)別應(yīng)用價(jià)值逐漸被挖掘，其自身也得到快速發(fā)展，進(jìn)而基于機(jī)器視覺(jué)的除草機(jī)器人技術(shù)隨之進(jìn)步完善。當(dāng)前，智能除草機(jī)器人的研發(fā)具有商品化、信息化和全球化的特點(diǎn)，技術(shù)革新投入逐漸加大，致力于提供全套系統(tǒng)化的綜合解決方案。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的Lee等設(shè)計(jì)了一種精確噴施除草機(jī)器人[4]，該機(jī)器人基于以耕作機(jī)為平臺(tái)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)采用貝葉斯分離函數(shù)識(shí)別植物葉片形態(tài)來(lái)區(qū)分作物和雜草，經(jīng)處理器運(yùn)算后將雜草位置信息傳送給精確噴施控制器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器使指定噴施執(zhí)行器動(dòng)作，完成除草劑噴施工作。

圖1 加州大學(xué)戴維斯分校除草機(jī)器人控制系統(tǒng)

瑞典哈姆斯塔德大學(xué)制造了如圖2所示的除草機(jī)器人[5]。機(jī)器人具有通過(guò)直流伺服電機(jī)控制的阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)體的順暢轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人配備了黑白與彩色兩個(gè)攝像機(jī)，其中黑白攝像機(jī)用于識(shí)別作物邊界特征，使機(jī)器人沿邊界行進(jìn)作業(yè)；彩色攝像機(jī)的作用是識(shí)別區(qū)分作物與雜草。經(jīng)農(nóng)田試驗(yàn)可得到導(dǎo)航誤差不超過(guò)2 cm。

圖2 瑞典哈姆斯塔德大學(xué)除草機(jī)器人

丹麥奧爾胡斯大學(xué)農(nóng)業(yè)研究所研究了HortiBot除草機(jī)器人[6]，如圖3所示。該機(jī)器人可以在成熟農(nóng)田中定位雜草，并且其結(jié)構(gòu)特征能夠避開(kāi)附近作物而不造成損傷。機(jī)器人基于相應(yīng)算法根據(jù)形狀信息識(shí)別雜草，其田間作業(yè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，該機(jī)器人對(duì)雜草的選擇性消除可以節(jié)省70%的除草劑用量。

圖3 HortiBot除草機(jī)器人

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)了車(chē)輪能夠防滑轉(zhuǎn)向的四輪除草機(jī)器人[7]，如圖4所示。除草機(jī)器人的機(jī)械臂具有5個(gè)自由度，其動(dòng)作由C++程序通過(guò)電機(jī)PWM進(jìn)行控制。該機(jī)器人的工作方式為先由割草刀片割雜草，再經(jīng)噴藥裝置于切口處噴施除草劑。對(duì)一種雜草進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，除草劑用量為21.89～56.18 mg時(shí)，超過(guò)90%的雜草在第6天有所反應(yīng)，并在10天后死亡。

圖4 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)除草機(jī)器人

荷蘭瓦格寧根大學(xué)的Bakker研制了一款柴油發(fā)動(dòng)、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的除草機(jī)器人[8]，如圖5所示。該機(jī)器人借助DGPS和機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航，可識(shí)別作物行位置并沿其直線(xiàn)行駛。同時(shí)，機(jī)器人基于機(jī)器視覺(jué)獲取雜草特征予以區(qū)分。根據(jù)甜菜田的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除草機(jī)器人的導(dǎo)航精度為±25 mm。

圖5 荷蘭瓦格寧根大學(xué)除草機(jī)器人

西班牙塞維利亞大學(xué)和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)制作了co-robot除草機(jī)器人[9]，如圖6所示。co-robot通過(guò)對(duì)比預(yù)置的株距信息和實(shí)際監(jiān)測(cè)值來(lái)控制除草執(zhí)行器動(dòng)作，除需偶爾人工訂正測(cè)量偏離值，其余作業(yè)階段均自動(dòng)化推進(jìn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，co-robot相對(duì)于人工除草可節(jié)省57.5%的勞動(dòng)成本。由于co-robot傳感器單一，其具有成本低廉且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

圖6 co-robot除草機(jī)器人

德國(guó)Deepfield Robotics公司研發(fā)了具有“decision tree learning”學(xué)習(xí)機(jī)制的Bonirob除草機(jī)器人[10]，如圖7所示。研究人員前期通過(guò)向Bonirob展示大量標(biāo)記為“good”的作物圖片和標(biāo)記為“bad”的雜草圖片對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，Bonirob儲(chǔ)存信息后會(huì)對(duì)比實(shí)際植物葉片外觀(guān)特征進(jìn)行判斷除草。隨著作業(yè)次數(shù)的增加，Bonirob的作業(yè)準(zhǔn)確率也會(huì)逐漸提高，Bonirob在胡蘿卜栽培試驗(yàn)基地除草率高達(dá)90%。此外，Bonirob還能完成播種和監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)等復(fù)雜繁瑣工作。

圖7 Bonirob除草機(jī)器人

澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)研究了采用模塊化設(shè)計(jì)的AgBot Ⅱ除草機(jī)器人[11]，如圖8所示。機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)包括平臺(tái)和除草模塊，其中除草模塊包括割草和噴藥2個(gè)功能模塊，且可互相替換。AgBot Ⅱ當(dāng)自身驅(qū)動(dòng)電量臨近耗盡時(shí)，可以自行移動(dòng)到最近的充電樁利用太陽(yáng)能進(jìn)行充電。AgBot Ⅱ搭載雜草分類(lèi)與決策處理高速系統(tǒng)，能夠識(shí)別新型雜草并選擇合適的除草方法。

圖8 AgBot Ⅱ除草機(jī)器人

挪威科技大學(xué)的Utstumo等設(shè)計(jì)了Adigo除草機(jī)器人[12]，如圖9所示。Adigo車(chē)體輪型采用3輪形式，基于機(jī)器視覺(jué)對(duì)胡蘿卜作物行進(jìn)行定靶噴藥除草。Adigo配備28個(gè)噴嘴，每次按需滴注單個(gè)除草劑液滴，分辨率為0.8 m/s，橫向工作范圍為168 mm。研究證明該種滴注方法能夠減少73%～95%的除草劑，符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

圖9 Adigo除草機(jī)器人

日本津山工業(yè)高等專(zhuān)門(mén)學(xué)校的Sori等開(kāi)發(fā)了一款稻田除草機(jī)器人[13]，如圖10所示。除草機(jī)器人通過(guò)電容式觸摸傳感器輸出電壓值的變化檢測(cè)水稻位置，并通過(guò)方向傳感器實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。除草機(jī)器人能在不傷害水稻植株的同時(shí)在水田中攪起水土阻礙雜草光合作用，進(jìn)而完成除草工作。

圖10 日本稻田除草機(jī)器人

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等研制了一款直接施藥除草機(jī)器人[14-16]，如圖11所示。研究人員先后對(duì)除草機(jī)器人開(kāi)展了基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)導(dǎo)航，基于色彩的特征識(shí)別和基于模糊控制的導(dǎo)航控制等研究，制作了除草機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)除草的方式為機(jī)械割草后于切口處噴施除草劑。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該方法相對(duì)于常規(guī)方法可節(jié)省85%的除草劑，能夠節(jié)省成本，減少污染。

圖11 南京林業(yè)大學(xué)除草機(jī)器人

江蘇大學(xué)對(duì)棉花除草的形態(tài)學(xué)特征提取識(shí)別開(kāi)展了研究[17]，試驗(yàn)所采用的除草機(jī)器人如圖12所示。除草機(jī)器人系統(tǒng)主要包括車(chē)體平臺(tái)、噴藥裝置和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，車(chē)體平臺(tái)配備了梁結(jié)構(gòu)減震以維持車(chē)身穩(wěn)定，噴藥裝置采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，識(shí)別系統(tǒng)自帶光源?；诰_噴施除草機(jī)器人，研究人員研究了外界因素對(duì)識(shí)別的影響以及閾值法識(shí)別等問(wèn)題。

圖12 江蘇大學(xué)除草機(jī)器人

江蘇大學(xué)的劉繼展等發(fā)明了一種激光除草機(jī)器人[18]，其功能實(shí)現(xiàn)基于熱效應(yīng)原理，如圖13所示。該除草機(jī)器人的主要功能模塊為AGV、齒輪齒條模組、激光除草執(zhí)行器、視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。視覺(jué)系統(tǒng)兼顧導(dǎo)航和識(shí)別雜草位置的功能，控制系統(tǒng)接收雜草位置信息后控制齒輪齒條模組移動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)透鏡聚焦光線(xiàn)燒死雜草。

1 控制系統(tǒng);2 主視覺(jué)系統(tǒng);3 行程開(kāi)關(guān);4 車(chē)體;5 車(chē)架;6 車(chē)輪;7 上連接板;8 下連接板;9 從視覺(jué)系統(tǒng);10 聚焦透鏡;11 齒輪齒條機(jī)構(gòu);12 電池組圖13 激光除草機(jī)器人

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張春龍?jiān)O(shè)計(jì)了四輪驅(qū)動(dòng)及獨(dú)立轉(zhuǎn)向，除草裝置為3指手爪形式的智能除草機(jī)器人[19]，如圖14所示。該機(jī)器人系統(tǒng)主要包含視覺(jué)系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、AGV、除草執(zhí)行器及其升降結(jié)構(gòu)。除草機(jī)器人作業(yè)時(shí)除草裝置的兩個(gè)固定指持續(xù)除草，另一個(gè)機(jī)動(dòng)指根據(jù)作物與雜草位置信息實(shí)時(shí)調(diào)整位姿精準(zhǔn)除草。

1 車(chē)輪;2 激光雷達(dá);3 CCD攝像機(jī);4 天線(xiàn);5 車(chē)廂;6 GPS;7 急停按鈕;8 轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu);9 車(chē)體;10 機(jī)械手升降系統(tǒng);11 超聲雷達(dá);12 傳動(dòng)部件;13 鋤草機(jī)械手圖14 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)除草機(jī)器人

北京林業(yè)大學(xué)的吳健等設(shè)計(jì)了應(yīng)用于苗圃的自動(dòng)可視除草機(jī)器人[20]，如圖15所示。該機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由履帶式底盤(pán)、2自由度機(jī)械臂和鏟狀刀頭形式的除草執(zhí)行器組成。除草機(jī)器人作業(yè)通過(guò)CCD傳感器采集圖像，經(jīng)圖像處理模塊的模式識(shí)別算法識(shí)別雜草，將信息傳送至驅(qū)動(dòng)器使執(zhí)行器動(dòng)作。該機(jī)器人空間尺寸較小，在苗圃環(huán)境作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠大幅度提升苗圃生產(chǎn)效率。

圖15 苗圃除草機(jī)器人

華南理工大學(xué)的夏歡提出了一種水田踩踏式除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)[21]，如圖16所示。該機(jī)器人采用履帶式底盤(pán)結(jié)構(gòu)，在行走過(guò)程中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草的踩踏與鏟除。此外，機(jī)器人駛過(guò)處產(chǎn)生的渾濁泥可抑制雜草的光合作用并破壞其生長(zhǎng)環(huán)境。除草機(jī)器人可通過(guò)輔助支撐機(jī)構(gòu)和跨越式移動(dòng)機(jī)構(gòu)完成跨越作物換行的動(dòng)作。對(duì)極端環(huán)境的分析模擬和實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果顯示，該除草機(jī)器人性能可靠。

圖16 水田踩踏式除草機(jī)器人

蘭州理工大學(xué)的賈耀文基于西北地區(qū)果園特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款果園避障除草機(jī)器人[22]，如圖17所示。該機(jī)器人的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)包括雙側(cè)避障機(jī)構(gòu)、升降模組、轉(zhuǎn)向裝置、扶手機(jī)構(gòu)和除草執(zhí)行器等，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整刀具位姿和作業(yè)幅寬的功能，避免損害作物，滿(mǎn)足不同種植模式的果園作業(yè)需求。

圖17 果園避障除草機(jī)器人

縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外除草機(jī)器人的研究發(fā)展進(jìn)程，機(jī)械結(jié)構(gòu)、除草方式、視覺(jué)算法和控制方法等研究熱點(diǎn)取得了重要進(jìn)展，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)模塊化、除草方式復(fù)合化、傳感器融合化、控制智能化的特點(diǎn)。隨著綠色農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等新生產(chǎn)作業(yè)模式的推廣以及智能高新技術(shù)的發(fā)展，除草機(jī)器人的研究重點(diǎn)也將聚焦于系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、智能性和可持續(xù)性。

2 除草機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 系統(tǒng)控制技術(shù)研究進(jìn)展

機(jī)器人控制技術(shù)涉及領(lǐng)域眾多，是軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)工程。機(jī)器人控制技術(shù)發(fā)展至今已取得豐富成果，形成了以智能控制技術(shù)為代表的新體系。得益于智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)的良性配合，智能機(jī)器人能夠出色地完成各項(xiàng)工作。隨著機(jī)器人智能化進(jìn)程的高速發(fā)展，控制技術(shù)呈現(xiàn)出智能化、自適應(yīng)與云通信的發(fā)展特點(diǎn)。

當(dāng)前流行的系統(tǒng)控制技術(shù)包括模糊控制、專(zhuān)家控制和分層控制等。模糊控制技術(shù)的機(jī)制是輸入數(shù)據(jù)以模糊化的狀態(tài)被處理，而以明確的指令形式被輸出執(zhí)行。其主要組成部分為模糊轉(zhuǎn)化端、數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊數(shù)據(jù)處理器和清晰化指令輸出端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系列化操作實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的智能控制。專(zhuān)家控制技術(shù)基于專(zhuān)家系統(tǒng)機(jī)制，還包括一系列算法程序，與傳統(tǒng)控制技術(shù)協(xié)調(diào)配合能夠大幅度提升控制系統(tǒng)性能。其突出功能表現(xiàn)在目標(biāo)對(duì)象監(jiān)測(cè)方面，專(zhuān)家系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)指令輸出。分層控制技術(shù)是基于三元論思想的優(yōu)化手段，系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)構(gòu)成。組織級(jí)用于完成任務(wù)的組織與分配工作，再由協(xié)調(diào)級(jí)進(jìn)一步提升任務(wù)的可執(zhí)行性，最后經(jīng)執(zhí)行級(jí)實(shí)現(xiàn)控制指令功能。李慶中等提出了移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的模糊控制方法[23]，實(shí)驗(yàn)表明該方法具有良好的快速性、準(zhǔn)確性和魯棒性。金立生等研究了導(dǎo)航神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)方法[24]，基于實(shí)際路徑跟蹤控制試驗(yàn)結(jié)果，該方法設(shè)計(jì)出的控制器效果出色。郭偉斌等研究了除草機(jī)器人自主導(dǎo)航的模糊控制方法[25]，對(duì)兩種控制規(guī)則庫(kù)的試驗(yàn)顯示，機(jī)器人在42.2°彎道的行走準(zhǔn)確率為74.58%。經(jīng)建峰等提出了多AGV分布式控制系統(tǒng)[26]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該系統(tǒng)能夠順利完成工作且運(yùn)行穩(wěn)定。

機(jī)器人控制技術(shù)不斷更迭進(jìn)步，極大地促進(jìn)了機(jī)器人自動(dòng)化的進(jìn)程。與此同時(shí)，隨著高新技術(shù)不斷涌入機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)器人的發(fā)展對(duì)控制技術(shù)提出了更高的要求。受設(shè)備聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自主作業(yè)等需求的影響，機(jī)器人控制技術(shù)將融合交叉智能技術(shù)，不斷改進(jìn)優(yōu)化。

2.2 導(dǎo)航定位技術(shù)研究進(jìn)展

移動(dòng)機(jī)器人一般具備定位與地圖創(chuàng)建，即時(shí)運(yùn)算部署以及動(dòng)作控制等功能，是一個(gè)復(fù)合功能系統(tǒng)。自主導(dǎo)航機(jī)器人的導(dǎo)航方式主要基于電磁、光、聲和圖像等信息介質(zhì)及其特性，常用的導(dǎo)航方式包括：電磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等。不同的導(dǎo)航方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工況條件選擇合適的導(dǎo)航方式是導(dǎo)航定位技術(shù)研究的關(guān)鍵所在。

目前移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航控制方法主要為主動(dòng)方法和反應(yīng)式方法，前者基于分層遞階結(jié)構(gòu)，后者基于包容體系結(jié)構(gòu)。研究人員后續(xù)對(duì)兩種方法進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免其缺點(diǎn)。具有代表性的改進(jìn)結(jié)構(gòu)如包含低層反饋控制級(jí)和高層智能級(jí)的混合結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備良好的實(shí)時(shí)性和優(yōu)先的智能級(jí)。導(dǎo)航控制方法的人工智能典型應(yīng)用包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯，模糊控制自身的魯棒性和生理學(xué)的“感知-動(dòng)作”表現(xiàn)在模擬駕駛思想中得到融合。

移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航工作是基于機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)與周?chē)h(huán)境信息做出規(guī)劃部署，然后將控制驅(qū)動(dòng)指令傳送給硬件設(shè)備。當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人本體模型及其控制算法是導(dǎo)航定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)。陳艷等提出了一種組合導(dǎo)航定位方法[27]，應(yīng)用GPS和機(jī)器視覺(jué)獲取和處理導(dǎo)航信息，并采用UKF濾波器提高定位精度和穩(wěn)定性。周俊等綜合強(qiáng)化學(xué)習(xí)與模糊邏輯相關(guān)理論提出基于自主學(xué)習(xí)的視覺(jué)導(dǎo)航方法[28]，該方法應(yīng)用于輪式移動(dòng)機(jī)器人的效果符合預(yù)期。丁巍等提出了一種GPS組合模糊控制導(dǎo)航系統(tǒng)[29]，仿真結(jié)果顯示該方法實(shí)現(xiàn)性好，系統(tǒng)快速穩(wěn)定。姚恒峰基于雙目視覺(jué)設(shè)計(jì)導(dǎo)航控制算法[30]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)導(dǎo)航偏移量較小。

當(dāng)前，為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠正確判斷部署，需要更精準(zhǔn)地檢測(cè)和表達(dá)被測(cè)對(duì)象的全貌。因此，移動(dòng)機(jī)器人向著多傳感器信息融合的方向發(fā)展，系統(tǒng)的兼容性和拓展性成為研究的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究進(jìn)展

機(jī)器視覺(jué)是在成像系統(tǒng)作用下，通過(guò)計(jì)算機(jī)等硬件捕獲、傳送、運(yùn)算、理解和輸出光信號(hào)的一系列過(guò)程。機(jī)器視覺(jué)側(cè)重將理論付諸工程實(shí)踐，通過(guò)自動(dòng)抓取和處理關(guān)鍵畫(huà)面信息來(lái)指導(dǎo)實(shí)體做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。機(jī)器視覺(jué)采用無(wú)接觸檢測(cè)方式，具有不傷害被測(cè)對(duì)象的突出優(yōu)勢(shì)?；诓煌囊曈X(jué)傳感器，機(jī)器視覺(jué)方法可以應(yīng)用于不同的工作場(chǎng)景，并且應(yīng)用范圍隨著技術(shù)的發(fā)展不斷擴(kuò)大。

農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境和對(duì)象復(fù)雜多變，且難以預(yù)測(cè)，對(duì)機(jī)器視覺(jué)的算法和傳感系統(tǒng)有著更高的要求。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作業(yè)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般具備的功能是視覺(jué)導(dǎo)航、識(shí)別定位和檢測(cè)分類(lèi)，克服光線(xiàn)、角度和噪聲等的影響進(jìn)而精準(zhǔn)識(shí)別是農(nóng)業(yè)機(jī)器視覺(jué)研究的重點(diǎn)，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。白敬等通過(guò)光譜分析對(duì)雜草識(shí)別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[31]，建立的判別模型十分穩(wěn)定且識(shí)別正確率高達(dá)98.89%。王璨等在雜草識(shí)別研究中建立了融合高度與單目圖像特征的SVM識(shí)別模型[32]，經(jīng)測(cè)試其平均識(shí)別準(zhǔn)確率為98.33%，相對(duì)于非融合模型識(shí)別準(zhǔn)確率提高了5%。孫俊等建立了一種空洞卷積結(jié)合全局池化的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型[33]，平均測(cè)試識(shí)別準(zhǔn)確率為98.80%，實(shí)際田間試驗(yàn)識(shí)別準(zhǔn)確率為75%，一般環(huán)境下識(shí)別效果較好。

機(jī)器視覺(jué)是一門(mén)多學(xué)科融合，技術(shù)積淀深厚且更迭快速的寬口徑學(xué)科領(lǐng)域，一經(jīng)興起即井噴式發(fā)展。研究人員不斷綜合與開(kāi)發(fā)更加精準(zhǔn)適用的模型與算法，其應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大，同時(shí)影響與涉及更多元的研究領(lǐng)域，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不可或缺的核心技術(shù)。

3 除草機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)與研究展望

3.1 技術(shù)與市場(chǎng)特征

除草機(jī)器人是應(yīng)用于特定農(nóng)業(yè)環(huán)境，采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)指定除草工作的服務(wù)類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人。其具備一般移動(dòng)機(jī)器人的屬性，此外還具備以下特征：

1)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜。由于農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，不僅受地形條件的約束，還直接受季節(jié)和氣候等自然條件的影響，除草機(jī)器人的工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)化和不可預(yù)估的。因此，除草機(jī)器人需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，基于作業(yè)工況的變化及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保按要求完成作業(yè)。

2)操作對(duì)象多樣。為了保證作業(yè)效率與成本，除草機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象非單一種類(lèi)農(nóng)作物，并且農(nóng)作物不同生長(zhǎng)期的空間形態(tài)各異。因此，除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)需具備針對(duì)不同株高和間距等特征調(diào)整底盤(pán)高度和輪距的功能，實(shí)現(xiàn)模塊化和可重構(gòu)的功能。同時(shí)，除草機(jī)器人系統(tǒng)算法應(yīng)具備良好的數(shù)據(jù)訓(xùn)練與學(xué)習(xí)功能，針對(duì)不同環(huán)境下的作物具備可靠的識(shí)別準(zhǔn)確率。

3)目標(biāo)用戶(hù)特定。除草機(jī)器人的終端目標(biāo)用戶(hù)是從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)作業(yè)的非技術(shù)人員，所以除草機(jī)器人應(yīng)足夠安全且操作簡(jiǎn)單，以便用戶(hù)快速上手與熟練操作使用，并且后期還應(yīng)提供售后與技術(shù)指導(dǎo)等服務(wù)。

4)生產(chǎn)成本高昂。與工業(yè)機(jī)器人相比，除草機(jī)器人由于需要適應(yīng)復(fù)雜的工況，具有更復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，因而需要花費(fèi)較高的研制成本，在市場(chǎng)中不具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

除草機(jī)器人的發(fā)展方向應(yīng)符合現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，基于除草機(jī)器人自身技術(shù)與市場(chǎng)特征，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，可以將除草機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)概括如下：

1)智能化與自動(dòng)化。農(nóng)田植物種類(lèi)復(fù)雜多樣，人工難以向除草機(jī)器人提供全套植物數(shù)據(jù)信息。對(duì)未知種類(lèi)的雜草，除草機(jī)器人需根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對(duì)其識(shí)別分類(lèi)并學(xué)習(xí)，同時(shí)將信息納入數(shù)據(jù)庫(kù)以供后續(xù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)使用。除草機(jī)器人采用學(xué)習(xí)與作業(yè)同步進(jìn)行的方式不斷豐富數(shù)據(jù)庫(kù)，其識(shí)別準(zhǔn)確率也隨之提升。

2)功能復(fù)合化。除草機(jī)器人集成了多種傳感系統(tǒng)，對(duì)各種傳感系統(tǒng)寫(xiě)入不同的程序算法可以實(shí)現(xiàn)不同的特定功能。功能復(fù)合化的除草機(jī)器人能獨(dú)立完成一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，提高作業(yè)效率，減少設(shè)備成本，符合農(nóng)業(yè)集約化的發(fā)展要求。

3)結(jié)構(gòu)可替換與可重構(gòu)。除草機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象具有多元性，不同種類(lèi)的植株外形尺寸、種植密度和作業(yè)要求不同，除草機(jī)器人需要針對(duì)不同對(duì)象替換相應(yīng)功能模塊以完成作業(yè)?？商鎿Q與可重構(gòu)的設(shè)計(jì)形式使系統(tǒng)各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，互不影響，有利于設(shè)備維護(hù)與降低成本。

4)硬件聯(lián)動(dòng)配合。除草機(jī)器人的硬件設(shè)備在特定功能方面日趨完善，但仍不能滿(mǎn)足復(fù)雜作業(yè)要求。采用多種硬件相互配合工作能更好地發(fā)揮各設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，充分提高設(shè)備使用效率，開(kāi)發(fā)硬件的更多功能，全面高效完成多種復(fù)雜工作。

5)技術(shù)交叉融合?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等高新技術(shù)，除草機(jī)器人可以借助高新技術(shù)打破傳統(tǒng)技術(shù)壁壘，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率，推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化進(jìn)程。

3.3 研究展望

當(dāng)前，圍繞除草機(jī)器人的研究已大量開(kāi)展，并取得了一定的成果，但尚未轉(zhuǎn)化投入大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用。除草機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)與算法技術(shù)壁壘仍是制約識(shí)別性能的主要因素，圖像識(shí)別響應(yīng)慢，復(fù)雜環(huán)境下成功識(shí)別率低。電動(dòng)除草機(jī)器人續(xù)航時(shí)間短，不具備足夠的動(dòng)力性能，運(yùn)動(dòng)匹配控制難度較大。此外，除草機(jī)器人研發(fā)與生產(chǎn)成本高，通用性較低，復(fù)雜工況下性能難以保證，與傳統(tǒng)農(nóng)具相比性?xún)r(jià)比不突出。除草機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)與商業(yè)推廣都面臨著巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)除草機(jī)器人存在的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，歸納研究思路與方法建議對(duì)應(yīng)解決。進(jìn)一步優(yōu)化視覺(jué)系統(tǒng)的工作流程與速度，加大對(duì)算法研究的投入力度，融合多種傳感器技術(shù)，提高全場(chǎng)景識(shí)別準(zhǔn)確率。創(chuàng)新開(kāi)發(fā)除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)用新型材料和可重構(gòu)結(jié)構(gòu)使除草機(jī)器人具備良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能和復(fù)合化功能。促進(jìn)除草機(jī)器人研究融合當(dāng)前高新技術(shù)，交叉運(yùn)用新興學(xué)科技術(shù)，提高除草機(jī)器人的自動(dòng)化和智能化程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用除草機(jī)器人除草是使作物免受雜草侵害的有效辦法，對(duì)于保證作物產(chǎn)量和食品安全具有重要意義。同時(shí)，除草機(jī)器人除草方式相對(duì)于傳統(tǒng)除草方式有著突出的優(yōu)勢(shì)，有利于環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)外圍繞除草機(jī)器人開(kāi)展了大量研究與實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋系統(tǒng)控制、導(dǎo)航定位和機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域。目前圍繞除草機(jī)器人各領(lǐng)域的研究取得了一定的進(jìn)展與成果，但仍面臨識(shí)別性能不穩(wěn)定、動(dòng)作及其控制不精準(zhǔn)、智能性和功能性不足以及研究成果難以落地轉(zhuǎn)化等問(wèn)題。未來(lái)的研究應(yīng)遵從發(fā)展趨勢(shì)，交叉融合多種高新技術(shù)，協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)硬件設(shè)備，注重結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，推動(dòng)除草機(jī)器人向智能化、自動(dòng)化和功能復(fù)合化方向發(fā)展。