关于除草机器人的综述

关于除草机器人的综述

摘要：随着农业生产的快速发展，农业生产技术急需发展，各种人工的生产已经不能满足需要。随着各种科学技术的发展，在大田除草的生产环节上，智能型机器人的出现及其发展已融入我们的生活，从产生到现在，从国外到国内，从机械手到图像识别分析，到准确定位草的位置，通过对目前这个现状的综述，能更好的促进这个方向的发展。进一步发展我国的农业生产水平。

关键词：除草机器人综述

随着农业劳动力成本的提高，发达国家广泛开展了农业机器人研究。近年，又开始了对除草机器人的研究。瑞典、丹麦、荷兰等欧洲国家以及美国、日本等开展了杂草识别和除草机构的研究。目前 , 在我国主要使用的除草方法是人工锄抚刀抚 , 其特点是劳动强度大、耗时费力、效率低、效果欠佳 , 除草工作完成后 , 幼林仍受不同程度的草害威胁。但是国内对于除草机器人的研究正在起步，这其中机器人机械臂的运动学分析和图像识别又是比较关键的技术，以及除草方法的不断改进更使效率大大提高。相信随着我国对对农业机器人的高度重视，我国在农业除草机器人的研究领域会取得重大的突破。我国的农业生产能力家大大提高。

1.除草机器人的基本构成

除草机器人硬件部分由主体、多关节机械臂、末端执行器以及起非常重要作用的摄像头等组成。软件部分主要包括导航控制和杂草检测。摄像头拍摄的图片送 PC机处理，所得结果分别用于控制主体自主行走和机械臂定点除草。各种部件的联系极为重要，特别是导航摄像头的图像分析与执行端的运动学分析。

2．除草机器人的关键技术及其原理

在除草机器人的设计和控制中，导航摄像头的图像分析和执行器的运动学分析，参数的输入控制与PC机软件的结合，还有除草方法的选择都具有极其重要的意义。

1）视觉图像分析及其导航

利用机器视觉导航技术引导除草机器人沿着农作物行自动行走,行走时又利用机器视觉技术检测农作物行间杂草。除草机器人多关节机械臂运动到杂草区域 ,切割杂草并涂抹除草剂,执行结束后再继续行走。在整个过程中机器人的图像识别能力直接决定了机器人的成功与失败，而图像识别的配准还有分辨深度的问题一直是我们大学或者科研的难题之所在。

现在在这方面的研究又处于不断进步的水平,以下是国内外的一些典型的研究方法:

[1],基于OCD-ICP(优化角点集提取——迭代最近点)的图像配准方法.该方法利用图形学原理,对图像边缘角点候选点集提出了四个筛选规则,逐步筛选得到优化的角点集,并在此基础上利用迭代最近点的方法得到最优配准;

[2], 基于SIFT特征提取算法与KD树搜索匹配算法相结合的新方法,通过对候选特征点进行多次模糊处理,使其分布在高斯差分图像的灰度轮廓线边缘,利用SIFT特征提取算法找到满足极限约束的极值点;通过KD树最邻近点搜索和匹配算法使处理后的特征点与原始图像进行特征匹配,快速找出匹配正确的特征点;

[3], 基于HSI颜色分量的颜色特征提取方法.该方法结合HSI颜色分量反映物体本质颜色的特点和直方图多阈值分类对图像内容的自适应优点,采用直方图多阈值分类方法量化各HSI颜色分量,组合量化后的颜色分量提取图像颜色特征.对该方法提取的视觉图像颜色特征进行聚类,并对视觉图像进行分割;

[4], 基于分量直方图的自适应分割方法 .首先对图像的 3个分量统计直方图进行自适应分割 ,确定出各分量的分类数目及类的取值范围 ;然后 ,对分割类进行分量间组合 ,获得原图像中主要的几种颜色 ;最后以这些颜色作为聚类中心 ,按照颜色相似性准则对图像进行聚类分割;

[5]采用了将RGB和HSV两种色彩系统混合使用的方法,提出了基于颜色信息的RGB和HSV模型下利用双阈值图像分割的方法.

大部分方法都是多种原理并用，采用先进的彩色处理技术，基于一定的平台技术。我国的技术还有很大的需求和发展空间,国外在这方面的研究比较成熟和先进一些

2）机构的移动方法及其运动学分析

[1]球形运动分析：球形移动机器人具有运动灵活的优点,且在运动中不存在翻仰问题。因此在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。主要的研究工作如下: 首先,基于欧拉——拉格朗日方法建立球形移动机器人的动力学模型,利用坐标变换和输入控制变换对模型进行降阶和标准型处理,并设计双回路线性运动控制策略;提出球形移动机器人的动态平衡问题,分别建立球壳质量分布均匀和非均匀条件下的平面动力学模型,利用部分线性化方法将模型分别变换为非“三角”正则形式的和“三角”正则形式的级联非线性模型,并设计指数稳定的动态平衡控制策略;分别对提出的运动控制和平衡控制策略进行稳定性分析、仿真和实验研究。其次,将球形移动机器人分别简化为“球壳——重摆”模型和“球壳——框架”模型,建立两者的动力学微分方程,并通过求解微分方程的近似解研究驱动机构在两个驱动轴方向上的运动特性。

[2]全方位移动：全方位移动机器人由三个轮式模块化单元和一个连接平台组成。轮式模块化单元是一个模块化万向单元称为MUU,具有俯仰、偏航和回转三个自由度。MUU的圆柱形铝合金外壳上安装了一系列的被动轮,这些被动轮机构使MUU成为一个大的全方位驱动轮。MUU在垂直于身体轴线方向能够提供较大驱动力,而在身体轴线方向的作用力由小被动轮卸载,从而实现万向轮的功能。高度的集成性使MUU的通讯和更换易于实现。移动机器人的运动学分析证明了该机器人的运动灵活性。最后,给出了该机器人的运动实验和仿真结果。

[3]基于ADAMS的移动：主要研究利用基于ADAMS的虚拟样机技术重建移动机器人在不同路面条件下的滑移量,并进行滑移补偿控制的问题。首先利用机械系统动力学分析软件ADAMS创建轮式机器人的整体模型(包括车体模型、路面环境模型以及轮胎模型)。利用此模型在ADAMS环境中进行仿真,模拟在不同路面条件下移动机器人的滑移效果,并根据机器人的运动学特性重建出不可测的滑移量。将滑移量传递给控制器参数设计出滑移补偿控制器,并进行了ADAMS与MATLAB联合仿真。仿真效果表明该控制器可以有效地补偿滑移效果,改善移动机器人在滑移状态下的控制精度。

[4]小型地面移动：一种带前摆臂结构的小型地面移动机器人,建立了该机器人的运动学模型,确定了该机器人驱动轮转角与机器人位姿间的关系,为小型地面移动机器人的控制系统的设计提供了理论依据。该机器人的控制系统采用上下位机控制方式实现了对机器人的遥控控制,即上位机为PC 机,下位机采用单片机。采用流向控制标志位查询判断驱动信号的流向,使机器人移动载体、摆臂和摄像装置的驱动电机可以协调运动。对该机器人各机构的运动进行了仿真,并得到了机构匀速运动过程中的主驱动轴转角、摆臂转角及摄像头转角等3个主要机构的运动