精准施药机器人关键技术研究进展

对 作 物实 现 病 害 识 别 的精 准 施 药 系 统 。随 着 各 种 新
技 术 的发 展 ， 施 药 机 器 人 的缺 陷在 应 用 中逐 渐 凸显 ， 新 形势 下 迫切 需 要 可 以实 现 自主检 测 病 害 、 自主 移 动 及变量施药 的精准施药机器人 ， 能 够在平原 、 实 地 行
展方 向。
关 键 词 ：机 器 人 ；精 准 施 药 ；病害 识 别 ；图像 处理
中 图 分 类 号 ：￥ ２ ３ ３ ． ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ － １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ７ ） １ １ － ０ ０ ０ １ — ０ ６
０ 引 言
我 国是一 个 农 业 大 国 ， 据 相关数 据统计 ， 每 年 的 农 作 物病 害 面 积多 达 ２亿 ｈ ｍ ， 造 成 巨 大 的经 济 损 失 。 每 年用 于病 害使 用 的农药 约 ２ ５万 ｔ （ 有 效 利 用 率 仅 为 ２ ０ ％ ～３ ０ ％） ， 这 些 农 药在 作 物 上 的 分 布极 不 均 匀 ， 真
间或温室 自主移动 。使用精 准施药机器 人 以智 能化
技术 替 代 劳动 力 ， 对 提 高 农 业 的效 率 和 生产 率 具 有 重 要 的推 动 作 用 。本 文 首 先 对 现 存 的 精 准 施 药 机 器 人
的技 术 分类 及 应用 进 行 了综 合 阐述 ， 然后 总结 了 现 有 技术 的局 限性 及 重点 需 要 解 决 的科 学 问题 ， 最 后 提 出
要 ：精 准施 药 机 器 人 是在 及 时 获 取 作物 病 害 信 息 的基 础 上 ， 对 病 害 部位 进 行 准 确 的定 量衡 量 ， 并 根 据 其 差 异
性采取变量施药 ， 实 现 按需 施 药 。精 准施 药 机 器 人 关 键 技 术 包 括 有 针 对 性 的作 物 病 害 识 别 技 术 、 精 准 施 药 技 术 及 自主行 走 技 术 ， 自主 行走 是 基 础 ， 病 害 检 测 和精 准 施 药 是核 心 。根 据 目前 的研 究 进 展 ， 综 合 阐述 了精 准 施 药 机 器 人 的技 术 分 类 及应 用 ， 总结 了现 有 技术 的局 限性 及 重 点 需 要 解 决 的 问题 ， 并 提 出 了未 来 精 准 施 药机 器 人 的 发
能、 机 器视 觉 等 新 技 术 的 自动 化 阶 段 。 发 展 初 期 ， 施 药 机 器 人仅 是 用 于机 械 施 药 ， 如 Ｍ． ｓ ｅ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｒ 等 设 计
了基 于 摄像 机 空 间 操 作 方 法 的视 觉 导 航 施 药 机 器 人 系统 ， 采用 等离子移动 喷嘴 ， 减 少 了机 器 人 的运 行 时 间和 高成 本 ， 使 机 器 人 在 合 适 的轨 迹 移 动 ， 达 到 了一 个 高 水平 的 ６自由度 机 械 手 臂 的控 制 精 度 ， 但 还 没 有
了未 来精 准 施 药机 器人 的发展 方 向
健康受到威胁等问题… 。农业操作如喷洒农药 、 病害
检 测 十 分 繁琐 ， 特 别 是 当喷 洒 农 药 时会 采 取 过 多 的 预 防措 施 ， 如 穿合 适 的衣 服 、 戴 口罩 和 手 套 等 ， 这 些 措 施 可 以避 免 农 药 对 他 们 造 成 伤 害 ， 但 也不能完 全避免。 因此 ， 在这样 的情况下 ， 使 用 精 准 施 药 机 器 人 给 出 了 最好 的解 决 方案 。
施 药 机器 人 的发展 经 历 了两个 阶段 ： ２ ０ ０ ０年 以前
１ 精 准施药机器 人关键技 术
自２ ０世 纪 ８ ０年 代 发达 国家开 始研 究 农业 机 器人 后， 相 继 出现 了 采 摘 、 嫁接 、 施 药机器人 ； 但 早 期 的 施 药机器人各方 面性能低 、 智能化程度不 高 ， 没 有 针 对 性 的病 害 检测 系 统 和 精 准 施药 系 统 。后 来 ， 由于 人 工
智能 、 机 器视觉等新技术 的发展及应用 ， 有效促 进 了 施药机器 人 的 自动化和精 准化研发 。在精 准施药 机 器人研发 方面 ， 包括病害识别 、 精 准施 药 及 自主 行 走
等 关键 技 术 。
１ ． １ 病 害识 别 技术
Fra Baidu bibliotek
为机 械 电器 自动 化 阶 段 ； ２ ０ ０ ０年 至 今 为 加 入 人 工 智
正施在病害部位的仅 占０ ． ０ ２ ％左右 ， 其余 的农药都散
布在 水 域 、 农 田、 空气 中 ， 造 成 严 重 的水 土 资 源 污 染 、 生态 系 统 失 衡 ； 或 者 喷 洒 到 未 受 病 害 的作 物 上 ， 使 农 产 品农 药残 留量 增 加 ， 导 致 农 产 品 品质 下 降及 人 们 的
２ ０ １ ７年 １ １ 月
农 机 化 研 究
第 １ １ 期
精 准 施 药 机 器 人 关 键 技 术 研 究 进 展
刁智 华 ，刁春 迎 ，魏 玉 泉 ，毋 媛 媛 ，钱 晓亮 。 ，刘 玉 翠
（ １ ． 郑州 轻 工 业 学 院 ，电气 信 息 工 程 学 院 ， 郑州 摘 ４ ５ ０ ０ ０ ２；２ ． 河 南 省 信息 化 电器 重 点实 验 室 ，郑 州 ４ ５ ０ ０ ０ ２ ）
收 稿 日期 ：２ ０ １ ６ — ０ ９ — ２ ６
机 器人 的检测 系统 是 用 来 收集 目标 区域 的 信 息 ， 对其进行分类 、 病 害症状的识别及危 害程度评价 ， 并 进行 施 药 的 系统 ， 适 用 于各 种 传 感 技 术 ， 如机器 视觉 、 光 谱反 射 率 及 遥 感 等 。精 准 施 药 机 器 人 的技 术 核 心 在 于及 时 准确 地 获 取作 物病 害 区域 的信 息 ， 在 早 期 发 现并 准 确定 位 作物 病 害 ， 可 提 高 施 药处 方 决 策 和 综 合 防治 的针 对 性 和 准 确 性 。作 物 病 害 自动 识 别 相 关 的