设施蔬菜自动对靶喷药技术研究现状与分析.pdf

新疆农业科学 2021 58 8 1547 1557 Xinjiang Agricultural Sciences doi 10 6048 j issn 1001 4330 2021 08 022 设施蔬菜自动对靶喷药技术研究现状与分析 杨征鹤 1 杨会民 2 喻 晨 2 陈毅飞 2 周 欣 2 马 艳 2 王学农 2 1 新疆农业大学机电工程学院 乌鲁木齐 830052 2 新疆农业科学院农业机械化研究所 乌鲁木齐 830091 摘 要 目的 回顾与总结国内外设施蔬菜自动对靶喷药技术的研究现状与进展 为该技术在设施蔬菜自动 对靶喷药机器人的发展应用上提供理论和科学依据 方法 采用相关文献资料 实地调研的方法 汇总 整 理及分析 结果 导航技术国外主要采用基于 GPS 机器视觉 激光雷达等技术开发的路径识别及智能避障 技术 国内主要采用电磁诱导 基于 GPS 激光雷达和视觉技术的道路边缘获取与道路识别技术 病虫害检测 现阶段国外主要采用图像识别 红外成像和高光谱及基于深度学习的病虫害识别技术 技术较为成熟 国内现 阶段主要采用图像识别技术 利用作物颜色 纹理及形状特征进行识别 国外对靶喷药采用机器视觉 激光主 动视觉和超声波技术并结合传感器对目标作物进行识别 利用变速喷药技术在生菜 番茄等作物上进行了应 用 国内开发了温室自主喷药机器人 采用机器视觉技术获取靶标病虫害位置信息 对喷头进行单独控制 以 达到精准对靶施药的效果 结论 导航技术 病虫害识别技术及对靶喷药技术是自动对靶喷药技术的核心 导航方面在温室中利用机器视觉和激光雷达技术相比 GPS 技术更加可靠 灵活 精准度更高 高光谱与病虫 害识别技术可提高病虫害识别的效率 对靶喷药技术中目标作物的识别与冠层稠密程度的判断是发展趋势 关键词 设施蔬菜 温室 导航技术 病虫害识别 对靶喷药 趋势 中图分类号 S224 3 文献标识码 A 文章编号 1001 4330 2021 08 1547 11 收稿日期 eceived 2020 06 10 基金项目 自治区重大专项 设施农业信息化智能化装备系统构建与集成示范 20219860 作者简介 杨征鹤 1994 男 山东菏泽人 研究生 研究方向为设施农业装备 E mail 247329956 qq com 通信作者 王学农 1964 男 陕西汉中人 研究员 硕士生导师 研究方向为农业机械化技术装备 E mail xjwxn2010 sina com 0 引 言 研究意义 我国的设施蔬菜的种植面积 400 10 4 hm 2 1 新疆的设施蔬菜栽培面积也达到 3 57 10 4 hm 2 2 在温室密闭 高温高湿的环境 会导致病虫害发病重 繁殖快和防治困难 严重时 损失高达 50 以上 目前主要采取的措施是化学 防治 但是使用农药的频次高 剂量大 每 667 m 2 农药使用量为大田作物的十几倍 甚至更多 3 农药有效利用率仅 20 40 3 随着自动化 信息化技术以及传感器技术应用于精准施药和智 能机械的研发 发达国家的农药利用率已经提高 到 50 60 的水平 5 目前我国的施药技术 和药械与外国相比存在一定差距 6 7 使用自动 对靶喷药技术对我国设施蔬菜进行变量施药 可 减少农药污染 前人研究进展 自动对靶喷药 技术的发展主要经历了 2 个发展阶段 8 第一阶 段是能够引导喷药机器人在合适的路径上进行目 标作物检测 从而进行的施药 如何雄奎等 9 研 制的果园自动对靶静电喷雾机 通过红外传感技 术探测靶标的有无 并使用静电喷雾技术 从而达 到最佳的施药效果 第二阶段是随着导航技术 传感器技术和病虫害识别技术的发展 需要施药 机器人自主判别靶标的有无 作物冠层的大小 目 标作物病虫害及长势等特征 并按需喷药 10 这 种作业方式提高了农药使用率 Yang 等 11 研制 的杂草自动识别施药机 使用摄像机采集作物信 息 处理器区分出杂草与作物 并且能够根据杂草 的数量决定施药量 本研究切入点 采用自动 化程度更高的自动对靶喷药机器人来代替人工施 药 减少药物浪费和药物污染 温室环境复杂 在 喷药潮湿的环境中 激光 视觉等传感器会受到影 新疆农业科学 58 卷 响 影响喷药机的正常工作 各类控制系统有着 处理延迟 实时性差的劣势 与人工施药相比有着 难以弥补的差距 病虫害识别技术的发展限制 使得病虫害检测技术在线指导自动喷药设备按需 施药成为一个暂时的技术难点 目标作物冠层枝 叶稠密程度的检测是对靶喷药过程中的难点 如 何精确检测出作物的稠密程度 从而确定喷药量 还需要深入的研究 研究采用文献分析的方法 综述国内外设施农业蔬菜自动对靶喷药技术现状 与分析 拟解决的关键问题 收集 整理和分析 国内外研究文献 总结自动对靶喷药技术的研究 现状 自动设施蔬菜自动对靶喷药技术研究进展 为设施蔬菜自动对靶喷药技术的深入研究提供理 论基础和科学依据 1 材料与方法 1 1 材 料 收集国内外设施蔬菜自动对靶喷药技术的相 关文献 分析目前自动对靶喷药技术并汇总及系 统综述 1 2 方 法 采用相关文献及实地调研 2 结果与分析 2 1 导航技术 2 1 1 国外导航技术 近年来农业导航传感器数量迅速增加 自主 移动机器人系统采用全球定位系统 GPS 视觉 技术 激光距离扫描仪等不同的传感器作为主要 的传感系统 并结合一些如里程表 惯性测量单元 IMU 数字罗盘和陀螺仪等作为辅助传感器 以 补充主要的传感系统 基于 GPS 导航技术已经应用到广泛的农业作 业中去 为提高传统 GPS 导航系统的精度 开发 了差分全球定位系统 DGPS 和实时运动学全球定 位系统 TK GPS 已有学者使用 TK GPS 作为农业车辆转向系统的唯一定位传感器 12 但 这种导航技术存在一定的局限性 因此 GPS 导航 技术常与其他传感器结合 以提供更准确的导航信 息 Eaton 等 13 使用 TK GPS 与惯性测量单元 相结合 Nagasaka 等 14 使用 TK GPS 与光纤陀 螺仪相结合 以提高导航精度 Norremark 等 15 研 制了一种无人驾驶除草机 除草机的控制系统由 TK GPS 导航系统与倾斜传感器组成 这种基于 GPS 导航系统能够实现在预设的平行于作物行线 的路径上实现自动导航 且误差较小 使用 GPS 导航最常见的问题包括卫星信号的干扰 多路径问 题和来自其他射频源的干扰 视觉技术具有成本效益和提供大量信息的优 点 为农业机器人提供转向信号 在农业中的应用 变得越来越普遍 Okamoto 等 16 研究了一种基 于彩色 CCD 相机的除草中耕机自动跟随控制系 统 该系统利用作物行图像来确定中耕机与目标 作物行之间的偏移量 偏移量的预测提高了行跟 踪的精度 Benson 等 17 开发了一种基于机器视 觉的单色摄像机谷物收割机导航系统 该制导算 法基于作物切边的横向位置 能够准确定位作物 行距 Nissimov 等 18 使用 Kinect 传感器进行温 室中的障碍物检测 其中 Kinect 传感器由红外 激光发射器 一个红外摄像头和一个 GB 摄像头 组成 提供了同步的颜色和深度信息 障碍物检 测决策是利用像素点的斜率 强度和相邻点的信 息来进行的 并且利用颜色和纹理特征对可疑的 障碍物进行分类 该方法有较好的成本优势 但 是在障碍物被遮挡时误差较大 Delfin 等 19 提出 了一种基于视觉技术的定位算法 利用虚拟机和 拓扑结构来寻找最合适当前视觉信息的关键图 像 另外配备了可视化路径规划器 当一个新的 障碍物被机器人的 GB D 摄像机检测到时 虚 拟机会更新 会重新规划路线 经试验评估该导 航方案具有良好的导航性能 激光导航原理是利用三角测距原理 测量周 边物体与激光发射器之间的距离 然后实现路径 规划 激光传感器有着高分辨率和获取信息量大 等优点 并且能够在不同的天气和环境下进行可 靠工作 eiser 等 20 利用水平激光仪 借助高精 度全站仪在作物行中进行导航 Yokota 等 21 开 发了一种自动机器人 利用激光扫描仪收集周围 作物生长和产量的空间信息 Weiss 等 22 利用三 维激光雷达传感器对植物和地面进行检测和分 割 实现自主农业机器人的定位 测绘和导航 Houssein 等 23 提出了一种结合人工势场在温室 中进行自主导航的方法 采用安装在机器人前段 的单个激光雷达传感器 利用 SLAM 同步定位与 8451 8 期 杨征鹤等 设施蔬菜自动对靶喷药技术研究现状与分析 映射 进行姿态估计 并利用 APF 控制器保证了 自主导航 试验结果表明 基于此方法导航的机 器人能够适应作物生长引起的结构变化 并且能 够在人的在场下安全操作 图 1 注 1 移动平台 2 自动驾驶仪 3 工控机 4 接收器 5 摄像 头 6 超声波传感器 7 激光雷达传感器 Note 1 Mobile platform 2 Autopilot 3 Industrial Computer 4 The receiver 5 Camera 6 Ultrasonic sensor 7 Lidar sensor 图 1 温室自主导航机器人结构 Fig 1 Structure diagram of greenhouse autonomous navigation robot 2 1 2 国内导航技术 中国农业大学的杨世胜等 24 研发了一种电 磁诱导农用喷雾机器人 开发了喷雾机器人位置 检测传感器和磁标志传感器 实现了机器人的自 动行走 并且在道路上安装了行首与行尾和切换 标志 这种导航方式比较适合温室这样比较密闭 的环境使用 图 2 贾士伟等 25 对温室机器人的道路边缘检测 与路径导航进行了研究 该研究主要利用二维激 光雷达检测道路边缘 利用基准道路宽度来进行 伪道路的剔除 进而生成导航调速控制指令 试 验表明 该温室机器人对于作业道路要求较高 在 凹凸不平的路面上适应能力较差 图 3 山东农业大学的张群等 26 提出了一种运用 视觉导航温室机器人路径识别算法 运用单目摄 像机获取番茄种植环境的图像信息进行处理 把 图像转化为二值图像 根据目标作物的位置来获 取导航离散点 进而通过 Hough 变换得到导航路 径 试验结果表明 机器人能够对于道路信息提 取的正确率达到 95 7 且基于机器人对于连续 动态图像分析 该路径识别方法具有较好的实用 性和适用性 Jiang Jin 等 27 提出了一种基于视觉信息导 航技术方案 将视觉信息作为路径处理的信息 源 根据所建立的路线 在遇到障碍物的过程中 算法实时调整轨迹 满足移动机器人智能控制的 目的 试验结果表明 该系统能够充分获取障碍物 信息 保证了机器人运动的实时性和准确性 但是 在机器人控制的过程中 系统的实时性 目标特性 的多样化 路面的不确定性等问题还有待于进一 步的研究 图 2 电磁诱导系统示意 Fig 2 Schematic diagram of electromagnetic induction system 注 1 激光测距仪 2 显示器 3 驱动电机 4 前轮 5 后轮 Note 1 Laser rangefinder 2 Monitor 3 Drive motor 4 The front wheel 5 The rear wheel 图 3 机器人导航系统示意 Fig 3 Schematic diagram of robot navigation system 2 2 病虫害检测技术 2 2 1 国外病虫害检测技术 遥感技术是农业工程中检测病虫害信息的重 要手段 但是遥感技术获得的病虫害信息均为大 尺度信息 主要用于大范围的管理决策 而不是针 对田间实时变量喷雾 29 且并不适用于温室环 境 国外对于病虫害识别技术研究较早 且有着 9451 新疆农业科学 58 卷 较为完善的可见光数据库 传统的图像识别技术 主要包括降噪 腐蚀 增强 对图像各个颜色空间 特征和纹理特征的提取和建模等 Schor 等 30 研 发了一套室内辣椒机器人病虫害检测系统 用于 对辣椒白粉病和番茄病的联合检测 系统由 GB 红绿蓝 照相机和激光传感器组成 利用阈 值分割并进行图像处理 再基于主成分分析和变 异系数进行病虫害的检测 传统识别方法在实际 的使用中非线性数据的建模识别成功率较低 导 致识别成功率并不高 31 现在病虫害识别技术 逐渐采用红外光谱和高光谱成像 这种技术可以 很好的反映出被测物的外部特征 内部化学特征 含量和生理结构的变化 更容易在早期识别出被 测物是否发生病变及化学成分的变化 美国内布 拉斯加大学的 Pandey 等 32 利用高光谱成像技术 量化玉米和大豆植物体内的各种元素的含量 利 用每种植物的反射光谱 建立偏最小二乘回归模 型以将光谱数据与化学数据相关联 测试结果的 含水率 宏量元素 微量元素的准确率分别在 93 69 92 19 86 为解决传统农作物病虫害识别过程中建模 识别成功率低的问题 一些学者提出了基于深度 学习的农作物病虫害识别技术 深度学习的建模 方法相较于传统的图像处理手段省去了大量的预 处理手段 只需要将图像裁剪成合适尺寸即可以 进行图像识别 缩短了识别时间且大幅度提高识 别准确率 Tian 等 33 提出了小麦 4 种主要病害 白粉病 小麦锈病 叶枯病和条纹状小麦锈病的检 测方法 通过获取病态小麦的 3 种特征 颜色特 征 纹理特征和形状特征 并将其作为 3 种相应分 类器的训练集 该系统主要分为 3 个主要步骤 数据采集 特征提取和分类器设计 并采用多分 类器系统 MCS 可以提供更高的分类精度 Mohanty 等 34 分析了在数据库中的 54 306 幅植 物叶子的图像 其中包括了 14 种作物和 26 种疾 病 首先将图像大小调整为 256 256 像素 执行 模型优化和预测 其中最佳建模方式为利用 GoogLeNet 卷积神经网络结构 对彩色图像进行 迁移学习训练 且其他建模方式的准确率也达到 了 90 以上 2 2 2 国内病虫害检测技术 国内对于病虫害的研究相比国外较晚一些 但我国学者也进行了大量的研究 目前常使用的 是比较传统的识别方法 柴阿丽等 35 利用作物 颜色 纹理 形状特征参数建立了番茄病虫害识别 模型 识别的准确率达到了 94 秦淑芳等 36 研究了甘蓝型油菜叶片图像虫害程度的检测方 法 主要采用空间彩色空间模型的方法分割图 像 再对图像进行二值化与去噪处理 只保留叶片 区域的二值图像 最后提取叶片图像中的 8 个特 征参数 经过特征的选择与组合得到虫害程度的 有效特征 但这种方法在采集叶片图像时只采集 了 1 次没有采集到足够的不同虫害的叶片图像 且在实际的生产过程中 单一株植物的不同叶片 的虫害程度也有所不同 该方法也不再适用 浙江大学的 Zhao 等 37 使用高光谱成像技术 来确定黄瓜叶中叶绿素和胡萝卜素的含量 并通 过其含量来判断是否感染角叶斑点 张善文 等 38 提出了一种基于卷积神经网络的黄瓜叶部 病虫害识别方法 主要建立了 1 个包含 6 种黄瓜 病害的 15 500 多幅的训练叶片图像数据库 根据 病害叶片图像的复杂性 利用卷积神经网络从该 数据库中自动学习黄瓜病害叶片图像的属性特 征 再利用分类器进行分类 试验结果表明 与基 于特征提取的传统病害识别方法相比 该方法的 识别性能较高 但是需要大量的训练时间 邹永 杰等 39 提出了 1 种基于机器学习的番茄病虫害 检测方法 通过提取有病虫害和无病虫害的番茄 样本的方向梯度直方图特征 HOG 和局部二值 模式特征 LBP 然后结合 SVM 支持向量机 分 类器训练样本得到检测模型 其中 HOG 特征和 LBP 特征能够分别很好的描述番茄叶的边缘和纹 理特征 且 2 个特征能够在一定程度上互补 提高 了番茄叶病虫害检测的成功率 2 3 对靶喷药技术 2 3 1 国外对靶喷药技术的研究现状 对靶喷药技术是基于传感器通过机器视觉技 术 超声波技术 激光技术等信息采集设备 根据 目标存在情况自动喷药 国外对自动对靶喷药技 术研究早 其主要的研究是以最佳的施药效果和 最小的环境污染为目标 40 41 Liorens 等 42 使用 常规定容喷雾法与变速喷雾法进行了对比 结果 表明 根据目标作物的大小及稠密程度进行的变 速喷雾法可以平均节省 58 的喷雾量 而且可以 0551 8 期 杨征鹤等 设施蔬菜自动对靶喷药技术研究现状与分析 获得相似或者更好的叶片积存 证明了可变速率 喷雾技术可以有助于精准施药 Komasilovs 等 43 对温室中喷药机器群体优化成本效率问题进行了 研究 学者分析了 3 种传感器 激光测距仪 距离 测量和定位使用的无线电信标和接收器 基于视 觉信息的距离测量传感器 研究表明 基于无线 电信标和接收机的距离测量只适用于检测任务 且成本较高 视觉距离测量和激光测距仪更受青 睐分别占到调查对象的 71 和 26 机器视觉是机器人识别技术中应用最广泛的 主要由 1 个或多个视觉摄像机 光源 图像采集卡 等构成 结构较简单 可以获取二维 三维图像 可 以根据获取图像中的颜色 纹理 形状等主要的形 态特征来分析识别目标作物 但是其成像的效果容 易受到光照的影响 造成成像不清晰 从而影响机 器识别 44 Giles 等 45 47 提出了 1 种基于机器视 觉引导和可调喷嘴的精密带式喷药方式 通过 CCD 电荷耦合器 摄像机获取目标作物的图像信 息 并通过改变处于作物上方喷头的方向和宽度 来进行变量喷药 在番茄和生菜上进行系统测试 表明 与传统喷药方式相比喷雾施用率可降低 66 80 在目标植物上的喷雾沉积效率可提高 2 5 3 7 倍 在土壤上的非目标喷雾沉积减少了 72 90 并且可以显著减少喷雾飘移 Utstumo 等 48 研发了一种基于机器视觉的除草 机器人 机器视觉获取作物周围的杂草信息 计算 机将杂草进行分类并根据杂草的数量和种类进行按 需施药 机器人采用滴注式施药 配备 28 个喷嘴 横向间距为 6 mm 试验表明 与普通喷洒相比 可 以节省 73 95 的药量 大大减少了药物浪费 但 是其效率较低 实用性并不高 图 4 图 4 基于机器视觉的除草机器人 Fig 4 Weeding robot based on machine vision 超声波测距传感器可以非接触式测量远处物 体的距离 理论上该传感器可以用于测量目标靶 的到喷头之间的距离 进而估算目标靶的外形轮 廓和体积 49 50 Maghsoudi 等 51 运用超声波传 感器实时获取目标作物的距离和体积信息 并基 于冠层体积变化进行喷雾 在喷雾效果类似的情 况下 平均节省了 34 5 的药量 Miranda Fu entes 等 52 设计了基于超声波传感器阵列式的风 送式对靶喷雾机 通过在风机前安装不同高度的 超声波传感器 每个传感器对应一组喷头 通过检 测靶标冠层的存在与无 从而控制喷头的开关 从 而达到减少药物喷洒 提高冠层内部喷雾沉积率 的效果 Francisco 等 53 为解决温室作物中药物残留 问题 提出了一种基于超声波传感器的温室喷药 机 喷药机由超声波传感器 电磁阀 控制设备和 喷淋设备组成 超声波传感器检测到 0 0 5 m 范围内的目标时 忽略其他距离更远的物体 同时 电磁阀开启 进行喷药操作 试验表明 该系统大 约能够节省 21 的喷雾液体 超声波的主要优 点是价格低廉 主要的缺点是超声波较大的发散 角限制了测量的分辨率和准确性 图 5 激光主动视觉技术也是现在比较常用的技 术 激光雷达高频率发射出脉冲激光束 根据反射 回来的激光回波点云 测量周围物体各点的距离 也可用于测量目标靶的外形和体积信息 54 56 Gregorio 等 57 使用激光雷达系统对喷雾漂移进行 监测 Chen 等 58 研制了 1 种激光引导变速喷雾 器 该喷雾机主要通过激光传感器对目标作物进 行三维测量 控制系统根据传感器的测量结果 控 制喷头沿深度 宽度和高度的 3 个冠层提供均匀 的喷雾覆盖和沉积 减小了目标作物周围不同位 置 空气和地面的喷雾损失 激光主动视觉系统 具有较高的识别率 获取的信息也比较多 往往应 用于大型的果树对靶喷药机中 激光主动视觉系 统成本偏高 也限制了其广泛的应用 afiq 等 59 设计了一款温室环境下使用的自 主喷药机器人 机器人沿着热水管道进行来回移 动 从而省去了复杂的导航系统 机器人主要由 控制单元 运动底盘和喷雾单元 3 个部分组成 当 机器人经过放置在地面上的反光标记时 泵就会 启动和关闭 以实现对温室植物的选择性喷洒 图 6 1551 新疆农业科学 58 卷 图 5 温室喷药机作业示意图 Fig 5 Greenhouse spray machine schematic diagram 图 6 基于管道导航的温室喷药机器人 Fig 6 Greenhouse spraying robot based on pipeline navigation 2 3 2 国内对靶喷药技术 陈勇等 60 提出了一种自动调节的喷头组合 及射程的智能喷雾机器人 通过脉宽调制实现可 变量施药 胡天翔等 61 提出了一种基于构件化 的智能对靶喷雾机软件系统 使用双目视觉技术 进行信息的提取与测量 设计和实现不同构件的 功能 并进行集成 试验表明 整个系统能够很好 的满足智能对靶喷雾机的需求 我国学者也研发了一些自动对靶喷药机器 人 但这些喷药机大多还处于实验室阶段 目前 我国设施蔬菜的施药还是依靠人工来进行完成 靳文停等 62 设计了 1 种履带式温室智能喷药机 器人 主要由喷药系统 履带底盘 控制系统及传 感器等几部分组成 机器人主要通过安装的摄像 头 360 旋转 进行采集目标作物环境信息 机器 人采用单片机为控制系统进行处理信息 并利用 滚珠丝杠进行高度以及幅宽的调节 以增加药液 的覆盖率 采用微型定时防腐蚀桨叶来进行药液 的搅动 以防止药液沉淀堵塞喷头 图 7 赵慧芳等 63 研发了一种温室自走喷药机 主 要由喷药装置 行走装置 控制装置组成 喷药机 由人工遥控控制 可以自动换向 不断往复 通过 控制喷药装置的风扇的转向 调节喷药的方向 喷 药装置使用可以调节的喷雾密度 解决了普通喷 药方式难以达到的无死角喷药 但这种喷药方式 需要人工的干预 自动化程度较低 张俊雄等 64 65 设计了一种温室对靶喷雾机 器人 机器人主要由移动平台 三自由度机械臂 变量喷嘴以及病虫害诊断系统组成 机器人系统 采用双目系统 每台摄像机采集的区域为 1 2 m 1 2 m 靶标信息获取以后 上传到控制系统 控制系统由二级 CPU 的主从式的控制方式 上位 机为工控机 主要完成的是目标作物中病虫害信 息的采集以及喷药条件的判断 下位机主要由 PCL 组成 能够在外界复杂的工作环境下稳定工 作 主要负责三轴机械臂的运行 处理器将采集到 的图像分成 0 2 m 0 2 m 为每 1 个单元 每 1 个 单元对应 1 个喷嘴 根据检测到图像中的病虫害 信息 实现对靶精量施药的目的 机器人设计了 病虫害监控系统 能够实现发现病虫害 定位病虫 害位置 对靶喷药一系列的工作 机器人底座平 台需设计在特定的轨道上 轨道需安装在机器人 工作的场合 轨道的使用增加了机器人的使用成 本 限制了其大规模的使用 图 8 注 1 喷药杆 2 喷药嘴 3 滚珠丝杆幅宽调节装置 4 自主 导航摄像头 5 高度调节装置 6 循迹避障传感器 7 药箱 8 水 泵 9 电机 10 控制装置 11 履带底盘 Note 1 Spray rod 2 Spray nozzle 3 Width adjustment de vice for ball screw 4 Autonomous navigation camera 5 Height ad justment device 6 Tracking and obstacle avoidance sensor 7 The cabinet 8 The water pump 9 The motor 10 Control device 11 Tracked chassis 图 7 履带式温室智能喷药机器人三维模型 Fig 7 3D model of crawler greenhouse intelligent spraying robot 2551 8 期 杨征鹤等 设施蔬菜自动对靶喷药技术研究现状与分析 注 1 移动平台 2 导轨 3 剪叉式吊架 4 Y 向平移直线导 轨 5 X 向伸缩直线导轨 6 回转腕关节 7 摄像机 8 喷杆 Note 1 Mobile platform 2 Guide rail 3 Shear fork hanger 4 Y direction translation linear guide rail 5 X direction tele scopic linear guide rail 6 Swivel wrist 7 Camera 8 The spray rod 图 8 对靶喷雾机器人系统结构示意 Fig 8 System structure of target spray robot 3 讨 论 3 1 利用电子技术和传感器技术来进行检测目 标靶的有无 作物冠层的大小 作物病虫害及长势 等特征 实现按需施药 其中导航技术 病虫害识 别技术及对靶喷药技术是自动对靶喷药技术的核 心技术 目前导航技术将朝着基于深度学习的障 碍物检测技术与智能避障策略的方向发展 以实 现农业机械的智能化 28 3 2 自动对靶喷药技术需要进一步提高工作效 率 提高目标作物的识别率 可以通过提高识别 设备的硬件水平 优化算法等方法进行 利用基于 高光谱和深度学习的病虫害检测技术 可以提高 目标作物病虫害检测效率 3 3 目标作物信息的获取以及对目标植物枝叶 稠密程度的判断是当前喷药技术面临的主要问 题 在其他因素不变的情况下 枝叶越稠密 药量 需求也就更大 研发更高效 精准的喷药方式对于 自动对靶喷药技术的发展有着重要的意义 3 4 温室环境密闭 人工施药过程中会对人体 产生较大的危害 温室作物密度大 空间占有率 高 信息叠加程度较高 大田作业环境下的机器人 难以适应 随着设施农业向大型化 现代化 高新 技术化发展 已经有许多的采摘机器人 除草机器 人 修剪机器人等应用到实际的生产中去 4 结 论 国外主要利用 GPS 视觉和激光雷达等技术 并结合传感器进行导航 我国学者也研发了电磁 诱导式 基于机器视觉的温室路径识别算法以及 基于激光雷达的道路边缘检测方法等温室导航方 法 不同的国家地区根据不同情况 选择不同的 导航方法 在实际的作业中 GPS 导航技术在果 园或温室的环境中 信号会受到阻挡 影响导航效 果 视觉技术和激光导航技术可以很好的克服这 一问题 与 GPS 导航相比 两者收集的信息丰富 完整 范围较广 更加灵活 实时性和精确性也有 提高 因此 根据不同的作业环境 采用多种导航 技术相结合的环境感知系统 提高导航的准确性 国外可见光识别技术已经相当成熟 基于红 外光谱技术和高光谱技术和基于深度学习的病虫 害识别技术已经开始应用于实际的生产工作中 去 国内现阶段主要采用的是图像识别技术 我国 学者也在高光谱和基于深度学习的病虫害识别技 术进行了一定的研究 取得了一定的成果 可见 光成像技术只有在作物外观发生病变或者发生肉 眼可见的病虫害时才能取得比较好的识别效果 并不能在作物已经患病但还没有表征的时候检测 出来 引入红外成像和高光谱技术可以实现对作 物内部结构和化学成分发生改变做出预警 实现 早期的病虫害防治 以减少病虫害带来的影响 基于深度学习的图像处理技术可以将复杂背景下 的图像进行分类识别 并且具有较高的准确率 与 红外光谱技术和高光谱技术结合将是未来病虫害 识别的发展方向 国外对于对靶施药技术的研究较早 技术较 为成熟 其研发的自动对靶喷药设备大多针对于 果园环境 对于温室设施蔬菜等小型的自动对靶 施药机研究成果较少 采取的技术主要为基于机 器视觉 激光主动视觉和超声波技术 并配合一些 其他传感器使用 对喷药装置进行控制 技术较为 成熟 且部分样机已经产品化 采用机器视觉技 术获取靶标病虫害位置信息 对喷头进行单独控 制 以达到精准对靶施药的效果 目前对靶喷药 技术主要面临的问题有在外界强烈光线的照射 下 植物的反射率会增加 图像颜色会失真 在变 化的环境下 该数据不能用于物种识别和分类 另 一个问题是作物的稠密程度获取 由于植物叶片 的相互覆盖 喷药机器人难以对不同位置的药液 需求量进行计算 从而导致喷药的效果差 最后一 3551 新疆农业科学 58 卷 个是目标作物的不同的成长状况所带来的影响 不同的生长状况会出现作物颜色 形状的不同 会 造成光谱反射率变化 从而造成不同的识别结果 进而影响喷药 参考文献 eferences 1 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所 我国设施园 艺装备发展现状和建议 J 农机科技推广 2019 1 27 28 30 Facilities Agriculture Institute Academy of Agricultural Planning and Engineering MA A Development status and Suggestions of facility horticultural equipment in China J Agricultural Ma chinery Science and Technology Promotion 2019 1 27 28 30 2 许红军 秦勇 吴慧 等 新疆蔬菜产业现状及发展对策 J 中国蔬菜 2016 9 8 11 XU Hongjun QIN Yong WU Hui et al Status quo and devel opment strategies of Xinjiang vegetable industry J China Veg etables 2016 9 8 11 3 何雄奎 蔬菜高效施药装备与技术研发应用 J 蔬菜 2018 8 1 7 HE Xiongkui D and Application of Vegetable Efficient Pes ticide Application Equipment and Technology J Vegetables 2018 8 1 7 4 何雄奎 我国植保无人机喷雾系统与施药技术 J 农业工程 技术 2018 38 9 33 38 HE Xiongkui China s plant protection uav spray system and ap plication technology J Agricultural Engineering Technology 2008 38 9 33 38 5 翟长远 朱瑞祥 张佐经 等 精准施药技术现状分析 J 农 机化研究 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