顶生作物机械化采收关键技术研究现状_夏浩.pdf

第 47 卷 第 4 期 中 国 农 机 化 学 报 Vol 47 No 4 2026 年 4 月 Journal of Chinese Agricultural Mechanization Apr 2026 DOI 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2026 04 005 夏 浩 马 保 建 葛 云 等 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 关 键 技 术 研 究 现 状 J 中 国 农 机 化 学 报 2026 47 4 31 39 Xia Hao Ma Baojian Ge Yun et al Current status of research on key technologies for mechanised harvesting of top growing crops J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2026 47 4 31 39 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 关 键 技 术 研 究 现 状 夏 浩 1 马 保 建 2 葛 云 1 张 贺 1 1 石 河 子 大 学 机 械 电 气 工 程 学 院 新 疆 石 河 子 832000 2 新 疆 理 工 学 院 机 电 工 程 学 院 新 疆 阿 克 苏 843100 摘 要 顶 生 作 物 采 收 主 要 通 过 人 工 进 行 作 业 劳 动 强 度 大 人 工 成 本 高 随 着 人 工 智 能 和 机 器 人 技 术 迅 速 发 展 机 械 化 采 收 替 代 人 工 作 业 成 为 必 然 趋 势 对 顶 生 作 物 进 行 机 械 化 采 收 具 有 重 要 意 义 目 前 顶 生 作 物 的 智 能 化 采 收 关 键 技 术 研 究 主 要 集 中 在 采 收 对 象 的 识 别 与 定 位 机 械 臂 及 其 轨 迹 规 划 以 及 末 端 执 行 器 等 方 面 综 述 在 复 杂 自 然 环 境 下 光 照 变 化 枝 叶 遮 挡 作 物 重 叠 的 目 标 对 象 的 识 别 方 法 分 析 顶 生 作 物 在 二 维 图 像 和 三 维 空 间 的 定 位 方 法 概 述 采 摘 过 程 中 机 械 臂 的 路 径 规 划 算 法 与 优 化 策 略 针 对 不 同 顶 生 作 物 的 采 摘 特 点 对 采 用 末 端 执 行 器 实 现 作 物 采 摘 的 技 术 策 略 进 行 分 析 并 提 出 相 应 的 优 化 策 略 针 对 现 阶 段 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 速 度 低 成 功 率 低 成 本 高 等 问 题 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 的 发 展 需 要 着 重 于 优 化 识 别 定 位 算 法 轨 迹 规 划 以 及 末 端 执 行 器 的 综 合 优 化 并 实 现 这 些 关 键 技 术 的 集 成 应 用 关 键 词 顶 生 作 物 识 别 定 位 机 械 臂 路 径 规 划 末 端 执 行 器 中 图 分 类 号 S225 93 TP391 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 5553 2026 04 0031 09 Research status of key technologies for mechanized harvesting of top growing crops Xia Hao 1 Ma Baojian 2 Ge Yun 1 Zhang He 1 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Shihezi University Shihezi 832000 China 2 College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Institute of Technology Aksu 843100 China Abstract The harvesting of top growth crops is mainly carried out manually with high labour intensity and high labour cost With the rapid development of artificial intelligence and roboticstechnology the replacement of manual operations by mechanical harvestinghas become an inevitable trend and mechanized harvesting of top growth crops is of great significance At present the key technologies for intelligent harvesting of top growth crops are mainly focused on the research of identification and positioning of harvesting objects robotic arms and their trajectory planning and end effector This paper reviews the recognition method of the target object with light change branch and leaf shade crop overlapin the complex natural environment analyzesthe positioning method of top growth crop in two dimensional image and three dimensional space outlines the path planning algorithm and optimization strategy of the robotic arm in the harvesting process and finally for the characteristics of different top growth crops analyzesthe technical strategy of crop harvesting by using the end effector and put forward the corresponding optimization strategy Aiming at the problems such aslow speed low success rate and high cost of mechanized harvesting of top growthcrops at this stage the development of mechanized harvesting of top growthcrops needs to focus on the optimization of identification and positioning algorithms trajectory planning and the comprehensive optimization of end effector and to realize the integration and application of these key technologies Keywords top growth crops identification and localisation robotic arm path planning end effector 收 稿 日 期 2024 年 8 月 20 日 修 回 日 期 2025 年 3 月 4 日 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 52065057 第 一 作 者 夏 浩 男 2000 年 生 山 东 临 沂 人 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为 机 械 工 程 E mail 204666949 qq com 通 讯 作 者 马 保 建 男 1987 年 生 山 东 菏 泽 人 博 士 副 教 授 研 究 方 向 为 农 业 机 器 人 E mail 1009384790 qq com中 国 农 机 化 学 报 2026 年 0 引 言 菊 花 茶 叶 和 红 花 等 作 物 的 生 长 特 性 与 形 态 表 现 主 要 受 制 于 其 顶 端 生 长 状 况 的 影 响 由 于 其 生 长 环 境 的 复 杂 性 和 采 摘 部 位 的 特 殊 性 采 摘 过 程 对 精 准 性 和 效 率 有 很 高 的 要 求 目 前 顶 生 采 摘 作 业 主 要 依 靠 人 工 完 成 存 在 效 率 低 成 本 高 劳 动 量 大 等 问 题 1 随 着 劳 动 成 本 的 上 升 这 种 方 式 已 难 以 满 足 现 代 农 业 的 规 模 化 需 求 因 此 顶 生 作 物 机 械 化 的 采 收 成 为 必 然 趋 势 目 前 机 器 视 觉 系 统 已 经 广 泛 应 用 于 农 业 领 域 2 3 研 究 人 员 对 包 括 机 械 臂 在 内 的 采 摘 机 械 部 件 4 5 路 径 规 划 6 以 及 末 端 执 行 器 7 进 行 研 究 这 些 研 究 大 多 是 针 对 规 范 化 种 植 的 葡 萄 西 红 柿 和 苹 果 进 行 的 尽 管 机 器 视 觉 系 统 在 农 业 中 有 着 广 泛 应 用 但 针 对 顶 生 作 物 的 采 摘 仍 面 临 特 殊 挑 战 对 于 顶 生 作 物 由 于 其 枝 干 之 间 的 空 间 狭 小 作 物 不 易 识 别 定 位 研 究 人 员 根 据 顶 生 作 物 生 长 特 点 通 过 对 不 同 的 网 络 结 构 进 行 改 进 提 出 了 多 种 算 法 以 实 现 对 顶 生 作 物 的 精 准 识 别 与 定 位 对 已 获 取 的 作 物 位 置 信 息 为 避 免 干 涉 研 究 人 员 改 进 了 机 械 臂 作 业 路 径 规 划 算 法 确 保 机 械 臂 安 全 到 达 指 定 位 置 为 有 效 避 免 末 端 执 行 器 对 作 物 造 成 损 伤 同 时 设 计 了 不 同 的 末 端 执 行 器 用 来 适 应 不 同 作 物 的 采 摘 本 文 综 述 国 内 外 关 于 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 的 研 究 现 状 深 入 剖 析 当 前 面 临 的 主 要 技 术 挑 战 并 针 对 性 地 提 出 应 对 策 略 聚 焦 于 机 器 视 觉 深 度 学 习 和 自 动 化 技 术 在 采 收 作 业 中 的 应 用 详 细 分 析 这 些 技 术 的 优 劣 进 而 探 讨 提 高 采 摘 效 率 精 度 以 及 可 持 续 性 的 有 效 方 法 通 过 对 顶 生 作 物 采 收 技 术 的 深 入 研 究 以 期 推 动 农 业 生 产 的 现 代 化 与 智 能 化 进 程 1 采 摘 方 法 概 述 采 摘 是 农 业 生 产 中 至 关 重 要 的 环 节 当 前 研 究 者 们 正 致 力 于 探 究 机 械 自 动 化 采 摘 在 顶 生 作 物 收 获 领 域 的 应 用 虽 然 机 械 自 动 化 采 摘 在 菊 花 茶 叶 和 红 花 等 顶 生 作 物 上 已 展 现 出 良 好 的 应 用 前 景 然 而 面 对 需 要 精 确 选 择 性 采 摘 的 作 物 时 现 有 机 械 采 摘 设 备 的 效 果 尚 不 理 想 一 般 而 言 自 动 化 采 摘 机 械 主 要 由 视 觉 传 感 器 机 械 臂 和 末 端 执 行 器 构 成 如 图 1 所 示 在 机 械 自 动 化 采 摘 中 首 先 通 过 视 觉 系 统 检 测 并 定 位 作 物 8 以 确 定 最 佳 采 摘 位 置 随 后 机 械 臂 根 据 视 觉 信 息 精 确 移 动 至 目 标 点 通 过 路 径 规 划 算 法 9 确 保 高 效 移 动 并 避 免 碰 撞 到 达 目 标 后 末 端 执 行 器 执 行 采 摘 任 务 10 其 须 具 备 足 够 的 灵 活 性 以 适 应 不 同 作 物 的 采 摘 需 求 然 而 在 现 代 农 业 中 机 械 化 采 摘 面 临 识 别 精 度 低 环 境 适 应 性 弱 和 末 端 执 行 器 设 计 难 等 挑 战 需 加 强 技 术 研 发 平 衡 识 别 速 度 与 准 确 率 适 应 多 变 环 境 并 设 计 高 效 智 能 的 末 端 执 行 器 以 提 升 农 业 生 产 效 率 和 质 量 综 上 机 械 自 动 化 采 摘 通 过 运 用 视 觉 传 感 器 机 械 臂 和 末 端 执 行 器 等 关 键 组 件 并 采 用 路 径 规 划 算 法 实 现 对 作 物 的 精 确 检 测 和 高 效 采 摘 提 高 农 业 生 产 效 率 为 解 决 劳 动 力 短 缺 等 问 题 提 供 新 的 解 决 方 案 图 1 机 械 自 动 化 采 摘 图 Fig 1 Description of automated mechanical picking 1 末 端 执 行 器 2 机 械 臂 3 机 器 视 觉 系 统 2 机 械 自 动 化 采 摘 的 核 心 机 械 自 动 化 采 摘 是 使 用 传 感 系 统 收 集 环 境 信 息 来 进 行 感 知 和 定 位 通 过 路 径 规 划 操 纵 机 械 臂 并 使 用 路 径 规 划 和 控 制 方 案 以 到 达 目 标 采 摘 点 图 2 图 2 机 械 自 动 化 采 摘 组 成 Fig 2 Mechanical automated harvesting components 2 1 机 器 视 觉 识 别 系 统 2 1 1 作 物 采 摘 检 测 顶 生 作 物 采 摘 是 机 械 自 动 化 采 摘 技 术 中 的 关 键 环 节 其 核 心 在 于 准 确 识 别 作 物 的 采 摘 点 位 置 在 顶 生 作 物 采 摘 检 测 中 视 觉 传 感 器 通 过 感 知 作 物 信 息 确 定 采 摘 点 关 键 信 息 表 1 总 结 了 作 物 检 测 中 常 用 的 视 觉 传 感 器 类 型 特 点 检 测 方 法 以 及 具 体 的 应 用 案 例 Liu 等 11 在 菊 花 品 种 识 别 任 务 中 通 过 对 103 个 菊 花 品 种 图 像 进 行 特 征 提 取 与 高 维 映 射 并 融 合 关 键 特 征 信 息 成 功 构 建 了 识 别 模 型 实 现 了 78 的 识 别 准 确 率 为 菊 花 品 种 识 别 研 究 奠 定 坚 实 基 础 Qi 等 12 14 通 过 改 进 不 同 的 YOLO 模 型 针 对 非 结 构 化 环 境 中 不 同 品 种 的 菊 花 进 行 有 效 检 测 与 分 类 检 测 准 确 率 达 90 以 上 Park 等 15 则 采 用 改 进 的 YOLOv4 模 型 通 过 生 成 圆 形 边 界 框 进 行 菊 花 识 别 与 分 类 平 均 识 别 准 确 率 可 达 92 62 在 菊 花 识 别 研 究 的 基 础 上 Zhao 等 16 利 用 改 进 的 YOLOv5s 模 型 结 合 注 意 力 机 制 实 现 对 菊 花 开 花 期 与 萌 芽 期 的 精 准 识 别 平 均 精 度 提 升 4 5 个 百 分 点 32第 4 期 夏 浩 等 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 关 键 技 术 研 究 现 状 Nguyen 等 17 利 用 支 持 向 量 机 SVM 和 多 层 感 知 器 MLP 算 法 构 建 框 架 处 理 菊 花 图 像 根 据 颜 色 形 状 和 纹 理 特 征 对 菊 花 品 种 进 行 分 类 识 别 准 确 率 达 97 86 Gui 等 18 在 轻 量 化 设 计 思 路 下 改 进 YOLOv5 模 型 并 通 过 优 化 损 失 函 数 提 升 定 位 精 度 Zhang 等 19 则 将 改 进 的 YOLOv5 模 型 嵌 入 边 缘 检 测 设 备 实 现 茶 叶 单 目 标 和 多 目 标 的 高 效 检 测 平 均 准 确 率 高 达 94 52 然 而 复 杂 背 景 和 多 目 标 检 测 仍 需 进 一 步 研 究 Wu 等 20 在 茶 叶 嫩 芽 检 测 中 通 过 精 确 控 制 视 觉 传 感 器 的 距 离 和 倾 角 并 结 合 多 尺 度 深 度 图 像 特 征 成 功 将 识 别 准 确 率 提 升 至 92 40 Zhang 等 21 在 强 光 照 条 件 下 利 用 改 进 的 分 水 岭 算 法 对 茶 叶 进 行 识 别 与 分 割 提 高 了 分 割 准 确 率 使 茶 叶 嫩 芽 的 识 别 准 确 率 达 95 7 Xu 等 22 结 合 YOLOv3 算 法 和 DenseNet201 算 法 进 行 茶 叶 检 测 与 分 类 该 方 法 对 侧 视 茶 叶 嫩 芽 的 检 测 准 确 率 为 95 71 比 俯 视 茶 叶 嫩 芽 的 检 测 准 确 率 提 高 了 10 60 为 茶 叶 的 智 能 精 准 采 摘 提 供 参 考 Chen 23 Meng 24 等 分 别 通 过 对 YOLOv7 增 加 注 意 力 机 制 实 现 茶 叶 嫩 芽 的 高 效 检 测 平 均 检 测 精 度 均 达 到 较 高 水 平 此 外 Zhang 等 25 针 对 红 花 细 丝 检 测 提 出 了 一 种 改 进 的 Faster R CNN 模 型 利 用 聚 类 算 法 优 化 锚 框 尺 寸 提 高 了 检 测 效 率 对 红 花 细 丝 的 检 测 准 确 率 为 89 94 表 1 视 觉 传 感 器 的 不 同 特 点 和 方 法 总 结 Tab 1 Summary of different features and methods of vision sensors 作 物 菊 花 17 菊 花 15 茶 叶 22 茶 叶 27 红 花 25 红 花 29 特 征 彩 色 图 像 彩 色 图 像 彩 色 图 像 彩 色 图 像 彩 色 图 像 RGB D 图 像 传 感 器 LG Q52 手 机 三 星 S8 Ultra 索 尼 HDR XR350 V 和 佳 能 EOS 1200 D 相 机 Intel Realsense D435 i RGB D 和 佳 能 E700D 相 机 RGB D 机 和 Intel RealSense D435 相 机 方 法 支 持 向 量 和 多 层 感 知 器 算 法 对 菊 花 分 类 提 出 改 进 轻 型 检 测 系 统 以 判 定 菊 花 采 收 时 机 并 分 类 其 盛 开 程 度 结 合 YOLO v3 的 快 速 检 测 与 DenseNet201 的 高 精 度 分 类 实 现 了 嫩 芽 的 精 准 检 测 利 用 轻 型 的 YOLO v3 网 络 获 取 茶 叶 嫩 芽 边 界 框 同 时 提 出 基 于 点 云 处 理 的 茶 叶 采 摘 点 三 维 定 位 算 法 改 进 的 Faster R CNN 网 络 检 测 红 花 细 花 丝 采 用 改 进 的 粒 子 群 算 法 与 旋 转 矩 形 算 法 相 结 合 确 定 红 花 二 维 采 摘 点 性 能 准 确 率 97 86 平 均 精 确 率 均 值 92 62 嫩 芽 的 识 别 准 确 率 95 71 召 回 率 94 5 检 测 成 功 率 85 16 红 花 开 花 期 的 平 均 检 测 精 度 93 19 平 均 处 理 时 间 0 14 s 定 位 精 度 89 75 RGB 相 机 通 过 拍 摄 图 像 能 够 初 步 确 定 作 物 的 采 摘 信 息 但 由 于 拍 摄 角 度 距 离 等 因 素 采 摘 位 置 在 三 维 空 间 中 的 定 位 不 够 精 确 从 而 增 加 了 自 动 采 摘 的 难 度 并 为 检 测 算 法 带 来 了 挑 战 为 克 服 这 些 难 题 可 以 利 用 激 光 扫 描 仪 深 度 相 机 双 目 相 机 等 多 传 感 器 技 术 结 合 多 视 角 成 像 技 术 在 三 维 空 间 中 精 确 构 建 作 物 的 三 维 模 型 进 而 实 现 更 准 确 的 作 物 检 测 与 采 摘 Li 等 26 27 利 用 RGB D 相 机 获 取 茶 叶 图 像 结 合 深 度 图 像 对 茶 叶 进 行 三 维 重 建 获 取 茶 叶 三 维 点 云 探 索 在 三 维 空 间 进 行 茶 叶 采 摘 Chen 等 28 在 三 维 空 间 重 建 茶 叶 点 云 从 嫩 芽 点 云 中 寻 找 最 佳 顶 点 来 拟 合 嫩 芽 姿 态 获 取 茶 叶 几 何 特 征 三 维 点 云 数 据 相 较 于 二 维 图 像 其 丰 富 的 空 间 信 息 在 处 理 复 杂 问 题 时 具 有 显 著 优 势 通 过 对 作 物 三 维 点 云 的 分 析 能 够 更 准 确 地 估 计 其 姿 态 和 生 长 方 向 特 别 是 在 处 理 遮 挡 问 题 时 三 维 点 云 能 够 提 供 更 为 精 确 的 空 间 位 置 信 息 从 而 有 助 于 提 升 采 摘 的 准 确 性 和 效 率 2 1 2 顶 生 作 物 采 摘 点 定 位 采 摘 点 定 位 在 机 械 自 动 化 采 摘 中 占 据 核 心 地 位 直 接 决 定 末 端 执 行 器 能 否 精 确 识 别 并 选 择 性 采 摘 不 必 要 或 未 成 熟 的 作 物 定 位 精 度 受 到 检 测 技 术 精 确 度 作 物 生 长 条 件 等 多 重 因 素 的 显 著 影 响 表 2 展 示 了 不 同 方 法 用 于 定 位 采 摘 点 的 具 体 情 况 Zhang 30 Chen 31 等 均 从 茶 叶 的 预 测 框 中 识 别 出 待 采 摘 的 茶 叶 通 过 图 像 分 割 技 术 提 取 茶 叶 骨 架 从 而 确 定 采 摘 点 实 现 了 茶 叶 的 分 级 采 摘 Zhang 等 32 针 对 茶 叶 嫩 芽 图 像 采 用 语 义 分 割 方 法 对 嫩 芽 进 行 分 割 并 选 择 预 测 框 的 几 何 中 心 作 为 茶 芽 采 摘 点 的 二 维 坐 标 随 后 应 用 回 归 模 块 进 一 步 得 到 茶 叶 嫩 芽 采 摘 点 的 精 确 坐 标 Wang 等 33 研 究 利 用 Mask R CNN 生 成 茶 叶 掩 模 图 像 的 方 法 经 过 二 值 化 处 理 后 能 够 清 晰 地 呈 现 嫩 芽 叶 茎 的 图 像 通 过 筛 选 RGB 值 范 围 提 取 各 颜 色 矩 形 框 完 整 呈 现 茶 叶 形 态 并 以 茎 的 质 心 作 为 采 摘 点 实 现 了 精 准 定 位 Shuai 等 34 通 过 采 集 茶 叶 图 像 并 精 确 标 注 其 六 个 关 键 点 进 而 构 建 出 茶 树 的 二 维 骨 架 模 型 基 于 上 述 关 键 点 确 定 中 点 位 置 作 为 采 摘 点 实 现 了 对 单 叶 嫩 芽 和 一 芽 一 叶 的 精 准 定 位 Yan 等 35 利 用 RGB 色 彩 分 割 和 角 点 检 测 算 法 比 较 各 角 点 的 垂 直 坐 标 值 将 最 小 值 确 定 为 对 应 类 型 的 采 摘 点 结 果 表 明 嫩 芽 一 芽 一 叶 和 一 芽 两 叶 的 采 摘 点 识 别 准 确 率 分 别 为 82 52 90 07 和 84 78 Chen 等 36 研 究 针 对 茶 叶 一 芽 二 叶 情 况 进 行 识 别 将 茎 上 第 二 与 第 三 片 叶 子 间 区 域 的 质 心 设 为 采 摘 点 结 果 表 明 该 方 法 的 采 摘 定 位 平 均 准 确 率 达 到 84 91 Yang 33中 国 农 机 化 学 报 2026 年 等 37 利 用 获 取 的 茶 叶 的 边 界 框 和 坐 标 将 一 芽 一 叶 与 茎 分 支 处 和 次 级 叶 子 与 茎 分 支 处 的 交 点 确 定 为 采 摘 点 对 于 红 花 采 摘 点 定 位 Xing 等 29 依 据 红 花 的 颜 色 特 征 先 获 取 花 丝 质 心 与 最 小 外 矩 形 再 定 位 花 丝 与 果 球 连 接 处 的 圆 形 感 兴 趣 区 域 并 通 过 骨 架 算 法 提 取 花 丝 与 果 球 连 接 处 骨 架 在 骨 架 二 值 图 像 中 搜 索 坐 标 像 素 点 最 小 值 以 此 确 定 采 摘 点 表 2 作 物 采 摘 点 定 位 Tab 2 Positioning of crop picking points 作 物 茶 叶 30 31 茶 叶 32 茶 叶 33 茶 叶 34 茶 叶 35 茶 叶 26 红 花 29 采 摘 点 确 定 空 间 二 维 二 维 二 维 二 维 二 维 三 维 二 维 采 摘 点 定 位 方 法 提 取 茶 叶 骨 架 确 定 采 摘 点 选 择 预 测 框 的 几 何 中 心 作 为 茶 芽 采 摘 点 二 维 坐 标 以 茎 的 质 心 为 采 摘 点 构 建 茶 叶 二 维 骨 架 模 型 以 关 键 点 中 点 为 采 摘 点 通 过 RGB 分 割 和 角 点 检 测 确 定 采 摘 点 获 取 包 围 茶 叶 最 小 圆 柱 体 主 成 分 分 析 确 定 点 云 位 置 根 据 生 长 算 法 确 定 采 摘 点 依 据 红 花 颜 色 特 征 通 过 骨 架 算 法 确 定 采 摘 点 主 要 技 术 图 像 分 割 图 像 分 割 Mask R CNN 二 值 化 处 理 图 像 处 理 形 态 学 分 析 RGB 分 割 角 点 检 测 主 成 分 分 析 生 长 算 法 颜 色 特 征 提 取 骨 架 算 法 在 非 结 构 化 的 室 外 环 境 中 基 于 二 维 图 像 信 息 进 行 采 摘 点 定 位 时 常 受 到 不 同 天 气 光 照 条 件 及 作 物 遮 挡 等 多 种 因 素 的 影 响 这 些 因 素 均 可 能 导 致 定 位 误 差 因 此 相 较 于 仅 依 赖 二 维 图 像 利 用 三 维 空 间 信 息 进 行 采 摘 点 定 位 能 够 更 有 效 地 减 少 误 差 提 高 采 摘 效 率 Li 等 26 通 过 结 合 深 度 图 像 获 取 茶 叶 对 应 的 三 维 点 云 数 据 随 后 通 过 计 算 茶 叶 点 云 的 最 小 包 围 圆 柱 体 精 准 确 定 茶 叶 的 位 置 以 圆 柱 体 的 底 部 作 为 采 摘 点 实 现 了 茶 叶 采 摘 位 置 的 三 维 精 准 定 位 成 功 解 决 了 田 间 采 摘 点 不 可 见 的 难 题 Li 等 27 运 用 主 成 分 分 析 法 确 定 目 标 点 云 位 置 与 方 向 设 定 采 摘 轴 并 利 用 圆 柱 体 包 围 算 法 计 算 嫩 芽 点 云 中 心 平 面 然 后 通 过 生 长 特 性 确 定 采 摘 平 面 采 摘 轴 与 平 面 的 交 点 即 为 采 摘 点 实 现 田 间 茶 叶 的 三 维 定 位 但 仍 存 在 定 位 误 差 需 进 一 步 探 索 优 化 2 2 机 械 自 动 化 采 摘 系 统 2 2 1 机 械 臂 及 其 路 径 规 划 机 械 臂 是 由 多 个 可 移 动 关 节 和 刚 性 链 组 成 可 实 现 在 三 维 空 间 内 的 灵 活 操 作 机 械 臂 可 依 据 预 设 路 径 执 行 任 务 也 可 通 过 传 感 器 和 反 馈 系 统 实 时 调 整 以 适 应 不 同 环 境 因 此 在 复 杂 的 作 物 环 境 下 优 化 采 摘 机 械 臂 的 运 动 成 为 研 究 的 关 键 为 收 获 顶 生 作 物 研 究 人 员 开 发 了 许 多 机 械 臂 来 执 行 不 同 的 操 作 Latifinavid 等 38 研 究 了 三 自 由 度 并 联 稳 定 机 械 臂 将 机 械 臂 的 运 动 学 分 析 与 控 制 器 相 结 合 抑 制 来 自 基 座 平 台 的 干 扰 并 通 过 实 时 反 馈 稳 定 相 机 系 统 Cretescu 等 39 分 析 了 3 个 因 素 对 Delta 并 联 机 器 人 运 动 学 和 动 力 学 行 为 的 影 响 解 决 了 链 接 柔 韧 性 关 节 摩 擦 和 关 节 间 隙 对 并 行 机 器 人 动 态 行 为 的 累 积 影 响 为 后 续 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 连 续 作 业 提 供 帮 助 机 械 臂 在 执 行 任 务 时 需 要 在 其 工 作 空 间 内 解 决 复 杂 的 运 动 问 题 这 一 过 程 涉 及 从 起 始 点 到 目 标 点 选 择 最 优 或 较 优 路 径 以 实 现 高 效 且 无 碰 撞 的 移 动 这 一 技 术 被 称 为 路 径 规 划 采 摘 机 械 臂 的 路 径 规 划 算 法 主 要 包 括 群 优 化 算 法 图 搜 索 算 法 人 工 势 场 算 法 以 及 基 于 概 率 采 样 的 算 法 40 每 种 算 法 在 路 径 搜 索 效 率 空 间 复 杂 度 的 处 理 以 及 计 算 时 间 方 面 都 有 其 独 特 的 优 势 和 局 限 性 如 表 3 所 示 表 3 不 同 搜 索 算 法 比 较 Tab 3 Comparison of different search algorithms 方 法 群 优 化 图 搜 索 人 工 势 场 概 率 采 样 算 法 GA PSO ACO A Dijkstra D APF BUG PRM RRT 优 点 收 敛 速 度 快 适 应 性 强 避 碰 成 功 率 高 全 局 和 局 部 性 能 中 等 易 于 实 现 最 适 合 于 局 部 静 态 环 境 速 度 快 高 维 空 间 搜 索 速 度 快 试 验 依 赖 性 低 缺 点 收 敛 速 度 不 一 致 处 理 速 度 慢 稳 定 性 差 处 理 速 度 慢 高 维 动 态 性 能 低 次 优 解 不 适 合 动 态 环 境 非 最 优 的 路 径 解 落 在 局 部 极 小 值 为 解 决 采 摘 顺 序 问 题 Yang 等 37 采 用 改 进 的 蚁 群 算 法 对 机 械 臂 进 行 路 径 规 划 和 轨 迹 平 滑 并 针 对 茶 叶 采 摘 的 3 种 不 同 情 况 进 行 试 验 结 果 显 示 相 较 于 原 算 法 改 进 的 蚁 群 算 法 完 成 一 个 工 作 周 期 的 时 间 分 别 缩 短 31 3 32 5 和 34 2 Xu 等 41 将 茶 叶 采 摘 分 为 单 点 与 多 点 采 摘 2 种 方 式 采 用 蚁 群 算 法 对 这 2 种 方 案 进 行 优 化 后 相 较 于 单 点 采 摘 多 点 采 摘 策 略 显 著 减 少 了 采 摘 次 数 降 幅 达 31 44 同 时 平 均 消 耗 时 间 也 大 幅 缩 减 减 少 率 高 达 50 92 这 表 明 多 点 采 摘 在 提 升 采 摘 效 率 方 面 具 有 显 著 优 势 Wu 等 42 将 茶 叶 采 摘 区 划 分 为 4 个 采 摘 区 利 用 改 进 的 蚁 群 算 法 对 茶 叶 进 行 采 摘 路 径 规 划 通 过 对 比 6 种 算 法 的 规 划 结 果 对 比 改 进 后 的 算 法 的 收 敛 速 度 提 高 了 60 Lin 等 43 采 用 改 变 指 针 网 络 结 合 强 化 学 习 方 法 优 化 其 参 数 有 效 解 决 了 旅 行 商 问 题 并 针 对 3 种 不 同 采 摘 序 列 34第 4 期 夏 浩 等 顶 生 作 物 机 械 化 采 收 关 键 技 术 研 究 现 状 规 划 进 行 了 研 究 结 果 显 示 相 较 于 非 学 习 方 法 基 于 学 习 方 法 的 路 径 规 划 时 间 节 省 98 从 而 大 幅 提 升 采 摘 效 率 Zhang 等 44 通 过 引 入 角 度 诱 导 因 子 优 化 采 摘 轨 迹 以 及 实 施 二 次 路 径 优 化 对 红 花 采 摘 点 的 三 维 路 径 进 行 了 全 面 规 划 结 果 显 示 相 较 于 原 始 算 法 改 进 后 的 算 法 使 得 采 摘 总 长 度 显 著 缩 短 74 32 同 时 采 摘 时 间 也 减 少 0 957 s Li 等 27 分 别 采 用 遗 传 算 法 求 解 运 动 采 摘 顺 序 优 化 问 题 结 果 表 明 平 行 四 边 形 运 动 所 得 路 径 长 度 比 最 优 门 形 运 动 长 度 低 46 925 显 示 出 其 在 路 径 规 划 上 的 优 势 尽 管 机 械 自 动 化 采 摘 技 术 在 近 年 来 取 得 了 显 著 的 进 步 然 而 由 于 传 感 器 精 度 和 地 图 分 辨 率 的 限 制 路 径 规 划 往 往 难 以 达 到 极 高 的 精 确 度 相 比 之 下 三 维 空 间 路 径 规 划 能 够 更 精 准 地 指 导 机 械 臂 在 复 杂 环 境 中 的 移 动 从 而 显 著 提 高 采 摘 作 业 的 效 率 和 准 确 性 如 图 3 所 示 然 而 值 得 注 意 的 是 在 三 维 动 态 环 境 中 处 理 采 摘 路 径 会 变 得 更 加 复 杂 同 时 对 计 算 资 源 的 需 求 也 会 更 高 a 使 用 蚁 群 算 法 对 红 花 采 摘 路 径 规 划 b 使 用 改 进 蚁 群 算 法 对 红 花 采 摘 路 径 规 划 图 3 红 花 三 维 采 摘 路 径 规 划 Fig 3 Saffron 3 D picking path planning 2 2 2 末 端 执 行 器 末 端 执 行 器 作 为 机 械 自 动 化 采 摘 技 术 的 核 心 部 件 在 针 对 顶 生 作 物 采 摘 的 复 杂 环 境 中 其 设 计 必 须 综 合 考 虑 机 械 结 构 的 合 理 性 空 间 布 局 的 紧 凑 性 以 及 作 物 物 理 特 性 的 适 应 性 目 前 已 有 多 种 末 端 执 行 器 被 成 功 研 制 并 应 用 于 实 践 姬 长 英 等 45 设 计 了 一 种 手 推 式 梳 状 菊 花 采 摘 机 深 入 研 究 了 转 速 梳 状 间 隙 及 梳 状 工 作 深 度 对 采 摘 率 和 损 失 率 的 影 响 然 而 由 于 梳 子 齿 的 运 动 由