基本信息
- 项目名称：
- 田间自主行走式智能喷洒机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对目前农村劳动力人口锐减，以及过量施用化肥与农药，所引起的社会与环境的双重问题，本课题研制了一种基于机器视觉技术的新型田间管理机器人。该机器人能完成对田间多类耕作项目的智能作业，同时节省农药、化肥使用量45%以上。本项目已申请实用新型专利一项，发明专利一项，并提交了一份软件著作权申请。
- 详细介绍：
- 随着世界人口的持续增长，要想满足粮食的产量稳固的上升，解决人类温饱问题，就必须使用化肥和农药来提高粮食的产量。然而，在当今病虫草害的防治过中，传统粗狂施药方式造成的土壤板结、环境污染及“3R”（即残留residuce，害物再猖獗resurgence和害物的抗药性resistance）问题日益严重。 针对我国目前农村劳动力人口锐减，以及过量施用化肥与农药，所引起的社会与环境的双重问题，本课题研制了一种基于机器视觉技术的新型田间管理机器人。该机器人主要由机械平台、驱动与转向机构、视频采集与智能分析系统、自动控制系统、喷施系统、电力及气动等辅助系统构成。可实现苗带追踪、苗草识别、虫灾判别、苗况分析等多种智能决断，通过控制系统、驱动与转向机构、喷洒系统实施智能应对动作，进而实现在田间自主行走与智能导航过程中，完成对田间多类耕作项目的智能作业。本项目已申请实用新型专利一项，发明专利一项，并提交了一份软件著作权申请。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品发明的目的：针对目前农村劳动力人口锐减，以及过量施用化肥与农药，所引起的社会与环境的双重问题，研制了一种基于机器视觉技术的新型田间管理机器人。 基本思路：①采用triz理论，创建了田间智能喷施模式。②采用CAD、CAE技术设计虚拟样机并进行优化仿真。③运用动态视频处理分析技术，完成苗带定位、苗草识别、虫灾判别、苗况分析等多种智能决断。④采用多下位机分布式并行通讯技术，完成对视觉导航和智能喷洒的协调稳健控制。⑤对转向机构及喷洒系统进行优化，保证执行系统的可靠动作。⑥通过试验调整优化该系统，并实施性能检测。 创新点：①应用triz 理论，创建了机器人系统的智能喷施模式。②采用多线程图像算法，将苗带定位、苗草分离、虫灾判别、苗况分析等多识别任务耦合为统一整体，有效保证了识别效率。③将多下位机分布式并行通讯技术与模糊控制方法相结合，有效实现了多任务的协调动作。④对梯形四杆转向机构进行了优化；并采用蒙特卡洛与遗传算法相结合的优化方法，对喷洒系统进行了优化，建立了补压系统与喷洒量之间的函数关系。 技术关键：①转向机构的有序动作，喷洒系统的精准可靠，是该机器人实体可靠动作的基础。②识别算法的科学性、特征模式的合理性、程序编制的高效性将直接影响着自主导航与智能喷洒的准确性和实时性。③智能识别系统、控制系统、执行系统的有序衔接，将直接影响着该机器人系统动作的流畅性与可靠性。 主要技术指标：①机器人运动轨迹与苗带绝对平均距离10cm②除草误喷率：2%；③施肥误喷率：3%
科学性、先进性
- ①科学的设计思路：根据triz理论对问题分析剖解，提出了基于机器视觉技术，将自动导航与智能喷洒技术相结合，用以解决传统农耕技术与劳动力资源短缺和食品安全问题之间的矛盾。 ②先进的图像处理算法：研究了基于图像质心拟合的路径导航算法。针对苗草识别的技术难题，从时域和频域空间内提取杂草特征，并获得了良好的技术指标。同时运用Sumlink工具箱进行算法可行性分析，开发了友好的人机交互界面，有利于系统的推广与移植。 ③有效的优化方法：设计优化了梯形转向机构，建立基于蒙特卡洛与遗传算法的喷头参数优化的数学模型，对机架进行三维设计，Ansys有限元分析。这使得整个机器有机结合，在实验过程中机器人性能稳定可靠，各项技术指标都达到了满意值。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 知识产权转让或技术授权方式，可将整个软件和控制平台移植到大马力拖拉上，也可嫁接入GIS等系统
作品可展示的形式
- √实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 √现场演示 √图片 √录像 √样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- ⑴ 技术特点和优势： 本作品实现了自动化及智能化，只需要将机器人放在苗垄上，按下启动开关，机器人便会沿苗带行走，并对杂草使用除草剂喷洒，对弱苗实现液态施肥。基于 理论作为研发指导方法，以精准、高效、绿色为技术核心：将自动导航与智能喷洒技术有机结合，实现了苗带跟踪与弱苗补肥、壮苗除草。运用数学建模方法对转向机构与喷洒机构进行参数优化，提高了机构的工作性能与效率。 ⑵ 适应范围、推广前景、市场分析、经济效益预测： 该机器人具有广阔的应用价值，适用于田地和大棚起垄作物，变量施药装置大大减少了药剂的使用，同时建立的喷头参数优化模型能保证施药质量，提高药剂利用率。能在无人管理的条件下，对大面积苗田进行精细看管，机器人以平均0.5m/s速度作业时能每天对约1公顷苗地进行精心呵护，这将大大减少了人力、物力作业，极具富有商业开发以及生产价值。该机器人非常适合于棚室作业，能在棚室内自主行走作业，同时大大降低了药剂使用量，这不仅减少对作业人员的身体损害，同时提高棚室作物产品品质。
同类课题研究水平概述
- 随着世界人口的持续增长，要想满足粮食的产量稳固的上升，解决人类温饱问题，就必须使用化肥和农药来提高粮食的产量。然而，在当今病虫草害的防治过中，传统粗狂施药方式造成的土壤板结、环境污染及“3R”（即残留residuce，害物再猖獗resurgence和害物的抗药性resistance）问题日益严重。国外研究者在很早以前就研究采用机器视觉技术，实施变量喷洒以减少药剂的使用，例如美国加州大学的Lee等人（1997）称他们已经开发出一台由机器视觉系统、精准喷施系统等组成的智能杂草控制系统。该系统能根据植物性状特征的差异，识别作物和杂草并确定其位置，喷施杂草和细小的植株。经测定，与传统喷雾方式相比，该系统能减少66%-80%的药剂用量，目标作物上的雾滴沉降效率提高了2.5-3.7倍。国内方面发展起步较晚但进步迅速，如2009年中国农机院机电技术应用研究所研发了一种智能化精准喷药除草机。系统是基于计算机图像自动识别方法及机电控制方法的，保证除草喷药机在田间作业过程中能正确地辨识作物与杂草，并根据杂草的分布状况，实时准确地开启相应的喷头，将除草剂洒向杂草，以节省农药和减少环境污染。这些系统存在共同的缺点体积庞大、缺少自动导航装置、不具有全智能性，非常不适合棚室作业。作业机具需要有动力机具牵引，能耗较大，产品价格不菲，普通农户难以接受。复杂机电系统没有友好的人机接口，不适合农民操作，因此适应面窄，难以得到广泛的推广。
