淺談智能化除草機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望

鐘啟鳴

摘 要：隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，智能化技術(shù)逐漸的應(yīng)用到了各個領(lǐng)域當(dāng)中，形成了各具特色的機(jī)器人系統(tǒng)，其中就包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作當(dāng)中，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作進(jìn)一步增強(qiáng)提供了保障。為了使其在實(shí)際工作中發(fā)揮出較大的作用，我們高中生作為祖國發(fā)展的棟梁，就對智能化除草機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望進(jìn)行了研究，首先概述了我國智能除草機(jī)器人的發(fā)展，然后重點(diǎn)的對其技術(shù)原理與重要技術(shù)進(jìn)行了分析，最后對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，為我國智能化除草機(jī)器人的發(fā)展做出了一定貢獻(xiàn)，更好的促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：智能化除草機(jī)器人；技術(shù)原理；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.115

0 引言

在我國歷史發(fā)展的過程中，農(nóng)業(yè)一直處于重要的地位，為我國經(jīng)濟(jì)的增長提供了良好的保障。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，從春播到秋收，通常需要進(jìn)行很多項工作，其中除草工作是其中主要的工作之一，該項工作進(jìn)行的好壞，會直接影響到農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。而當(dāng)前階段進(jìn)行該項工作時，通常是采用化學(xué)農(nóng)藥除草的方式，這種方式不僅效率不高，而且還會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，不滿足我國現(xiàn)今可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。因此，高中生的我們作為祖國未來的接班人，加強(qiáng)對智能化除草機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望進(jìn)行研究具有重要意義，為我國農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了一定保障。

1 智能除草機(jī)器人的發(fā)展概述

在我國社會發(fā)展的過程中，農(nóng)村人口一直占據(jù)很高的比例，具相關(guān)部門統(tǒng)計，當(dāng)前階段我國農(nóng)村人口超過了7.5億，將近占具我國總?cè)丝诳倲?shù)的60%。在這種情況下，雖然我國土地面積非常的廣闊，但是人均土地占有量不是很多，因此，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的過程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用程度還不是很高，并且在使用的機(jī)械設(shè)備中自動化程度較低，從而對我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究造成了嚴(yán)重的影響，與其他國家相比，我國的研究還非常落后[1]。而在我國當(dāng)前階段中，農(nóng)村人口老齡化問題逐漸加重，同事一些農(nóng)村又在逐漸的向著城市化的方向發(fā)展，導(dǎo)致農(nóng)村勞動力數(shù)量逐漸的減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常的進(jìn)行造成了嚴(yán)重影響，從而使原有的工作量使用更少的人員來完成，提高了人們的勞動強(qiáng)度，而且還增加了生產(chǎn)過程中的投入成本，不利于我國農(nóng)村的發(fā)展。

我國當(dāng)前的農(nóng)業(yè)除草工作中，主要有兩種方式，一種是人力除草的方式，這是一種古老的除草方式，是由我國古代人民總結(jié)出來的除草方式，這種方式不僅強(qiáng)度非常大，而且效率還不是很高，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)行，正在逐漸的被拋棄。另一種為化學(xué)農(nóng)藥除草，這種方式是根據(jù)一些化學(xué)成分對雜草的影響，殺死雜草中的細(xì)胞，從而達(dá)到了除草的目的。使用該種方式除草時，會對從社會造成一定的影響。首先可以將化學(xué)農(nóng)藥殘留到作物中，如對作物使用時清理不當(dāng)，就會導(dǎo)致這些化學(xué)成分進(jìn)入到人們的體內(nèi)，出現(xiàn)中毒的問題，從而對人們的身體健康造成嚴(yán)重的影響，不利于人們正常的生活；其次是我國缺少完善的農(nóng)藥使用標(biāo)準(zhǔn)，同時農(nóng)民還缺乏安全意識，在工作的過程中，常常使用錯誤的施藥方法，致使農(nóng)藥出現(xiàn)飄散的現(xiàn)象，不僅使農(nóng)藥的利用效率不是很高，而且隨著農(nóng)藥的飄散，還會對環(huán)境造成影響，不利于人們的生活與作物的生長[2]。

智能除草機(jī)器人研究的過程中，首先是美國、英國等國家對其進(jìn)行了研究，研究的相對較為完善，而我國當(dāng)前階段中，國家與社會逐漸加強(qiáng)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的除草工作的重視，開始了對智能除草機(jī)器人的研究，通過對國外技術(shù)的借鑒，也在開始自行的進(jìn)行研發(fā)。雖然我國研發(fā)的時間較晚，但是我國一直作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，對農(nóng)業(yè)的重視程度較高，也會加強(qiáng)對智能除草機(jī)器人研究的重視程度，在之后的研究過程中，一定會追趕上國外的先進(jìn)技術(shù)，形成我國獨(dú)特的智能除草機(jī)器人系統(tǒng)，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更好的進(jìn)行提供了良好的幫助[3]。

2 智能除草機(jī)器人的技術(shù)原理與重要技術(shù)分析

除草機(jī)器人中硬件系統(tǒng)起到了決定性作用，其中包括了很多部分，如PC處理機(jī)、末端執(zhí)行器等，通過這些部分起到的不同作用，才能使智能除草機(jī)器人發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

2.1 除草原理

在智能除草機(jī)器人工作的過程中，主要的工作原理為：首先要對田間各種類型的雜草與植物的信息進(jìn)行收集并分析，并將分析的結(jié)果存儲到相應(yīng)的硬盤當(dāng)中，為之后的工作提供良好的對照信息；然后進(jìn)行除草工作時，硬件中的攝像頭就會發(fā)揮出其應(yīng)有的作用，根據(jù)農(nóng)田的壟條形狀，對拍攝進(jìn)行調(diào)整，從而對每一條壟條進(jìn)行拍攝，并將拍攝的畫面通過傳送裝置傳輸?shù)絇C處理機(jī)中，之后PC處理機(jī)根據(jù)傳回的結(jié)果，與硬盤中的對照信息進(jìn)行比較。最后，根據(jù)比較出來的結(jié)果，對除草系統(tǒng)進(jìn)行控制，使除草系統(tǒng)在工作時，能夠與作物保持一定的距離，避免其對作物造成損害[4]。

2.2 除草的重要技術(shù)

（1）視覺影像技術(shù)。在智能除草機(jī)器人中，視覺影像技術(shù)是其中最為重要的一項技術(shù)，智能除草機(jī)器人運(yùn)動時，該項技術(shù)可以對環(huán)境進(jìn)行拍攝，拍攝出多個物體圖像，然后將該圖像傳輸?shù)较鄳?yīng)的計算機(jī)中，計算機(jī)就會對其進(jìn)行處理與分析，之后將分析的結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)就會根據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果對機(jī)器人進(jìn)行控制，從而準(zhǔn)確的尋找到作物的生長位置，保證該設(shè)備能夠正常的在田間行走，不會對作物造成影響。

在使用該技術(shù)時，主要有以下兩種方式。第一種是利用OCD-ICP的圖像配準(zhǔn)方法，在使用該種方法進(jìn)行應(yīng)用時，應(yīng)用了一定的圖形學(xué)原理，在圖像的邊緣處，根據(jù)農(nóng)田的實(shí)際情況，選取出多個邊緣角點(diǎn)，并結(jié)合相應(yīng)的篩選規(guī)則，對其進(jìn)行篩選，使邊緣角點(diǎn)不斷地優(yōu)化。當(dāng)其優(yōu)化到一定程度后，就要通過迭代最近點(diǎn)的方法對其進(jìn)行處理，從而得出最佳的配準(zhǔn)，從而確定出了作物的準(zhǔn)確位置；另一種方式是利用HSI顏色分量的顏色特征提取法，采用該種方式進(jìn)行運(yùn)行時，由于植物的高矮、性狀等存在差異，導(dǎo)致光照射到不同的植物上，會產(chǎn)生不同的光照強(qiáng)度、色調(diào)與飽和度，因此，在繪制圖像時，就會直接采用多閾值分割的方法對其進(jìn)行處理，將其以量化的形式體現(xiàn)出來，然后將這些量化后的顏色進(jìn)行組合，并提取出不同顏色中的特征，根據(jù)特征內(nèi)容的不同，將其分為不同的種類，最后將不同種類的特征進(jìn)行組合，是圖像達(dá)到了跟個的效果，從而完成了整個工作[5]。

在實(shí)際的智能化除草機(jī)器人中，一種視覺影像技術(shù)往往達(dá)不到要求，通常情況下是對兩者共同應(yīng)用，將兩者進(jìn)行了有效的融合，形成了一種更加先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，并在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出了良好的操作平臺，在該平臺中就會更好的進(jìn)行工作。當(dāng)前階段中，國外的研究時間較長，研究基本上比較完善，而我國研究的時間較短，相對來說還不是很完善，還有更加廣闊的發(fā)展空間[6]。

（2）機(jī)械控制技術(shù)。在智能化除草機(jī)器人中，另一重要的組成部分就是控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能的好壞直接影響了整個設(shè)備的工作性能。通過視覺影像技術(shù)得到的圖片信息，控制系統(tǒng)對其運(yùn)動進(jìn)行控制，從而使其達(dá)到了運(yùn)動除草的目的。

在當(dāng)前智能除草機(jī)器人當(dāng)中，對該種技術(shù)的應(yīng)用主要有以下兩種方式。第一種為建模分析的方式，在使用該種方式進(jìn)行應(yīng)用時，當(dāng)圖片信息進(jìn)入到該系統(tǒng)后，就會將其導(dǎo)入到相應(yīng)的三維軟件中，該軟件就會根據(jù)圖像的信息，建立出相應(yīng)的模型，然后通過該軟件具有的仿真功能，模擬出農(nóng)田的不同環(huán)境，并根據(jù)農(nóng)田的環(huán)境，來對機(jī)器人的移動進(jìn)行設(shè)計，從而使其達(dá)到了移動的目的。并且，在這一過程中，還會根據(jù)相應(yīng)的動力學(xué)原理，對機(jī)器人運(yùn)行的效果進(jìn)行研究，計算出其不可測的滑移量。在計算出該數(shù)據(jù)之后，將其輸送到控制器中，從而使其進(jìn)一步對移動進(jìn)行設(shè)計，產(chǎn)生出相應(yīng)的補(bǔ)償控制器，這時就會將其導(dǎo)入到三維軟件與商業(yè)數(shù)學(xué)軟件中，利用兩者來對其進(jìn)行仿真。通過該仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用該種控制方法對機(jī)器人進(jìn)行控制時，效果較好，使其運(yùn)行的距離更加精確，對作物產(chǎn)生的破壞影響較小；另一種對數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行了一定的應(yīng)用。在當(dāng)前階段中，隨著社會的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了快速的發(fā)展，使其更加的完善，具有了更加強(qiáng)大的功能，被廣泛的應(yīng)用在我國的各個領(lǐng)域中，為各領(lǐng)域發(fā)展提供了良好的幫助。在智能化除草機(jī)器人中的應(yīng)用，不僅可以使機(jī)器人更有效的對外部信息進(jìn)行采集，而且還會加強(qiáng)其對環(huán)境的理解，為機(jī)器人正常的運(yùn)行提供了保障[7]。并且在機(jī)器人運(yùn)行的過程中，主要包括了兩個方面的工作內(nèi)容，一個是對其自身的運(yùn)動進(jìn)行檢測，另一個為對目標(biāo)的跟蹤，在使用該技術(shù)后，就能夠達(dá)到這兩項工作內(nèi)容的要求，使機(jī)器人能夠更好地對雜草進(jìn)行識別，并將識別的信息輸送到傳感器中，其內(nèi)部的執(zhí)行部門就會對機(jī)器人下達(dá)準(zhǔn)確的行動命令，從而使其安全、穩(wěn)定的移動到規(guī)定的位置，之后對其除草操作進(jìn)行命令，從而使其完成整個除草的工作。

3 智能除草機(jī)器人的發(fā)展趨勢

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，對各項工作具有了更加嚴(yán)格的要求，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作作為我國社會發(fā)展中重要的組成部分，對其的要求也逐漸增加，因此使其向著現(xiàn)代化的發(fā)展具有重要的意義。在其之后的發(fā)展中，主要向著以下兩個方向發(fā)展。首先智能化除草機(jī)器人是在自然條件下應(yīng)用的，人們無法對自然現(xiàn)象進(jìn)行控制，使得與其他類型機(jī)器人的工作環(huán)境相比，具有多變的特點(diǎn)，對工作性能具有更高的要求。因此，在其之后的研究過程中就要向著更加智能化的方向發(fā)展。在之后的研究過程中，就要進(jìn)一步對上述兩種技術(shù)進(jìn)行研究，使其發(fā)展的更加完善，不僅使機(jī)器人在工作中發(fā)揮出更大的作用，而且還可以降低制造的成本，能夠更加廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；其次在當(dāng)前的智能化機(jī)器人工作中，通常是電力能源為其提供動力，在其運(yùn)行中，會消耗大量的電能，這樣為了滿足其對電力的需求，電力系統(tǒng)就會增加對電力的需求，從而提高了對煤炭等資源的消耗，而且機(jī)器人在工作中還常常會發(fā)生電量不足的問題，使其突然停止運(yùn)行，降低了其工作效率。因此，在其之后的發(fā)展中還要向著節(jié)能的方向研究。在該研究中，可以對耗能系統(tǒng)進(jìn)行研究，降低機(jī)器人的運(yùn)行功率，減少其運(yùn)行過程中消耗的電力能源，而且還可以對新能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，在機(jī)器人運(yùn)行時能夠利用自然環(huán)境中的太陽能、風(fēng)能等自然能源，降低了其對電能的需求，從而可以達(dá)到節(jié)能的目的[8]。

4 總結(jié)

綜上所述，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用智能化除草機(jī)器人后，不僅可以提高除草的效率，是農(nóng)作物更好的生長，而且還有效的對環(huán)境做出了保護(hù)，對我國社會的發(fā)展具有重要的影響。而在當(dāng)前階段實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中，智能化除草機(jī)器人應(yīng)用的還不是很廣泛，還沒有形成一定的估摸，因此，本文作者就根據(jù)自己對其了解的程度，對智能化除草機(jī)器人進(jìn)行了研究，為其更好的在實(shí)際工作中應(yīng)用提供了一定保障。但是，一個人的力量終歸是有限的，這就要加強(qiáng)國家與社會各界對其的重視程度，通過人們共同的努力研究，使其更加的完善，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的發(fā)展提供了更有力的保障。

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