基于人工智能的采摘機(jī)器人路線規(guī)劃研究

吳俊杰 鐘黎明

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州362000）

采摘工作是果蔬生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響著果蔬的生產(chǎn)價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值，而果蔬采摘的勞動(dòng)力成本會(huì)體現(xiàn)在果蔬的價(jià)格上。我國目前的果蔬采摘的主要方式是人工采摘，但隨著近年來農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量急劇下降以及人口老齡化問題加重，傳統(tǒng)人工采摘的時(shí)效性無法得到保證。采摘機(jī)器人的出現(xiàn)成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，因其作業(yè)成本低、采摘效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行業(yè)廣泛認(rèn)可[1]。我國對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)相較于其他國家起步較晚，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)嫁接技術(shù)等方面取得突破，但是在采摘機(jī)器人的智能化水平上還是落后于一些西方發(fā)達(dá)國家。將人工智能技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，能有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平和效率，通過計(jì)算機(jī)控制，使機(jī)器代替人類完成相應(yīng)的工作。

1 設(shè)計(jì)基于人工智能的采摘機(jī)器人路線規(guī)劃方法

1.1 提取人工智能技術(shù)特征

人工智能技術(shù)最初在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要是涉及播種、耕作和栽培，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和信息化水平不斷提高，土壤探測(cè)、病蟲害防治和采摘機(jī)器人的出現(xiàn)將人工智能水平上升到了另一個(gè)高度[2]。將農(nóng)作物的生長情況和采摘過程通過數(shù)據(jù)和圖像傳輸?shù)姆绞剑O(shè)置采摘機(jī)器人的具體操作步驟，將果蔬的成熟期和采摘面積由采摘機(jī)器人的終端進(jìn)行控制[3]。結(jié)合人工智能技術(shù)對(duì)農(nóng)作物的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像信息進(jìn)行整合和分析，以設(shè)定好的方式呈現(xiàn)給終端的工作人員，并對(duì)果蔬作物的采摘時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，一旦出現(xiàn)病蟲害或者遭遇極端天氣，將及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

1.2 搭建機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

搭建采摘機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，是為了保證采摘機(jī)器人的順利運(yùn)行。采摘機(jī)器人的機(jī)械臂必須具備高精度和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，才能保證采摘工作順利進(jìn)行[4]。因此，采摘機(jī)器人的機(jī)械臂必須具備高度的靈活性和一定的支撐能力，才能保證末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)找到最適合采摘的位置和角度。由于采摘工作的采摘對(duì)象的重量和大小都不相同，根據(jù)服務(wù)對(duì)象選擇不同重量型的機(jī)械臂[5]。在滿足采摘精度要求的基礎(chǔ)上選擇造價(jià)低的采摘機(jī)械臂，以降低采摘工作成本。根據(jù)采摘工作需求，選擇滿足下列參數(shù)的機(jī)械臂，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 采摘機(jī)器人機(jī)械臂參數(shù)要求

根據(jù)表1 的機(jī)械臂參數(shù)，將采摘機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)置成能精確控制和靈活運(yùn)動(dòng)的形式。由于采摘工作的工作環(huán)境多為崎嶇路面和地形復(fù)雜的地區(qū)，因此，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需具備較好的越野性能和越障能力，搭建出能夠自行調(diào)整高度和速度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，為采摘機(jī)器人行動(dòng)路線規(guī)劃做好準(zhǔn)備[6]。

1.3 規(guī)劃采摘機(jī)器人行動(dòng)路線

根據(jù)人工智能技術(shù)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭建，運(yùn)行采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器需要具有相當(dāng)大的抓取空間和一定數(shù)值的抓取質(zhì)量，針對(duì)采摘對(duì)象的外形特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[7]。一些成熟的果實(shí)與樹枝之間連接緊密，并且果實(shí)的果柄比較堅(jiān)硬，采摘難度相對(duì)較大，末端執(zhí)行器需要搭配特定的剪切設(shè)備才能順利采摘果實(shí)[8]。

根據(jù)以上步驟的信息，規(guī)劃采摘機(jī)器人行動(dòng)路線，根據(jù)采摘速度將采摘工作劃分為不同的階段。將采摘工作的速度曲線分成3 個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算公式如下：

其中，總位移表達(dá)為t，第一階段的位移為t1，第二階段的位移為t2，除了勻速段的3 個(gè)階段數(shù)值相等，用ka 表示，位移曲線的斜率為a。由于位移曲線都是連續(xù)的，在時(shí)間達(dá)到5 秒時(shí)，到達(dá)曲線終點(diǎn)；位移曲線呈上升趨勢(shì)，30 秒后到達(dá)曲線終點(diǎn)；三個(gè)階段的最大位移數(shù)值為45，在15 秒后到達(dá)曲線終點(diǎn)，位移變化比較平緩。確定采摘機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，規(guī)劃采摘機(jī)器人行動(dòng)路線，再利用公式（1）求得采摘機(jī)器人位移軌跡。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為搭載windows 的計(jì)算機(jī)，設(shè)定內(nèi)存大小為8GB、4 核，CPU 為NVIADIA GMX1060 16 GB；采摘機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)節(jié)的起始數(shù)值為（0.5，-1.25，1.35，1，0，1），設(shè)置為符合實(shí)驗(yàn)要求的（0.5，-0.23，-1.02，-2.49，-1.67，0）。同時(shí)，將采摘機(jī)器人技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 采摘機(jī)器人參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中路線規(guī)劃方法比傳統(tǒng)路線規(guī)劃方法的采摘工作效率提高了2.786%～7.202%，因此，文中路線規(guī)劃方法更加有效。

結(jié)束語

通過研究基于人工智能的采摘機(jī)器人路線規(guī)劃，設(shè)計(jì)出新的采摘機(jī)器人路線規(guī)劃方法，在一定程度上推動(dòng)了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。拓寬了人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍，完善了采摘機(jī)器人的研制和開發(fā)過程。在提高了農(nóng)業(yè)采摘生產(chǎn)效率的同時(shí)，還為學(xué)術(shù)界開展相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)。由于研究條件有限，文章對(duì)采摘服務(wù)對(duì)象方面總結(jié)得不夠全面，未來將不斷完善。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/組images/BZ_56_1395_422_1412_455.png 傳統(tǒng)路線規(guī)劃方法1images/BZ_56_1666_464_1683_497.png采摘工作效率(%)images/BZ_56_2042_332_2059_365.png傳統(tǒng)路線規(guī)劃方法2images/BZ_56_1876_464_1893_497.png傳統(tǒng)路線規(guī)劃方法3images/BZ_56_2083_464_2100_497.png文中路線規(guī)劃方法images/BZ_56_2279_464_2296_497.png1images/BZ_56_1388_539_1405_572.png 77.365images/BZ_56_1639_539_1656_572.png 76.438images/BZ_56_1845_539_1862_572.png 78.936images/BZ_56_2052_539_2069_572.png 81.229images/BZ_56_2263_539_2280_572.png2images/BZ_56_1388_618_1405_651.png 76.582images/BZ_56_1639_618_1656_651.png 78.441images/BZ_56_1845_618_1862_651.png 75.965images/BZ_56_2052_618_2069_651.png 83.106images/BZ_56_2263_618_2280_651.png3images/BZ_56_1388_700_1405_733.png 80.337images/BZ_56_1639_700_1656_733.png 81.022images/BZ_56_1845_700_1862_733.png 83.404images/BZ_56_2052_700_2069_733.png 86.559images/BZ_56_2263_700_2280_733.png4images/BZ_56_1388_779_1405_812.png 78.464images/BZ_56_1639_779_1656_812.png 79.502images/BZ_56_1845_779_1862_812.png 80.104images/BZ_56_2052_779_2069_812.png 82.936images/BZ_56_2263_779_2280_812.png5images/BZ_56_1388_861_1405_894.png 81.391images/BZ_56_1639_861_1656_894.png 82.709images/BZ_56_1845_861_1862_894.png 80.961images/BZ_56_2052_861_2069_894.png 83.747images/BZ_56_2263_861_2280_894.png6images/BZ_56_1388_940_1405_973.png 80.585images/BZ_56_1639_940_1656_973.png 79.984images/BZ_56_1845_940_1862_973.png 81.506images/BZ_56_2052_940_2069_973.png 83.662images/BZ_56_2263_940_2280_973.png7images/BZ_56_1388_1023_1405_1056.png 82.303images/BZ_56_1639_1023_1656_1056.png 81.229images/BZ_56_1845_1023_1862_1056.png 83.454images/BZ_56_2052_1023_2069_1056.png 86.908images/BZ_56_2263_1023_2280_1056.png8images/BZ_56_1388_1102_1405_1135.png 78.362images/BZ_56_1639_1102_1656_1135.png 77.956images/BZ_56_1845_1102_1862_1135.png 79.402images/BZ_56_2052_1102_2069_1135.png 83.509images/BZ_56_2263_1102_2280_1135.png9images/BZ_56_1388_1184_1405_1217.png 79.585images/BZ_56_1639_1184_1656_1217.png 80.227images/BZ_56_1845_1184_1862_1217.png 78.969images/BZ_56_2052_1184_2069_1217.png 85.713images/BZ_56_2263_1184_2280_1217.png10images/BZ_56_1395_1263_1412_1296.png 82.492images/BZ_56_1639_1263_1656_1296.png 81.567images/BZ_56_1845_1263_1862_1296.png 81.484images/BZ_56_2052_1263_2069_1296.png 84.553images/BZ_56_2263_1263_2280_1296.png11images/BZ_56_1395_1345_1412_1378.png 79.406images/BZ_56_1639_1345_1656_1378.png 84.228images/BZ_56_1845_1345_1862_1378.png 78.682images/BZ_56_2052_1345_2069_1378.png 86.292images/BZ_56_2263_1345_2280_1378.png12images/BZ_56_1395_1428_1412_1461.png 82.363images/BZ_56_1639_1428_1656_1461.png 81.407images/BZ_56_1845_1428_1862_1461.png 80.558images/BZ_56_2052_1428_2069_1461.png 84.589images/BZ_56_2263_1428_2280_1461.png13images/BZ_56_1395_1507_1412_1540.png 79.839images/BZ_56_1639_1507_1656_1540.png 80.621images/BZ_56_1845_1507_1862_1540.png 81.748images/BZ_56_2052_1507_2069_1540.png 83.629images/BZ_56_2263_1507_2280_1540.png14images/BZ_56_1395_1589_1412_1622.png 82.096images/BZ_56_1639_1589_1656_1622.png 81.489images/BZ_56_1845_1589_1862_1622.png 80.765images/BZ_56_2052_1589_2069_1622.png 83.474images/BZ_56_2263_1589_2280_1622.png15images/BZ_56_1395_1668_1412_1701.png 79.398images/BZ_56_1639_1668_1656_1701.png 80.965images/BZ_56_1845_1668_1862_1701.png 81.227images/BZ_56_2052_1668_2069_1701.png 84.794images/BZ_56_2263_1668_2280_1701.png16images/BZ_56_1395_1751_1412_1784.png 81.209images/BZ_56_1639_1751_1656_1784.png 82.307images/BZ_56_1845_1751_1862_1784.png 78.997images/BZ_56_2052_1751_2069_1784.png 83.296images/BZ_56_2263_1751_2280_1784.png17images/BZ_56_1395_1833_1412_1866.png 77.335images/BZ_56_1639_1833_1656_1866.png 78.964images/BZ_56_1845_1833_1862_1866.png 81.929images/BZ_56_2052_1833_2069_1866.png 84.537images/BZ_56_2263_1833_2280_1866.png18images/BZ_56_1395_1912_1412_1945.png 80.393images/BZ_56_1639_1912_1656_1945.png 81.206images/BZ_56_1845_1912_1862_1945.png 82.449images/BZ_56_2052_1912_2069_1945.png 85.037images/BZ_56_2263_1912_2280_1945.png19images/BZ_56_1395_1995_1412_2028.png 81.927images/BZ_56_1639_1995_1656_2028.png 80.663images/BZ_56_1845_1995_1862_2028.png 82.757images/BZ_56_2052_1995_2069_2028.png 86.820images/BZ_56_2263_1995_2280_2028.png20images/BZ_56_1395_2077_1412_2110.png 79.360images/BZ_56_1639_2077_1656_2110.png 82.393images/BZ_56_1845_2077_1862_2110.png 81.462images/BZ_56_2052_2077_2069_2110.png 84.443images/BZ_56_2263_2077_2280_2110.png

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