題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 田間自主行走式智能?chē)姙C(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)目前農(nóng)村勞動(dòng)力人口銳減，以及過(guò)量施用化肥與農(nóng)藥，所引起的社會(huì)與環(huán)境的雙重問(wèn)題，本課題研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的新型田間管理機(jī)器人。該機(jī)器人能完成對(duì)田間多類(lèi)耕作項(xiàng)目的智能作業(yè)，同時(shí)節(jié)省農(nóng)藥、化肥使用量45%以上。本項(xiàng)目已申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利一項(xiàng)，發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)，并提交了一份軟件著作權(quán)申請(qǐng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)，要想滿足糧食的產(chǎn)量穩(wěn)固的上升，解決人類(lèi)溫飽問(wèn)題，就必須使用化肥和農(nóng)藥來(lái)提高糧食的產(chǎn)量。然而，在當(dāng)今病蟲(chóng)草害的防治過(guò)中，傳統(tǒng)粗狂施藥方式造成的土壤板結(jié)、環(huán)境污染及“3R”（即殘留residuce，害物再猖獗resurgence和害物的抗藥性resistance）問(wèn)題日益嚴(yán)重。 針對(duì)我國(guó)目前農(nóng)村勞動(dòng)力人口銳減，以及過(guò)量施用化肥與農(nóng)藥，所引起的社會(huì)與環(huán)境的雙重問(wèn)題，本課題研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的新型田間管理機(jī)器人。該機(jī)器人主要由機(jī)械平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、視頻采集與智能分析系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、噴施系統(tǒng)、電力及氣動(dòng)等輔助系統(tǒng)構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)苗帶追蹤、苗草識(shí)別、蟲(chóng)災(zāi)判別、苗況分析等多種智能決斷，通過(guò)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、噴灑系統(tǒng)實(shí)施智能應(yīng)對(duì)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在田間自主行走與智能導(dǎo)航過(guò)程中，完成對(duì)田間多類(lèi)耕作項(xiàng)目的智能作業(yè)。本項(xiàng)目已申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利一項(xiàng)，發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)，并提交了一份軟件著作權(quán)申請(qǐng)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品發(fā)明的目的：針對(duì)目前農(nóng)村勞動(dòng)力人口銳減，以及過(guò)量施用化肥與農(nóng)藥，所引起的社會(huì)與環(huán)境的雙重問(wèn)題，研制了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的新型田間管理機(jī)器人。 基本思路：①采用triz理論，創(chuàng)建了田間智能?chē)娛┠Ｊ?。②采用CAD、CAE技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)并進(jìn)行優(yōu)化仿真。③運(yùn)用動(dòng)態(tài)視頻處理分析技術(shù)，完成苗帶定位、苗草識(shí)別、蟲(chóng)災(zāi)判別、苗況分析等多種智能決斷。④采用多下位機(jī)分布式并行通訊技術(shù)，完成對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航和智能?chē)姙⒌膮f(xié)調(diào)穩(wěn)健控制。⑤對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及噴灑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，保證執(zhí)行系統(tǒng)的可靠動(dòng)作。⑥通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化該系統(tǒng)，并實(shí)施性能檢測(cè)。 創(chuàng)新點(diǎn)：①應(yīng)用triz 理論，創(chuàng)建了機(jī)器人系統(tǒng)的智能?chē)娛┠Ｊ?。②采用多線程圖像算法，將苗帶定位、苗草分離、蟲(chóng)災(zāi)判別、苗況分析等多識(shí)別任務(wù)耦合為統(tǒng)一整體，有效保證了識(shí)別效率。③將多下位機(jī)分布式并行通訊技術(shù)與模糊控制方法相結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。④對(duì)梯形四桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；并采用蒙特卡洛與遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，對(duì)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，建立了補(bǔ)壓系統(tǒng)與噴灑量之間的函數(shù)關(guān)系。 技術(shù)關(guān)鍵：①轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的有序動(dòng)作，噴灑系統(tǒng)的精準(zhǔn)可靠，是該機(jī)器人實(shí)體可靠動(dòng)作的基礎(chǔ)。②識(shí)別算法的科學(xué)性、特征模式的合理性、程序編制的高效性將直接影響著自主導(dǎo)航與智能?chē)姙⒌臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。③智能識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的有序銜接，將直接影響著該機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)作的流暢性與可靠性。 主要技術(shù)指標(biāo)：①機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與苗帶絕對(duì)平均距離10cm②除草誤噴率：2%；③施肥誤噴率：3%
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ①科學(xué)的設(shè)計(jì)思路：根據(jù)triz理論對(duì)問(wèn)題分析剖解，提出了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，將自動(dòng)導(dǎo)航與智能?chē)姙⒓夹g(shù)相結(jié)合，用以解決傳統(tǒng)農(nóng)耕技術(shù)與勞動(dòng)力資源短缺和食品安全問(wèn)題之間的矛盾。 ②先進(jìn)的圖像處理算法：研究了基于圖像質(zhì)心擬合的路徑導(dǎo)航算法。針對(duì)苗草識(shí)別的技術(shù)難題，從時(shí)域和頻域空間內(nèi)提取雜草特征，并獲得了良好的技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)運(yùn)用Sumlink工具箱進(jìn)行算法可行性分析，開(kāi)發(fā)了友好的人機(jī)交互界面，有利于系統(tǒng)的推廣與移植。 ③有效的優(yōu)化方法：設(shè)計(jì)優(yōu)化了梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，建立基于蒙特卡洛與遺傳算法的噴頭參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)架進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，Ansys有限元分析。這使得整個(gè)機(jī)器有機(jī)結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器人性能穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了滿意值。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 暫無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓或技術(shù)授權(quán)方式，可將整個(gè)軟件和控制平臺(tái)移植到大馬力拖拉上，也可嫁接入GIS等系統(tǒng)
作品可展示的形式
- √實(shí)物、產(chǎn)品 □模型 □圖紙 □磁盤(pán) √現(xiàn)場(chǎng)演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- ⑴ 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 本作品實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化及智能化，只需要將機(jī)器人放在苗壟上，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，機(jī)器人便會(huì)沿苗帶行走，并對(duì)雜草使用除草劑噴灑，對(duì)弱苗實(shí)現(xiàn)液態(tài)施肥?；?理論作為研發(fā)指導(dǎo)方法，以精準(zhǔn)、高效、綠色為技術(shù)核心：將自動(dòng)導(dǎo)航與智能?chē)姙⒓夹g(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了苗帶跟蹤與弱苗補(bǔ)肥、壯苗除草。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與噴灑機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高了機(jī)構(gòu)的工作性能與效率。 ⑵ 適應(yīng)范圍、推廣前景、市場(chǎng)分析、經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 該機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，適用于田地和大棚起壟作物，變量施藥裝置大大減少了藥劑的使用，同時(shí)建立的噴頭參數(shù)優(yōu)化模型能保證施藥質(zhì)量，提高藥劑利用率。能在無(wú)人管理的條件下，對(duì)大面積苗田進(jìn)行精細(xì)看管，機(jī)器人以平均0.5m/s速度作業(yè)時(shí)能每天對(duì)約1公頃苗地進(jìn)行精心呵護(hù)，這將大大減少了人力、物力作業(yè)，極具富有商業(yè)開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)價(jià)值。該機(jī)器人非常適合于棚室作業(yè)，能在棚室內(nèi)自主行走作業(yè)，同時(shí)大大降低了藥劑使用量，這不僅減少對(duì)作業(yè)人員的身體損害，同時(shí)提高棚室作物產(chǎn)品品質(zhì)。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 隨著世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)，要想滿足糧食的產(chǎn)量穩(wěn)固的上升，解決人類(lèi)溫飽問(wèn)題，就必須使用化肥和農(nóng)藥來(lái)提高糧食的產(chǎn)量。然而，在當(dāng)今病蟲(chóng)草害的防治過(guò)中，傳統(tǒng)粗狂施藥方式造成的土壤板結(jié)、環(huán)境污染及“3R”（即殘留residuce，害物再猖獗resurgence和害物的抗藥性resistance）問(wèn)題日益嚴(yán)重。國(guó)外研究者在很早以前就研究采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)施變量噴灑以減少藥劑的使用，例如美國(guó)加州大學(xué)的Lee等人（1997）稱(chēng)他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一臺(tái)由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、精準(zhǔn)噴施系統(tǒng)等組成的智能雜草控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)植物性狀特征的差異，識(shí)別作物和雜草并確定其位置，噴施雜草和細(xì)小的植株。經(jīng)測(cè)定，與傳統(tǒng)噴霧方式相比，該系統(tǒng)能減少66%-80%的藥劑用量，目標(biāo)作物上的霧滴沉降效率提高了2.5-3.7倍。國(guó)內(nèi)方面發(fā)展起步較晚但進(jìn)步迅速，如2009年中國(guó)農(nóng)機(jī)院機(jī)電技術(shù)應(yīng)用研究所研發(fā)了一種智能化精準(zhǔn)噴藥除草機(jī)。系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)圖像自動(dòng)識(shí)別方法及機(jī)電控制方法的，保證除草噴藥機(jī)在田間作業(yè)過(guò)程中能正確地辨識(shí)作物與雜草，并根據(jù)雜草的分布狀況，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地開(kāi)啟相應(yīng)的噴頭，將除草劑灑向雜草，以節(jié)省農(nóng)藥和減少環(huán)境污染。這些系統(tǒng)存在共同的缺點(diǎn)體積龐大、缺少自動(dòng)導(dǎo)航裝置、不具有全智能性，非常不適合棚室作業(yè)。作業(yè)機(jī)具需要有動(dòng)力機(jī)具牽引，能耗較大，產(chǎn)品價(jià)格不菲，普通農(nóng)戶難以接受。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)沒(méi)有友好的人機(jī)接口，不適合農(nóng)民操作，因此適應(yīng)面窄，難以得到廣泛的推廣。
