基本信息
- 項目名稱：
- 田間自主行走式智能噴灑機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對目前農村勞動力人口銳減，以及過量施用化肥與農藥，所引起的社會與環(huán)境的雙重問題，本課題研制了一種基于機器視覺技術的新型田間管理機器人。該機器人能完成對田間多類耕作項目的智能作業(yè)，同時節(jié)省農藥、化肥使用量45%以上。本項目已申請實用新型專利一項，發(fā)明專利一項，并提交了一份軟件著作權申請。
- 詳細介紹：
- 隨著世界人口的持續(xù)增長，要想滿足糧食的產量穩(wěn)固的上升，解決人類溫飽問題，就必須使用化肥和農藥來提高糧食的產量。然而，在當今病蟲草害的防治過中，傳統(tǒng)粗狂施藥方式造成的土壤板結、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）問題日益嚴重。 針對我國目前農村勞動力人口銳減，以及過量施用化肥與農藥，所引起的社會與環(huán)境的雙重問題，本課題研制了一種基于機器視覺技術的新型田間管理機器人。該機器人主要由機械平臺、驅動與轉向機構、視頻采集與智能分析系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、噴施系統(tǒng)、電力及氣動等輔助系統(tǒng)構成?？蓪崿F苗帶追蹤、苗草識別、蟲災判別、苗況分析等多種智能決斷，通過控制系統(tǒng)、驅動與轉向機構、噴灑系統(tǒng)實施智能應對動作，進而實現在田間自主行走與智能導航過程中，完成對田間多類耕作項目的智能作業(yè)。本項目已申請實用新型專利一項，發(fā)明專利一項，并提交了一份軟件著作權申請。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品發(fā)明的目的：針對目前農村勞動力人口銳減，以及過量施用化肥與農藥，所引起的社會與環(huán)境的雙重問題，研制了一種基于機器視覺技術的新型田間管理機器人。 基本思路：①采用triz理論，創(chuàng)建了田間智能噴施模式。②采用CAD、CAE技術設計虛擬樣機并進行優(yōu)化仿真。③運用動態(tài)視頻處理分析技術，完成苗帶定位、苗草識別、蟲災判別、苗況分析等多種智能決斷。④采用多下位機分布式并行通訊技術，完成對視覺導航和智能噴灑的協(xié)調穩(wěn)健控制。⑤對轉向機構及噴灑系統(tǒng)進行優(yōu)化，保證執(zhí)行系統(tǒng)的可靠動作。⑥通過試驗調整優(yōu)化該系統(tǒng)，并實施性能檢測。 創(chuàng)新點：①應用triz 理論，創(chuàng)建了機器人系統(tǒng)的智能噴施模式。②采用多線程圖像算法，將苗帶定位、苗草分離、蟲災判別、苗況分析等多識別任務耦合為統(tǒng)一整體，有效保證了識別效率。③將多下位機分布式并行通訊技術與模糊控制方法相結合，有效實現了多任務的協(xié)調動作。④對梯形四桿轉向機構進行了優(yōu)化；并采用蒙特卡洛與遺傳算法相結合的優(yōu)化方法，對噴灑系統(tǒng)進行了優(yōu)化，建立了補壓系統(tǒng)與噴灑量之間的函數關系。 技術關鍵：①轉向機構的有序動作，噴灑系統(tǒng)的精準可靠，是該機器人實體可靠動作的基礎。②識別算法的科學性、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航與智能噴灑的準確性和實時性。③智能識別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的有序銜接，將直接影響著該機器人系統(tǒng)動作的流暢性與可靠性。 主要技術指標：①機器人運動軌跡與苗帶絕對平均距離10cm②除草誤噴率：2%；③施肥誤噴率：3%
科學性、先進性
- ①科學的設計思路：根據triz理論對問題分析剖解，提出了基于機器視覺技術，將自動導航與智能噴灑技術相結合，用以解決傳統(tǒng)農耕技術與勞動力資源短缺和食品安全問題之間的矛盾。 ②先進的圖像處理算法：研究了基于圖像質心擬合的路徑導航算法。針對苗草識別的技術難題，從時域和頻域空間內提取雜草特征，并獲得了良好的技術指標。同時運用Sumlink工具箱進行算法可行性分析，開發(fā)了友好的人機交互界面，有利于系統(tǒng)的推廣與移植。 ③有效的優(yōu)化方法：設計優(yōu)化了梯形轉向機構，建立基于蒙特卡洛與遺傳算法的噴頭參數優(yōu)化的數學模型，對機架進行三維設計，Ansys有限元分析。這使得整個機器有機結合，在實驗過程中機器人性能穩(wěn)定可靠，各項技術指標都達到了滿意值。
獲獎情況及鑒定結果
- 暫無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 知識產權轉讓或技術授權方式，可將整個軟件和控制平臺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
- √實物、產品 □模型 □圖紙 □磁盤 √現場演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- ⑴ 技術特點和優(yōu)勢： 本作品實現了自動化及智能化，只需要將機器人放在苗壟上，按下啟動開關，機器人便會沿苗帶行走，并對雜草使用除草劑噴灑，對弱苗實現液態(tài)施肥?；?理論作為研發(fā)指導方法，以精準、高效、綠色為技術核心：將自動導航與智能噴灑技術有機結合，實現了苗帶跟蹤與弱苗補肥、壯苗除草。運用數學建模方法對轉向機構與噴灑機構進行參數優(yōu)化，提高了機構的工作性能與效率。 ⑵ 適應范圍、推廣前景、市場分析、經濟效益預測： 該機器人具有廣闊的應用價值，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，同時建立的噴頭參數優(yōu)化模型能保證施藥質量，提高藥劑利用率。能在無人管理的條件下，對大面積苗田進行精細看管，機器人以平均0.5m/s速度作業(yè)時能每天對約1公頃苗地進行精心呵護，這將大大減少了人力、物力作業(yè)，極具富有商業(yè)開發(fā)以及生產價值。該機器人非常適合于棚室作業(yè)，能在棚室內自主行走作業(yè)，同時大大降低了藥劑使用量，這不僅減少對作業(yè)人員的身體損害，同時提高棚室作物產品品質。
同類課題研究水平概述
- 隨著世界人口的持續(xù)增長，要想滿足糧食的產量穩(wěn)固的上升，解決人類溫飽問題，就必須使用化肥和農藥來提高糧食的產量。然而，在當今病蟲草害的防治過中，傳統(tǒng)粗狂施藥方式造成的土壤板結、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）問題日益嚴重。國外研究者在很早以前就研究采用機器視覺技術，實施變量噴灑以減少藥劑的使用，例如美國加州大學的Lee等人（1997）稱他們已經開發(fā)出一臺由機器視覺系統(tǒng)、精準噴施系統(tǒng)等組成的智能雜草控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據植物性狀特征的差異，識別作物和雜草并確定其位置，噴施雜草和細小的植株。經測定，與傳統(tǒng)噴霧方式相比，該系統(tǒng)能減少66%-80%的藥劑用量，目標作物上的霧滴沉降效率提高了2.5-3.7倍。國內方面發(fā)展起步較晚但進步迅速，如2009年中國農機院機電技術應用研究所研發(fā)了一種智能化精準噴藥除草機。系統(tǒng)是基于計算機圖像自動識別方法及機電控制方法的，保證除草噴藥機在田間作業(yè)過程中能正確地辨識作物與雜草，并根據雜草的分布狀況，實時準確地開啟相應的噴頭，將除草劑灑向雜草，以節(jié)省農藥和減少環(huán)境污染。這些系統(tǒng)存在共同的缺點體積龐大、缺少自動導航裝置、不具有全智能性，非常不適合棚室作業(yè)。作業(yè)機具需要有動力機具牽引，能耗較大，產品價格不菲，普通農戶難以接受。復雜機電系統(tǒng)沒有友好的人機接口，不適合農民操作，因此適應面窄，難以得到廣泛的推廣。
