植物保护机器人：高效解决农业难题

大田作物的植物保护作业包括喷药、施肥、中耕除草等，一般在作物不同的生长期进行。

1.喷药机器人

对于农田作物而言，有效地控制病害、虫害和杂草是获得高产、高品质农产品的重要保障，采取的措施包括生物方式、物理方式和化学方式。目前，化学喷药广泛用于大田的作物生产中，并且精确喷药和对靶喷药能最大限度地降低农药的使用量、保护操作者和保护生态环境。

日本开发的喷药机器人（见图6-56）已经商品化。该机器人能够自动沿路标和架设在地边的缆绳行走，轮子的外侧间距为320mm，可以通过较狭窄的通道。外置式的喷嘴能够将有压力的药液变成柱状并通过绕盘上的软管，由于绕盘与后轮轴连接，所以软管在机器人前进时从绕盘中抽出，在后退时又卷到绕盘上。

图6-56 喷药机器人

a）喷药机器人的结构 b）喷药机器人的原理图

机器人的前轮由电动机驱动，驱动轮由2个电动机以不同的速度分别驱动，分别用2个电瓶作为动力源，最小和最大速度分别为0.25m/s和0.5m/s。电缆上检测地磁的线圈通过每个线圈产生的感应电压的不同，驱动机器人沿电缆行走。此外，检测路标的地磁传感器可以引导机器人停止和转弯，同时也安装了倾斜度传感器。机器人可以选择3个自动作业模式（往返模式、转弯模式和自动模式）和人工操作。在往返模式中，当传感器检测到安装在通道两端的地磁盘时，机器人可以沿通道自动前进和后退，人工将机器人从一行移到相邻的一行；在转弯模式中，在完成一行的喷药作业后，机器人在地头移动到下一垄，当检测到地磁盘时，转入下一行进行作业；自动模式适合宽的通道和没有垄的长距离移动。

2.施肥机器人

大田作物的施肥机包括厩肥喷洒机、石灰撒布机、撒布机、尿液喷洒机和肥浆喷洒机。在水稻田的施肥作业中，人工在恶劣的地面和窄空间进行作业，非常艰苦，劳动强度大。

日本研制的施肥机器人（见图6-57）可以沿着水稻行自动行走，进行肥料深施，离地间隙为0.52mm，以汽油机为动力。

机器人有一个可以水平移动的转向支架和四轮驱动系统。每个轮子分别由不同的液压控制系统驱动，因此机器人不仅可以前进，还可以在小范围内侧向滑动。机器人安装了接触传感器和光传感器，光传感器由发射器和接收器组成，两个传感器可以检测作物行。用于支撑机器人机体的顶杆安装在转向支架的最前端，当轮子被提升后，可以支撑机体。

施肥装置包括1个泵、1个电动机和安装在支架前端的喷嘴。当机器人前进时，受压的肥料被注射到离地面15cm的地下。

机器人通过接触传感器可以沿作物行进行行走，并保证施肥的深度。液压控制系统通过仿形轮检测出对地高度，进而调整施肥装置的高度。松软水田中，由于车轮的打滑容易使单位面积的施肥量发生变化，所以通过仿形轮的转数检测出车辆的行走速度和距离，确保施肥量和施肥压力泵的转速。

图6-57 施肥机器人

a）俯视图 b）主视图

通过机架前端的接触传感器和光传感器来检测地头。一般地，水稻的插秧行通常与田埂平行，但地头的秧苗与中央的秧苗垂直。因此在地头，由于行距比株距大，接触传感器与水稻行的接触周期就会增大。与此同时，当机器人行走时，发射器发射的光要穿过作物行才能到达反射器，发射的光被作物行中断，机器人就会在地头停止作业。

地头转弯时，通过液压机构将顶杆下降到地面（见图6-58），顶起车体前轮部分，使前轮转向90°；然后升起顶杆，同时将转向支架旋转180°，使顶杆转到车体的后方；再将顶杆触地，顶起车体后轮部分，使后轮转向90°。这样，各个车轮都处于横向状态，以此姿态可以横向移动。由于转向支架调换了前后位置，正好使机器人后退进行施肥作业。

图6-58 正在旋转的机器人

3.除草机器人

目前，行间的杂草已经采用机械去除，但对于两株作物之间的杂草，还很难去除。除草的季节正好是作物生长的季节，如何从作物和土壤的背景中辨认出杂草是非常关键的问题。除草的方法有用化学除草剂的化学法、用机械的物理法以及用激光或火焰法。

（1）杂草的辨识 一些研究表明，土壤和绿色植物具有不同的分光反射特性，因此，研制出的传感器通过光源发射光线到地面，把反射光线分离成可见光线（V）和近红外光线（I）。根据反射率比，可以识别土壤和作物，还可以识别作物和小杂草（见图6-59）。

（2）火焰除草机 火焰除草法始于20世纪40年代的美国，到20世纪60年代，已经用于棉花、玉米、大豆、洋葱、葡萄、草莓等，火焰除草机也相继问世。(www.xing528.com)

韩国研制的火焰除草机（见图6-60）由燃烧器、燃烧角度控制、燃烧器支架、压力控制阀、气体控制杆、气罐等组成。燃烧器采用枪形（见图6-61），喷嘴直径1.0mm，可以喷射较热和较长的火焰，火焰温度最高能够超过840℃。

图6-59 红外线传感器的简图

图6-60 火焰除草机

图6-61 枪形燃烧器

图6-62 除草机器人结构示意图

（3）基于机器视觉的除草机器人 基于机器视觉的除草机器人（见图6-62）由视觉系统、机械手、末端执行器和移动机构组成。除草机器人的视觉系统包括初级视觉系统和第二级视觉系统。初级视觉系统的功能是在行车移动的过程中，对杂草进行检测。彩色摄像机，摄像机在800ms内就可以拍摄一张照片，可以实现实时检测。该系统可以实现图像获取、图像处理和将图像传输到第二级视觉系统。

第二级视觉系统的功能是要确定杂草和提供杂草的准确位置，以便修正除草机构的位置。该系统安装在机械手上，包括内置精确处理单元的单色摄像机、能够对准初级视觉系统检测的一个杂草辨别机。根据整体控制的要求，第二级视觉系统要在土壤背景的条件下抓取杂草的图像，确定其位置，与初级视觉系统的数值进行比较，最终将杂草的精确位置传递给控制系统，驱动末端执行器进行除草。

区分杂草和作物的颜色空间选择RGB空间，如图6-63所示是获取的原始图像，经过图像分割获取到如图6-64所示的图像，由此可以获得面积、周长和杂草的中心点（见图6-65）。小于内置阈值的目标是噪声，可以消除；大于内置阈值的目标是作物，余下的是杂草，将其中心位置传送到控制系统和第二级视觉系统中。这些值的获取是在离线的情况下进行的。

图6-63 杂草和作物的原始照片

图6-64 杂草和作物的图像分割

控制系统移动机器人到初级视觉系统提供的杂草的初始位置，末端执行器距离杂草30cm。第二级视觉系统采用数字信号，重新获得杂草的准确位置（见图6-66）。

图6-65 杂草的确定结果

图6-66 第二级视觉系统提供的杂草数字信号

机器人的机械机构包括机械手和一个由拖拉机牵引的移动台车。机械手有一个固定在台车上的三角形铁板，每个边分别固定两根轴，共同驱动末端执行器的上、下运动。移动台车在拖拉机的牵引下，可以跟随移动，并采用多种传感器检测台车的运动，及时对目标进行修正。

其末端执行器类似蔬菜多功能除草机器人的末端执行器，在这里不再叙述。