設施農業(yè)專用噴霧機器人研究進展
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摘要：設施農業(yè)生產環(huán)境特征是高溫高濕，生長過程中病蟲害危險較大，病蟲害防治和根外追肥用工較多，對噴施人員健康影響較大。以自主研發(fā)的智能遙控噴霧器產業(yè)開發(fā)為平臺，研究基于RaspberryPi的智能噴霧機器人技術，填補了國內設施農業(yè)智能機器人高效噴霧技術的空白。
設施農業(yè)是將農業(yè)工程技術、農業(yè)機械化、農藝標準化與信息管理技術、環(huán)境控制技術有機結合的現代農業(yè)生產模式，是“互聯網+現代農業(yè)”的最重要方式，具有提高生產能力和抗風險能力、增強農業(yè)企業(yè)市場競爭力的優(yōu)點。大力發(fā)展設施農業(yè)，對促進我國農業(yè)現代化發(fā)展、保障農產品有效供給、促進農民增收致富都具有十分重要而深遠的影響。推進我國設施農業(yè)發(fā)展要以設施裝備、信息技術、環(huán)境智能控制技術為重點，以強化科技創(chuàng)新為核心，研發(fā)先進適用的設施農業(yè)機械裝備，加快發(fā)展設施農業(yè)智能化管理，不斷改善設施農業(yè)生產條件，提高設施農業(yè)有效供給能力。
1設施農業(yè)專用噴霧機器人研究的目標
設施農業(yè)生產環(huán)境最基本的特征高溫高濕，在為作物提供優(yōu)良生長條件的同時，也為大量植物病菌和部分害蟲的繁殖提供了很好的發(fā)育環(huán)境，使得設施農業(yè)生產具有高投入、高產出、高風險的特點。設施農業(yè)生長過程中的病蟲害危險增大，造成設施農業(yè)產品品質和產量降低，設施栽培的經濟效益下降。因此，必須盡快提高我國設施農業(yè)裝備水平，這樣才能提高設施農業(yè)生產的安全性，滿足居民對農產品質量要求，降低單位成本，提高設施農業(yè)生產效率，增強我國設施農業(yè)生產的綜合競爭力。噴霧機器人就是針對設施農業(yè)生產中病蟲害防治和根外追肥工作量大、噴霧質量要求高、封閉環(huán)境對噴藥人員健康危害大等關鍵因素開發(fā)的噴霧裝備。
2設施農業(yè)專用噴霧機器人研究歷程
針對設施農業(yè)生產中病蟲害防治和根外追肥要求，提高病蟲害防治效率，減少勞動力成本，保障設施農業(yè)生產人員身體健康，研發(fā)小組自主研發(fā)了智能遙控噴霧器產業(yè)開發(fā)平臺，研究基于RaspberryPi的智能噴霧機器人，填補了國內設施農業(yè)高效噴霧技術的空白。經過兩年多的探索和研究，關鍵技術取得重要進展。甘肅省科技廳于2017年及時立項支持噴霧機器人研發(fā)計劃，對研發(fā)人員給予大力鼓舞和支持，噴霧機器人的研究也取得了較大進展，目前研發(fā)已經進入中試階段，在參加第二屆蘭州科技博覽會展示期間，受到了廣泛的關注和市場認可。
3設施農業(yè)專用噴霧機器人研究進展
3.1研發(fā)平臺和基礎
噴霧機器人研究以恒豐公司智能遙控拉桿移動式溫室專用噴霧機為開發(fā)平臺，恒豐公司半自動遙控噴霧器獲國家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金支持，通過有關部門組織的驗收，實現了批量化生產，并具有良好用戶使用口碑。研發(fā)團隊在此基礎上開發(fā)全智能噴霧機器人，結合甘肅金瑞園農業(yè)科技有限公司智能機器人底盤、智能控制內核等自主成熟技術，具有良好的技術可靠性。
3.2噴霧機器人的自主開發(fā)
為了減少溫室噴施時農藥的浪費，有效控制農藥殘留污染，針對溫室栽培作物株行距較大的果菜類作物施藥的農藝技術要求，設置了對應行和壟溝的測距傳感器，實時采集噴桿到植株冠層的距離信息，通過信號調幅消除壟溝不平整產生的影響。將調幅后的冠層高度信息進行模式分析，從而達到精準噴霧，并且降低作業(yè)誤差[1]。利用JRY-2型履帶式農業(yè)機器人底盤，噴霧機器人已實現自主運動、自主工作，現階段研究團隊將進行機器人對工作環(huán)境數據的處理和在工作過程中機器人與操作人員的相關數據交流，數據交流技術是甘肅金瑞園農業(yè)科技有限公司在“日光溫室智能化控制器”中使用的成熟技術，該控制器已成熟運用于多家設施農業(yè)基地，具有較強的技術依托，能夠比較完整地移植于機器人數據交互應用[2]。
3.3噴霧機器人生產試驗情況
JRY-PW-2智能噴霧機器人從提案研發(fā)開始甘肅金瑞園農業(yè)科技有限公司以比例縮小的方式進行模型定制，同步實現實際工作要求，用于獲得控制程序及配件的可靠性論證，實驗階段模型具有良好的可靠性，各項功能完備。實地模擬試驗中設備能夠保證基本的使用功能，特別在JRY-2型機器人底盤的具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，使用過程中平穩(wěn)可靠[3]。采用這種結構具有以下幾個方面的優(yōu)勢：一是設計結構輕巧簡單，適應性較好[4]；二是采用履帶式移動裝置，在壟溝地面不夠平整時，具有一定的自動調節(jié)功能，實現平穩(wěn)作業(yè)；三是噴頭上升和下降過程中偏移較小，比其他升降機構噴施精度高；四是伺服電機搖臂和噴霧連桿在同一條直線上，有利于保護伺服電機，提高使用壽命。
3.4項目產品技術檢測情況
基于RaspberryPi智能噴霧機器人，其電動噴霧設備獲得技術鑒定成果，控制內核、噴頭導軌、機器人底盤甘肅金瑞園農業(yè)科技有限公司內部進行相關的技術鑒定，具有使用壽命長、控制平穩(wěn)、精準等特點。
4噴霧機器人使用的可靠性和安全性
JRY-PW-2智能噴霧機器人定型研發(fā)后，制作第一臺測試版本，用于測試設備運動控制、越野能力測試，測試過程中底盤運動平穩(wěn)，動力充沛，履帶式驅動方式在轉彎等地方具有較強優(yōu)勢。動力方面采用的2×8W直流電機，轉速為50r/min，采用低速電機在運動過程中除提供充沛的動力之外，具有較強的安全性。
5噴霧機器人發(fā)展前景
設施農業(yè)專用噴霧機器人研發(fā)基于RaspberryPi設計，具有智能化程度高、噴霧均勻、節(jié)省用藥、病蟲害防治效果好、設備成本較低等特點，經濟效益和生態(tài)效益顯著。我國日光溫室保有量基數大，智能化程度低，勞動強度大，噴霧機器人的批量化生產和推廣應用市場前景廣闊。
參考文獻
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[2]朱大奇，顏明重.移動機器人路徑規(guī)劃技術綜述[J].控制與決策，2010，(7).
[3]趙棟杰，張賓，王學雷，等.基于圖像矩的室內噴霧機器人自動對靶研究[J].農業(yè)機械學報，2016，（12）.
[4]李猛，孫維連，趙樹朋，等.農業(yè)噴霧機器人的機械結構創(chuàng)新設計[J].農機化研究，2018，(1).
作者：師麗麗 石建業(yè) 張小泉 石磊 李向偉 單位：定西市農業(yè)科學研究院
