Smart Agriculture ›› 2023, Vol. 5 ›› Issue (4): 16-32.doi: 10.12133/j.smartag.SA202308006
• 专题--面向智慧农业的人工智能和机器人技术 • 上一篇 下一篇
        
               		陈睿韵1( ), 田文斌1(
), 田文斌1( ), 鲍海波1, 李端2, 谢鑫浩3, 郑永军1, 谭彧1
), 鲍海波1, 李端2, 谢鑫浩3, 郑永军1, 谭彧1
                  
        
        
        
        
    
收稿日期:2023-07-31
									
				
									
				
									
				
											出版日期:2023-12-30
									
				
			基金项目:作者简介:通信作者:
					
        
               		CHEN  Ruiyun1( ), TIAN  Wenbin1(
), TIAN  Wenbin1( ), BAO  Haibo1, LI  Duan2, XIE  Xinhao3, ZHENG  Yongjun1, TAN  Yu1
), BAO  Haibo1, LI  Duan2, XIE  Xinhao3, ZHENG  Yongjun1, TAN  Yu1
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2023-07-31
									
				
									
				
									
				
											Online:2023-12-30
									
			
			Foundation items:National Natural Science Foundation of China(32171901)					
						About author:CHEN Ruiyun, E-mail: Chenruiyun2020@126.com
Corresponding author:摘要:
[目的/意义]作为未来农机装备的研究重点,农业轮式机器人正向着智能化与多功能化的方向发展。三维环境感知技术因其获取的信息量丰富、复杂环境下的鲁棒性和适应性好,成为了农业轮式机器人智能化无人作业的基础与关键,其发展水平直接影响到包括农业轮式机器人在内的无人农机的作业质量与效率。[进展]本文首先总结了农业轮式机器人和农业环境感知技术的发展现状,分析了不同类型农业轮式机器人的使用特点和应用现状。其次分析了在农业轮式机器人上实现三维环境感知所主要使用的感知设备及其对应的关键技术,重点阐述了基于激光雷达、视觉传感器和多传感器融合的农业轮式机器人三维环境感知技术的研究进展。[结论/展望]结合农业作业特点与实际需求,指出了农业轮式机器人三维环境感知技术在适用性、环境信息处理和感知效果等方面存在的一些问题,并提出了提升传感器的农业适用性、发展基于深度学习的农业环境感知技术、发展智能化的高速在线多传感器信息融合技术三个方面的建议,以期为农业轮式机器人三维环境感知技术发展提供参考与借鉴。
陈睿韵, 田文斌, 鲍海波, 李端, 谢鑫浩, 郑永军, 谭彧. 农业轮式机器人三维环境感知技术研究进展[J]. 智慧农业(中英文), 2023, 5(4): 16-32.
CHEN Ruiyun, TIAN Wenbin, BAO Haibo, LI Duan, XIE Xinhao, ZHENG Yongjun, TAN Yu. Three-Dimensional Environment Perception Technology for Agricultural Wheeled Robots: A Review[J]. Smart Agriculture, 2023, 5(4): 16-32.
 
												
												表1
主要农业轮式机器人分类及功能简介
| 应用场景 | 名称 | 功能简介 | 
|---|---|---|
| 田间生产轮式机器人 | 播种机器人 | 依托轮式移动机构行进,利用播种机构进行播种作业 | 
| 田间管理机器人 | 利用传感系统和智能控制系统等,完成喷药和追肥等田间生产管理作业 | |
| 大田收获机器人 | 用于大田作物的智能收获 | |
| 果园生产轮式机器人 | 除草机器人 | 通过环境感知和自主导航系统等完成果园作物间除草工作 | 
| 植保机器人 | 根据作物病虫害情况进行对靶喷药等智能植保作业 | |
| 收获采摘机器人 | 识别并定位成熟果实,并利用执行机构进行果实采摘 | |
| 设施农业轮式机器人 | 育苗机器人 | 根据作物种苗的生长情况实现智能移栽等功能 | 
| 作物巡检机器人 | 依托轮式移动机构行进,实时巡检作物生长状况 | |
| 畜牧养殖轮式机器人 | 饲喂机器人 | 用于畜禽的饲料投喂,使用轮式移动机构自主行进并投喂饲料 | 
| 养殖巡检机器人 | 实时巡检养殖场的环境状况和畜禽的养殖状况 | |
| 水产养殖轮式机器人 | 投饵机器人 | 用于部分场景下的水产品饵料投喂 | 
 
												
												表2
轮式机器人在农业领域的使用特点
| 类别 | 优点 | 缺点 | 说明 | 
|---|---|---|---|
| 单轮滚动机器人 | 1)地压较小,土壤压实和损伤植物的风险较小 2)结构轻便紧凑 | 1)承载能力弱 2)控制较为复杂 3)具有静态不稳定性 | 在农业领域较少应用 | 
| 两轮移动机器人 | 1)可在狭窄空间内移动 2)结构轻便紧凑 | 1)稳定性和平衡性较差 2)承载能力较弱 3)控制和操控较为复杂 4)对不同地形的适应能力较弱 | 在农业领域较少应用 | 
| 三轮及四轮移动机器人、多轮移动机器人 | 1)承载能力强 2)控制相对简单 3)稳定性和平衡性较好 4)对不同地形的适应能力较强 5)可搭载多种类型的传感器和设备,适用范围广 | 1)生产和维护成本较单轮与两轮移动机器人更高 2)机动性不如单轮与两轮移动机器人 3)地压较大,压实土壤损伤植物的风险较大 | 1)对不同工作场景的适应性强 2)鲁棒性和稳定性较好 3)具备长时间运行的能力 | 
 
												
												表4
基于多传感器融合的三维环境感知技术相关研究
| 作者 | 传感器方案 | 特点和效果 | 
|---|---|---|
| Underwood等[ | 单线激光雷达、全景相机 | 将激光雷达扫描系统获取的三维点云投影至图像中,通过建立的3D模型估计果树冠层体积,进而预测单株产量 | 
| Reina等[ | 多线激光雷达、双目相机、毫米波雷达 | 提出了一个立体相机与多线激光雷达的统计框架和一种立体相机与毫米波雷达融合方法用于障碍物检测,其中前者的检测准确率达到96.5% | 
| Yasukawa等[ | 深度相机、红外摄像机 | 基于红外摄像机和深度相机设计了一个番茄采摘机器人,前者用于检测番茄的果实,后者用于确定番茄的三维位置,检测正确率达到88.1% | 
| Benet等[ | 单线激光雷达、工业相机、IMU | 融合工业相机、单线激光雷达和IMU的数据进行果树行识别与直线拟合,当机器人以2 m/s的速度自动跟踪果行时平均横向误差在0.1~0.4 m之间 | 
| Yan等[ | 双目相机、深度相机、IMU | 将以双目相机和IMU为基础的视觉惯性里程计与深度相机进行融合,完成温室环境中的实时定位并建立三维地图 | 
| 褚福春[ | 多线激光雷达、IMU | 通过IMU提升激光雷达的定位精度,采集果园三维点云数据拟合出果树行直线,进而得到导航路径实现自主导航,0.8和1.0 m/s的速度下拟合的导航路径平均横向偏差分别为0.084和0.108 m | 
| 刘宇峰[ | 单线激光雷达、双目相机 | 单线激光雷达与双目相机分别获取障碍物定位数据与尺寸测量数据,进而实现自主导航农机单/多障碍物避障,最终平均测量误差为0.03 m、平均定位误差小于0.04 m | 
| 何蒙[ | 单线激光雷达、深度相机 | 在单线激光雷达获取周围环境点云数据的基础上使用深度相机剔除无效点,根据剩余目标位置实现棚架果园的导航。以0.3 m/s的速度行进时平均横向偏差在0.027 3~0.031 4 cm之间 | 
| 林乙蘅[ | 多线激光雷达、双目相机、INS、BDS | 使用多传感器融合的方法检测道路两侧果树及障碍物信息,构建环境三维点云图,完成路径规划与路径追踪,其中直线路径跟踪精度在0.02 m以下 | 
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