Smart Agriculture ›› 2025, Vol. 7 ›› Issue (5): 17-36.doi: 10.12133/j.smartag.SA202507040
• Special Issue--Opto-Intelligent Agricultural Innovation Technology and Application • Previous Articles Next Articles
LU Zaiwang1,2, ZHANG Yucheng1, MA Yike1(
), DAI Feng1, DONG Jie1, WANG Peng1, LU Huixian1, LI Tongbin1,2, ZHAO Kaibin1
Received:2025-07-29
Online:2025-09-30
Foundation items:Strategic Priority Research Program (Class A) of the Chinese Academy of Sciences(XDA28040000)
About author:LU Zaiwang, E-mail: luzaiwang21b@ict.ac.cn
corresponding author:
CLC Number:
LU Zaiwang, ZHANG Yucheng, MA Yike, DAI Feng, DONG Jie, WANG Peng, LU Huixian, LI Tongbin, ZHAO Kaibin. Progress and Prospects of Research on Key Technologies for Agricultural Multi-Robot Full Coverage Operations[J]. Smart Agriculture, 2025, 7(5): 17-36.
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URL: https://www.smartag.net.cn/EN/10.12133/j.smartag.SA202507040
Table 1
Common sensors for agricultural environment sensing
| 传感器类型 | 优点 | 缺点 | 感知距离/m | 典型农业场景 |
|---|---|---|---|---|
| RGB-D相机 | 提供彩色纹理图像、深度信息,适合目标识别;低成本易部署 | 强光/暗光下失效;雨雾穿透力差;计算复杂度高 | 0.1~5.0 | 果实采摘姿态引导、作物株高监测、育苗盘分拣 |
| 多光谱相机 | 能够识别作物生理状态;非接触式诊断 | 依赖光照条件;数据处理复杂;价格昂贵 | >0.5 | 病虫害早期预警、施肥差异图生成、产量预测 |
| LiDAR | 毫米级测距精度;强抗光照干扰;可进行三维点云重建 | 雨雪天气、高反射表面检测性能会下降;成本高 | 0.2~200.0 | 果园三维建图、地形坡度分析、避障识别 |
| 超声波雷达 | 成本低;抗粉尘/雾气干扰;简单易集成 | 易受温度影响;角度分辨率低;仅近距有效 | 0.02~5.00 | 农机底盘防撞、自主割草机边缘检测、料斗液位监测 |
| Radar | 全天气工作(雨/雾/尘);运动目标追踪能力 | 分辨率低(厘米级);金属干扰敏感 | 1~300 | 大型农机夜间导航、牲畜行为监控、土壤墒情估测 |
| IMU | 高响应频率(>100 Hz);不受外部环境干扰;短时精确定位 | 累积误差显著,需配合其他传感器 | — | 农机姿态防倾翻、崎岖地形运动补偿、播种机振动监测 |
| GNSS | 全局绝对定位;覆盖范围广 | 信号遮挡易失效,普通模块精度低(米级) | 全球覆盖 | 无人拖拉机路径跟踪、农田边界测绘、精准播种地理标定 |
Table 2
Satellite remote sensing of different spatial resolutions and their applications
| 分类 | 分辨率大小/m | 特点 | 示例卫星 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 低分辨率 | >20 | 覆盖范围广,但细节有限 | Landsat系列 | 气象观测、大范围环境监测 |
| 中分辨率 | >5,≤20 | 平衡覆盖范围与细节,适合区域级分析 | Sentinel-2 | 农业监测、土地利用分类、灾害评估 |
| 高分辨率 | >1,≤5 | 能识别较大的人造地物和自然特征 | 高分一号 | 城市规划、基础设施管理、精细化农业 |
| 超高分辨率 | ≤1 | 可清晰识别小型物体,适合最大细节的场合 | 高分二号, 吉林一号,WorldView系列,GeoEye | 精准测绘、国防安全、军事侦察、高精度资源调查 |
Table 3
Comparative analysis of multi-robot task allocation technologies for agriculture
| 分类 | 优化机制 | 典型方法 | 优势 | 局限性 | 计算复杂度 | 适用场景 | 相关文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 确定性方法 | 数学规划 | 动态规划, B&B,MILP | 保证解的最优性 | 计算复杂度高,难以扩展 | 高 | 小规模静态场景 | [ |
| 基于市场的方法 | 分布式竞价 | CNP, HBCA | 动态响应快,分布式执行 | 通信开销大,可能局部最优 | 中等 | 中等规模动态场景 | [ |
| 启发式方法 | 规则驱动 | GA, ACO, TS | 多目标优化,易于实现 | 解质量波动,参数敏感 | 中到高 | 中等规模动态场景 | [ |
| 基于学习的方法 | 数据驱动 | DDQN, GNN, | 适应高维状态,自主学习 | 需大量训练数据,泛化性待验证 | 训练高,推理低 | 复杂不确定场景 | [ |
Table 4
Comparative analysis of global coverage path planning technologies for agriculture
| 分类 | 优化机制 | 典型方法 | 优势 | 局限性 | 计算复杂度 | 适用场景 | 相关文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 几何分解方法 | 几何分割 | BD、MD、几何分解 | 适用于结构化环境 | 非凸环境下易过度分解 | 中等 | 结构化农田、简单障碍物场景 | [ |
| 基于网格的方法 | 离散空间遍历 | STC、APF-CPP | 简化问题求解、工业级应用成熟 | 大尺度区域计算复杂度指数增长 | 随尺度指数增长 | 中等规模复杂地形 | [ |
| 全局规划方法 | 连续路径生成 | Fields2Cover、MCFS、EE-CPP | 规划效率高、适合大规模场景 | 路径冗余 | 低 | 平方公里级农田、无密集障碍物区域 | [ |
| 基于学习的方法 | 数据驱动策略 | DRL+TSP、RL-CPP | 适应动态环境、支持可变网格地图、处理非结构化场景 | 依赖网络模型的构建 | 训练高,推理低 | 非结构化场景、自主探索场景 | [ |
Table 5
Comparative analysis of typical local path planning techniques for agricultural robots
| 分类 | 优化机制 | 典型方法 | 优势 | 局限性 | 适用场景 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基于模型的学习方法 | 综合以上两者的特点,保持可解释性和自适应性 | NN-MPC、 NEUPAN | 平衡模型精度与计算效率、减少对数据的依赖 | 需模型先验知识、训练复杂度较高 | 需实时控制的复杂系统 | [ |
| 基于模型的方法 | 利用数学或统计公式表示物理、先验知识,实现路径规划 | 图搜索基础:A*、D*、EBS-A* | 全局最优路径 | 计算复杂度高 | 结构化环境 | [ |
| 采样基础:RRT/RRT*、DWA | 高维空间适用 | 路径可能不光滑 | 高维空间 | [ | ||
| 优化基础: MPC、TEB | 动态优化能力强 | 计算成本高 | 动态控制 | [ | ||
| 基于学习的方法 | 通过数据驱动学习策略,无需显式建模 | CADRL、LSTM-RL、SCRL、AMCARL | 适应动态环境、支持复杂决策 | 依赖训练数据分布、奖励函数设计困难、真实场景泛化性弱 | 动态密集场景、多机器人协作 | [ |
Table 6
Comparative analysis of typical trajectory tracking technologies for agricultural robots
| 分类 | 优势 | 局限性 | 适用场景 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| PID | 结构简单,易于实现 | 复杂环境适应性差 | 平坦农田直线作业 | [ |
| LQR | 能耗优化,稳定性强 | 依赖精确模型,抗干扰弱 | 线性化路径跟踪 | [ |
| SMC | 强鲁棒性,抗参数扰动 | 存在抖振现象 | 复杂路面作业 | [ |
| MPC | 显式处理约束,优化性能 | 计算负担重 | 高速稳定作业 | [ |
| 智能控制 | 无模型自适应,环境适应性强 | 规则设计依赖经验,需大量训练数据 | 复杂非结构化农田 | [ |
| 协同控制 | 抗通信延迟,多机同步,自主保持队形 | 系统复杂度高,限于小型机器人集群 | 大规模多机编队,农机集群作业 | [ |
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