机械电子工程专题讲座结课论.docx

机械电子工程专题讲座课程回顾1.虚拟仪器技术发展及其机械电子工程中的应用 专题讲座课的第一节课是王书茂教授讲的虚拟仪器技术发展及其机械电子工程中的应用，查文献可知，虚拟仪器(Virtual Instruments, 简称VI) 的概念，最早是由美国国家仪器公司(National InstrumentsCorp. 简称NI) 于1986 年提出来的【2】，虚拟仪器的出现是仪器技术发展史上的划时代革命，它融合了现代计算机技术、通信技术和测量技术，其核心部件是软件，利用软件来控制高性能的模块化硬件，完成各种测试、测量和自动化的应用【3】。整个课程主要讲了虚拟仪器技术的发展历程以及在实际生产中的应用，从军事的导弹、卫星，到大田的检测管理系统设计。在课程中，王书茂教授也简单的阐述了虚拟仪器相较于传统仪器的优点，结合教授讲解以及查阅资料得知虚拟仪器的优点有：它突破了传统仪器在功能定义、数据处理显示与存储等方面的限制，对部分仪器硬件实现了软件化,降低了系统的研发成本并提高了系统灵活性【4】；对于传统仪器也能发挥作用的测量环境，虚拟仪器以其开发周期短、效率高、自动化测量、成本低廉等优势正在逐步取代；利用虚拟仪器的自动化检测和远程实时在线检测功能，将虚拟仪器应用于传统仪器难以胜任的测量环境，如有毒、危险、远程多参数测量环境下的实时参数检测；利用虚拟仪器的实时在线检测和网络化远程测控等功能，对设备运行故障进行诊断【3】；外伴随着图形用户界面(GUI)技术的高度发展,使得其实现友好人机交互界面，简单便捷。虚拟仪器加入了强大的软件接口功能, 对Lab-VIEW 与外部的应用程序,C 语言,WindowsAPI,Matlab 等编程语言实现了通信，这也极大地促进了虚拟仪器技术的发展【4】。同时通过展示自己团队对收获机械、设施农业、喷灌设备、拖拉机及农用运输车、种子加工设备等农业装备中的应用成果，如：2005年开发了基于虚拟仪器技术的机动车静侧翻测控实验台和机动车质心高度检测实验台, 机动车静侧翻测控实验台不仅能自动控制倾翻台、精确检测车轮法向支撑反力和倾翻角, 而且实现了实验台的动画仿真实时跟踪和数据动态回放; 机动车质心高度检测实验台可以对机动车(拖拉机) 质心高度进行快速精确检测, 同时系统还利用远端频率计数模块设计了标准信号发生器, 可以发出高精度低频方波信号, 提供系统自检和外部标准时钟信号等【5】，给我们阐述了虚拟仪器技术的广泛应用场合以及虚拟仪器技术发展的大好前景，也简述几个师兄的就业等情形，从教授的讲解中看到了专业的美好前景。整节课在轻松的环境下进行，最后老师也鼓励大家要注意培养提问题的好习惯。2.控制工程及嵌入式系统的发展及应用 专题讲座课的第二节课是谭彧教授讲的控制工程及嵌入式系统的发展及应用，课程主要从自动控制理论、自动控制系统组成、单片机、传感器、通讯接口等方面进行对工程控制和嵌入式系统专题的讲解。嵌入式系统的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、工耗严格要求的专用计算机系统。“嵌入性” 、“ 专用性” 与“ 计算机系统” 是嵌入式系统三个基本要素【6】。嵌入式操作系统具有的特点：（1）小巧。（2）实时性。（3）可装卸。（4）固化代码。（5）弱交互性。（6）强稳定性。（7）统一的接口【7】。最后老师也讲解了自己应用嵌入式系统在农业机器人的课题。比如：基于ARM 的农业机器人视觉系统研究、骑车摆正系统、农业装备性能检测、拖拉机液压悬挂系统仿真与试验研究、基于改进Hough变换的收获机器人行走目标直线检测等。3.光电红外及机械仿生技术的发展专题讲座课的第三节课是周强教授讲的光电红外及机械仿生技术的发展，课程主要涉及周强教授的对于光电红外的课题研究以及机械仿生技术的内容。印象最深刻的要数机械蚊子了。整个机器从外形到功能都极大的模仿了蚊子，这一类的机器在勘测、侦查等方面起着重要的作用，还有蝙蝠的超神波测距，鸟群的飞翔，莲花的不粘着水和杂物的叶子，响尾蛇的红外感应等等，都让人印象深刻。4.国外农业机器人的发展与研究专题讲座课的第四节课是来自国外的张勤教授讲的国外农业机器人的发展与研究。这一节也是我最感兴趣的，因为我的研究生课题也是农业机器人，在课堂上，张勤教授为我们陈述了农业机器人发展的必要性和可行性以及农业机器人广阔的发展空间，同时也给我们展示了很多国外先进的农业机器人技术，特别是张勤教授团队做的关于农业机器人的课题研究，比如：啤酒花收获机器人、振动式苹果收获机构、曲线自动驾驶以及除草机械等的研究和设计。从展示中也直观的看到了国内外的关于农业机器人研究的差距。最后的提问环节大家也是很积极，整个课堂氛围轻松愉快，也收获颇多。5.图像处理技术的发展及其在工程领域的应用专题讲座课的第五节课是陈兵旗教授讲的图像处理技术的发展及其在工程领域的应用。结合教授课堂讲解以及查阅资料得知，数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。这一过程包括对图像进行增强、除噪、分割、复原、编码、压缩、提取特征等内容，图像处理技术的产生离不开计算机的发展、数学的发展以及各个行业的应用需求的增长【8】。经过近年来的发展，现在的电子图像处理技术已具有了以下特点：更好的再现性；占用的频带更宽；适用面宽；具有较高的灵活性。数字图像处理的发展方向是：未来数据图像技术强调高清晰度、高速传输、实时图像处理、三维成像或多维成像、智能化、自动化等方向发展。未来数字图像处理技术强调操作、运用的方便性。更新的理论研究与更快的算法研究。课堂中也展示了很多陈兵旗教授关于图像处理的相关研究，如：大田栽植、收获机械的导航、果蔬收获识别系统、道路车辆车牌号的识别系统以及无损检测中的应用等。虽然看程序很头疼，但是看到最后的成果视频还是很惊讶和敬佩的。6.PLC技术发展及其在工农测控中的应用专题讲座课的第六节课是刘亮东副教授讲的PLC技术发展及其在工农测控中的应用，结合教授课堂讲解以及查阅资料得知，PLC 是一种用来控制工业的计算机，其硬件结构与常规的微型计算机基本相同，主要由电源、输入接口电路、输出接口电路、中央处理器、存储器等部分所构成。PLC 具有很强大的功能，它可以在比较恶劣的环境下工作【9】。PLC的应用场合也是很广泛的，用于开关量的控制；用于模拟量的控制；用于采集数据及处理。课程上刘亮东副教授也给我们展示了很多关于PLC应用的研究，如：基于PLC的青贮圆草捆打捆机控制系统设计、现代物理工程技术在种子播前处理中的应用研究等。7.单片机技术的发展及其在工农业测控中的应用 专题讲座课的第七节课是杨柳副教授讲的单片机技术的发展及其在工农业测控中的应用，结合教授课堂讲解以及查阅资料得知单片机，也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的发展趋势：低功耗CMOS 化 微型单片化 主流与多品种共存 大容量、高性能化 串行扩展技术性 低电压化 低噪声与高可靠性【10】。参考文献：【1】百度百科【2】/cgi-bin/bbstcon?board=DEE&root=982832807【3】国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望 伍星华；王旭；现代科学仪器 2011年8月【4】国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望 伍星华；王旭；现代科学仪器 2011年8月【5】虚拟仪器技术在农业装备测控中的应用 祝青园；王书茂；康峰,；张磊；陈度 仪器仪表学报 2008年6月【6】嵌入式系统的发展前景及其应用 贾峥 无线互联科技 2013年7月【7】嵌入式系统的发展与应用 邢晓敏 中国水运 2011年6月【8】数字图像处理技术的发展现状及趋势 张玮雄，刘建霞 科学之友 2012年3月【9】 浅谈PLC 技术的应用与发展 黄永林 科技经济市场 2014年5月【10】浅议单片机的发展趋势 李宝才 科技创新与应用 2012年6月农业机器人的发展的重点和难点摘要：农业机器人具有像人一样的信息感知和行动功能，可以减轻人的劳动强度，提高劳动生产率和作业质量，防止农药化肥等对人体的伤害。 在新的农业生产模式和生产实践中，农业机器人作为智能化的农业机械，必将得到越来越广泛的应用，成为现代农业的重要装备。本文通过查找资料的方法，简单阐述我国农业机器人未来的发展重点和难点。关键词：农业机器人；未来发展；应用实例一、国内外农业机器人发展现状1.1国外农业机器人发展现状由于经济上和技术上的特殊性，机器人在农业方面的应用相对比较滞后，自20世纪80年代起，以日本为代表的发达国家开始研制农业机器人。2011 年，日本农研机构和涉谷精机联合研制了草莓采摘机器人。以采摘机器人为代表的农业机器人可以提高生产效率，减轻农民的负担，在未来将会有较大的发展空间。【1】北欧科学家研发出了可用于除草的农业机器人，不但减少农民的劳动，而且还最大程度上减少化学除草剂的用量。韩国科学家研发的苹果采摘机器人具有4个自由度的机械手，其中3个为旋转机构与 1个移动机构，具有3m的工作空间，末端采用3指夹持器，为避免损伤苹果，采摘机器人同时配有压力传感器，利用CCD摄像头与光电传感器识别苹果，并在执行器下方安装收集袋，减少了苹果摘取存放的时间，加快了采摘速度，该采摘机器人对苹果识别的准确率达到83%，正常工作情况下采摘速度为6个/s。【1】英国科学家成功研制出能够测量蘑菇位置、大小，并进行修剪的蘑菇采摘机器人。法国科学家研发的分拣机器人能够在恶劣的环境下作业，能够区分大个番茄、樱桃并加以分拣同时，分拣机器人还可以分拣不同大小的土豆。1.2 我国农业机器人的发展现状我国对机器人的研究起步较晚。十一五以来，随着国家的不断重视以及有关政策的大力扶持，我国的农业机械化得到了快速发展，农业机器人及智能化农业装备以高效率 高精度、低强度、低能耗和环境友好为特点，显示了广阔的应用前景。目前，国内农业机器人主要有蔬菜采摘机器人、水果分选机器人、嫁接机器人和农业生产机器人。当前我国对于农业机器人的研究还处在基础阶段。中国农业大学研制出了果实采摘机器人试验样机，并进行了深入的研究 在果实识别 确定果柄位置等方面的研究取得了突破，形成了果实采摘机器人实验平台，应用图像处理技术对果实进行识别和定位，对果实的遮挡以及重叠等情况进行了数学建模，取得了一定的研究数据和研究成果。【1】南京林业大学研发的智能除草机器人，在切割杂草的同时，通过视觉传感器对图像分析后控制机械手臂将高浓度的除草药物涂抹在切口处，这样做既节约了药物，保证了良好的除草效果，又能减少喷洒农药时对空气及周边环境的污染。【1】上海交通大学研发的草莓收获机器人果柄检测成功率可达93%，草莓定位效率1个/s，草莓的破损率大约5%。中国农业大学研发的茄子采摘机器人也是利用视觉传感器测量果实与机械臂距离，测量距离在2757cm范围时，测量误差可被控制在 18mm内，机器人抓取成功率达89%，平均每次摘取耗时37s。【1】我国的农业机器人在精度、效率和可靠性方面，和国外相比还存在一定的差距，研究还主要集中在理论研究阶段，以图像分析和机械控制为主，研究对象主要以西红柿为主的球形水果，对其他果蔬的研究较少，大部分研究样机还没有真正形成市场化的商用智能化机器人。二、农业机器人的重点发展关键技术与相对成熟的工业机器人相比，农业机器人需要不断提高以下技术水平。(1)图像识别处理技术。图像识别是实现农作物生长环境控制、种植、除草、剪枝、采摘、植保、施肥和耕作等多种农业生产自动化必不可少的技术。任何一种农业生产机器人的正常工作均有赖于对作业对象的正确识别。【2】(2)定位技术。对于大范围行走的农业机器人而言，一个重要的研究课题就是建立确定机器人本体位置和行走方向的导航系统。近些年广泛使用卫星定位系统(GPS ) ，而我国目前正在推广的北斗导航未来将成为农业机器人田间定位的新方向。为了了解机器周围的环境，也可以使用地理信息系统(GIS )。【2】(3)生物传感器技术。研究生物体的化学、电学、光学和声学等特性，开发新的生物传感器是提高农业机器人工作可靠性和环境适应性，改善机器人作业质量的重要手段。(4)智能控制技术。对于农产品特征的复杂性，进行数学建模比较困难，因此基于模糊逻辑，神经网络和智能模拟技术的自学习功能十分必要。农业机器人可以在人工辅助条件下，不断进行学习，并记忆学习结果，形成自身处理复杂情况的知识库。三、我国农业机器人发展的方向(1)多模式识别。在农业机器人未来的应用中，应是以图像处理为主要的信号处理方法，辅以其他识别方式，以提高农产品采集识别的准确性。(2)智能算法应用。随着模糊控制的不断发展，特别是像农业生产这样难以建立合适数学模型的领域，通过控制算法的不断改进提高农业机器人的工作效率。(3)农业机器人的开放性。机器人控制系统应允许不同的设计人员与用户对硬件与软件等部分进行二次开发与应用，且应当对农业机器人进行模块化设计，根据不同的农业环境，以适应不同的工作要求，增加农业生产效率。【2】（4）农业机器人的多功能化。为提高效率、降低成本农业机器人，要尽可能实现功能用途多样化，要求其具有良好的通用性和可编程性。只要简单更换机械装置的终端执行器和操作软件，就可改变农业机器人的用途，提高其使用率才能促进应用。【2】（5）良好的适应性。农业机器人不仅作业对象复杂多变,而且作业环境复杂而恶劣,设施农业机器人经常是在高温高湿环境下作业；而农田机器人作业时，则经常要面对风、沙、雨和烈日的照射。因此,农业机器人必须具有良好的适应性,并可根据环境情况实现自适应调整,并且在实际工作中,可根据作物生长环境和生长状况,自动选择最佳作业内容与作业方法。【3】（6）操作简单化,价格低廉化。农业机器人操作者是农民，不是受过专业教育的机电工程师,因此要求农业