《农业物联网应用技术》课件-8 农业物联网应用-农业机器人

农业物联网应用项目八

农业物联网应用——农业机器人知识目标1.了解农业机器人的背景和应用领域。2.了解现代农业机械设备。3.熟悉播种机器人的组成结构和工作原理。技能目标1.能够叙述常见的现代农业机器人的基本原理。2.能够查阅相关的农业机器人文献资料。3.叙述常见的农业机器人的组成和应用。素质目标1.形成农业信息化意识。2.增强对农业机械化的认识。项目描述20世纪80年代，一些发达国家就已经开始致力于农业机器人的研发工作，并相继研制出了嫁接、扦插、移栽和采摘等多种农业机器人。机器人在农业领域的出现和应用，为这些国家的农业自动化、精准化、智能化发展带来了强劲动力。案例导入机器人是一种自动化的机器，所不同的是，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。当拥有悠久历史的农业与具有新鲜活力的人工智能技术相结合，农业就插上了“智慧”的翅膀。能够服务于农业生产的机器人统称为农业机器人(图8-1)。按照功能不同，农业机器人可分为嫁接机器人、收获机器人、田间管理(喷药、除草等)机器人、耕作机器人、园艺机器人、搬运机器人、畜牧生产机器人、农畜产品处理机器人等。耕耘作业是一项繁重又单纯的作业，因此它更倾向于使用机械，耕作机器人已经达到了实用阶段，它是在原有的拖拉机基础上加装一些磁方位传感器、电脑等自动调整机械从而能够辨别、判断自身的位置及前进方向。日本机电技术研究室开发了一款耕作机器人，该机器人在耕作场内可以进行辨别、判断自身位置和前进方向，耕作效率与有人操作时相同。法国研制的耕作机器人利用微机控制，工人只需要在键盘上发出指令，就可以完成各种操作。芬兰开发的耕作机器人具有GPS和陀螺仪，拖拉机的自主行走也是利用超声波速度计来确定方向和距离的。1.耕作机器人喷药机器人上一般装有感应传感器、自动喷药装置、压力传感器等(图8-2)。在果园内，喷药机器人可以沿着铺设好的感应电缆或者电磁信号行走。机器人的控制系统加入视觉传感器以感应树木信号进行自动喷药，喷药机器人的前面有障碍物传感器或超声波传感器，可以识别方向自动转弯，遇到障碍就停止行走或者停止喷药。目前，随着科技的进步，越来越多的喷药机器人投入使用，不仅避免了农药对人的伤害，还提高了作业效率。2.喷药机器人除草机器人是由电子计算机操作并用雷达控制的无人驾驶机械。德国研制出一款可以准确施用除草剂除草的机器人，该机器人采用了全球定位系统(GPS)、计算机和多用途拖拉机综合技术。它的特点是机器人到达杂草多的地块时，GPS接收器就会对杂草的坐标进行定位，喷雾器就会自动喷洒除草剂。英国开发了一款除草机器人，它是利用计算机扫描和图像分析，层层推进除草作业。日本开发的割草机前端装有摄像机，利用图像处理判断分割区域，实现自动驾驶。荷兰开发了一款除草机器人，该机器人利用图像识别技术，操作者只需要远程在平板电脑上面操控就可以实现自动除草、自动收集，还可以对养殖场的牛进行自动投喂青草。3.除草机器人以西瓜采摘机器人为例，它采用油压驱动，降低了成本。驱动装置一方面实现机械手的驱动，另一方面实现车辆的行走。机械手由连杆机构和手指组成，手指尖端装有滑轮，当机械手抓西瓜时，手指滑轮沿着西瓜的表面边滑动边下降，当达到下端时就停止。上升时利用西瓜的自重使机械手自锁，从而抓取西瓜。利用手上附加的传感器感知西瓜的重量，实现西瓜的自动分级。该机器人还可以根据西瓜挂果日期，利用颜色卡片标识识别西瓜成熟情况并进行采摘。日本发明了一个能够采摘草莓的机器人。该机器人装有一组摄像头，能够精确捕捉草莓的位置，还有配套软件能根据草莓的红色程度来确保机器人采摘的是成熟的草莓。虽然此机器人目前只能采摘草莓，但可以通过修改程序来采摘其他果蔬，如葡萄、樱桃等(图8-3)。4.采摘机器人播种是耕作的基本过程。根据传统，农民用手撒种子；现代机械出现后，农民使用装有追踪器的播种机来播撒种子。播种机器人外形像一部小汽车，它一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统组成。执行机构发出机器人的系统指令。驱动装置的作用是驱使执行机构运动，并按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行工作。检测装置可实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。控制系统常用于负责系统的管理、通信、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息。5.播种机器人在农业生产中，将各种果实分拣归类是一项必不可少的农活，往往需要投入大量的劳动力。英国西尔索农机研究所的研究人员开发出一种结构坚固耐用、操作简便的果实分拣机器人，从而使果实的分拣实现了自动化。它采用光电图像辨别和提升分拣机械组合装置，可以在潮湿和泥泞的环境中工作，它能把大个西红柿和小粒樱桃加以区分，然后分拣装运，也能将不同大小的土豆分类，并且不会擦伤果实的外皮。6,果实分拣机器人任务实践(1)通过课后调研，了解除已学的农业机器人外，还有哪些农业机器人。(2)分析已学农业机器人都用到了哪些关键物联网技术，这些技术又是如何实现的。任务评价(1)根据调研结果进行评分，注重调研的全面性及实时性(加分项)。(2)评分标准：是否能够完全答出现有农业机器人所运用的物联网技术，以及这些技术的基本原理。能力拓展农业机器人发展很快，机器视觉和人工智能、运动控制等越来越多的机器人技术正在应用于农业领域。现代农业机器人：第一代机器人根据程序完成简单重复性的作业；第二代机器人具有感知系统，可离线编程；第三代机器人不仅具有感知功能，还具有规划和决策能力。农业机器人大多属于第三代机器人。思考题：(1)你认为开展农业机器人的应用研究需要掌握哪些知识和技术?(2)你认为哪些农业工作最有可能实现机器人化?请举例描述。(3)你认为实现农业机器人化面临的主要困难和障碍是什么?知识链接1.农业机器人各个系统的作用(1)感官：功能为感觉认识；技术实现为内外传感器和导航传感器。(2)神经：功能为信息传递；技术实现为操作员、接口、连线。(3)大脑：功能为记忆和判断；技术实现为电脑数据库和智能控制器。(4)心脏：功能为动力供给；技术实现为电源、空气压缩机、内燃机及其传动系统等。(5)肢体：行走和操作；技术实现为行走系统、作业部件或机械手。知识链接2.农业机器人的特点(1)作业季节性较强。农产品生产的季节性较强，并且农业机器人的针对性较强、功能单一。因此，农业机器人的使用也具有较强的季节性，从而造成农业机器人的利用率低，增加了农业机器人的使用成本。(2)作业环境复杂多变。工业机器人作业环境比较固定，而农业机器人的作业环境一般难以预知。因此，农田作业的机器人需要有较强的环境识别能力，还要对不同环境有不同的动作反应。(3)作业对象的娇嫩和复杂性。农业机器人的作业对象是农作物，而农作物的娇嫩性对农业机器人的动作提出了更高的要求；农业机器人的执行末端与作业对象接触时需要进行柔性处理。农业机器人的作业对象形状复杂，农作物的生长发育受周围环境的影响较大，因此农作物的空间形态具有很大的不确定性，从而要求农业机器人对不同的空间形态进行判断，以实现不同的动作。(4)使用对象的特殊性。农业机器人的使用对象是农民。随着人口老龄化程度的提高，从事农业生产的人口也将步入老龄化时代。因此，农业机器人必须具有高可靠性和操作简单等特点。(5)价格的特殊性。农业机器人的前期研发投入较大，结构复杂，制造成本较高，导致价格昂贵，超出了一般农民的承受能力。知识链接3.农业机器人的发展趋势由机器人技术带动的农业升级，正在为农民生活改善打开新空间。农业机器人不仅可以从事种植、喷药、收割等田地作业，还可以在畜牧养殖业中发挥重要作用。机器人将给农业带来一场新的变革。农业机器人对信息技术进行综合集成，集感知、传输、控制、作业为一体，将农业的标准化、规范化向前推进了一大步。农业机器人不仅节省了人力成本，也提高了品质控制能力，增强了自然风险抗击能力。并通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术将农作物与物联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。随着中国工业化、城镇化和现代化的快速发展，我国农业机器人的研发范围也在逐步扩大。项目小结本项目探讨了农业物联网在农业机器人应用方面的创新与发展。从犁地到植保，耕作机器人通过智能化的操作，提高农业生产的精准度和效率，减轻了农民的体力劳动，为农业现代化迈出关键一步。喷药机器人利用先进的喷雾技术和传感器，能够精确、高效地进行植保作业，减少农药的使用量，提高农产品的质量，并减小对环境的影响。除草机器人通过视觉识别和定位