刘智博1常凤筠2(通讯作者)林佳智3窦威4魏双燕5许桐6
辽宁科技大学,辽宁省 鞍山市 114000
摘要：对于果树种植来说，喷药是必不可少的，大面积喷药对于人力来说是特别沉重的负担，现阶段喷药大多自动化低，而且不间断的喷药对于药液也是极大的浪费，在人工作业的情况下，对人的身体有着一定的伤害。
关键词：果园喷雾机器人；研究现状；发展趋势
基金项目： 辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目经费支持（项目编号：202010146029）
引言
现在人工智能发展迅速，智能化已经融入生活，智能化机械在人们实际生产生活中越来越普及，在农业生产中，大量使用机械是现阶段农业的发展方向，是现代化农业的标志，让种植效率更高，产量更高，在果树种植上，给果树喷药是必不可少的，大面积喷药对于人力来说是特别沉重的负担，而且不间断的喷药对于药液也是极大的浪费。在人工作业的情况下，药液也会对人的身体有着一定的伤害。
1果树种植背景
国内果树的种植多以个户种植与合作社集体种植，地域分布不集中，运用大型机械时效率不高，而且需要购置机器的成本太高，种植户难以承担。无人机喷药的话无法对果树进行精准施药，大面积，大范围施药会造成极大的浪费，对果树进行精准施药是解决药液浪费的最好的方法。我们的智能喷药机器人可以满足果树精准识别，变量喷药，自主规划路径，可小型化，可以完美解决人力背负式喷药的劳动力大，施药浪费，效率不高的问题。对于个体种植户来讲，小型化自动农机是最适合的，价钱也是可以接受。对于合作社来说，自动化农机能大幅度提高合作社生产效率的，可以减少在人力资源上的投入，也间接降低了成本。用户可以利用我们产品的APP实现一人操控多台设备，大幅度降低了劳动强度。
2果园喷雾机器人研究现状
果园施药机器人是利用导航技术、病虫害识别技术、变量施药技术、底盘技术等多种技术融合的智能化机械，由导航系统、施药系统、底盘系统、控制系统等组成。果机器人能够自主避障并根据树形和树高自动调节喷头喷雾；机器人自动行走系统利用RTK定位和其他定位方式实时建模，实现较为理想的路径规划。喷雾系统能够根据病虫害检测系统反馈值实时调节喷雾量，通过高压雾化后再通过风送装置进行二次雾化，可形成比传统喷雾枪更加细腻的雾滴，作业效果更加。相对而言，我国果园地势多变地形复杂，密植型种植需要体积较小的机器人。经过20多年的发展，我国也建立了相应的机器人技术体系。在我国得到初步应用的农业机器人有嫁接机器人、黄瓜采摘机器人、草莓和林果采摘机器人、喷药机器人等。但是我国对果园施药机器人的研究比较少，国内文献也比较少。我国科研人员提出直接施药的方法并研制了国内第一台除草机器人，这台机器标志着我国能自主研发农业类机器人。依托高校的研究，促进了国内果园施药机器人的发展。在国家科技项目的支撑下，中国农业大学针对自主行走和智能喷药，研制了电磁诱导式喷雾机器人，实现了直线行走和45°转弯。西北农林科技大学研究了基于红外扫描的果园自动喷药机械的控制系统；西南大学研究了基于超声波传感器的轮式喷雾机器人移动控制系统。基于CCD传感器的自动化可视除草机器人系统由我国科学家在2011年研制成功，实现了自动化、智能化除草。现在我国机器人带有移动平台、升降平台和执行系统等智能化较高的装置。迅凯科技研发柑橘施药机器人，实现果园精细化管理柑橘施药自动巡航机器人是基于双频RTK技术进行果园路径的规划及导航，该机器人的特点是小型化、载药量大、操作简单，而且可以在夜间操作。采用风送式喷雾系统，履带底盘，适合丘陵坡地等南方地形作业。该装置带有液面传感器，实现自动返航加载药液。装备的适量喷雾系统可根据树形树冠自动调节喷头喷雾。最重要的是通用性高，经过简单的模块更换后，就可以实现其他功能，如除草、开沟、水果运输等。
3果园喷雾机器人发展趋势
果类产品产值现在是呈上升阶段，人民对于果类产品需求一直在增长，相关果类生产机器需求也是较多，而且机器多落后低效，智能机器应用有着天然的优势，大多智能机器人主要服务于家居，而农业智能机器人很少，有趋势显示，智能农业机器人将会是农业的主力军，提前进入市场，将会有一定的领先优势。从国外来看，全球许多科技创新公司都将目标放到AutomationRobot自动化机器人上，澳大利亚生产委员会称，“澳大利亚农业部门的未来增长，可能取决于通过应用最先进的设备，改变生产潜力”。将机器人引入农业工作将有助于减少劳工问题机器人技术也将有助于减少精确工作要求难度以及突破化学和自然资源带来的限制未来50年至100年我们的农场会发生什么样的变化自动机器人给我们指出了一种可能性几乎所有农业方面都可以从技术进步中受益。
3.1图像识别技术
越来越的图像识别技术被运用到农业上，更过的是图像处理技术在精度、信息量灵活性以及再现性上都存在着不可替代的优势。但是现在图像识别技术大多处理的信息为二维信息，而且对于果园枝繁叶叶茂会导致树叶重叠、光照等自然因素的干扰，使得图像技术在实际运用中效果差强人意。未来图像识别技术研究热点在于将深度学习和机器学习等技术相结合、三维成像视觉技术，此举是提高作业效率的关键。
3.2多模式识别
国内外很多学者对果园病虫害和路径识别技术研究很多，也取得了很多成果，但是大部分识别技术都是功能单一，很多还处于理论研究阶段。为了适应现代农业的发展，必须研究多模式研究，多模式识别技术融合使得优势互补，从而准确、快速、灵敏的辨识。
3.3变量式施药
变量施药是智能施药技术的核心，它是根据农作物病虫害的分布情况实现精准喷雾，并根据标靶特征的变化快速精确地改变施药量研究表明，除草剂的变量喷洒技术能够节省45%的药量，从而减轻因使用除草剂对环境造成的污染。从喷头设计方面，使用可变量喷头。是基于脉宽调制（PWM）的流量控制喷雾喷头，由机器找到果树后，确定果树位置后，再由算法调节脉宽（PWM）,达到变量喷药要求。再搭载三自由度可调节机械臂，能对不同高低的果树进行全方位的施药。
3.4精准喷雾
精确喷雾是一项喷雾技术与自动化技术结合的技术，可根据果树的不同形态随时调整，变量施药。主要采用方式：基于地图，主要支撑技术包括全球定位系统（GPS），地理信息系统（GIS），遥感（RS），计算机。将对靶技术与施药技术结合，把农药准确有效地喷洒在靶标目标作物上，优点是可以大幅减少农药的使用量，提高农药的有效利用率；另外可以减少药液的飘移、蒸发或流失，达到降低环境污染的功效。智能施药机器人装备了高精度双目摄像系统、北斗定位系统，位置姿态传感仪，在建立的坐标中能做到精准识别果树位置，而且会对果树的经纬度进行记录，做到果树的信息收集，保存到后台服务器中，可以为后期的大数据分析做前期数据收集。
结语
本文通过梳理国内果园喷雾机器人的研究现状，有助于把握我国果园机器人的发展方向。发展我国果园施药机器人时，要借鉴国外的成功技术和经验，立足我国果园的实际情况，依托我国产学研技术体系，突破技术瓶颈，研制适合我国果园的施药机器人。随着我国职业农民计划的兴起，我国农民专业化程度不断提高，对果园的管理更加科学，同时对果园喷雾机器人也提出更高的要求。
参考文献
［1］乔金亮.2020年果园面积要稳定在2亿亩[EB/OL].
［2］施鹏,薛新宇,王振龙,等.果园动力底盘喷雾机的发展现状[J].中国农机化学报,2013,34(06):27-31.
［3］刘秀娟,周宏平,郑加强.农药雾滴飘移控制技术研究进展[J].农业工程学报,2005(01):186-190.
通讯作者:常凤筠，cc.cfj@163.com