設(shè)施農(nóng)業(yè)專用噴霧機(jī)器人研究進(jìn)展

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摘要：設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境特征是高溫高濕，生長過程中病蟲害危險較大，病蟲害防治和根外追肥用工較多，對噴施人員健康影響較大。以自主研發(fā)的智能遙控噴霧器產(chǎn)業(yè)開發(fā)為平臺，研究基于RaspberryPi的智能噴霧機(jī)器人技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人高效噴霧技術(shù)的空白。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；專用；噴霧；機(jī)器人；研究；進(jìn)展

設(shè)施農(nóng)業(yè)是將農(nóng)業(yè)工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)化與信息管理技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”的最重要方式，具有提高生產(chǎn)能力和抗風(fēng)險能力、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)企業(yè)市場競爭力的優(yōu)點(diǎn)。大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展、保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給、促進(jìn)農(nóng)民增收致富都具有十分重要而深遠(yuǎn)的影響。推進(jìn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展要以設(shè)施裝備、信息技術(shù)、環(huán)境智能控制技術(shù)為重點(diǎn)，以強(qiáng)化科技創(chuàng)新為核心，研發(fā)先進(jìn)適用的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管理，不斷改善設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)有效供給能力。

1設(shè)施農(nóng)業(yè)專用噴霧機(jī)器人研究的目標(biāo)

設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境最基本的特征高溫高濕，在為作物提供優(yōu)良生長條件的同時，也為大量植物病菌和部分害蟲的繁殖提供了很好的發(fā)育環(huán)境，使得設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有高投入、高產(chǎn)出、高風(fēng)險的特點(diǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)生長過程中的病蟲害危險增大，造成設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量降低，設(shè)施栽培的經(jīng)濟(jì)效益下降。因此，必須盡快提高我國設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備水平，這樣才能提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性，滿足居民對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量要求，降低單位成本，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，增強(qiáng)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合競爭力。噴霧機(jī)器人就是針對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治和根外追肥工作量大、噴霧質(zhì)量要求高、封閉環(huán)境對噴藥人員健康危害大等關(guān)鍵因素開發(fā)的噴霧裝備。

2設(shè)施農(nóng)業(yè)專用噴霧機(jī)器人研究歷程

針對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治和根外追肥要求，提高病蟲害防治效率，減少勞動力成本，保障設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員身體健康，研發(fā)小組自主研發(fā)了智能遙控噴霧器產(chǎn)業(yè)開發(fā)平臺，研究基于RaspberryPi的智能噴霧機(jī)器人，填補(bǔ)了國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)高效噴霧技術(shù)的空白。經(jīng)過兩年多的探索和研究，關(guān)鍵技術(shù)取得重要進(jìn)展。甘肅省科技廳于2017年及時立項(xiàng)支持噴霧機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃，對研發(fā)人員給予大力鼓舞和支持，噴霧機(jī)器人的研究也取得了較大進(jìn)展，目前研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中試階段，在參加第二屆蘭州科技博覽會展示期間，受到了廣泛的關(guān)注和市場認(rèn)可。

3設(shè)施農(nóng)業(yè)專用噴霧機(jī)器人研究進(jìn)展

3.1研發(fā)平臺和基礎(chǔ)

噴霧機(jī)器人研究以恒豐公司智能遙控拉桿移動式溫室專用噴霧機(jī)為開發(fā)平臺，恒豐公司半自動遙控噴霧器獲國家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金支持，通過有關(guān)部門組織的驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，并具有良好用戶使用口碑。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上開發(fā)全智能噴霧機(jī)器人，結(jié)合甘肅金瑞園農(nóng)業(yè)科技有限公司智能機(jī)器人底盤、智能控制內(nèi)核等自主成熟技術(shù)，具有良好的技術(shù)可靠性。

3.2噴霧機(jī)器人的自主開發(fā)

為了減少溫室噴施時農(nóng)藥的浪費(fèi)，有效控制農(nóng)藥殘留污染，針對溫室栽培作物株行距較大的果菜類作物施藥的農(nóng)藝技術(shù)要求，設(shè)置了對應(yīng)行和壟溝的測距傳感器，實(shí)時采集噴桿到植株冠層的距離信息，通過信號調(diào)幅消除壟溝不平整產(chǎn)生的影響。將調(diào)幅后的冠層高度信息進(jìn)行模式分析，從而達(dá)到精準(zhǔn)噴霧，并且降低作業(yè)誤差[1]。利用JRY-2型履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人底盤，噴霧機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動、自主工作，現(xiàn)階段研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行機(jī)器人對工作環(huán)境數(shù)據(jù)的處理和在工作過程中機(jī)器人與操作人員的相關(guān)數(shù)據(jù)交流，數(shù)據(jù)交流技術(shù)是甘肅金瑞園農(nóng)業(yè)科技有限公司在“日光溫室智能化控制器”中使用的成熟技術(shù)，該控制器已成熟運(yùn)用于多家設(shè)施農(nóng)業(yè)基地，具有較強(qiáng)的技術(shù)依托，能夠比較完整地移植于機(jī)器人數(shù)據(jù)交互應(yīng)用[2]。

3.3噴霧機(jī)器人生產(chǎn)試驗(yàn)情況

JRY-PW-2智能噴霧機(jī)器人從提案研發(fā)開始甘肅金瑞園農(nóng)業(yè)科技有限公司以比例縮小的方式進(jìn)行模型定制，同步實(shí)現(xiàn)實(shí)際工作要求，用于獲得控制程序及配件的可靠性論證，實(shí)驗(yàn)階段模型具有良好的可靠性，各項(xiàng)功能完備。實(shí)地模擬試驗(yàn)中設(shè)備能夠保證基本的使用功能，特別在JRY-2型機(jī)器人底盤的具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，使用過程中平穩(wěn)可靠[3]。采用這種結(jié)構(gòu)具有以下幾個方面的優(yōu)勢：一是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)輕巧簡單，適應(yīng)性較好[4]；二是采用履帶式移動裝置，在壟溝地面不夠平整時，具有一定的自動調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)作業(yè)；三是噴頭上升和下降過程中偏移較小，比其他升降機(jī)構(gòu)噴施精度高；四是伺服電機(jī)搖臂和噴霧連桿在同一條直線上，有利于保護(hù)伺服電機(jī)，提高使用壽命。

3.4項(xiàng)目產(chǎn)品技術(shù)檢測情況

基于RaspberryPi智能噴霧機(jī)器人，其電動噴霧設(shè)備獲得技術(shù)鑒定成果，控制內(nèi)核、噴頭導(dǎo)軌、機(jī)器人底盤甘肅金瑞園農(nóng)業(yè)科技有限公司內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)鑒定，具有使用壽命長、控制平穩(wěn)、精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

4噴霧機(jī)器人使用的可靠性和安全性

JRY-PW-2智能噴霧機(jī)器人定型研發(fā)后，制作第一臺測試版本，用于測試設(shè)備運(yùn)動控制、越野能力測試，測試過程中底盤運(yùn)動平穩(wěn)，動力充沛，履帶式驅(qū)動方式在轉(zhuǎn)彎等地方具有較強(qiáng)優(yōu)勢。動力方面采用的2×8W直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速為50r/min，采用低速電機(jī)在運(yùn)動過程中除提供充沛的動力之外，具有較強(qiáng)的安全性。

5噴霧機(jī)器人發(fā)展前景

設(shè)施農(nóng)業(yè)專用噴霧機(jī)器人研發(fā)基于RaspberryPi設(shè)計(jì)，具有智能化程度高、噴霧均勻、節(jié)省用藥、病蟲害防治效果好、設(shè)備成本較低等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。我國日光溫室保有量基數(shù)大，智能化程度低，勞動強(qiáng)度大，噴霧機(jī)器人的批量化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雪美，李揚(yáng)，李明，等.噴桿噴霧機(jī)精確對靶施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，（3）.

[2]朱大奇，顏明重.移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述[J].控制與決策，2010，(7).

[3]趙棟杰，張賓，王學(xué)雷，等.基于圖像矩的室內(nèi)噴霧機(jī)器人自動對靶研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，（12）.

[4]李猛，孫維連，趙樹朋，等.農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，(1).

作者：師麗麗 石建業(yè) 張小泉 石磊 李向偉 單位：定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院