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农业装备自动驾驶技术研究现状与展望

农业机械学报 2023年第10期54卷 1-24页

作者：孟志军王昊付卫强刘孟楠尹彦鑫赵春江北京市农林科学院智能装备技术研究中心北京100097 智能农业动力装备全国重点实验室北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097

农业装备自动驾驶技术可以显著提升作业质量,提高作业效率,降低作业成本,减轻劳动强度,已成为智能农业装备发展的重要方向。在政策和市场的共同推动下,我国农业装备自动驾驶技术发展迅速,并通过多场景、多层次的示范和应用推动技术熟化... 详细信息

农业装备自动驾驶技术可以显著提升作业质量,提高作业效率,降低作业成本,减轻劳动强度,已成为智能农业装备发展的重要方向。在政策和市场的共同推动下,我国农业装备自动驾驶技术发展迅速,并通过多场景、多层次的示范和应用推动技术熟化,逐步建立了完整的技术体系。农业装备自动驾驶技术系统主要包括环境感知、工况感知、决策规划、横向控制、纵向控制等关键技术。本文首先阐述了农业装备自动驾驶关键技术研究的现状,分析归纳了各技术领域有待解决的关键科学技术问题;结合农业装备自动导航技术产品和自动驾驶技术集成应用两方面,介绍了国内外农业装备自动驾驶技术研发和应用情况;从自动驾驶技术分级研究和建立标准规范角度,对比分析了农业装备自动驾驶与智能网联汽车行业的差距,指出了农业装备自动驾驶等级划分的迫切需求。为应对智慧农业生产非结构环境、高精度农艺和强农时约束三大挑战,建议突出农业生产应用中作业精准化和驾驶自动化双重需求的特点,有针对性地开展农业装备自动驾驶技术研发、应用示范和技术分级等方面工作。

关键词：农机自动驾驶环境感知决策规划自动导航自动驾驶分级

基于全透射近红外光谱的西瓜不同部位可溶性固形物含量在线检测研究

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光谱学与光谱分析 2023年第6期43卷 1800-1808页

作者：严忠伟田喜张艺飞李廉洁刘三庆黄文倩广西大学机械工程学院广西南宁530004 北京市农林科学院智能装备技术研究中心北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097

可溶性固形物含量(SSC)是评价西瓜果肉品质优劣的关键指标。西瓜SSC在线检测模型的建立,可以实现西瓜品质按其SSC进行在线分级,满足不同人群需求,提高市场竞争力。以160个京美2K西瓜为研究对象,通过实验室自主研发的在线检测设备,采集... 详细信息

可溶性固形物含量(SSC)是评价西瓜果肉品质优劣的关键指标。西瓜SSC在线检测模型的建立,可以实现西瓜品质按其SSC进行在线分级,满足不同人群需求,提高市场竞争力。以160个京美2K西瓜为研究对象,通过实验室自主研发的在线检测设备,采集了西瓜两种姿态的可见近红外全透射光谱数据,分别与西瓜不同部位SSC建立偏最小二乘回归(PLSR)预测模型,探究西瓜SSC在线检测的最佳姿态和检测部位。首先,分别定义西瓜不同部位SSC测量值为瓜蒂糖、中心糖、瓜脐糖和整果糖,在线检测的两种姿态分别定义为T1姿态和T2姿态。其次对比西瓜不同部位SSC,探讨西瓜SSC评价标准。然后去除光谱透射强度值较低且频率较高,包含大量噪声和无用信息的光谱数据,最终选取波长范围(671~1116 nm)的光谱进行分析。采用卷积平滑(SGS)算法分别与多元散射校正(MSC)、单位矢量归一化(UVN)和标准正态变量变换(SNV)这3种算法相结合对两种姿态下的光谱数据进行预处理,随后对应西瓜不同部位SSC分别建立预测模型。通过对比不同模型的预测结果发现:使用SGS和MSC组合对T1姿态采集的光谱数据预处理效果最好,而对于T2姿态的光谱数据使用SGS与UVN结合预处理效果最好;T1姿态明显比T2姿态的光谱数据所建模型的预测效果好;对西瓜瓜蒂糖和整果糖的预测结果较好,瓜脐糖次之,中心糖最差。最后采用竞争性自适应重加权算法(CARS)分别对预测瓜蒂糖和整果糖的模型进行优化。其中,共挑选出81个波长点用于建立预测瓜蒂糖模型,106个波长点用于建立预测整果糖模型,两模型的预测集相关系数分别为0.8810和0.8758,均方根误差分别为0.8667%和0.7589%,不仅模型得到了简化,还提高了模型的预测精度。研究结果表明,西瓜不同姿态和对不同部位SSC预测的差异,会影响西瓜SSC在线检测和品质评价分级结果,应根据用户的实际需求进行模型选取和优化;为此,提出了糖度评价指数,为进一步开发西瓜SSC在线检测设备提供了技术支撑。

关键词：近红外光谱西瓜可溶性固形物含量在线检测模型优化

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核桃园智能灌溉模糊控制系统设计

机械设计与制造 2024年

作者：汤嘉盛许燕彭炫郑威强新疆大学机械工程学院新疆维吾尔自治区农牧机器人及智能装备工程研究中心新疆大学工程训练中心

针对中国南疆地区核桃种植传统灌溉方式存在的耗时费力、缺乏精准控制手段、水资源利用率低等问题，设计了一套基于模糊控制的核桃园智能灌溉系统。该系统采用无线Lora网络与4G网络融合的通信模式，采用STM32F103RBT6单片机作为控制芯... 详细信息

针对中国南疆地区核桃种植传统灌溉方式存在的耗时费力、缺乏精准控制手段、水资源利用率低等问题，设计了一套基于模糊控制的核桃园智能灌溉系统。该系统采用无线Lora网络与4G网络融合的通信模式，采用STM32F103RBT6单片机作为控制芯片，利用电池融合太阳能充电技术，搭建核桃园无线传感网络。实时采集土壤墒情信息和环境气象信息，利用模糊控制器对作物蒸散量与平均土壤含水率的计算，进行灌溉决策。经实验结果分析，系统网络平均丢包率仅为1.26%，无线传感器监测节点精度最大误差为4.35%，最小可达0.53%，可以准确反应作物生长环境的变化并为灌溉决策提供支持。在灌溉控制实验中，系统可将灌区内根层平均土壤含水率始终保持在设定区间内，均值为19.98%。从而实现了远程对核桃园的精准灌溉，提高了水资源利用率和工作效率，减少了人力成本。

关键词：模糊控制核桃园智能灌溉无线传感网络单片机

面向NOTES手术的软镜操作机器人技术进展

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机械工程学报 2024年第17期60卷 40-62页

作者：王翔宇任帆刘冲许思昂王龙昕方勇纯于宁波韩建达南开大学人工智能学院天津300350 可信行为智能算法与系统教育部工程研究中心天津300350 南开大学深圳研究院智能技术与机器人系统研究院深圳518083

软式内窥镜(简称软镜)是实现经自然腔道内镜手术(Natural orifice transluminal endoscopic surgery,NOTES)的关键器械,由于柔性镜体本身所具有的安全性高、可达范围广和运动灵活等优势,软镜操作技术已经被应用在越来越多种类的外科手... 详细信息

软式内窥镜(简称软镜)是实现经自然腔道内镜手术(Natural orifice transluminal endoscopic surgery,NOTES)的关键器械,由于柔性镜体本身所具有的安全性高、可达范围广和运动灵活等优势,软镜操作技术已经被应用在越来越多种类的外科手术中。考虑到人工操作过程中存在难度大、学习周期长、人力成本高、依赖临床经验和易受有害辐射等问题,研发并利用软镜操作机器人代替人工操作,可以实现更加安全、精准、智能的NOTES手术。旨在总结当前软镜操作机器人在建模、控制与规划方面的研究现状,探讨相关技术的研究趋势和面临的挑战。介绍了国内外代表性软镜操作机器人系统,总结了现有软镜操作机器人系统的运动特点。从模型、控制和规划三个角度对当前的软镜操作机器人技术进行了详尽的研究现状综述。总结和分析了当前研究内容中的不足和自主化软镜操作技术发展所面临的挑战,并对软镜操作机器人的进一步研究方向进行展望。

关键词：软镜操作机器人柔性内窥镜腱鞘人工肌肉软镜控制运动规划

基于改进快速行进平方法的多移动机器人聚集路径规划与控制

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动力学与控制学报 2023年第12期21卷 96-106页

作者：黄斌俞凯文周柏李方虹斌复旦大学智能机器人研究院上海200433 复旦大学智能机器人教育部工程研究中心上海200433 复旦大学上海智能机器人工程技术研究中心上海200433

针对多移动机器人聚集的路径规划与控制问题,本文提出了基于改进快速行进平方法的路径规划策略.首先,运用分段函数改进了速度图,实现了更安全、更高效的路径规划,可以将快速行进网格地图上的速度映射到真实机器人速度上,并且减少传统快... 详细信息

针对多移动机器人聚集的路径规划与控制问题,本文提出了基于改进快速行进平方法的路径规划策略.首先,运用分段函数改进了速度图,实现了更安全、更高效的路径规划,可以将快速行进网格地图上的速度映射到真实机器人速度上,并且减少传统快速行进平方法在回溯路径过程中产生的冗余路径;接着,针对多移动机器人聚集过程总能耗最小、聚集点附近空间最大、聚集队形约束下的聚集过程总能耗最小三种任务需求,分析设计不同的目标函数,给出多移动机器人的聚集点和对应规划路径,展示本文方法的有效性以及在不同场景下的适用性.最后,在车辆动力学模型基础上,使用模型预测控制以改进后的快速行进网格地图上的速度作为机器人参考速度进行了轨迹跟踪仿真实验,实现结果显示跟踪误差减小,验证了本文改进速度场的有效性,可适用于真实环境下多移动机器人聚集路径规划与控制.

关键词：快速行进平方法多移动机器人聚集路径规划模型预测控制

具有非完整约束移动机器人的超宽带-惯导-里程计融合定位与能观测性分析

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动力学与控制学报 2022年第6期20卷 64-75页

作者：周柏李方虹斌徐鉴复旦大学智能机器人研究院上海200433 复旦大学智能机器人教育部工程研究中心上海200433 复旦大学上海智能机器人工程技术研究中心上海200433

为解决现有超宽带-惯导组合定位系统在轮式移动机器人的定位精度低、依赖高精度IMU等问题,提出了一种采用误差状态卡尔曼滤波融合超宽带-惯导-里程计的定位算法,利用里程计的线速度测量和由非完整约束隐含的伪测量,提高了移动机器人的... 详细信息

为解决现有超宽带-惯导组合定位系统在轮式移动机器人的定位精度低、依赖高精度IMU等问题,提出了一种采用误差状态卡尔曼滤波融合超宽带-惯导-里程计的定位算法,利用里程计的线速度测量和由非完整约束隐含的伪测量,提高了移动机器人的位置和姿态估计精度.同时,对于由多传感器测量模型组成的非线性系统,通过基于李导数的能观性秩条件分析方法对该系统的能观测性进行了详细的理论分析与数学证明,得到了系统局部弱可观的条件,从而确定了系统状态可以被无偏估计所需要的测量输出以及控制输入.仿真结果表明,在满足能观测性条件时,本文提出的方法能够有效地获得移动机器人较准确的六自由度位姿,且相比传统方法显著提升了定位精度.

关键词：多传感器融合非完整约束能观测性误差状态卡尔曼滤波

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植保无人机喷施雾滴沉积特性的荧光示踪分析

农业工程学报 2020年第6期36卷 47-55页

作者：张瑞瑞李龙龙文瑶陈立平唐青伊铜川宋佳星北京农业智能装备技术研究中心北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097 国家农业航空应用技术国际联合研究中心北京100097 农机北斗导航与智能测控北京市工程实验室北京100097

航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要。该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型... 详细信息

航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要。该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型在典型飞行工况条件下的雾滴沉积离散性和连续性分布,评估基于荧光示踪的沉积检测系统对雾滴沉积检测效果与适用性。试验结果表明:荧光示踪法与水敏纸法所得雾滴沉积率分布曲线整体趋于一致,2种方法的检测结果相关性拟合优度(R2)为0.88~0.96;由于植保无人机旋翼下洗风场胁迫细小雾滴沉降至非水敏纸布样位置,致使荧光示踪法测得的平均雾滴覆盖率曲线出现更多峰值,覆盖率值高于水敏纸法测量结果。植保无人机飞行速度为2 m/s,飞行高度为3 m的作业条件下,与水敏纸离散布样方式相比,荧光示踪连续布样方式测得雾滴覆盖率提高16.92%,当飞行速度为4 m/s,飞行高度为9 m时,后者较前者提高97.77%。植保无人机作业工况对施药雾滴沉积覆盖率影响方面,飞行速度2 m/s,飞行高度3 m的工况下,雾滴沉积覆盖率最高,为8.34%和7.14%;随着植保无人机飞行高度和速度增加,雾滴沉积覆盖率降低。针对植保无人机下洗风场作用下施药雾滴沉积质量检测,与离散布样方式相比,连续性样品采集可获取更丰富的雾滴空间沉积分布细节。该研究可为无人机低空低量施药雾滴沉积检测和无人机下洗风场对雾滴沉积分布影响研究提供方法参考。

关键词：无人机农药雾滴沉积分布光谱分析荧光示踪剂

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模块化可重构机器人动力学研究进展

动力学与控制学报 2023年第1期21卷 1-17页

模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点.模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表... 详细信息

模块化可重构机器人由于其构型多变,运动形式丰富等特点,可以在非结构化环境或未知环境中执行任务,在最近几年迅速成为机器人研究领域的前沿和热点.模块化可重构机器人在军事、医疗、教育等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型代表包括仿生多足模块化机器人、模块化可重构机械臂、晶格式模块化机器人等.模块化可重构机器人丰富的构型设计、多样的连接特征、不断拓展的应用范围,给动力学建模与控制带来了很多挑战和机遇.本文首先阐述了模块化可重构机器人的研究背景和意义,并概述了其构型分类与设计、构型描述与运动学建模方法.随后,本文系统回顾了模块化可重构机器人动力学研究中相关问题的最新进展,包括:(1)系统整体动力学建模;(2)结合面以及对接机构动力学建模;(3)基于动力学模型的控制方法.本文最后提出了模块化可重构机器人动力学研究中若干值得关注的问题.

关键词：模块化可重构机器人构型分类动力学建模结合面建模动力学控制

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高光谱图像信息检测玉米籽粒胚水分含量

光谱学与光谱分析 2016年第10期36卷 3237-3242页

作者：田喜黄文倩李江波樊书祥张保华北京农业智能装备技术研究中心北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097 农业部农业信息技术重点实验室北京100097 农业智能装备技术北京市重点实验室北京100097

通过波段比和阈值相结合的方法,分别提取了玉米籽粒全表面结构和胚结构区域的1 000-2 500nm近红外高光谱信息,研究了玉米籽粒水分含量与胚结构区域光谱关系,同时采用竞争性自适应重加权变量选择算法（CARS）、遗传算法（GA）、连续投影... 详细信息

通过波段比和阈值相结合的方法,分别提取了玉米籽粒全表面结构和胚结构区域的1 000-2 500nm近红外高光谱信息,研究了玉米籽粒水分含量与胚结构区域光谱关系,同时采用竞争性自适应重加权变量选择算法（CARS）、遗传算法（GA）、连续投影算法（SPA）筛选特征波段,建立并比较偏最小二乘回归（PLS）模型对水分含量的预测效果。结果显示,玉米籽粒水分含量与胚结构区域光谱关系显著,随着水分含量的增加,光谱反射值逐渐降低。预测模型结果表明,基于玉米籽粒胚结构区域光谱信息所建立的CARSPLS,GA-PLS和SPA-PLS回归模型预测相关系数Rp分别为0.931 2,0.917 6和0.922 7,预测均方根误差（RMSEP）分别为0.315 3,0.336 9和0.336 6,所选取的特征波段数量分别为9,14和6,较基于全表面光谱信息所建模型的特征波段数量分别少了49,12和24个,且预测效果与采用全表面光谱信息无显著差别,SPA-PLS算法为基于玉米籽粒胚结构光谱信息的水分含量预测最高效模型。提取胚结构区域所用光谱波段为1 197,1 322和1 495nm,建立SPA-PLS回归模型所用特征波段为1 322,1 342,1 367,1 949,2 070和2 496nm。研究结果表明,采用近红外高光谱技术进行玉米籽粒水分含量无损检测时,提取玉米籽粒胚结构的图谱信息较全表面光谱信息更高效。

关键词：高光谱成像玉米籽粒胚水分无损检测