許哲鈴

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

隨著全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)標(biāo)志著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正朝著更加智能、高效的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化、智能化的技術(shù)手段，在解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺、生產(chǎn)效率低下等問題上發(fā)揮了重要作用。因此，深入探索農(nóng)業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 機(jī)器人感知技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的感知技術(shù)在當(dāng)前已取得顯著進(jìn)展。傳感技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)獲取農(nóng)田環(huán)境的關(guān)鍵信息，包括土壤質(zhì)地、濕度、溫度等多維度數(shù)據(jù)。視覺感知系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用也日益廣泛，通過高分辨率攝像頭和先進(jìn)的圖像處理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)狀況、病蟲害情況的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。激光雷達(dá)等三維感知技術(shù)提高了機(jī)器人對(duì)地形、障礙物等的感知精度，從而提高了機(jī)器人在不同地形下的適應(yīng)性。綜合而言，機(jī)器人感知技術(shù)目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境的高效感知，為機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的智能化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 決策與控制技術(shù)

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過先進(jìn)的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，確保在農(nóng)田中的精準(zhǔn)操作。同時(shí)，智能控制算法的應(yīng)用使得機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)做出實(shí)時(shí)決策，例如智能化的病蟲害防治策略和施肥方案。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自主性得到提升，其決策與控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了對(duì)不同農(nóng)業(yè)任務(wù)的適應(yīng)能力，從而提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量[1]。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，決策與控制技術(shù)將進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化和自主化水平。

1.3 通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)正處于不斷演進(jìn)的前沿。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人采用了多種先進(jìn)的通信技術(shù)，如5G 通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和物聯(lián)網(wǎng)等，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人之間、機(jī)器人與農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)之間的高效信息傳遞。在數(shù)據(jù)處理方面，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)的應(yīng)用逐漸成為關(guān)鍵趨勢(shì)，不僅可以處理龐大的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，還能夠提供精準(zhǔn)的決策支持[2]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能化與自主性

2.1.1 視覺感知

視覺感知技術(shù)的發(fā)展使農(nóng)業(yè)機(jī)器人具備了更高級(jí)別的自主性，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中的智能導(dǎo)航和作業(yè)。通過視覺系統(tǒng)獲取的信息，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整路徑、避開障礙物，甚至進(jìn)行精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)操作，如定點(diǎn)施肥、病蟲害定向治理等[3]。這種智能化與自主性不僅提高了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的效率，同時(shí)也降低了對(duì)人工干預(yù)的需求，為未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更加可持續(xù)和智能化的解決方案。

2.1.2 激光雷達(dá)與雷達(dá)感知

在智能化與自主性的農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)中，激光雷達(dá)與雷達(dá)感知技術(shù)成為關(guān)鍵動(dòng)力。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并測(cè)量其回波時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的高精度三維建模。這項(xiàng)技術(shù)能夠提供機(jī)器人所需的詳細(xì)地圖信息，使其能夠更加精準(zhǔn)地感知并理解農(nóng)田中的地形、障礙物分布等特征，不僅使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航，還在避障和防側(cè)翻方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2.1.3 GPS與慣性導(dǎo)航

在智能化與自主性的農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)中，GPS 與慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。全球定位系統(tǒng)（GPS）通過衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人在地球表面的精準(zhǔn)定位，為其提供全球性的導(dǎo)航支持。搭配慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人在沒有外部信號(hào)的情況下仍能準(zhǔn)確判斷自身位置和方向。GPS 與慣性導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合使農(nóng)業(yè)機(jī)器人具備了高度的自主性和導(dǎo)航精度，機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行智能導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)作業(yè)和軌跡規(guī)劃[4]。這項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不僅提高了作業(yè)的準(zhǔn)確性，還降低了能耗，使農(nóng)田作業(yè)更為高效和節(jié)能。此外，GPS 與慣性導(dǎo)航技術(shù)也為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的集群協(xié)同作業(yè)提供了支持。通過實(shí)時(shí)的位置信息共享，機(jī)器人團(tuán)隊(duì)能夠協(xié)同完成更大范圍的作業(yè)任務(wù)，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益。

2.2 決策與控制技術(shù)

2.2.1 路徑規(guī)劃與導(dǎo)航

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)中，決策與控制技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。路徑規(guī)劃涉及農(nóng)業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中選擇最優(yōu)路徑的決策過程，而導(dǎo)航則是機(jī)器人在執(zhí)行路徑?jīng)Q策時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)和方向以保持準(zhǔn)確位置的過程。

在路徑規(guī)劃方面，算法的創(chuàng)新對(duì)機(jī)器人的自主性和效率至關(guān)重要。最新的路徑規(guī)劃技術(shù)結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)和仿生學(xué)原理，使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)各種地形和作業(yè)需求。同時(shí)，考慮到農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的復(fù)雜性，機(jī)器人需要能夠避開障礙物、優(yōu)化作業(yè)路線以及適應(yīng)不同地形，這些都是路徑規(guī)劃技術(shù)未來需要不斷探索的方向。

導(dǎo)航技術(shù)則要求機(jī)器人實(shí)時(shí)獲取位置信息，并根據(jù)路徑規(guī)劃的要求進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制。先進(jìn)的傳感器技術(shù)如激光雷達(dá)和視覺感知系統(tǒng)，為機(jī)器人提供了高精度的環(huán)境感知和自身定位能力。同時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和反饋機(jī)制也在不斷完善，以確保機(jī)器人能夠在動(dòng)態(tài)的農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中安全、高效地執(zhí)行任務(wù)。

2.2.2 決策算法

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的決策與控制技術(shù)中，決策算法是關(guān)鍵的組成部分之一。決策算法負(fù)責(zé)分析傳感器獲得的信息，制定合理的行動(dòng)策略，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)任務(wù)中的智能化決策。最新的決策算法通常采用深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，以處理大量的感知數(shù)據(jù)并學(xué)習(xí)復(fù)雜的環(huán)境模型。深度學(xué)習(xí)算法通過對(duì)農(nóng)田景象、植物狀態(tài)等信息的學(xué)習(xí)，使機(jī)器人能夠識(shí)別不同的農(nóng)業(yè)對(duì)象，并做出相應(yīng)的決策[5]。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)與執(zhí)行技術(shù)

2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與執(zhí)行技術(shù)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一部分，直接影響到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定性、效率和適應(yīng)性。

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，考慮到不同的農(nóng)田地形和多樣的作業(yè)任務(wù)，機(jī)器人需要具備良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足在不同土壤條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)移動(dòng)，并保持在各種農(nóng)業(yè)操作中的可控性[6]。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要兼顧負(fù)載能力和作業(yè)效率，對(duì)于不同類型的農(nóng)業(yè)工具和作業(yè)任務(wù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠支持相應(yīng)的負(fù)載，并確保在作業(yè)過程中保持高效率和準(zhǔn)確性。

2.3.2 電動(dòng)執(zhí)行器

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與執(zhí)行技術(shù)中，電動(dòng)執(zhí)行器是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)化電能為機(jī)械動(dòng)能的裝置，其性能直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的定位精度、作業(yè)效率和能源利用率。

電動(dòng)執(zhí)行器的精準(zhǔn)度對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的定位和操作至關(guān)重要。高精度的電動(dòng)執(zhí)行器能夠確保機(jī)器人在作業(yè)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制，從而提高種植、施肥等農(nóng)業(yè)操作的準(zhǔn)確性。電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)力輸出和能效對(duì)于機(jī)器人的作業(yè)效率具有重要影響[7]，優(yōu)秀的電動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)該能夠在不同負(fù)載下提供穩(wěn)定的輸出動(dòng)力，并通過高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)減少能源浪費(fèi)，從而提高機(jī)器人的作業(yè)效率。

現(xiàn)代電動(dòng)執(zhí)行器還需要具備輕量化和緊湊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局和空間限制。采用先進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)和智能控制算法，可以使電動(dòng)執(zhí)行器更加輕便、高效，并且更好地適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)作業(yè)需求。

2.4 通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.4.1 無線通信技術(shù)

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)中，無線通信技術(shù)是關(guān)鍵的技術(shù)支持，對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化和自主性具有重要意義。當(dāng)前，無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的無線通信系統(tǒng)逐漸向更高級(jí)別的智能化系統(tǒng)演進(jìn)。通過與傳感器、控制器等設(shè)備的無縫連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，為機(jī)器人提供全面的感知和信息交互能力。

2）5G 技術(shù)的推廣應(yīng)用為農(nóng)業(yè)機(jī)器人提供了更大的帶寬和更低的延遲，支持更復(fù)雜、高頻率的數(shù)據(jù)傳輸。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的即時(shí)響應(yīng)、高效協(xié)同作業(yè)具有重要意義，特別是在大規(guī)模農(nóng)田中的多機(jī)器人協(xié)同工作場(chǎng)景[8]。

3）針對(duì)農(nóng)田環(huán)境的特殊性，低功耗、長(zhǎng)距離傳輸、抗干擾等特性是無線通信技術(shù)未來的發(fā)展方向。例如，LoRa（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)具有低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，適用于廣大農(nóng)田區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸需求，未來可將其運(yùn)用至農(nóng)業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

隨著農(nóng)業(yè)智能化的深入發(fā)展，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)中，數(shù)據(jù)的高效采集和精準(zhǔn)處理成為提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人性能的關(guān)鍵。目前，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）農(nóng)業(yè)機(jī)器人采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合視覺、激光雷達(dá)、傳感器等多種感知手段，實(shí)現(xiàn)全方位、多維度的數(shù)據(jù)采集。這種綜合感知能力有助于機(jī)器人對(duì)農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行全面而深入的了解，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供更為豐富的信息[9]。

2）數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷向高分辨率、高頻率發(fā)展，以更準(zhǔn)確地獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)。高分辨率的圖像、視頻和傳感器數(shù)據(jù)可以提供更為細(xì)致的農(nóng)田信息，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)植株生長(zhǎng)狀況、土壤變化等關(guān)鍵指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人科學(xué)自主決策提供強(qiáng)有力的支持。

3 未來研究方向

未來，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將更廣泛地應(yīng)用于種植、施肥、收割等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化管理，降低資源浪費(fèi)，提高產(chǎn)量，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。故適應(yīng)不同地域、氣候和農(nóng)業(yè)模式的要求將成為研究的重點(diǎn)，包括在不同氣候條件下的性能優(yōu)化和多樣化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)機(jī)器人還將與無人機(jī)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化、智能化，為提高生產(chǎn)效率、降低成本提供有效途徑[10]?？鐚W(xué)科合作與創(chuàng)新也將推動(dòng)這一融合發(fā)展，助力農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新。

4 結(jié)論

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展中，感知技術(shù)、決策與控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與執(zhí)行技術(shù)、通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，但仍存在不足之處。未來的研究方向應(yīng)聚焦于跨學(xué)科合作與創(chuàng)新，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的深度融合。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化水平與自主性不斷提升，多模態(tài)感知融合、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與定制化種植、大數(shù)據(jù)與人工智能等的應(yīng)用將成為技術(shù)發(fā)展的主要方向，這一深度融合將助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效化、智能化發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的可能性。