基于人工智能的采摘機器人路線規劃研究

吳俊杰 鐘黎明

（泉州信息工程學院，福建 泉州362000）

采摘工作是果蔬生產的關鍵環節，影響著果蔬的生產價值和市場價值，而果蔬采摘的勞動力成本會體現在果蔬的價格上。我國目前的果蔬采摘的主要方式是人工采摘，但隨著近年來農業從業人員數量急劇下降以及人口老齡化問題加重，傳統人工采摘的時效性無法得到保證。采摘機器人的出現成為農業領域的熱點話題，因其作業成本低、采摘效率高等優點，得到農業生產行業廣泛認可[1]。我國對農業機器人的研發相較于其他國家起步較晚，已經在農業機器人的自動嫁接技術等方面取得突破，但是在采摘機器人的智能化水平上還是落后于一些西方發達國家。將人工智能技術應用到農業領域中，能有效提高農業機械化水平和效率，通過計算機控制，使機器代替人類完成相應的工作。

1 設計基于人工智能的采摘機器人路線規劃方法

1.1 提取人工智能技術特征

人工智能技術最初在農業領域主要是涉及播種、耕作和栽培，隨著人工智能技術的發展和信息化水平不斷提高，土壤探測、病蟲害防治和采摘機器人的出現將人工智能水平上升到了另一個高度[2]。將農作物的生長情況和采摘過程通過數據和圖像傳輸的方式，設置采摘機器人的具體操作步驟，將果蔬的成熟期和采摘面積由采摘機器人的終端進行控制[3]。結合人工智能技術對農作物的相關數據和圖像信息進行整合和分析，以設定好的方式呈現給終端的工作人員，并對果蔬作物的采摘時間進行預測，一旦出現病蟲害或者遭遇極端天氣，將及時發出預警。

1.2 搭建機械臂運動平臺

搭建采摘機器人機械臂的運動平臺，是為了保證采摘機器人的順利運行。采摘機器人的機械臂必須具備高精度和靈活性強的特點，才能保證采摘工作順利進行[4]。因此，采摘機器人的機械臂必須具備高度的靈活性和一定的支撐能力，才能保證末端執行機構找到最適合采摘的位置和角度。由于采摘工作的采摘對象的重量和大小都不相同，根據服務對象選擇不同重量型的機械臂[5]。在滿足采摘精度要求的基礎上選擇造價低的采摘機械臂，以降低采摘工作成本。根據采摘工作需求，選擇滿足下列參數的機械臂，具體參數如表1 所示。

表1 采摘機器人機械臂參數要求

根據表1 的機械臂參數，將采摘機器人的機械臂關節設置成能精確控制和靈活運動的形式。由于采摘工作的工作環境多為崎嶇路面和地形復雜的地區，因此，運動平臺需具備較好的越野性能和越障能力，搭建出能夠自行調整高度和速度的運動平臺，為采摘機器人行動路線規劃做好準備[6]。

1.3 規劃采摘機器人行動路線

根據人工智能技術和機械臂運動平臺搭建，運行采摘機器人的末端執行器。末端執行器需要具有相當大的抓取空間和一定數值的抓取質量，針對采摘對象的外形特征進行適當調整[7]。一些成熟的果實與樹枝之間連接緊密，并且果實的果柄比較堅硬，采摘難度相對較大，末端執行器需要搭配特定的剪切設備才能順利采摘果實[8]。

根據以上步驟的信息，規劃采摘機器人行動路線，根據采摘速度將采摘工作劃分為不同的階段。將采摘工作的速度曲線分成3 個階段，對每個階段進行數值計算，計算公式如下：

其中，總位移表達為t，第一階段的位移為t1，第二階段的位移為t2，除了勻速段的3 個階段數值相等，用ka 表示，位移曲線的斜率為a。由于位移曲線都是連續的，在時間達到5 秒時，到達曲線終點；位移曲線呈上升趨勢，30 秒后到達曲線終點；三個階段的最大位移數值為45，在15 秒后到達曲線終點，位移變化比較平緩。確定采摘機器人的機械臂關節轉角，規劃采摘機器人行動路線，再利用公式（1）求得采摘機器人位移軌跡。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

實驗環境設定為搭載windows 的計算機，設定內存大小為8GB、4 核，CPU 為NVIADIA GMX1060 16 GB；采摘機器人的機械臂關節的起始數值為（0.5，-1.25，1.35，1，0，1），設置為符合實驗要求的（0.5，-0.23，-1.02，-2.49，-1.67，0）。同時，將采摘機器人技術參數設置如表2 所示。

表2 采摘機器人參數

2.2 實驗結果

實驗結果如表3 所示。

實驗結果表明，文中路線規劃方法比傳統路線規劃方法的采摘工作效率提高了2.786%～7.202%，因此，文中路線規劃方法更加有效。

結束語

通過研究基于人工智能的采摘機器人路線規劃，設計出新的采摘機器人路線規劃方法，在一定程度上推動了農業領域的發展。拓寬了人工智能技術的應用范圍，完善了采摘機器人的研制和開發過程。在提高了農業采摘生產效率的同時，還為學術界開展相關研究提供了理論基礎。由于研究條件有限，文章對采摘服務對象方面總結得不夠全面，未來將不斷完善。

表3 實驗結果

實驗數據/組images/BZ_56_1395_422_1412_455.png 傳統路線規劃方法1images/BZ_56_1666_464_1683_497.png采摘工作效率(%)images/BZ_56_2042_332_2059_365.png傳統路線規劃方法2images/BZ_56_1876_464_1893_497.png傳統路線規劃方法3images/BZ_56_2083_464_2100_497.png文中路線規劃方法images/BZ_56_2279_464_2296_497.png1images/BZ_56_1388_539_1405_572.png 77.365images/BZ_56_1639_539_1656_572.png 76.438images/BZ_56_1845_539_1862_572.png 78.936images/BZ_56_2052_539_2069_572.png 81.229images/BZ_56_2263_539_2280_572.png2images/BZ_56_1388_618_1405_651.png 76.582images/BZ_56_1639_618_1656_651.png 78.441images/BZ_56_1845_618_1862_651.png 75.965images/BZ_56_2052_618_2069_651.png 83.106images/BZ_56_2263_618_2280_651.png3images/BZ_56_1388_700_1405_733.png 80.337images/BZ_56_1639_700_1656_733.png 81.022images/BZ_56_1845_700_1862_733.png 83.404images/BZ_56_2052_700_2069_733.png 86.559images/BZ_56_2263_700_2280_733.png4images/BZ_56_1388_779_1405_812.png 78.464images/BZ_56_1639_779_1656_812.png 79.502images/BZ_56_1845_779_1862_812.png 80.104images/BZ_56_2052_779_2069_812.png 82.936images/BZ_56_2263_779_2280_812.png5images/BZ_56_1388_861_1405_894.png 81.391images/BZ_56_1639_861_1656_894.png 82.709images/BZ_56_1845_861_1862_894.png 80.961images/BZ_56_2052_861_2069_894.png 83.747images/BZ_56_2263_861_2280_894.png6images/BZ_56_1388_940_1405_973.png 80.585images/BZ_56_1639_940_1656_973.png 79.984images/BZ_56_1845_940_1862_973.png 81.506images/BZ_56_2052_940_2069_973.png 83.662images/BZ_56_2263_940_2280_973.png7images/BZ_56_1388_1023_1405_1056.png 82.303images/BZ_56_1639_1023_1656_1056.png 81.229images/BZ_56_1845_1023_1862_1056.png 83.454images/BZ_56_2052_1023_2069_1056.png 86.908images/BZ_56_2263_1023_2280_1056.png8images/BZ_56_1388_1102_1405_1135.png 78.362images/BZ_56_1639_1102_1656_1135.png 77.956images/BZ_56_1845_1102_1862_1135.png 79.402images/BZ_56_2052_1102_2069_1135.png 83.509images/BZ_56_2263_1102_2280_1135.png9images/BZ_56_1388_1184_1405_1217.png 79.585images/BZ_56_1639_1184_1656_1217.png 80.227images/BZ_56_1845_1184_1862_1217.png 78.969images/BZ_56_2052_1184_2069_1217.png 85.713images/BZ_56_2263_1184_2280_1217.png10images/BZ_56_1395_1263_1412_1296.png 82.492images/BZ_56_1639_1263_1656_1296.png 81.567images/BZ_56_1845_1263_1862_1296.png 81.484images/BZ_56_2052_1263_2069_1296.png 84.553images/BZ_56_2263_1263_2280_1296.png11images/BZ_56_1395_1345_1412_1378.png 79.406images/BZ_56_1639_1345_1656_1378.png 84.228images/BZ_56_1845_1345_1862_1378.png 78.682images/BZ_56_2052_1345_2069_1378.png 86.292images/BZ_56_2263_1345_2280_1378.png12images/BZ_56_1395_1428_1412_1461.png 82.363images/BZ_56_1639_1428_1656_1461.png 81.407images/BZ_56_1845_1428_1862_1461.png 80.558images/BZ_56_2052_1428_2069_1461.png 84.589images/BZ_56_2263_1428_2280_1461.png13images/BZ_56_1395_1507_1412_1540.png 79.839images/BZ_56_1639_1507_1656_1540.png 80.621images/BZ_56_1845_1507_1862_1540.png 81.748images/BZ_56_2052_1507_2069_1540.png 83.629images/BZ_56_2263_1507_2280_1540.png14images/BZ_56_1395_1589_1412_1622.png 82.096images/BZ_56_1639_1589_1656_1622.png 81.489images/BZ_56_1845_1589_1862_1622.png 80.765images/BZ_56_2052_1589_2069_1622.png 83.474images/BZ_56_2263_1589_2280_1622.png15images/BZ_56_1395_1668_1412_1701.png 79.398images/BZ_56_1639_1668_1656_1701.png 80.965images/BZ_56_1845_1668_1862_1701.png 81.227images/BZ_56_2052_1668_2069_1701.png 84.794images/BZ_56_2263_1668_2280_1701.png16images/BZ_56_1395_1751_1412_1784.png 81.209images/BZ_56_1639_1751_1656_1784.png 82.307images/BZ_56_1845_1751_1862_1784.png 78.997images/BZ_56_2052_1751_2069_1784.png 83.296images/BZ_56_2263_1751_2280_1784.png17images/BZ_56_1395_1833_1412_1866.png 77.335images/BZ_56_1639_1833_1656_1866.png 78.964images/BZ_56_1845_1833_1862_1866.png 81.929images/BZ_56_2052_1833_2069_1866.png 84.537images/BZ_56_2263_1833_2280_1866.png18images/BZ_56_1395_1912_1412_1945.png 80.393images/BZ_56_1639_1912_1656_1945.png 81.206images/BZ_56_1845_1912_1862_1945.png 82.449images/BZ_56_2052_1912_2069_1945.png 85.037images/BZ_56_2263_1912_2280_1945.png19images/BZ_56_1395_1995_1412_2028.png 81.927images/BZ_56_1639_1995_1656_2028.png 80.663images/BZ_56_1845_1995_1862_2028.png 82.757images/BZ_56_2052_1995_2069_2028.png 86.820images/BZ_56_2263_1995_2280_2028.png20images/BZ_56_1395_2077_1412_2110.png 79.360images/BZ_56_1639_2077_1656_2110.png 82.393images/BZ_56_1845_2077_1862_2110.png 81.462images/BZ_56_2052_2077_2069_2110.png 84.443images/BZ_56_2263_2077_2280_2110.png

[7]王剛.排球運動規劃在采摘機器人識別與定位中的應用[J].農機化研究,2020,42(05):206-210.

[8]丁小明.溫室甜椒采摘機器人[J].農業工程技術,2019,39(01):80-84.