果樹施肥機器人的關鍵技術研究

郭洪宇 ， 姜利鵬 ， 王 樂 ， 邵奧利 ， 王偉鵬

（吉林農業大學工程技術學院，吉林 長春 130118）

對果樹精準有效施肥，能給果樹生長提供養分，是果樹產量形成與品質提升的重要保障[1]。農業智能機器人可以實現智能育種、作物去雄、病蟲害監測、農業電力巡檢等，將智能機器人技術應用于果林生產，能減輕果農的勞動負擔，可讓果農以更加智能高效、輕松簡單的方式管理果園，提高收入，幫助果農在作物生產過程中減少農藥化肥使用量，有效解決土壤污染和農產品農藥殘留等問題。而果樹施肥機器人通過智能化、集約化的方式進行施肥，可以提高施肥效率和施肥精準度。

1 研究背景

果樹施肥機器人的開發具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景，符合未來農業的發展趨勢。我國是農業大國，農作物的精準生長越來越重要，精準、智能施肥的需求不斷增加。而目前對農作物施肥的普遍方法是撒播式施肥，大量撒施會造成肥料的浪費，作物沒有吸收的、多余的肥料會滲入地下，污染水源，進而影響環境，也容易造成土壤板結。果樹施肥機器人可以智能識別作物，實現自主精準施肥，因此，有關果樹施肥機器人的研究越來越重要[2]。

2 研究意義

肥料的精準播撒不僅可以提高果樹的吸收利用率，而且還可以提高果樹成果的質量和果樹的產量。果樹施肥機器人之所以具有較高的施肥效率，是因為它可以在實際作業中對每一棵果樹進行精準施肥，在新型技術的輔助下，能替代人工進行作業，提高作業效率。與傳統的施肥方式相比，果樹施肥機器人在復雜多變的作業環境中，能通過感知信息進行作業，如果樹機器人可采用超聲波測距原理判斷樹根位置，實現精準施肥，提高肥料的利用率。果樹施肥機器人通過智能化、集約化的方式，可使施肥效率和施肥精準度達到一個新的高度，實現果園施肥的自動化和智能化。在實際使用中，果樹施肥機器人的施肥模塊高度可以調節，適用于絕大多數果樹，如橘子樹、蘋果樹和櫻桃樹等。

3 常見的果樹施肥方法

按照施肥原理，果樹的施肥方式主要分為葉面噴肥、注射施肥、土壤施肥、水肥一體化、草肥覆蓋5種類型，具體分類如圖1所示[3]。果園不同施肥方式的示意圖如圖2所示。

圖1 果園施肥方法

圖2 果園不同施肥方式示意圖

4 果樹施肥機器人的關鍵技術

果樹施肥機器人是一種集合路徑動態規劃、行為控制、視覺識別、環境感知等多功能于一體的精準高效施肥的農業技術設備[4]。果樹施肥機器人的系統組成如圖3所示。一臺完整的果樹施肥機器人主要包括頭腦、神經、心臟、五官、手腳等部分。歐陽真[5]提出了一種智能果樹施肥機器人，通過視覺識別裝置識別果樹的樹根部位，紅外接收模塊接收外部識別出來的信息，傳到STM32單片機主控板，STM32單片機主控板命令施肥機構轉動，使肥料從滑道滑下，落至樹根部位置。對第一棵果樹施肥之后機器人根據所收集的地面信息進行循跡，超聲波測距模塊判斷前方是否有障礙物，依次對所有果樹進行精準施肥，實現果樹智能施肥。

圖3 果樹施肥機器人的系統組成

1）行走控制技術。果樹施肥機器人的行走控制技術是其實現多方位運動控制的關鍵技術，對于整個施肥作業過程中的平穩運行起著至關重要的作用。近年來，果樹施肥機器人正向著智能化、精確化、高效化的方向逐步發展，進而對行走控制技術也提出了更高的要求。同時，全閉環交流伺服驅動技術、嵌入式運動控制系統技術、運動控制卡技術、模糊控制技術等新型控制技術在實際生產中的應用對果樹施肥機器人的發展和推廣起著重要的作用。

2）循跡定位技術。循跡定位技術是果樹施肥機器人實現精準高效施肥的關鍵。在各種導航定位方法中，如GPS導航、計算機視覺導航、計算視覺定位導航技術均有非常多的優點。當前對果樹施肥機器人的循跡定位研究主要集中在視覺識別和GPS導航這兩種方式上。同時，我國研發的北斗導航精確度越來越高，在果樹施肥方面將會產生引導性作用。

3）傳感器避障技術。果樹施肥機器人在農田進行實際作業時，工作環境較為復雜，作業對象不確定性較高，同時不同果樹的施肥情況不一樣。因此，傳感器在這個過程中起到至關重要的作用。現有的果樹施肥機器人傳感器主要包括觸覺傳感器、視覺傳感器、超聲波傳感器等[6]。傳感器設置在外界環境與果樹施肥機器人的連接位置，是其獲取實際環境實時情況的重要途徑。果樹施肥機器人在工作時實現循跡、定位和路徑規劃等功能時均依賴于傳感系統。隨著技術的發展，不斷開發和應用更多傳感器融合技術是提高果樹施肥機器人精準施肥、環境適應能力的有效措施。

4）智能學習技術。鑒于果樹施肥機器人工作環境的多樣性與復雜性，進行相應的數學建模比較困難，因此，果樹施肥機器人應該向著智能化的方向發展，而智能化果樹施肥機器人的技術關鍵是在模糊控制于神經網絡控制的自適應性和自主學習能力。同時，果樹施肥機器人可以在人為的協助下不斷地學習，逐漸形成自身處理復雜情況的知識系統，從而使其更具有實用價值[7]。

5 果樹施肥機器人研究存在的問題與對策

我國對于果樹施肥機器人的研究起步比較晚，與發達國家相比，在技術方面仍存在差距。果樹施肥機器人的發展還需要結合具體的實際作業環境，同時兼顧實用性、先進性、經濟性等，研發出符合我國果樹需要的施肥機器人[8]。

1）存在的問題。目前，在果樹施肥機器人的實際應用中主要存在的問題有兩方面：①果樹施肥機器人的智能化水平有待提高。在實際農業生產中，果樹生長特點、環境條件等均有不同，因而對于果樹施肥機器人的智能施肥有較高要求。例如，需要果樹施肥機器人對于田地間的障礙物具有敏捷的避障能力。同時，對不同環境果樹施肥時，其對施肥位置需要有較強的辨識能力。當前專家對于果樹施肥機器人研究的重點也逐漸從其他機械化的組成部分轉移到果樹施肥機器人的智能化方面，同時在其他技術方面也進行了相應的改進，如對施肥時攝像頭識別定位以及機器人自動循跡等方面進行了處理。但總體來看，目前我國在果樹施肥機器人智能化方面的研究仍存在一定的缺陷，影響了當前水果等農副產品的生產與發展。②果樹施肥機器人的制作成本較高。目前，我國對果樹施肥機器人的研究中大多數是針對某一種果樹的某一生長期來進行研究，在實際生產過程中存在效率低、使用針對性強的問題。這使得果樹施肥機器人的生產制造成本大大提高，不利于果樹施肥機器人的推廣，導致果樹施肥機器人在當前果產品生產中很難大范圍進行使用。

2）應對措施。應加大對果樹施肥機器人的研發支持力度，引導果樹施肥機器人向著智能化、自動化、精準化的方向發展，最終實現產業化，并進行推廣應用。①可以通過長時間的探索，歸納總結果樹施肥的最佳作業方法，提高水果等農副產品的質量與產量。②果樹施肥機器人不僅要對目前人工種植的過程進行實際模擬，而且還應該融入當下難以實現機械自動化的領域。在果樹施肥機器人的設計與制造過程中應保證其統一性與規范性，從而降低其生產成本，使其能夠更廣泛地應用于實際生產中[9]。③在果樹施肥機器人的設計中盡可能實現一機多用的功能，以提高施肥時的作業效率，解放勞動力，同時降低其制造成本，進而產生更好的經濟效益。

6 結語

綜上所述，隨著互聯網技術、循跡定位技術以及傳感器避障技術等科學技術的發展，果樹施肥機器人應該具有開放式結構、良好擴展性、通用性和柔性作業的能力，從而優化機器人功能，降低其生產成本，真正實現普及和應用。如可以通過更換相應機械結構與末端執行器來適應不同類型的果樹，實現一機多用的功能，進而提高果樹施肥機器人的作業效率；不斷優化果樹施肥機器人的各部分結構與功能，向著小型化、輕量化的方向發展；進一步對視覺識別系統、圖像采集和處理的算法深入研究與探索，同時配合靈敏度較高的傳感器使用，從而改善其避障能力，達到作業過程中的智能化、自動化、精準化的目的[10]；引入柔性材料、納米材料等新材料技術到果樹施肥機器人領域，促進對果樹無損傷作業技術的發展。以使果樹施肥機器人能夠為產業的發展提供更多幫助，提高水果的產量與質量。