新研发的农业移动机器人,可对农业生产进行自动化!

   电工小二        

移动机器人在农业领域的出现标志着数字化转型,新的自动化技术优化了一系列劳动密集型、资源要求高、耗时的农业田间作业。为此,缺乏一个普遍接受的移动机器人技术词汇,因为相关的术语经常互换使用。这在研究和实践的利益相关者之间造成了混淆。此外,由于相关研究的缺乏,对于自动化农业操作中规划属性的一致定义仍然缺乏。在这方面,采用了“叙述”审查:(1)提供用于自主操作的移动机器人技术方面的基本术语;(2)评估农业环境中移动机器人的基本规划方面。从现存的研究,基于证据合成7计划属性包括:(1)高级控制特定属性,包括推理架构,世界模型和规划水平;(2)操作特定的属性,其中包括locomotion-task连接和能力限制;(3)更具体物理机器人属性,包括车辆配置和车辆运动学。


相关论文以题为“Mobile Robotics in Agricultural Operations: A Narrative Review on Planning Aspects”发表在《Applied Sciences》上。




在工业4.0时代,工业过程和服务的数字化主要依靠三项关键技术:物联网(IoT)(如连通性);增材制造(如3D打印)和高级机器人技术。特别是机器人系统的应用,原则上从结构化的工业环境扩展到半结构化甚至非结构化的操作设置。指示性应用案例包括:医疗业务城市流动性;以及精准农业。这些环境中的自动化操作需要技术先进的机器人系统来执行四个主要操作:(1)感知;(2)定位;(3)规划;(4)执行。同样地,移动机器人,即无人地面车辆(ugv)和无人飞行器(uav),正在被用于农业自动化一系列劳动密集型、资源要求高和耗时的操作。在运维研究社区中,规划农业移动机器人是至关重要的,特别是为了解决农场输入资源、机器人可操作性、农田拓扑和由农作物/生鲜农产品规格规定的时间窗的约束。


现有的关于移动机器人的文献大量涌现,这些研究集中在广泛的硬件和可能的技术选项解决方案,如移动系统传感设备,空间定位系统和转向控制机构。然而,在农业环境中规划移动机器人的需求,也就是将用户定义的任务规格转换为如何按照定义的性能标准执行物理任务的高级描述,也是非常关键和具有挑战性的,因为:


(1)生物实体的存在受其属性(产品本身,即产品本身)的时间变化所支配。例如,作物在其一生中不断地发生物理变化。如尺寸、形状和化学性质等。,颜色和营养)


(2)农业环境作为操作环境的性质是典型的非静态的,就机器人感知而言是不确定的,并且不是先验定义的;


(3)移动机器人的技术和功能约束。


此外,无人机有限的飞行自主权是一个需要通过优化规划解决的主要挑战。这阻碍了在单一路线上进行遥感和野外测绘的潜力。确保遥感任务的安全需要仔细设计无人机的轨迹,包括访问航路点、飞行速度和高度、飞行方向、灵活的实时任务管理能力,以最大限度地减少轨迹和图像重叠的变化数量,以及起飞和着陆要求。


Locomotion-Task连接


移动能力是移动机器人的一个主要先决条件,因为这使得在分布式工作站执行处理任务成为可能。通常,最常见的移动系统包括轮子、机械腿、履带、螺旋桨和其他外部设备,这些设备能够与操作环境进行交互。


此外,在农业中需要由移动机器人执行的任务可能是:


·隐式连接机器人的运动,即机器人利用其移动功能到达一组分布式工作站,执行任何需要的任务。在这种情况下,机器人的导航方式与任务本身无关。


·明确连接到机器人的运动,即“在运行中”执行任务。值得注意的是,机器人移动的方式会影响任务的执行。


在运动与任务隐含联系的情况下,移动机器人系统的总体架构如图1所示。例如,一个装有收获臂的移动机器人可以穿过果园采摘水果或监控田地的状态,这就被归类为运动和任务之间的隐性联系。



图1.运动与任务隐含联系下的移动机器人一般结构。


相反,对于运动和任务之间有明确联系的情况,机器人系统的体系结构是前面所介绍的一般的,如图2所示。例如,一个执行区域覆盖操作的移动机器人,如喷洒或苗床准备,是一种运动和任务之间明确联系的情况。



图2.移动机器人的计算和物理子系统及其与环境的连接。


规划阶段


在机器人文献中,全局和局部路径规划的区别与操作环境和预定义的目标有关。首先,全球规划是指为将要进行的行动提供一个完整的计划;这些操作可以是确定性的,也可以是随机的,这取决于先验信息的可用性。其次,局部路径规划是指根据导航过程中采集的数据和工作空间的变化实时生成操作计划。


通常情况下,局部规划是与全局路径规划器结合执行的任务,如避障或岬角转弯,并主要基于反应控制过程。例如,全局规划器提供区域覆盖操作中的轨迹排序和路径,而局部规划器在移动机器人路径上出现任何障碍时激活。图3给出了一个机器人系统的总体架构。这种架构在不同的系统之间是不同的,并且必须适应每个具体的情况,在激活局部和全局规划组成部分,以及它们对机器人系统的总体规划的相对贡献。



图3.一种移动机器人系统的总体规划架构。


方法论


本研究应用“传统叙事”综述方法来分析与农业中移动机器人规划方面相关的现有文献,同时旨在提供领域的见解。为此,在同行评议的科学期刊上挑选了少量文章,帮助确定了农业机器人规划这一特定主题的关键作者和其他相关研究。选择“传统审查”方法,而不是更系统的审查,是出于缩小农业机器人规划领域基础知识差距的意图,该领域目前缺乏任何简明和正式的定义,除了零散和随机的经验知识。相反,研究人员试图找出一组研究主要农业操作中移动机器人(包括ugv和无人机)规划方面的论文,以获得见解。


所选文章的分类是基于所提出的规划方法的属性。如前所述,在农业移动机器人中,七个规划属性已经被确认。这些属性可以分为三大类:(1)高级控制特定属性,包括推理架构,世界模型和规划水平;(2)操作特定的属性,其中包括locomotion-task连接和能力限制;(3)物理机器人属性,包括车辆配置和车辆运动学(图4)。



图4.农业机器人运动规划中的规划属性及其实例。


结论


本研究为理解移动机器人的规划,特别是在农业领域,提供了理论基础。研究人员首先提供了用于自主操作的移动机器人技术方面的基本术语,然后确定了农业环境中移动机器人的基本规划方面。当前与任务计划相关的文献中,主要的差距在于遵循系统工程方法的研究数量有限。更具体地说,大多数研究主要是在仿真环境下测试现有区域分解和车辆路径算法方面的性能,而忽略了现有移动机器人需要执行的预期操作和任务的结构和规格。因此,制订了孤立的规划办法。此外,在少数实验研究中,试验仅限于少数机器人的功能,并没有全面考虑野外行动的范围的部署。


本研究旨在通过识别和分类一组技术术语和基本规划属性来支持农业移动机器人的规划。研究人员设想,拟议的澄清将为有效设计农业自主经营提供分析工具,从而进一步实现扩展农业食品供应网络的数字化转型。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3453/htm



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