苗间锄草机器人设计及优化设计开题报告

1 研究目的意义 1.1 研究目的 随着农业生产的快速发展，农业生产技术急需发展，各种人工的生产已经不能满足需要。除草机器人的研究，这其中机器人机械臂的运动学分析和图像识别又是比较关键的技术，以及除草方法的不断改进更使效率大大提高。相信随着我国对对农业机器人的高度重视，我国在农业除草机器人的研究领域会取得重大的突破。我国的农业生产能力家大大提高。 1.2 研究意义 农田杂草直接与庄稼争夺营养、水分和阳光，影响作物生长，减少作物产量。人工除草劳动强度大，效率低，使用除草剂，可有效抑制杂草，但污染环境。开发高效地去除杂草、降低以致消除生态污染的自动化除草机器人十分必要，从长远来看，将具有很高的经济效益。力图使得农田除草工作主要由机器人来完成，高效、自动，减少人们的烦琐劳动；有选择地、精确地施用除草剂，避免伤及作物；与传统的喷雾施药方法相比，大幅减少除草剂的用量，保护了环境。 农业机器人的发展，特别是除草机器人的发展是我们国家农业高效产业化走向更多的土地，从各种角度将我们都有很大的动力和空间把我国的农业发展的更加现代化，除草机器人，将会更加科学。2 研究的现状、基本内容及方案2.1 研究现状 2.1.1 国外研究现状 目前农业机器人的研究主要涉及机器人田间的自主导航和作业目标的识别、定位、作业机构设计两方面。对于前者，研究的重点在于信息获取以及作业规划与自治控制方面，或可粗略地称为行走系列机器人，如：田间耕耘、农田信息采集机器人等。后者则着重于模式分类以及操作结构设计与控制等，或称机械手系列机器人，如：果蔬采摘、品质测定、水果分拣、蔬菜嫁接机器人等。两者相辅相成，互相渗透，根据农作活动的差异，各有侧重。 美国伊利诺依大学农业与生物工程系研究了应用机器视觉系统采集和计算杂草分布特性，进行施用量决策并控制喷头工作的智能喷雾机。该系统能在37米043米范围内分辨出作物、杂草和土壤，并在O24秒内做出喷雾决策。这样喷雾机能以14千米小时的速度行进，目标分辨准确率为91。 澳大利亚科研人员研发出一种智能化农田施药机械，它在田间移动时，能借助专门的电子传感器来区分庄稼和杂草，一旦发现杂草便喷洒除草剂。这种只针对杂草的喷洒方式使除草剂的花费只有常规喷洒的llO，甚至更低，不仅节约了生产成本，还减少了对环境的污染。 2.1.2 国内研究现状 除草机器人可以代替人类进行除草活动，减轻农民的劳动强度，也可以减少农业从业人口数量，提高农业设备的自动化和智能化。国外较早开展了除草机器人研究；在国内，南京林业大学陈勇等率先提出了基于直接施药方法的除草机器人，设计了由主体、机械臂、轮子和摄像头组成的自动施药除草机器人。通过机器视觉检测出杂草，利用机械臂进行“直接施药方法除草，大大减少了化学除草剂使用量，从而有效地减少了环境污染。 东北林业大学研制了林木球果采集机器人。很好地解决了目前在林区主要依靠人工上树，强度大、安全性差、生产率低，对母树损伤较大的问题。 中国农业大学开展了蔬菜自动嫁接技术研究，实现了幼苗的精确定位、快速抓取、良好切削，解决了蔬菜幼苗柔嫩、易损和生长不一致等难题。机器人采用独特嫁接方法，自动完成嫁接作业，速度达600棵小时，成功率95以上。 2.2 基本内容 （1）利用solidwork建模和机械臂优化设计，确定了机械臂的工作形式，制作了与机器人本体相适应的四关节机械臂。 （2）完成苗间锄草机器人的模型并进行初步模拟实验，使机器人可以沿着幼苗前进并基本去除其间的杂草，达成设计目的。2.3 研究方案（1）确定苗间锄草机器人总体的初步设计方案。（2）制定机械臂的初步模型。 （3）确定机器人各部分的零件选择。 （4）基于solidwork 的三维建模，以及模型的生成。 （5）除草机器人的模拟实验和分析 3 预期结果和创新点 本课题设计、制作了除草机械臂，初步研究了末端执行器控制系统。除草机器人在室内进行了大量的除草和导航试验，试验表明机器人能可靠地自主行走并准确地定位杂草。 具体完成了以下几个方面的工作： (1)进行了除草机械臂的优化设计、实物制作并着重分析其运动学问题，使机械臂可以可以大体上完成苗间杂草的去除。 (2)初步实现了除草机器人锄草部分单片机控制系统，制作了控制系统。 (3)进行了大量机器人控制调试与试验，证实了机械臂和机器人运行的正确性和有效性，达到了预期的结果，取得了初步的成功。 目前，国际上除草机器人的研制处于初级阶段，国内尚没有这方面的报道，本文初次研究了基于图像识别的导航技术与杂草识别技术相结合的除草机器人，并制作了除草机器人样机；另外，本研究提出了在切割过程中涂抹农药的施药除草新技术。 本课题的研究有下列创新： (1)开展了直接物理方法的除草机器人深入研究，制作了除草机器人样机，开发了有效的控制软件，并完成了软硬件的联合调试，试验取得了成功。 (2)设计了适合完成田间除草功能的多关节机械臂，并实现了基本的除草控制，试验成功。 5 参考文献1.陈勇，侯学贵，胡娜.除草机器人机械臂的逆向求解与控制郭伟斌J.农业工程学报,2009(4):108-1122.陈勇,郑加强,郭伟斌.除草机器人机械臂运动分析与控制J.农业机械学报,2007,38(8):105-1083.侯学贵,陈勇,郭伟.除草机器人田间机器视觉导航J.农业机械学报,2008,39(3)：106-1084.陈勇,田磊,郑加强.基于直接施药方法的除草机器人J.农业机械学报,2005,36(10):91-935.李东升张莲洁.国内外除草技术研究现状J.森林工程,2002,18(1)：17-186.彭满升,张振伟,孙国志.小麦出口:河南与澳大利亚差距何在J.农村农业农民,2004(7):202-2057,胡怀中,李嘉,胡军.一种机器人触视觉图像配准方法的研究J.小型微型计算机系统,2005,25(6);1057-10608,杨晶东,杨敬辉,洪炳镕.移动机器人视觉图像特征提取与匹配算法J.计算机应用研究,2009(9);3526-3529,35339,杨杰,张铭钧,尚云超.一种移动机器人视觉图像特征提取及分割方法J.机器人,2008,30(4);311-3170,董会英,岳宏.基于双阈值的移动机器人视觉图像分割J.河北工业大学学报,2008,37(3);16-2011,Dur,Erdogan.Opticalflow-basedobstacledetectionandavoidancebehaviorsformobilerobotsusedinunmanedplanetaryexplorationJ.RAST2009-Proceedingsof4thInternationalConferenceonRecentAdvancesSpaceTechnologies,2009(4);638-647.12,Hayashi,Kinoshita,Tomoyuki2.Developmentofanindoornavigationsystemforamonocular-vision-basedautonomousmobilerobotJ.ArtificialLifeandRobotics,2009,14(3);324-328.