东北农大创新训练项目- 基于苗带追踪与变量对靶喷施的多垄 智能除草机器人的研制
基于人工智能的智慧农业作物实验报告
基于人工智能的智慧农业作物实验报告一、引言随着科技的飞速发展，人工智能（AI）在农业领域的应用日益广泛。
智慧农业作为现代农业的重要发展方向，借助人工智能技术实现了对农作物生长环境的精准监测和管理，提高了农业生产效率和质量。
本实验旨在探究基于人工智能的智慧农业在作物生长中的实际应用效果，为推动农业现代化发展提供参考依据。
二、实验目的本实验的主要目的是评估人工智能技术在智慧农业中的应用对作物生长和产量的影响。
具体包括以下几个方面：1、监测作物生长环境参数，如温度、湿度、光照、土壤湿度和肥力等，分析其对作物生长的影响。
2、利用人工智能算法预测作物病虫害的发生，及时采取防治措施，减少损失。
3、通过智能灌溉和施肥系统，实现精准农业管理，提高资源利用效率和作物产量。
三、实验材料与方法（一）实验地点与作物实验在_____农场进行，选取了_____作为实验作物。
（二）实验设备与技术1、传感器网络：在农田中安装了温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器和肥力传感器等，实时采集环境数据。
2、数据传输与存储：利用物联网技术将传感器采集的数据传输到云服务器进行存储和分析。
3、人工智能算法：采用机器学习算法，如决策树、随机森林和神经网络等，对采集的数据进行处理和分析，建立作物生长模型和病虫害预测模型。
4、智能控制设备：安装了智能灌溉系统和智能施肥系统，根据模型的预测结果进行精准灌溉和施肥。
（三）实验设计1、划分实验区域：将农田划分为人工智能管理区和传统管理区，面积各占一半。
2、传统管理区：采用常规的农业管理方法，依靠人工经验进行灌溉、施肥和病虫害防治。
3、人工智能管理区：依据人工智能系统的监测和分析结果，进行精准的灌溉、施肥和病虫害防治。
（四）实验过程1、数据采集：在作物生长期间，传感器每小时采集一次环境数据，并上传至云服务器。
2、模型训练与优化：定期对采集的数据进行分析和处理，训练和优化人工智能模型。
3、农业管理操作：根据模型的预测结果，在人工智能管理区实施智能灌溉、施肥和病虫害防治措施，在传统管理区进行常规操作。
基于自动化种植水稻机器人的设计与优化研究
基于自动化种植水稻机器人的设计与优化研究
张杨
【期刊名称】《北方水稻》
【年(卷),期】2024(54)2
【摘要】设计与优化一种自动化种植水稻的机器人,以提高水稻种植的效率与精度。
围绕机器人的机械结构设计原则和控制系统设计原则,确保机器人能在复杂的田间
环境中稳定、高效地运行。
自动化种植水稻机器人的具体设计,从整体架构、种植
机制和导航定位系统三方面出发,保证了种子的输送与播种,以及土壤处理和水分管理,提高了水稻种植机器人的可靠性与稳定性,为实现农业自动化和智能化提供了有
力的技术支持和理论支持。
【总页数】3页(P88-90)
【作者】张杨
【作者单位】上海城建职业学院人工智能应用学院
【正文语种】中文
【中图分类】S511;TP242
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究5.基于AGV机器人的自动化装配生产线设计与优化
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基于机器学习除草机器人控制技术研究与设计
基于机器学习除草机器人控制技术研究
与设计
随着现代农业技术的不断发展和人工智能的普及，机器学习技术的应用正在逐渐渗透到农业领域中。
基于机器学习除草机器人控制技术的研究与设计正在成为一项重要的农业科学任务，它可以为农民提供更高效、精确和可持续的草坪除草解决方案。
草坪除草是农田管理和草坪维护中的重要环节，传统的除草方法往往需要人工操作，耗时耗力且效果有限。
而基于机器学习的除草机器人可以通过对环境进行感知、自主导航，并利用机器学习算法进行决策，实现自动化的除草任务。
首先，基于机器学习的除草机器人需要具备环境感知的能力。
这意味着机器人需要通过传感器收集周围环境的数据，如图像、激光扫描等，以获取关于草坪情况的详细信息。
利用计算机视觉和深度学习算法，机器人可以对草坪上的草畦进行分类和识别，将杂草和有用植物进行区分。
其次，机器学习除草机器人需要具备自主导航的能力。
机器人需要能够根据环境感知的结果，进行路径规划和障碍物避让，以实现高效的运动控制。
利用机器学习算法，机器人可以通过对大
量路径数据的学习，提高自身的导航能力并快速适应复杂的草坪环境。
最重要的是，机器学习除草机器人需要具备智能决策能力。
在除草过程中，机器人需要根据环境感知和导航结果，进行决策如何除草。
基于机器学习的除草机器人可以通过学习和迭代来优化除草策略，逐渐提高除草的准确性和效率。
此外，机器人还可以根据不同的草坪情况和需求，进行个性化的除草调整，提供定制化的除草解决方案。
基于机器学。
基于双注意力语义分割网络的除草机器人设计
基于双注意力语义分割网络的除草机器人设计摘要：针对田间场景的复杂化和除草机械末端执行器损伤作物根系的问题，提出了一种基于双注意力语义分割网络的苗期作物识别方法，设计了基于作物根系保护的智能除草机器人。
该机器人系统由机器人移动平台、苗草检测系统、除草装置和控制系统组成。
以树莓派和 OpenCV视觉模块为控制核心，建立双注意力语义分割模型，并结合图像形态学处理方法，在仅识别作物的基础上识别杂草，实现苗草的精准识别和分割；基于空间立体开合运动设计除草执行装置，实现对苗草的土下除草土上避苗作业；最后，通过树莓派控制机械臂上的除草装置至指定位置，进行除草作业。
该除草机器人采用双注意力语义分割的视觉检测模型，有效降低了杂草多样性和苗草交叠对识别精度的影响，除草执行器土上避苗除草模式的应用实现了良好的作物根系保护性能。
关键词：机器人移动平台；根系保护；语义分割；双重注意力基金项目：山东省大学生创新创业训练计划项目（202210449014）0 引言田间杂草严重危害苗期作物生长，会影响农作物的生长发育，导致产量和品质下降。
因此，需要进行田间除草[1]。
人工除草劳动强度大，效率低。
除草机械喷洒除锈剂，无论是否有杂草，过度喷洒都会造成高昂的成本和环境污染。
农业除草机器人在一定程度上取代了人类在农业生产活动中的角色。
它们不仅减少了人力投资和农业生产成本，还减少了农药和化肥的使用，减少了环境污染，提高了农产品的质量。
为了完成精确的除草作业，除草机器人的关键问题是在不破坏作物根系的情况下，对作物和杂草进行准确的识别和分割。
传统的苗草检测技术主要采用深度学习的目标检测方法，常用结构包括YOLOv3、Faster R-CNN和SSD等[2-4]。
在上述研究中，采用深度卷积神经网络提取图像特征，实现了苗草的识别和位置预测。
然而，杂草识别存在以下问题：杂草种类的多样性和生长位置的随机性，使得在检测过程中需要对所有杂草进行标记，以实现准确识别。
果园喷药机器人的单目视觉导航定位
万现全，王虎奇，丛佩超，等．果园喷药机器人的单目视觉导航定位算法研究［Ｊ］．江苏农业科学，２０２３，５１（２）：２０２－２０９．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０２３．０２．０３０果园喷药机器人的单目视觉导航定位算法研究万现全，王虎奇，丛佩超，肖宜轩，赵曰炜，陈熙来，刘俊杰（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西柳州５４５００６） 摘要：自主定位是果园喷药机器人视觉导航的重要环节。
针对果园喷药机器人视觉导航过程中定位精度低的问题，本研究提出一种基于ＯＲＢ－ＳＬＡＭ２的单目视觉定位算法，通过优化图像ＯＲＢ特征的提取策略，并使用灰度质心法及图像金字塔算法实现其尺度、旋转不变性，提高视觉里程计中特征点的提取、匹配精度，利用ＯＲＢ－ＳＬＡＭ２中局部建图、回环检测及重定位模块优化位姿，实现果园喷药机器人精确定位。
为验证本方法的有效性，利用ＴＵＭ数据集对本研究算法进行仿真分析，将绝对轨迹误差平均值作为评价指标。
结果表明，相较ＯＲＢ－ＳＬＡＭ２算法，其平均误差降低１５．０６％，均方根误差平均下降１６．４４％。
以此为基础，在模拟柑橘园环境进行实物验证，试验结果表明，本研究算法在直线、回环运动中均可实现有效定位，特征匹配数量平均提升１８．１８％，初始化时间在光照明、暗条件下分别为４．９９３、８．９８６ｓ，关键帧数量在２种条件下分别为６７．２、６４．２帧，综合性能优于原算法。
因此，本研究优化后的视觉定位方法可为果园农药喷洒机器人实际工况下的导航定位提供理论和实践参考。
关键词：果园喷药机器人；视觉自主定位；ＯＲＢ－ＳＬＡＭ２；特征处理；尺度及旋转不变性 中图分类号：ＴＰ２４２．６＋２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０２３）０２－０２０２－０８收稿日期：２０２２－０１－２６基金项目：中央引导地方科技发展专项资金（编号：桂科ＺＹ１９１８３００３）；广西重点研发计划（编号：桂科ＡＢ２００５８００１）；广西科技基地和人才专项（编号：桂科ＡＤ１９１１００２１）作者简介：万现全（１９９５—），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事视觉ＳＬＡＭ的研究。
国家级大学生创新创业训练计划
刘汉兰
20000
项目编号
项目名称
项目类型
项目负责
人姓名
指导教
师姓名
项目经费
（元）
201610504079
Bi/rGO/Bi2WO6三元复合材料的合成及光催化
性能研究
创新训练项目
刘文成
瞿阳
20000
201610504080
多孔金棒的生物模板合成方法研究
创新训练项目
梁晨楠
鲁哲学
20000
201610504081
20000
201610504050
白斑病毒分子蛋白A的分子研究
创新训练项目
李卓聪
兰江风
20000
201610504051
团头鲂颗粒溶素NK-lysin的生物学活性研究
创新训练项目
黄浩
袁改玲
20000
201610504052
光照和温度对蚤状溞生殖转化的诱导作用研究
创新训练项目
刘思甜
刘香江
20000
201610504053
创新训练项目
耿佩赟
பைடு நூலகம்刘睿
15000
201610504076
基于矩阵理论的亏损系统灵敏度模型
创新训练项目
黄文琳
沈婧芳
15000
201610504077
后基因组时代农药一基因相互作用数据库构建
创新训练项目
徐芳婷
位灯国，
郑芳
20000
201610504078
醚基离子液体的制备及其对纤维素溶解性能的
研究
创新训练项目
刘灵芝
20000
201610504090
大学生参与和使用众筹创业意愿及其影响因素 研究
东北农大创新训练项目- 基于苗带追踪与变量对靶喷施的多垄 智能除草机器人的研制
项目来源学生自拟项目（）、导师提供项目（√）（在相应位置打√）一、项目研究背景（500字以内）伴随着人口增加、土地沙漠化等环境问题的日益严重，人均可耕地面积不断减少。
据农业部最新数据表明，目前耕地退化面积占耕地总面积的４０％以上，因而提高单位面积产出是保障粮食安全的重要环节。
在传统农业中，农田杂草与作物争营养阻碍作物生长发育并造成不可估量的经济损失。
据估计，全球15亿2hm耕地每年仅杂草危害就造成约763亿美元的损失[1]。
我国农田杂草危害面积大约为4000万2hm，严重危害面hm，以麦田杂草为例，草害面积达1000万2积约260万2hm，产量损失高达40亿kg[1]。
据国内外有关专家统计，草害所造成的损失为农产品总产值的30%左右由此可见喷洒农药的必要性。
然而，目前我国农业生产中以人工喷洒农药为主，但人工喷洒农药除草剂对人体机理损害较为严重。
生产性农药中毒病例中有65% ～85% 是直接或间接通过皮肤吸收所致。
[2]。
使用新型的施药器械与施药技术有助于降低施药人员体表的农药沉积残留[3]，由此可见，在农业生产中，为保障生产人员健康，采用机器喷洒农药的急迫性与必要性。
二、项目立论依据201．项目研究目的和意义（500字以内）根据有关学者进行的除草剂喷洒对比试验结果表明：假定均匀喷洒除草剂的使用量为100﹪，通过开/关喷嘴间断喷洒除草剂的变量喷洒方法能节省约10﹪的除草剂，根据杂草密度喷洒不同剂量的除草剂的变量喷洒方法能节省约45﹪的除草剂。
为此本研究小组研制了一种基于苗带追踪与变量对靶喷施的多垄智能除草机器人，该机器人为多功能耦合机器人，具有靶向追踪式除草、田间自主行走、田间环境监测等功能。
本研究小组计划通过采用新型植保手段，在到达除草剂除草阀值后尽可能减少溢出值，提高喷施作业的质量与效率以提高土地单位面积产量、减少由杂草带来的损失；通过全自动的智能化喷洒除草剂方式，缓解人力资源的短缺，保障农业生产人员的身体健康。
草坪维护机器人设计与运动控制试验
草坪维护机器人设计与运动控制试验
王梓耘;李文彬;徐道春;白效鹏;郭朋
【期刊名称】《森林工程》
【年(卷),期】2024(40)3
【摘要】针对城市内的小型复杂草坪环境,提升草坪维护工作的全面化及智能化水平,提出一种草坪维护机器人,设计其整体控制系统与平台结构,并采用模块化的方式实现草坪维护的功能。
该平台采用后两轮差速式四轮底盘结构,具有更好的行驶灵活性。
为实现机器人平台的精确控制,使其按照预期设定的指令行进,在对运动模型进行运动学分析的基础上,采用增量式PID控制算法实现速度闭环控制。
对机器人平台设置直线行驶与旋转角度测试,测试结果显示机器人采用速度闭环控制方式在0.5 m/s的速度下直行3 m产生的平均竖直与水平误差均小于3 cm,在0.5 rad/s 的旋转角速度下旋转45°、90°、180°角度平均误差均小于2°,验证了增量式PID 控制算法的可行性。
根据测试结果选定草坪维护机器人的具体行驶参数,为后续实现草坪的全自动维护工作提供了技术支持。
【总页数】7页(P178-183)
【作者】王梓耘;李文彬;徐道春;白效鹏;郭朋
【作者单位】北京林业大学工学院
【正文语种】中文
【中图分类】S776.2;S776.4
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1.双柔索式彩钢板壁面清洗机器人运动控制与试验研究
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项目来源
学生自拟项目（）、导师提供项目（√）（在相应位置打√）
一、项目研究背景（500字以内）
伴随着人口增加、土地沙漠化等环境问题的日益严重，人均可耕地面积不断
减少。
据农业部最新数据表明，目前耕地退化面积占耕地总面积的４０％以上，
因而提高单位面积产出是保障粮食安全的重要环节。
在传统农业中，农田杂草与
作物争营养阻碍作物生长发育并造成不可估量的经济损失。
据估计，全球15亿2
hm耕地每年仅杂草危害就造成约763亿美元的损失[1]。
我国农田杂草危害面积
大约为4000万2
hm，严重危害面
hm，以麦田杂草为例，草害面积达1000万2
积约260万2
hm，产量损失高达40亿kg[1]。
据国内外有关专家统计，草害所造
成的损失为农产品总产值的30%左右由此可见喷洒农药的必要性。
然而，目前我
国农业生产中以人工喷洒农药为主，但人工喷洒农药除草剂对人体机理损害较为
严重。
生产性农药中毒病例中有65% ～85% 是直接或间接通过皮肤吸收所
致。
[2]。
使用新型的施药器械与施药技术有助于降低施药人员体表的农药沉积残
留[3]，由此可见，在农业生产中，为保障生产人员健康，采用机器喷洒农药的急
迫性与必要性。
二、项目立论依据
20
1．项目研究目的和意义（500字以内）
根据有关学者进行的除草剂喷洒对比试验结果表明：假定均匀喷洒除草剂
的使用量为100﹪，通过开/关喷嘴间断喷洒除草剂的变量喷洒方法能节省约10
﹪的除草剂，根据杂草密度喷洒不同剂量的除草剂的变量喷洒方法能节省约45
﹪的除草剂。
为此本研究小组研制了一种基于苗带追踪与变量对靶喷施的多垄智
能除草机器人，该机器人为多功能耦合机器人，具有靶向追踪式除草、田间自主
行走、田间环境监测等功能。
本研究小组计划通过采用新型植保手段，在到达除
草剂除草阀值后尽可能减少溢出值，提高喷施作业的质量与效率以提高土地单位
面积产量、减少由杂草带来的损失；通过全自动的智能化喷洒除草剂方式，缓解
人力资源的短缺，保障农业生产人员的身体健康。
该机器人的出现使农业智能化
管理进一步更加贴近农业生产人员的生活，对绿色农业食品产业的发展具有重要
意义，对我国的粮食安全有重要意义。
图1：人工的粗放型喷洒图1-2 机械式粗放型除草
20
2．国内外研究现状（500字以内）
⑴国外相关研发动态
国外的机器视觉技术较为成熟，在自主导航、智能喷洒方面研究者做了大量工作[4]。
瑞典Halmstad大学的Bjorn Astrand和Albert-Jan Baerveldt
研究了一种除草机器人[5]，该系统由两个基本模块构成:作物识别模块和杂草控
制模块。
作物识别模块包括CCD摄像头、计算机以及图像处理组件，杂草控
制模块包括一个由微控制器控制的精确喷雾系统和距离传感器等。
其中，喷雾
系统有8个喷头，每个喷头均由电磁阀控制[6]。
2002年美国的伊利诺斯大学
农业与生物工程系开发的“基于机器视觉的田间自动杂草控制系统”能实现
同时对多行苗带进行作业[7]，大大提高除草的效率。
但是该系统不能进行自主
导航[8]。
图1-3喷雾机系统
⑵国内相关研发动态
国内所进行的基于机器视觉的自主导航、智能喷洒的相关研究起步较晚，大部分处于实验室阶段，部分科研院所生产的样机，结构功能较为简单[9]。
2007年，南京林业大学的候学贵等人对除草机器人进行了研究，制作了室内
除草机器人模型[7]，主要由导航摄像头、杂草识别摄像头、计算机、本体、机
械手臂等组成。
实验表明除草机器人杂草识别率高，实时性好，除草机器人位
姿计算精度高，杂草识别和导航算法能够适应室外条件变化[8]。
2009年，中
20
国农机院机电技术应用研究所研发了一种智能化精准喷药除草机[9]。
该系统基
于计算机图像自动识别方法及机电控制方法，保证除草喷药机在田间作业过程
中能正确地辨识作物与杂草，并根据杂草的分布状况，实时准确地开启相应的
喷头，将除草剂洒向杂草，以节省农药，从而减少环境污染[10]。
总体看来，
我国在视觉技术研制和应用方面的相关机器人已经有一定的成果，但是仍处于
起步阶段，与国外相比仍存在一定的差距[11]。
【参考文献：】
【1】杨会清，孙丽燕，刘红. 田间杂草识别的机器视觉系统及机械除草研究.2011。
【2】盛琴琴，朱丽芳，蔡文娟，叶晓春.喷洒农药农民体表污染情况及其防护措施.1997。
【3】李炬，何雄奎，曾爱军，陈薇，等.农药施用过程对施药者体表农药沉积污染状况的研究.2005。
【4】陈丽君.沈阳农业大学博士学位论文.沈阳农业大学.博士学位论.2009。
【5】姜国权，何晓兰，杜尚丰，等.机器视觉在农业机器人自主导航系统中的研究进展【J】
农机化研究，2008，3 9-11
【6】刘娅静.基于计算机视觉的麦田杂草识别技术研究.河北工业大学.硕士学位论文. 2006,6.
【7】G.E. Meyer, T.F. Kocher, D.A. Mortensen and A.Samal. T extural Imaging and Discriminant Analysis For Distingguishing Weeds for Spot Spraying[J].Transactions of
the ASAE.2002,41(4)1189-1197.
【8】Dougherty, E.R., Lotufo, R.A.,2003.Hands-o Morphological ImageProcessing,vol.TT59.SPIE–The International Society for Optical Engineering
【9】SANNER R M.Stable adaptive control of robot maniplators using neural
20
entworks[J] Neural Computation 199 5.7( 3):753-790.
【10】Ingemar JCox, JoeKilian, Tom Leighton, T alalShammon. Securespread spectrum watermarking formultimedia [J].IE EE Transac-tions on Image Processing. 1997-6, 612(12): 1673-1687.
【11】P.I.Corke and M.C.Good. Dynamic Effects in Visual Closed-loop System[J].IEEE Trans. on Robotics and Automation1996,12(5):671-683.
.
三、项目实施方案（2500字以内）
1．项目研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
a．研究目标
本项目拟研制一种具有自主导航及监测田间信息功能的靶向式喷洒除草机
器人。
通过车载平台及视觉采集设备，该机器人可实现在田间的自主无伤性行走；通过视觉采集设备以及智能喷洒系统的配合，实现靶向式喷洒功能；通过
将传感器与物联网设备相连接，把田间环境信息，如光强、温度、湿度、二氧
化碳浓度等实时有效的传送到操作者的终端设备中。
通过多系统配合实现机器
人在田间完全自主的进行靶向式喷洒除草作业，以最终达到缓解人力资源短缺
问题、保护作业者身体健康并避免除草剂的过量使用从而提升粮食产量。
b．研究内容
1)仿生式路径识别算法的研究
机器视觉导航在自然条件下通过倾斜架设在机器前下方的图像采集设备
20。