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农林自主导航无人车设计与研究现状及发展趋势

摘要： 自主导航无人车（Automated Guided Vehicle，以下简称AGV），作为一种先高度自动化的运输与工作平台，近几年已经被广泛运用于各类领域中。随着现代农业自动化科技的发展，AGV被人们尝试应用到农业生产过程中，并且取得不错的效益。但是，AGV打药车仍处于探索阶段，尚未有成熟产品面向市场。相关公司在AGV打药车设备研制方面进行了探索，完成了样机的研制，但依然存在诸多缺陷且没有针对根部施药的装备面市。本文提出了一种具有自主导航、精准定位施药针头、精准施药、破土并进行回填的AGV，能填补机械自动化根部施药的缺口。

关键词：农林机械、无人车、根部防治

Design and research status and development trend of autonomous navigation unmanned vehicles for agriculture and forestry

Abstract: Automated Guided Vehicle (AGV), as a highly automated transportation and work platform, has been widely used in various fields in recent years. However, the AGV drug delivery vehicle is still in the exploratory stage, and there are not yet mature products available to the market. This article proposes an AGV with autonomous navigation, precise positioning of the application needle, precise application, ground breaking and backfilling, which can cover the gaps in the technology of mechanical and automatic root application.

Keywords: Agricultural and forestry machinery, unmanned vehicles, root prevention

0.引言

AGV的应用大多是在AGV的基础上加入功能组件，两个部分进行协作配合，以适应各式各样的工作环境和工作状况，基本的AGV组成也是高度模块化的（如图0.1），现在市场上应用最广的AGV多用于工业生产和物流存储邻域（如图0.1、图0.2），AGV的应用大大提高了自动化程度和工作效率，并减少了人力成本和提高了工厂安全。不仅在工业制造和运输物流行业，AGV在邮局、图书馆、港口码头、机场、医药、食品、化工、危险场所和特种行业等领导都起着重要的作用^[2-5]。如在邮局、图书馆、医药和食品等领域AGV和智能识别系统结合将快件、书籍、药品以及食品分类，另外被应用于码头集装箱装卸以及衔接桥吊作业和堆场作业等方面^[6]。替代集装箱拖车的AGV技术目前成为研究的热点，AGV正逐渐成为集装箱自动化码头内的主要水平运输工具。此外，AGV在众多领域仍具有许多可利用的潜能。自主导航无人车（AutomatedGuidedVehicle，以下简称AGV），作为一种先高度自动化的运输与工作平台，近几年已经被广泛运用于各类领域中。从需求领域来看，目前我国AGV机器人的需求领域较为集中，主要分布在汽车工业、家电制造等生产物流端，其中AGV机器人销售额在汽车工业领域占比24%，在电子制造领域占比22%。除了在工业领域的应用外，AGV开始向商业行业推广应用，其中对AGV需求最大的是电商仓储物流、烟草和3C电子行业，三者需求量占比分别为15%、15%、13%^[1]。

从AGV在农业领域应用的成功例子上可以看出，AGV在农业领域有一定的发展前景。AGV视觉导航系统能够对农作物的生长状态做到完美监控;解决农场果蔬采摘后因劳动力问题无法将新鲜果蔬及时运送至保鲜库，导致果蔬在采摘后品质变差问题;解决生产过程中自动化和效率性问题，如将育苗床上的新苗运载到相应培养基，各种生产材料、工具配送到目的地等。农业设施自动化应用已成为一种发展趋势，特别是在人工劳动力成本不断加大以及过度依赖劳力而引发的一些滞后性问题的解决上。结合AGV的发展趋势以及国内外的应用情况，将AGV系统应用于农场领域，可以进一步促进现代化农场转型发展，解决劳动力成本较高的问题，降低工人劳动强度，改善农场自动化生产管理水平，提高农场生产效率等。因此，AGV在现代农场中的应用问题逐渐得到国内外学者的关注。随着现代农业自动化科技的发展，AGV被人们尝试应用到农业生产过程中，并且取得不错的效益。农业机械自主导航在20世纪20年代开始应用，导航方法从早期的机械触杆导航、预埋电缆导航等演变为如今应用较多的激光导航、惯性导航、全球定位导航以及组合导航等^[7]。直到20世纪80年代末90年代初才将视觉导航系统应用到农业机械自主导航中^[8-9]。不同的导航方式有各自的优缺点，视觉导航系统主要是利用摄像机采集农田环境信息，并对采集的信息进行处理和分析后提取感兴趣区域(ROI)，然后从ROI提取特征点，并进行直线拟合，最终获取导航参数，控制系统通过获取的导航信息，调整农业机械的行驶状态，使机器能够沿着导航路线行走^[10-11]。

1.农林无人车现状与缺口

在现有的农业AGV中，大多都应用于果实的采摘、除草、播撒、运输与农药的喷洒。现在市面上的典型代表公司便是极飞科技的智能农业车产品，例如其播撒车型和撒药车型。

其播撒车（如图1.1）采用螺旋式向上送料，精准控制出料量；双离心播盘作业，保证播撒均匀、温柔不伤种；其撒药车型（如图1.2），可以为果园提供精准、高效、强力、360°全方位定点跟踪植保喷洒。高压喷雾机产生的高速气流不仅可以穿透果树冠层，将药液精准携至目标区域，均匀覆盖果树树叶正、背面，而且还可以将药液雾化成微米级大小、灵活可调的颗粒，让药液附着更加均匀，效果更好，让果园植保难题迎刃而解，实现果树植保无人化^[12]。