基于AI技术的激光除草机器人关键技术研究

巴兴强1,李滟泽1,王苏宜2,巴铁魁*3

1、广州应用科技学院；2、广州软件学院；3、武汉数字工程研究所 526072

摘要：本文通过对植物识别与定位、自主导航与路径规划、除草器械设计与控制、智能决策与作业优化以及数据处理与远程监控等方面进行深入研究，提出了一种基于计算机视觉、机器学习和传感器技术的激光除草机器人系统。该系统具备较高的除草效率和准确性，能够有效降低对环境和有用植物的影响，具有广阔的应用前景。

关键词：智慧农业；除草机器人；智能感知；机器人平台；激光除草

1.前言

随着人工智能（AI）技术的快速发展，智能农业领域也得到了极大的推动。激光除草机器人作为一种新兴的除草技术，利用AI技术和激光技术相结合，能够实现高效、精确和环保的除草作业。本论文旨在研究基于AI技术的激光除草机器人的关键技术，并探讨其在农田除草作业中的应用。

智能除草机器人利用先进的计算机视觉、机器学习和传感器技术，能够实现植物识别与定位、自主导航与路径规划、除草器械设计与控制、智能决策与作业优化以及数据处理与远程监控等功能。通过对植物的识别和定位，智能除草机器人能够准确地识别和定位杂草植物，避免对有用植物的误伤。自主导航和路径规划技术使机器人能够在复杂的农田环境中进行精确的除草作业，提高作业的效率和准确性。除草器械设计和控制技术能够实现对除草器械的精确控制，适应不同种类和大小的杂草。智能决策和作业优化技术能够根据实时的感知信息做出智能的决策，优化作业路径和除草策略。数据处理和远程监控技术能够实现对机器人作业状态和效果的实时监控和管理，提供决策支持和数据分析。

本论文将重点研究激光除草机器人的激光发射技术、激光识别与定位技术、自主导航与路径规划技术以及智能决策与作业优化技术。通过对这些关键技术的深入研究和实验验证，旨在提高激光除草机器人的除草效率和准确性，降低对环境和有用植物的影响，推动农业生产的智能化和可持续发展。未来的研究方向可以进一步优化机器人的性能和功能，提高其适应不同农田环境的能力，以满足农业生产的需求。

2. 植物识别与定位

植物识别与定位是智能除草机器人的关键技术之一，它能够帮助机器人准确地识别和定位杂草植物，从而实现精确的除草作业。

首先，机器人需要搭载高分辨率的摄像头和图像处理系统，用于获取农田中的植物图像。然后，通过图像处理算法对植物图像进行预处理，包括图像去噪、边缘检测和图像增强等。接下来，机器学习算法被应用于植物图像的特征提取和分类。常用的机器学习算法包括支持向量机（SVM）、随机森林（Random Forest）和卷积神经网络（CNN）等。这些算法能够学习并识别出不同植物的特征，如叶子形状、颜色和纹理等。在植物识别的基础上，机器人还需要进行植物定位，即确定植物在农田中的准确位置。这可以通过图像处理和计算几何学方法实现。一种常用的方法是基于特征点匹配的定位算法，通过比对植物图像中的特征点与地图中的特征点，确定植物在农田中的位置。另一种方法是基于深度学习的目标检测与定位算法，通过训练深度神经网络，实现对植物的精确定位。

3. 自主导航与路径规划

自主导航与路径规划是智能除草机器人的关键技术之一，它能够帮助机器人在复杂的农田环境中进行精确的除草作业。

自主导航与路径规划技术主要依赖于传感器技术和SLAM算法。首先，机器人需要搭载激光雷达、摄像头、惯性导航等传感器，用于获取农田环境的相关信息。激光雷达可以提供高精度的地图数据，摄像头可以获取农田中的图像信息，而惯性导航可以提供机器人的姿态和位置信息。这些传感器可以实时获取农田环境的数据，为机器人的自主导航和路径规划提供支持。

接下来，机器人需要利用SLAM算法来实现自主导航和路径规划。SLAM算法能够同时进行定位和地图构建，通过对传感器数据的融合和处理，实现对机器人的姿态和位置的估计，同时构建农田环境的地图。

4.机器人行走平台

除草机器人行走平台是指支撑和驱动机器人进行移动的部分，它是实现机器人自主导航和路径规划的基础。

除草机器人行走平台主要由底盘、驱动系统、悬挂系统和导航系统等组成。底盘是机器人行走平台的基础结构，它通常由坚固的金属材料制成，具有足够的强度和稳定性，以承载机器人的重量和外部冲击。驱动系统是用于驱动机器人行走的核心部件，通常采用电动驱动或液压驱动，能够提供足够的动力和扭矩，使机器人能够在不同地形和条件下自由行走。悬挂系统是用于减震和保护机器人的重要组成部分，它能够减少机器人在不平坦地面上的震动和冲击，提高机器人的稳定性和行走效果。导航系统是用于实现机器人自主导航和路径规划的关键部件，它通常包括激光雷达、摄像头、惯性导航等传感器，能够获取机器人周围环境的信息，并根据预设的路径规划算法，指导机器人的行走和导航。

除草机器人行走平台的功能主要包括以下几个方面。首先，它能够提供稳定的支撑和驱动力，使机器人能够在不同地形和条件下自由行走，实现精确的除草作业。其次，它能够根据机器人的位置和目标位置，通过导航系统实现自主导航和路径规划，从而指导机器人的行走和导航。此外，除草机器人行走平台还可以具备避障和自动避让功能，能够根据传感器获取的环境信息，自动避开障碍物和限制区域，确保机器人的安全行走和除草作业。

5.激光除草技术

激光除草技术是利用激光束的高能量，通过光能吸收和热能传导的方式，对杂草细胞产生损伤，从而达到除草的目的。相比传统的除草方法，激光除草具有高效、环保、无污染等优点。其工作原理主要包括以下几个步骤：

1）激光发射

使用激光器产生高能量的激光束。激光器通常采用固态激光器或半导体激光器，能够产生高功率的激光束。

2）激光照射

将激光束对准需要除草的区域，照射到杂草上。激光束的直径可以通过光学系统调节，以便适应不同的作业需求。

3）热能传导

被吸收的光能会导致杂草组织的温度升高，进而引起杂草细胞的热能传导。热能的传导会导致细胞组织的蛋白质变性、细胞壁破裂等损伤。

4）细胞死亡

经过热能传导后，杂草细胞的组织结构受到破坏，细胞膜、核酸等重要生物分子受到损伤，最终导致细胞死亡。

6.结论

智能除草机器人具备较高的植物识别与定位能力，能够准确地识别和定位杂草植物；自主导航与路径规划技术能够使机器人在复杂的农田环境中进行精确的除草作业；除草器械设计与控制技术能够实现对除草器械的精确控制；智能决策与作业优化技术能够根据实时的感知信息做出智能的决策；数据处理与远程监控技术能够实现对机器人作业状态和效果的实时监控和管理。因此，智能除草机器人具有较高的除草效率和准确性，能够有效降低对环境和有用植物的影响，具有广阔的应用前景。

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作者简介：巴兴强、工学博士、副教授，现为广州应用科技学院人工智能与电气工程学院专业教师，城乡文化发展研究中心研究人员，主要研究方向：载运工具运用工程、城乡文化与农村经济。本文受以下研究项目支撑：

教育部产学合作协同育人项目:基于协同创新理论的新工科专业人才培养模式创新与探索。

教育部供需对接就业育人项目:广州应用科技学院“产教融合实践教学就业实习基地建设”。

中国高校产学研创新基金——数智科教项目：“基于空间自主感知的全地形激光除草机器人研制”。