序言：寫作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的大數(shù)據(jù)下農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是極其龐大的，需要引入大數(shù)據(jù)的概念和分析方法，將農(nóng)業(yè)機(jī)器人與大數(shù)據(jù)結(jié)合，可提高機(jī)器人的性能和應(yīng)用效果。為此，基于大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)智能的噴藥機(jī)器人，將采集的機(jī)器人作業(yè)信息匯集成為大數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，用于對(duì)機(jī)器人的智能控制和作業(yè)效果評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明:在大數(shù)據(jù)的支持下，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和精準(zhǔn)噴藥，對(duì)作業(yè)效果的評(píng)估也很準(zhǔn)確，智能化水平得到了大幅提升。

0引言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，可以為人們的生活和其它產(chǎn)業(yè)提供物質(zhì)條件，受到了高度的重視。在新的時(shí)代背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要方式，不僅作業(yè)效率高，而且降低了生產(chǎn)成本，代表著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。但近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的增速放緩，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)忙時(shí)節(jié)供不應(yīng)求，在其它時(shí)節(jié)又出現(xiàn)閑置，利用效率降低。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械研制起步較晚，技術(shù)水平不高，結(jié)構(gòu)性能也有待進(jìn)一步改善。另外，農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的購(gòu)買能力不足，也是農(nóng)業(yè)機(jī)械持續(xù)推廣所面臨的問(wèn)題。信息技術(shù)能夠采集社會(huì)生產(chǎn)生活中的各種數(shù)據(jù)信息，通過(guò)充分挖掘獲取相應(yīng)的知識(shí)和規(guī)律，為各行業(yè)的升級(jí)提供支持。信息與能源、材料一起并稱國(guó)家三大重要戰(zhàn)略資源，信息技術(shù)目前已經(jīng)滲透到了包括農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中。在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，可以利用信息技術(shù)采集機(jī)械的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理后用于機(jī)械的優(yōu)化控制，使機(jī)械更加智能化和規(guī)范化。

目前，我國(guó)有18億畝耕地和186萬(wàn)個(gè)鄉(xiāng)村，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員達(dá)到8億人，所使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多，數(shù)量龐大，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也是極其龐大的。為了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析，則需要在所使用的信息技術(shù)中引入大數(shù)據(jù)的概念和方法。維基百科將大數(shù)據(jù)定義為在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法用普通軟件工具進(jìn)行捕獲和管理的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)具有規(guī)模性、多樣性和高速性的三大特點(diǎn)，首先是數(shù)據(jù)量非常龐大，可以達(dá)到PB的級(jí)別。大數(shù)據(jù)的類型包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式，數(shù)據(jù)處理速度足夠快，能夠滿足對(duì)龐大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)分析要求。大數(shù)據(jù)是為相應(yīng)的需求而誕生的，應(yīng)用領(lǐng)域從最初的商業(yè)和金融逐漸擴(kuò)展到其它的行業(yè)，包括自然科學(xué)研究中的地球空間信息學(xué)，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的物流服務(wù)和發(fā)展規(guī)律研究。大數(shù)據(jù)不僅推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，還使科學(xué)研究層次更加深入，具有劃時(shí)代的意義。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，成為目前國(guó)際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)技術(shù)的要求更高，且需要新型的農(nóng)業(yè)機(jī)械與之相匹配，因此出現(xiàn)了高級(jí)形式的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，即農(nóng)業(yè)機(jī)器人。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種具有高度自規(guī)劃、自組織和自適應(yīng)能力，可以在復(fù)雜環(huán)境中完成農(nóng)業(yè)操作的智能機(jī)械。機(jī)器人誕生于20世紀(jì)50年代，80年代在日本被首次引入農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，并且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；途珳?zhǔn)化過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要用于移栽、采摘、嫁接、噴藥、擠奶和分級(jí)檢測(cè)等作業(yè)。

后來(lái)，各種傳感器技術(shù)的發(fā)展還賦予了農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息采集和處理的功能。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有其自身的特點(diǎn)，如操作的對(duì)象柔弱復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境難以預(yù)測(cè)，以及作業(yè)動(dòng)作沒(méi)有固定的模式等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造成本較高，還需要機(jī)器視覺(jué)、GPS定位、各類傳感器和智能控制技術(shù)作為技術(shù)支撐。作為高端的農(nóng)業(yè)機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行和作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括作業(yè)環(huán)境信息、機(jī)器人位置信息、機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)效果評(píng)估等。這些數(shù)據(jù)的規(guī)模龐大，類型復(fù)雜，難以通過(guò)普通的設(shè)備和方法進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。若將這些數(shù)據(jù)按照大數(shù)據(jù)的概念進(jìn)行處理，則可以提取出內(nèi)含的信息，有利于機(jī)器人各部分的整合。農(nóng)業(yè)機(jī)器人將各種智能設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)集于一體，通過(guò)與大數(shù)據(jù)結(jié)合，在拓寬大數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍的同時(shí)，還能夠提高自身的性能和應(yīng)用效果。目前，對(duì)大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人分別進(jìn)行的研究比較多，但是二者的結(jié)合應(yīng)用卻鮮有報(bào)導(dǎo)。為此，本文對(duì)基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)時(shí)環(huán)境信息、位置信息、運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)效果的大數(shù)據(jù)從采集至分析結(jié)果展示的過(guò)程，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人的各項(xiàng)功能，通過(guò)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提升農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化水平。

1總體設(shè)計(jì)

本研究的平臺(tái)為AS－Ｒ型的農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)器人，這是一個(gè)四輪移動(dòng)的智能設(shè)備，具有自主供電和行走能力。機(jī)器人的部件根據(jù)功能主要分為機(jī)器視覺(jué)、GPS定位、信息采集和智能控制4大部分，在作業(yè)過(guò)程中運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括環(huán)境信息、位置信息、運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)效果等內(nèi)容，并以大數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。大數(shù)據(jù)分析處理由機(jī)器人搭載的小型服務(wù)器完成，其根據(jù)GPS定位信號(hào)確定機(jī)器人的位置信息，計(jì)算出與規(guī)劃路線之間的偏差，通過(guò)對(duì)行走裝置的控制實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。環(huán)境信息由機(jī)器視覺(jué)設(shè)備和各類傳感器采集，大數(shù)據(jù)分析獲得作物和雜草信息后結(jié)合機(jī)器人所處的位置控制噴藥裝置的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。另外，傳感器還可以采集機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)參數(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析后為作業(yè)效果的評(píng)估提供依據(jù)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2組成部分

機(jī)器視覺(jué)部分包括尼康COOLPIXP60型相機(jī)和天創(chuàng)UB570型圖像采集卡。相機(jī)具有800萬(wàn)像素，通過(guò)防抖動(dòng)處理安裝在機(jī)器人上，拍攝方向與豎直方向夾角為60°。相機(jī)拍攝獲得JPEG格式的圖像，經(jīng)過(guò)圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行視覺(jué)分析提取目標(biāo)輪廓，然后用于大數(shù)據(jù)的處理。機(jī)器人的GPS定位設(shè)備為Trimble公司的Ag-GPS132型產(chǎn)品，由GPS接收天線、接收機(jī)，以及與基站匹配的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器和天線組成。機(jī)器人與基站之間的無(wú)線傳輸設(shè)備為PacificCrest公司的ＲFM96W系列產(chǎn)品，具有較高的定位精度，可以滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)要求。上述設(shè)備利用目標(biāo)點(diǎn)逼近算法采集差分GPS信號(hào)，匯集成大數(shù)據(jù)后傳輸給服務(wù)器，用于輔助進(jìn)行機(jī)器人的精準(zhǔn)噴藥和導(dǎo)航控制。機(jī)器人信息采集的內(nèi)容是作業(yè)的農(nóng)田環(huán)境信息和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。環(huán)境信息采集設(shè)備包括DHT11型傳感器用于測(cè)量空氣的溫濕度，WTF－B200型風(fēng)速風(fēng)向儀用于測(cè)定風(fēng)向和風(fēng)速，武漢中科能慧NHZD10型光照傳感器用于采集光照強(qiáng)度。采集運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備如HAL41F型霍爾元件，檢測(cè)動(dòng)力裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)從而獲得機(jī)器人的行走速度;TJP－1型壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于檢測(cè)相應(yīng)部件的工作負(fù)荷。傳感器采集的環(huán)境信息和運(yùn)行狀態(tài)信息匯集成大數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，作為智能控制決策的依據(jù)。機(jī)器人智能控制針對(duì)的是自主行走和精準(zhǔn)噴藥。機(jī)器人采用四輪行走的方式，行車控制器接收主控模塊發(fā)來(lái)的定位信息和角度傳感器提供的行駛方向，然后與規(guī)劃的路線對(duì)比，通過(guò)液壓閥驅(qū)動(dòng)車輪的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自主行走。噴藥裝置的噴頭由電磁閥控制，主控模塊通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和定位結(jié)果發(fā)送脈沖寬度調(diào)制信號(hào)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)控制電磁閥開(kāi)啟和關(guān)閉噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草區(qū)域的精準(zhǔn)噴藥。

3大數(shù)據(jù)處理過(guò)程

大數(shù)據(jù)由機(jī)器視覺(jué)、GPS定位和傳感器采集的數(shù)據(jù)匯集而成，蘊(yùn)含著與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的信息，可以通過(guò)一系列的分析處理過(guò)程來(lái)獲得。大數(shù)據(jù)的分析過(guò)程涉及到PB級(jí)數(shù)據(jù)的錄入和讀取，因此需要進(jìn)行大型的建模和運(yùn)算。機(jī)器人搭載的大數(shù)據(jù)分析硬件為x86架構(gòu)的PCServer型服務(wù)器，配置包括銳龍AMDＲyzen7型2路8核CPU，DDＲ4型128GB內(nèi)存和IntelI350T2型千兆網(wǎng)卡，運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間都能滿足實(shí)際需求。Hadoop技術(shù)作為一種基于Java的分布式大數(shù)據(jù)處理軟件框架，在本文中被用作大數(shù)據(jù)分析方法。Hadoop框架由通用模塊、分布式文件系統(tǒng)等部分組成，集群文件安裝在分布式文件系統(tǒng)中，在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建分布式文件架構(gòu)。該技術(shù)可以運(yùn)行簡(jiǎn)潔的并行計(jì)算模型，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和擴(kuò)展性，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)具有很好的分析處理效果。機(jī)器人搭載的各種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)和傳輸接口進(jìn)入交換機(jī)，交換機(jī)連接數(shù)據(jù)采集器，行使數(shù)據(jù)交換和匯聚功能，并最終傳輸給大數(shù)據(jù)處理器。上述的傳輸過(guò)程執(zhí)行IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議，可以縮小交換延時(shí)以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。處理器接收大數(shù)據(jù)后，依照設(shè)定的格式記錄數(shù)據(jù)，再根據(jù)分析目的快速重放錄入的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展后續(xù)分析處理。大數(shù)據(jù)的分析過(guò)程依次為預(yù)處理、內(nèi)容分析、信息挖掘和結(jié)果展示，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的分析模式。針對(duì)大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式多樣的特點(diǎn)，采用并行處理提高分析的速度。并行處理是在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分類，根據(jù)類型把數(shù)據(jù)分發(fā)到相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)中;然后，運(yùn)行專業(yè)知識(shí)庫(kù)輔助的決策，為信息的挖掘提供依據(jù);最后，將綜合監(jiān)測(cè)和分析處理的結(jié)果匯聚到存儲(chǔ)和管理模塊中，組成應(yīng)用功能數(shù)據(jù)庫(kù)，形成機(jī)器人的智能控制決策，并評(píng)估作業(yè)的效果。

4試驗(yàn)

機(jī)器人在田間進(jìn)行實(shí)際的噴藥作業(yè)，驗(yàn)證基于大數(shù)據(jù)的各項(xiàng)功能的效果，試驗(yàn)的作物包括玉米、棉花、油菜、小麥和馬鈴薯。在每種作物田間選擇1個(gè)100m長(zhǎng)的路段，機(jī)器人按照規(guī)劃的路線進(jìn)行自主行走和精準(zhǔn)噴藥作業(yè)。每個(gè)路段上均勻地選取10個(gè)點(diǎn)作為樣本，統(tǒng)計(jì)機(jī)器人的路線偏離距離、對(duì)雜草的噴藥精準(zhǔn)率、誤噴率，并通過(guò)大數(shù)據(jù)評(píng)估并顯示作業(yè)效果。路線偏離距離為機(jī)器人前輪中心與規(guī)劃路線之間的距離，雜草的噴藥精準(zhǔn)率為被噴施的雜草植株占所有雜草植株的比例，誤噴率為被噴施的作物植株占被噴施植株的比例。在大數(shù)據(jù)的支持下，機(jī)器人的行走路線偏離距離較小，僅為4．8～7．2cm，能在各種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。機(jī)器人對(duì)各種作物雜草的噴藥精準(zhǔn)率為83．9%～91．4%，誤噴率為8．4%～9．7%，具有精準(zhǔn)噴藥的能力。機(jī)器人對(duì)自身噴藥精準(zhǔn)率和誤噴率的評(píng)估結(jié)果都接近實(shí)際值，最大誤差率僅為5．7%，有助于準(zhǔn)確地控制自身運(yùn)行參數(shù)。

5結(jié)論

基于大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)智能的噴藥機(jī)器人，將采集的機(jī)器人作業(yè)環(huán)境信息、位置信息和運(yùn)行參數(shù)匯集成為大數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，用于對(duì)機(jī)器人的智能控制和作業(yè)效果評(píng)估。在大數(shù)據(jù)的支持下，機(jī)器人對(duì)5種作物進(jìn)行噴藥作業(yè)，行走路線偏離距離較小，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航。機(jī)器人對(duì)各種作物雜草具有精準(zhǔn)噴藥的能力，作業(yè)效果評(píng)估結(jié)果接近實(shí)際值。試驗(yàn)結(jié)果表明:大數(shù)據(jù)的應(yīng)用有助于機(jī)器人準(zhǔn)確地控制自身運(yùn)行參數(shù)，智能化水平得到了大幅提升。