摘要：本文系统综述了自主农业机器人在自导系统、温室自动化及采摘机器人领域的最新进展，并针对大田作物易损果实（如草莓、番茄、甜瓜等）的选择性采摘需求，设计了一种通用型机器人框架。该框架以模块化、可扩展性为核心，融合多模态感知、智能决策与柔性执行技术，旨在实现高效、无损的农业采摘作业。在自导系统方面，实现复杂地形下的精准定位与路径规划；温室自动化模块通过物联网传感器实时监测环境参数（如温度、湿度、光照），并基于机器学习算法动态调控作物生长条件；采摘机器人则依托双目视觉与深度学习模型，精准识别果实成熟度与空间位置，配合仿生学设计的柔性抓手，实现果实的无损抓取与分离。本文研究为自主农业机器人的商业化应用提供了技术路径，未来可进一步拓展至多作物场景，推动智慧农业的可持续发展。

　　关键词：机器人；自主；农业；智能控制前言

　　机器人是感知机器，可编程执行各种农业任务，如培养、移栽、喷洒、修剪和选择性收获。农业机器人的出现可以提高新鲜农产品的质量，降低生产成本并减少体力劳动。但是，由于农业环境复杂且结构松散，必须开发基础技术来解决以下难题：在三维不断变化轨道中的移动操作；随机的位置难以检测要到达的目的地（被叶片隐藏并位于分支之间）；水果大小和形状的变化；精致的产品；和恶劣的环境条件，如灰尘、污垢和极端的温度和湿度。

　　水果位置、大小、形状和成熟度的不确定性需要一个复杂的感官系统，该系统可以在不断变化的照明条件（阴，晴方向）中识别部分遮挡的水果，并判断该水果是否成熟。车辆速度变化和地形不平坦导致的位置不确定性需要进行速度和位置监测。因此，总体任务需要动态、实时地了解环境，并根据传感器采集到的信息进行控制作业[1]。

　　本研究揭示了自主农业机器人发展中涉及的困难和复杂性；展示自主农业机器人的发展状况；并为自制农田作物机器人设计一个总体框架。最后应用该机器人进行甜瓜收获。本文总结了农业机器人未来的研发方向，在商业机器人可以成为农业运营的可行选择之前必须进行研究。

　　1传感器选择

　　1.1自动指导传感器

　　相较于军事或公共交通领域的机器人，移动机器人的研究聚焦于依据对环境的全面感知，构建具备广泛选择可能性的路径。而农业机器人的自动导向往往局限于较为简单的问题，例如确定下一行待采摘的柑橘树位置、寻找下一个需耕作的犁沟等[2]。然而，农业机器人的自动移动控制面临着极大挑战。这是因为它们需要在极为恶劣且难以预测的环境中作业，如斜坡、丘陵地带，以及布满泥土、岩石的场地。同时，其作业区域通常相对广阔，可达1 km2。尽管与工业操作中追求厘米和毫米级精度不同，农业作业对系统精度要求没那么严苛，但为达到必要的精准度，整个系统仍需具备相当高的分辨率。

　　本文对农业系统自动导向所涉及的传感器进行了综述，涵盖机械传感、超声波、射频、陀螺仪、引导线以及光学系统等。基于不同的传感方法，已研发出多种自主导向系统，包括用于自动化耕作系统的光学技术（探测器可检测犁沟）、将红外传感器作为旋耕作业的指示装置、视觉引导的电池供电草坪拖拉机，还有基于激光的定位传感系统、被动雷达信标以及地理定位系统。

　　1.2温室自治系统

　　由于温室环境相对易于控制，且相比露天农业环境更具条理性，温室内车辆的自主操作难度更低。自动导引车（AGV）应用于温室，有助于降低自动喷洒作业的危害，提升工作舒适度与劳动效率，且有望提高操作精准度。

　　目前，已研发出多款用于温室运输作业的自动四轮车原型。例如，基于红外引导和有线网络引导的自动四轮车，这两种引导方式能实现车辆完全自主运行，不过，还有具体任务仍需人工执行。日本开展了关于完整自主机器人的初步研究，将多用途操纵器（兼具番茄采摘和选择性喷雾功能）与自动导引车相连接[3]。

　　1.3概要

　　开发了农业机器人自主控制所必须的传感系统，智能控制和控制元件。在温室中，由于环境相对较为简单，系统更先进，已经研发出来几辆原型车。然而，原型水果收获机已经开发出来，并且重点放在了定位，到达和选择水果而非自主指导的关键问题上。虽然，已经开发并应用了几种用于现场指导和转向控制的算法。然而，仅对开发完全自主化的农业机器人进行了初步研究，该机器人既处理农业任务的自动车辆引导和处理。

　　2机器人设计

       2.1传感

　　传感系统系统通过各种传感器来检测信息，从而确定水果成熟度并监控机器人的位置。为了在不可预测的农业环境中进行稳定的操作，机器人必须为这些任务中的每一个配备冗余多传感器系统。

　　车辆位置：车辆位置的持续更新对于沿着车辆精确转向路径以及准确拦截目标（因为车辆在不平坦地形中行进，其速度不稳定）而言是必不可少的。真实距离必须根据目标检测时的载体位置与截获时的位置之间的坐标所经过的路径导出。

　　2.2控制

　　为了更高精度以及控制灵敏度等要求，采用PWM调速方法来实现对直流电机的控制。因此我们也采用PWM方式来调节小型管道机器人所用到的直流电机速度以及正反转[4]。

　　主体电路的设计：是机器人所用到直流电机的PWM控制模块，也可以说是最小系统，这一部分电路主要由AT89S52单片机的定时计数器、外部中断扩展、I/O端口等芯片内部具有的集成电路来控制直流电机的减速、加速和电机的正转以及反转，并且还可以调节电机的转速，这样就能够很方便地实现对电机的智能控制。

　　在这期间是通过AT89S52单片机所产生可以调的脉冲信号输入到L298驱动芯片里面来控制直流电机的运行。而该管道机器人所用的直流电机PWM控制系统是由以下几个电路模块来组成，如图1所示。

　　本课题设计机器人的整体结构如图2所示。管道机器人整体是由螺旋驱动前体，传动构件及导向体等部件所组成。结构上基本可以分为前、中、后3部分。而对于驱动部分使用电机带动整机运动[5]。

　　3系统设计

　　机器人甜瓜收获机主要部件为机器人手臂，机器人手臂安装在由拖拉机带动的移动平台上，该平台是一个矩形钢框架，在其后端连接有两个轮子。前端连接到拖拉机的牵引杆上。该平台分为两个区域，前部区域包含1个视觉传感器（远摄像头），并提供清晰视野以检测迎面而来的瓜。在平台上安装的鼓风机清除了甜瓜的叶子，露出被树冠遮盖的甜瓜，如图3所示[6]。

　　笛卡尔操纵器位于第2个区域，在第1个区域后面。机器人的工作空间是1.5m×1.5m。这样就可以进入甜瓜横跨床的任何位置以及两侧沿平台定位的特殊输送机。夹臂的垂直间隙为0.9m，足以捡起水果并将其装载到位于平台两侧的传送带上。1个气动夹具通过1个柔性接头连接到机器人手臂上，以吸收在水果采摘过程中由水平运动引起的侧向载荷。机械手由带编码器反馈的电气直流伺服电机供电。第2个（近）视觉传感器安装在抓手本身的拾取区域中，高度一定。它可以被认为是提供最终信息来指导拣选机制的一种即时类型的体系结构。近摄像头位于较低的高度，视野较窄[7]。

　　电机控制：电机连接到根据软件执行伺服电机控制的信号放大器。为了连接放大器，使用了基于PC的运动控制接口卡（Galil DMC-600）。机械臂沿其三轴的位置由计算机程序控制，因此可以发送到轨道边界内的任何所需位置。为防止程序失效时发生过度运行，在所有三轴的两端安装接近传感器以限制行程。如果手臂到达其中一个传感器，则会自动生成紧急停止信号，并关闭所有电机。为了避免碰撞到地面，Z轴连接了一个附加的传感器。如果在垂直向下移动过程中到达地面（或任何其他障碍物），则也会产生紧急停止信号。此外，DMC卡有1个8位I/O端口，用于拖拉机运动控制（停止-启动）和抓手/切刀控制[8]。

　　甜瓜检测：视觉硬件由2个摄像头和1个实时图像处理系统组成。视觉传感器是NEC NC-15 CCD相机，配备了富士通6mm自动光圈镜头和自动黑/白平衡。它以683×492分辨率提供彩色NTSC和RS-170输出。图像处理硬件是基于PC的Matrox图像系列板组，它利用可提高处理速度的管道架构[9]。针对远端相机评估了不同的成像技术：灰度级；颜色；红外线和结构光。目前的基于灰度和颜色的算法使用感兴趣对象的反射率，形状和大小信息。全局阈值技术被应用于分割，如图4所示[10]。

　　4结语

　　一台可选择性地收获易于碰伤的水果和蔬菜大田作物的机器人已设计出来。总体设计可以很容易地进行调整，以便于额外的任务，如收获类似的作物，选择性喷洒和移栽。收获甜瓜的原型机已经设计并进行了现场测试。

　参考文献：

　　[1]贺洪铭.农业种植技术和现代农业机械化的相关性及发展策略[J].中国农机装备,2025,(04):52-55.

　　[2]赵先强.农业机械自动化技术在现代农业中的应用研究[J].南方农机,2025,56(06):193-195.

　　[3]丰中广.电子信息技术在农业机械上的应用研究[J].农业开发与装备,2025,(03):107-109.

　　[4]高荧荧,符昌昊,许秀英.车载无线监控系统在智慧农业中的应用[J].现代化农业,2025,(03):85-87.

　　[5]Estes R,Ishee J.Introduction of an emerging technology device through PowerPoint training[J].The Internet Journal of Allied Health Sciences and Practice,2007,5(02):1—6.

　　[6]Takahashi Y,Suzukawa S.Intelligent Robot Human Interface using Cheek Movement for Severely Handicapped Persons[M].Korea:INTECH Open Access Publisher,2008.

　　[7]许红军.数字孪生技术在农业机械中的应用[J].农机使用与维修,2025,(03):55-57.

　　[8]张军.农业机械自主定位导航技术在田间作业中的应用[J].南方农机,2025,56(05):63-65.

　　[9]刘思蔚,李红玉,张立.农业机械电气自动化技术在农田灌溉系统中的应用与改进[J].农机使用与维修,2025,(03):40-43.

　　[10]吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京:机械工业出版社,2002.