序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了一篇大數(shù)據(jù)下農(nóng)業(yè)智能機器人開發(fā)范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程所產(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)機器人與大數(shù)據(jù)結(jié)合，可提高機器人的性能和應(yīng)用效果。為此，基于大數(shù)據(jù)開發(fā)了農(nóng)業(yè)智能的噴藥機器人，將采集的機器人作業(yè)信息匯集成為大數(shù)據(jù)后進行分析，用于對機器人的智能控制和作業(yè)效果評估。試驗結(jié)果表明:在大數(shù)據(jù)的支持下，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和精準噴藥，對作業(yè)效果的評估也很準確，智能化水平得到了大幅提升。

0引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(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。在新的時代背景下，農(nóng)業(yè)機械化已經(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，我國開始經(jīng)濟結(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)機械在農(nóng)忙時節(jié)供不應(yīng)求，在其它時節(jié)又出現(xiàn)閑置，利用效率降低。與發(fā)達國家相比，我國的農(nóng)業(yè)機械研制起步較晚，技術(shù)水平不高，結(jié)構(gòu)性能也有待進一步改善。另外，農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對落后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的購買能力不足，也是農(nóng)業(yè)機械持續(xù)推廣所面臨的問題。信息技術(shù)能夠采集社會生產(chǎn)生活中的各種數(shù)據(jù)信息，通過充分挖掘獲取相應(yīng)的知識和規(guī)律，為各行業(yè)的升級提供支持。信息與能源、材料一起并稱國家三大重要戰(zhàn)略資源，信息技術(shù)目前已經(jīng)滲透到了包括農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域中。在農(nóng)業(yè)機械方面，可以利用信息技術(shù)采集機械的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)參數(shù)和運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后用于機械的優(yōu)化控制，使機械更加智能化和規(guī)范化。

目前，我國有18億畝耕地和186萬個鄉(xiāng)村，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員達到8億人，所使用的農(nóng)業(yè)機械種類繁多，數(shù)量龐大，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也是極其龐大的。為了對這些數(shù)據(jù)進行充分的分析，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)定義為在一定時間內(nèi)無法用普通軟件工具進行捕獲和管理的數(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，首先是數(shù)據(jù)量非常龐大，可以達到PB的級別。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，能夠滿足對龐大數(shù)據(jù)量的實時分析要求。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)，以及社會經(jīng)濟中的物流服務(wù)和發(fā)展規(guī)律研究。大數(shù)據(jù)不僅推動社會進步，還使科學(xué)研究層次更加深入，具有劃時代的意義。精準農(nóng)業(yè)代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，成為目前國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點。精準農(nóng)業(yè)對技術(shù)的要求更高，且需要新型的農(nóng)業(yè)機械與之相匹配，因此出現(xiàn)了高級形式的智能農(nóng)業(yè)機械，即農(nóng)業(yè)機器人。農(nóng)業(yè)機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)操作的智能機械。機器人誕生于20世紀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)模化和精準化過程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要用于移栽、采摘、嫁接、噴藥、擠奶和分級檢測等作業(yè)。

后來，各種傳感器技術(shù)的發(fā)展還賦予了農(nóng)業(yè)機器人對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息采集和處理的功能。農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用有其自身的特點，如操作的對象柔弱復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境難以預(yù)測，以及作業(yè)動作沒有固定的模式等。農(nóng)業(yè)機器人的設(shè)計和制造成本較高，還需要機器視覺、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)機械，農(nóng)業(yè)機器人在運行和作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括作業(yè)環(huán)境信息、機器人位置信息、機器人運行參數(shù)和作業(yè)效果評估等。這些數(shù)據(jù)的規(guī)模龐大，類型復(fù)雜，難以通過普通的設(shè)備和方法進行分析和存儲。若將這些數(shù)據(jù)按照大數(shù)據(jù)的概念進行處理，則可以提取出內(nèi)含的信息，有利于機器人各部分的整合。農(nóng)業(yè)機器人將各種智能設(shè)備和先進技術(shù)集于一體，通過與大數(shù)據(jù)結(jié)合，在拓寬大數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍的同時，還能夠提高自身的性能和應(yīng)用效果。目前，對大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)機器人分別進行的研究比較多，但是二者的結(jié)合應(yīng)用卻鮮有報導(dǎo)。為此，本文對基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)智能機器人開發(fā)進行研究，介紹了農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)時環(huán)境信息、位置信息、運行參數(shù)和作業(yè)效果的大數(shù)據(jù)從采集至分析結(jié)果展示的過程，并利用試驗驗證機器人的各項功能，通過大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提升農(nóng)業(yè)機器人的智能化水平。

1總體設(shè)計

本研究的平臺為AS－Ｒ型的農(nóng)業(yè)噴藥機器人，這是一個四輪移動的智能設(shè)備，具有自主供電和行走能力。機器人的部件根據(jù)功能主要分為機器視覺、GPS定位、信息采集和智能控制4大部分，在作業(yè)過程中運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括環(huán)境信息、位置信息、運行參數(shù)和作業(yè)效果等內(nèi)容，并以大數(shù)據(jù)的形式進行分析和存儲。大數(shù)據(jù)分析處理由機器人搭載的小型服務(wù)器完成，其根據(jù)GPS定位信號確定機器人的位置信息，計算出與規(guī)劃路線之間的偏差，通過對行走裝置的控制實現(xiàn)自主導(dǎo)航。環(huán)境信息由機器視覺設(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)合機器人所處的位置控制噴藥裝置的開啟，實現(xiàn)精準噴藥。另外，傳感器還可以采集機器人的各項運行參數(shù)和作業(yè)參數(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析后為作業(yè)效果的評估提供依據(jù)，農(nóng)業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2組成部分

機器視覺部分包括尼康COOLPIXP60型相機和天創(chuàng)UB570型圖像采集卡。相機具有800萬像素，通過防抖動處理安裝在機器人上，拍攝方向與豎直方向夾角為60°。相機拍攝獲得JPEG格式的圖像，經(jīng)過圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行視覺分析提取目標輪廓，然后用于大數(shù)據(jù)的處理。機器人的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，以及與基站匹配的無線調(diào)制解調(diào)器和天線組成。機器人與基站之間的無線傳輸設(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)機器人的作業(yè)要求。上述設(shè)備利用目標點逼近算法采集差分GPS信號，匯集成大數(shù)據(jù)后傳輸給服務(wù)器，用于輔助進行機器人的精準噴藥和導(dǎo)航控制。機器人信息采集的內(nèi)容是作業(yè)的農(nóng)田環(huán)境信息和設(shè)備的運行狀態(tài)。環(huán)境信息采集設(shè)備包括DHT11型傳感器用于測量空氣的溫濕度，WTF－B200型風(fēng)速風(fēng)向儀用于測定風(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度。采集運行狀態(tài)的設(shè)備如HAL41F型霍爾元件，檢測動力裝置的轉(zhuǎn)動信號從而獲得機器人的行走速度;TJP－1型壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電信號，用于檢測相應(yīng)部件的工作負荷。傳感器采集的環(huán)境信息和運行狀態(tài)信息匯集成大數(shù)據(jù)后進行分析處理，作為智能控制決策的依據(jù)。機器人智能控制針對的是自主行走和精準噴藥。機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)劃的路線對比，通過液壓閥驅(qū)動車輪的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)自主行走。噴藥裝置的噴頭由電磁閥控制，主控模塊通過機器視覺和定位結(jié)果發(fā)送脈沖寬度調(diào)制信號在適當(dāng)?shù)臅r機控制電磁閥開啟和關(guān)閉噴頭，實現(xiàn)對雜草區(qū)域的精準噴藥。

3大數(shù)據(jù)處理過程

大數(shù)據(jù)由機器視覺、GPS定位和傳感器采集的數(shù)據(jù)匯集而成，蘊含著與機器人作業(yè)有關(guān)的信息，可以通過一系列的分析處理過程來獲得。大數(shù)據(jù)的分析過程涉及到PB級數(shù)據(jù)的錄入和讀取，因此需要進行大型的建模和運算。機器人搭載的大數(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，運算速度和存儲空間都能滿足實際需求。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)點上構(gòu)建分布式文件架構(gòu)。該技術(shù)可以運行簡潔的并行計算模型，具有很強的容錯性和擴展性，對大規(guī)模數(shù)據(jù)具有很好的分析處理效果。機器人搭載的各種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)和傳輸接口進入交換機，交換機連接數(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。上述的傳輸過程執(zhí)行IEEE1588時間同步協(xié)議，可以縮小交換延時以提高數(shù)據(jù)的實時性和準確性。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)上開展后續(xù)分析處理。大數(shù)據(jù)的分析過程依次為預(yù)處理、內(nèi)容分析、信息挖掘和結(jié)果展示，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的分析模式。針對大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式多樣的特點，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)的同時對大數(shù)據(jù)進行綜合監(jiān)測和實時分類，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，運行專業(yè)知識庫輔助的決策，為信息的挖掘提供依據(jù);最后，將綜合監(jiān)測和分析處理的結(jié)果匯聚到存儲和管理模塊中，組成應(yīng)用功能數(shù)據(jù)庫，形成機器人的智能控制決策，并評估作業(yè)的效果。

4試驗

機器人在田間進行實際的噴藥作業(yè)，驗證基于大數(shù)據(jù)的各項功能的效果，試驗的作物包括玉米、棉花、油菜、小麥和馬鈴薯。在每種作物田間選擇1個100m長的路段，機器人按照規(guī)劃的路線進行自主行走和精準噴藥作業(yè)。每個路段上均勻地選取10個點作為樣本，統(tǒng)計機器人的路線偏離距離、對雜草的噴藥精準率、誤噴率，并通過大數(shù)據(jù)評估并顯示作業(yè)效果。路線偏離距離為機器人前輪中心與規(guī)劃路線之間的距離，雜草的噴藥精準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)境中實現(xiàn)自主導(dǎo)航。機器人對各種作物雜草的噴藥精準率為83．9%～91．4%，誤噴率為8．4%～9．7%，具有精準噴藥的能力。機器人對自身噴藥精準率和誤噴率的評估結(jié)果都接近實際值，最大誤差率僅為5．7%，有助于準確地控制自身運行參數(shù)。

5結(jié)論

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