蓝莓生产自动化多模态机器人系统Agrobot Gari的研发与应用：土壤采样、精准除草与植株健康监测一体化解决方案

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

【字体：大中小】 时间：2025年06月09日 来源：Computers and Electronics in Agriculture 7.7

编辑推荐：

　　针对蓝莓种植中人工成本高、化学药剂滥用及精准监测需求，研究人员开发了模块化UGV/UAV协同系统Agrobot Gari，集成土壤实时分析（EC/pH/NPK）、AI杂草识别（UNet++/YOLOv5）与多光谱监测（Plant-O-Meter?），实现除草剂减量50-60%、土壤分析成本降低70%，为浆果类作物精准农业提供全周期自动化方案。

随着全球人口增长和农业劳动力短缺加剧，农业自动化成为解决粮食安全问题的关键路径。在浆果种植领域，蓝莓因其高经济价值和对环境敏感的特性，面临三大核心矛盾：传统土壤采样耗时昂贵（需2周实验室分析）、除草剂过度使用（"地毯式"喷洒造成50%浪费），以及植株健康监测滞后导致的产量损失。塞尔维亚作为新兴蓝莓产区，近3年种植面积激增50%，但人工成本占比高达40%，凸显自动化需求的紧迫性。

为应对这些挑战，由欧洲地平线计划资助的FlexiGroBots项目团队研发了Agrobot Gari系统。这项发表于《Computers and Electronics in Agriculture》的研究，通过模块化无人地面车辆（UGV）平台整合无人机（UAV）遥感，构建了覆盖蓝莓全生长周期的三位一体解决方案。

研究采用多技术协同策略：基于U-Net++的无人机影像行间检测算法（精度78% IoU）生成导航地图；自适应大邻域搜索（ALNS）算法优化UGV路径（效率提升16.5%）；YOLOv5实现植株定位（误差<5cm），配合工业机械臂（UR5e）完成亚厘米级精准施药；双通道Plant-O-Meter?设备实时获取16种植被光学指数（OVIs）。田间试验在塞尔维亚Kosmaj地区Dzodan Berry农场进行，对比传统作业方式验证系统效能。

关键技术方法

无人机航测生成2cm分辨率多光谱正射影像，通过改进U-Net++网络实现行间检测（输入尺寸960×455px）
土壤采样模块集成CleanGrow?六通道离子探头（Ca²⁺
/K⁺
等）和RK500-23电导率传感器，实现原位分析（15cm穿透深度）
Luxonis OAK-D深度相机结合Radon变换算法完成植株定位（30秒/株）
UNet++（ResNet50编码器）杂草分割模型（120张标注数据增强至800张）
UR5e机械臂搭载低容量喷嘴（10cm直径喷洒圈）实施靶向施药

研究结果
2.1 无人机与UGV信息提取算法
行间检测算法在Phantom 4 Multispectral影像上达到78% mIoU，经Radon变换校正后行间定位误差<2cm。路径规划ALNS算法在100个采样点场景下仍保持线性时间复杂度（759秒），较贪婪算法提升7.76%能效。

2.2 机器人模块性能
土壤模块实现6分钟/样本分析（传统方法1/20耗时），pH探头（Sentron 2270-010）与NPK蓝牙探头同步工作。除草模块通过K-Means聚类分割大杂草斑块（80cm²
阈值），UR5e机械臂施药响应时间<1秒。

3. 田间验证数据
在5公顷试验田实现：除草剂用量减少55%（对比传统喷洒），土壤分析成本降低70%（从€50/样本降至€15）。植株健康监测模块每小时采集42kB光谱数据（12字节/秒），NDVI异常区域检出率提升40%。

结论与意义
该研究首创的模块化农业机器人系统，通过"一机三用"设计破解了单功能设备使用率低的行业难题。其核心创新在于：① 首次实现蓝莓园土壤-杂草-植株三位一体自动化管理；② 深度学习（UNet++/YOLOv5）与经典算法（ALNS/Radon）的有机融合；③ 经济性验证显示投资回报周期缩短至2.3年（传统设备需5年）。环境效益显著，按塞尔维亚3000公顷种植面积估算，年均可减少除草剂排放38吨。未来可扩展至树莓、葡萄等行栽作物，为小浆果产业数字化转型提供范式。

局限性与改进方向：当前电池续航（3小时）制约连续作业能力，未来可探索光伏充电或氢燃料电池方案；多机协同算法有待开发以实现更大规模农场覆盖。该成果标志着农业机器人从单一功能向多任务协同的重要进化，为劳动力短缺背景下的精准农业提供可复制解决方案。

热点排行

新闻专题

联系信箱：

粤ICP备09063491号