采摘无人机研究综述

谢 嘉，吴家桢，李永国*，梁锦涛

（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.西安电子科技大学，西安 710071）

0 引言

现有的采摘机器人的移动平台主要是基于在地面行走设计[1]，如中国农业大学的黄瓜采摘机器人用的是履带式移动平台[2]，国家农业智能装备工程技术研究中心的草莓采摘机器人用的是轮式移动平台[3]。其他如基于轨道移动、腿式、轮履复合式、轮腿复合式等移动方式的农业机器人也有研究人员在着手研究。因此目前采摘机器人主要作业目标都是低矮果树，并不适用于较高果树以及山区间的果树的采摘任务。如采摘香榧果仍是靠人利用蜈蚣梯爬到树上采摘，由于香榧树湿滑、树枝容易断裂经常发生坠人事故，采摘代价十分高昂。

采摘无人机以无人机为移动载体携带采摘末端执行器进行高空采摘作业任务，在三维空间中相较于地面采摘机器人具有更高的自由度与灵活性。对采摘无人机进行研究可以有效的拓展采摘机器人的适用范围，实现对长势较高的果树以及山间果园的采摘，降低人工采摘的风险。

近年来陆续有科研人员对采摘无人机进行研究，国外已有企业生产相关的产品推向市场，并计划于2021年引进国内。国内对采摘无人机的研究以高校为主，相关设计的专利申请数量逐年增加。本文将对采摘无人机的国内外研究现状、采摘执行器的设计进行详细的梳理与综述，并对采摘无人机的系统建模、控制、避障与续航问题进行分析与展望。

1 研究现状

1.1 国外研究现状

以色列的Yaniv Maor创立的Tevel公司对采摘无人机进行了多年的研究，在2020年推出了一种以无人机采摘为核心的果园收获商业方案。该方案中有一采摘无人机如图1，其具备一前伸的机械臂，通过视觉传感器对果实进行位置与成熟度的识别。当识别到适合采摘的果实时，无人机会飞至果树旁利用前伸的机械臂抓取果实，通过旋转拧断的方式摘取。无人机将采摘下来的果实置于随行的地面收集装置中，同时收集装置也是无人机动力的来源通过电线供电[4]。

图1 TEVEL公司推出的的采摘无人机产品

同时该公司还设计有多款采摘无人机方案，其中一种设计有一网状笼子罩在采摘装置外，采摘装置可以是拉臂或者切割臂，采摘后的果子可以顺着网笼垂在无人机下方携带，实现果实的连续采摘。另一款采摘无人机的收割臂如图2(a)所示，其主要部分是一中空管，其中有穿过其中的线，所述线在其端部处具有环，使得所述环能够抓住果实的柄，并且拉下或切下果实。针对果实采摘无人机果实收集困难的问题，在另一方案设计中采用了在果园中架设收类蹦床集底座的方法如图2(b)所示，采摘机器人如图2(c)只需要利用携带的锯盘将目标果实的果柄切断使果实自然掉落到收集底座上，由于具有底座弹性而不会受损，随后顺着轨道滑落到收集容器中[5]。

图2 TEVEL公司多款采摘无人机方案设计

1.2 国内研究现状

2016年广东工业大学的张桃桃利用可拓设计的方法对无人机水果采摘进行了结构设计，该方案主要是由飞行器主体、机械手臂、平衡装置与收集装置组成。通过可拓学中的转换桥方法得出在无人机载重限制的情况下，减小飞行器往来频率的方法可采用在飞行器上添加水果导落管，让采摘末端执行器切割下来的果实顺着管道落至地面收集库中，但是这种方案会使得采摘无人机纵向尺寸的增加[6]。

2018年昆明理工大学的朱慧斌等人设计了一种用于采摘坚果的小型无人机，该无人机体积小巧利用单螺旋桨提供飞行动力。其工作部分由夹持机构和小型圆盘锯组成，当夹持住目标果实后，通过齿条带动旋转的圆盘锯向果柄前移完成切割[7]。

2019年华南农业大学的唐昀超等人申请了一种带有仿生蛇嘴采摘机构的无人机如图3所示。该无人机通过蛇嘴上部的双目相机对果实进行标定，由于其蛇嘴的造型，在接近目标时能将遮挡的树枝引导至两侧，从而实现对果实的精确抓取。其蛇嘴内部上下共有14个刀片，利用电磁铁与旋转电机实现咬合动作实现果实的分离，并通过倾斜导轨将果实引入到蛇颈下端通向收集筐的尼龙网中。该设计对采摘环境与采摘偏差有较好的容错率，并减少了无人机往返收集点的频率，提高采摘效率[8]。

图3 带有仿生蛇嘴采摘机构的无人机

2 采摘无人机采摘末端执行器

采摘末端执行器是采摘无人机的重要部件，同时也是对不同设计的采摘无人机进行分类的依据之一。目前在采摘无人机的采摘末端执行器设计方面与地面采摘机器人相似，考虑到无人机本身对负载的限制，所使用的采摘末端执行器应考虑轻量化设计。

2.1 机械切割型采摘末端执行器

机械切割型采摘末端执行器的设计原理简单，其主要是通过抓取到目标果实后，通过刀具或锯盘等对抓取果实的果梗进行切割处理。

郭新溢设计的四旋翼采摘飞行器带有双切刀末端执行器，当果实落入第一切刀和第二切刀围合而成的凹槽内时，电机工作带动摆臂摆动，使得两切刀沿着内外环支架组成的槽转动实现切果柄作业[9]。绍兴文理学院设计的一种无人机香榧果采摘器，通过在夹爪的上下爪都安装上切割刀片，当夹爪抓取果实的同时对其果梗进行切割，由于刀座的刃口设计为V字形，减小了剪切力同时可以将香榧果的果柄牢牢固定[10]。

2.2 热切割型采摘末端执行器

热切割型采摘末端执行器是通过激光光束、电极切割等通过高温将果柄烧断。该方法能够防止植物传染病，控制水分蒸发有利于果实的保鲜[11]。江苏大学的刘继展等人对利用激光对果柄进行切割进行了研究，得出激光切割的非接触穿透和切割对果梗直径变化、焦斑定位与入射角度误差具有良好的适应性[12]。

昆明理工大学的海建平设计的无人机自动椰子采摘装置，该装置的采摘机构由一倒刺镖发射器与微型激光切割机组成。倒刺发射器内有多个类鱼鳔的倒刺，发射后能插入椰子壳中，并通过绳子与无人机相连接。激光切割机针对被锁定的果实的果蒂进行切割，结束后果实会垂吊于无人机下方，可继续下一个目标的采摘[13]。

2.3 拉扭型采摘末端执行器

该类型的末端执行器在抓取到目标果实后，通过向后拉扯或旋转末端使果柄被分离，是一种模仿人手采摘收获的方式。该方法适用于果梗的韧性不大，较好分离的果实采摘中。

Tevel公司设计的某型采摘无人机如图4所示，其于无人机载体部分设计有一环绕的保护罩，在保护罩上布置了各类传感器，整体主要机构集中设计在无人机中心部分，具有一定的防撞安全性。果实的采摘通过水平前伸的采摘末端合住目标水果后，将果柄拧断[5]。

图4 带有防护罩的采摘无人机

2.4 振动型采摘末端执行器

振动型末端执行器，通过振动器或撞击树木使果树发生振动，从而使水果与果柄分离。该类型的主要目标一般为一些乔木的果实以及蓝莓与枣等，常在树下设计采集网收集掉落的果实。

同济大学的司慧萍等人设计了一震动式松果采摘无人机如图5所示，该无人机利用两螺旋桨运动，第一螺旋桨提供升力，第二螺旋桨提供侧向推动力。无人机飞至目标位置后，控制无人机下端两排铰链抱紧树干，再激活激振器产生振动让周围的果实受振掉落[14]。

图5 震动式松果采摘无人机

3 采摘无人机研究关键点

采摘无人机是一种新型采摘机器人其需要考虑的问题如图6所示，其许多研究点与现有采摘机器人是相同的，如图像识别的研究包括对果实的识别、对障碍物树枝树叶的识别和对果实成熟度的判断；对采摘末端执行器的设计与力控制研究从而实现高效、无损的采摘；对采摘轨迹的设计与优化等。下文将对由于采用了飞行平台后所带来的问题进行论述分析。

图6 采摘无人机研究分析图

3.1 采摘无人机的系统建模的问题

采摘无人机的模型通常应由3部分组成：采摘无人机的3维刚体动力学模型、作业装置的动力学模型、无人机的空气动力学模型[15]，前两者具有较强的耦合性故可以作为一个整体进行建模考虑。

当考虑采摘无人机的动力学模型时，参考文献[16]利用拉格朗日方程法构建的作业型飞行机器人的模型，可知采摘无人机的位姿、采摘装置的位姿、采摘无人机受到的力、力矩以及采摘装置工作时受到的外部力、力矩干扰等都会对模型产生影响。

当考虑采摘无人机的空气动力学模型时，首先应当按照旋翼结构进行区分为单旋翼采摘无人机与多旋翼无人机。尽管两者的原理都是通过旋翼产生的升力使得无人机飞行，但是两者的空气动力学模型并不相同。参考文献[17，18]可知，相较于单旋翼无人机依靠主旋翼与复杂结构产生气动力导致的复杂空气动力学模型。多旋翼无人机由于其简单的旋翼机构与对称的机体结构，其空气动力学模型较前者更为简单，且能减少控制的耦合性。

此外对于采摘无人机的自主控制建模方法还可分为两种，一种是将载体无人机与采摘装置的耦合作用考虑为内部因素的总体建模方法，一种是将采摘装置产生的扰动视为外部干扰分别对无人机与采摘装置建模的独立建模方法[15]。

因此选用多旋翼无人机作为采摘无人机的基本载体，同时采用总体建模的方法能有利于降低采摘无人机的耦合性以及设计统一的控制器来保证整体系统的运动性能。

3.2 重心的偏移与转动惯量变化的问题

当采摘无人机的采摘装置进行运动以及抓取果实时，都会导致整体重心的偏移与转动惯量的变化，从而使得无人机的飞行不平稳，甚至会发生倾覆坠落的情况。

连杰等人在无人机作业部分设计了一重心调节机构，其利用了机身电池作为配重。同时设计了一种重心调节的控制器，能够动态计算出复合系统重心位置的该变量，得出对配重的合理位移，从而实现对无人机系统整体的重心调节。通过样机试验，该方法响应迅速，相较于其他重心调节机构可以为负载留有更大余地[19]。

钟杭等人通过建立带臂无人机的系统模型，对系统重心进行了估算，得出当目标抓取物体的质量被估测完后，系统的重心只会与作业机械臂的关节角度相关。进而运用反演法设计了一姿态稳定控制器对重心偏移进行补偿，有效的提高了对无人机位姿的控制[20]。

3.3 采摘无人机的避障的问题

对于其他作业任务的农用无人机，树木常常作为障碍物而避开，而采摘无人机则需要身处果园的复杂环境并贴近目标果树，这对无人机的避障提出了更高的要求。

无人机的避障主要依靠各类避障传感器与避障技术，用于各种避障环境中的避障传感器主要有：超声波传感器、单/双目视觉传感器、结构光传感器、激光/红外传感器、微波雷达等[21]。部分传感器由于其测量原理使得在无人机采摘作业的环境下并不适合，例如结构光传感器适合复杂环境下的机器人测量与控制任务，但是在室外环境下自然光会导致其功能几乎失效[22]。

融合多个传感器的避障系统，将更加适合采摘无人机，例如极飞科技的V40系列农用无人机与大疆创新设计的T30植保无人机搭载了多种避障传感器与避障技术以实现无人机的精确避障与精细化作业。

3.4 采摘无人机的续航的问题

相较于地面采摘机器人，采摘无人机在续航方面会面临更大的考验。无人机本体的重量对续航有很大影响，因此利用复合材料的无人机轻量化研究，一直是提升续航方面的重要研究方向。江苏大学的郭学伟选用碳纤维复合材料并对机翼部件的铺层结构进行了优化设计，新的方案使机翼质量减重64%，结构效率提高了70%[23]。西北农林科技大学的师志强通过对农用无人机的气动参数进行优化，实现了优化后的无人机飞行时间明显长于原始布局[24]。

现有的无人机常用高倍率锂电池作为动力来源，而燃料电池因其高效、无污染、噪声小等特点被认为在未来更适合于无人机。西北工业大学的赵冬冬对无人机燃料电池的阴极供气系统建模与控制进行了研究，提出的FFM控制可实现燃料电池在0～3999m宽工况条件下的运行[25]。而电子科技大学的王仁康设计了一结合了燃料电池与锂电池的无人机用燃料电池多电混合电源系统，使其能够满足负载变化剧烈的悬浮翼无人机的长续航[26]。

采摘无人机在设计时可以综合多种延长续航的方法，从结构设计与材料的选择之初就应遵循轻量化设计的要求，同时对机体的气动性能进行优化设计等。采摘无人机也可以选择利用随行供电设备进行供电，供电设备收集装置相结合的方案。这种方案能给无人机提供更长时间的续航以及机身负载的减轻，但会对采摘无人机的工作范围造成一定程度的限制。

4 结语

采摘无人机有着作业功能的专业性、作业环境的复杂性、作业对象的复杂性等特征[27]。现有的采摘无人机的研究多处于设计阶段，国内相关研究主要体现在专利申请上，许多设计比较理想化并未落地试验，相关的控制问题还有待进一步解决。采摘无人机相较于地面采摘机器人对续航、控制、避障等方面都提出了更高的要求。

实现良好的采摘作业任务后，如何降低操作难度实现更高的自动化、降低制造成本、提高采摘效率以及模块化作业装置的设计，实现一机多用等都可以是在研究后期考虑的。同时在今后采摘无人机的发展中若是有合理的农艺的配合将能更高效率、更高质量的实现智慧农业采摘。

本文对国内外采摘无人机的研究进行整理，并结合其他无人机领域如空中作业机器人、农用植保无人机等对采摘无人机研究中所应注意的研究点进行了分析，对后续科研人员从事该方面的研究具有一定的参考意义。