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中國突破機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)助農(nóng)業(yè)機(jī)器人“占領(lǐng)”果園農(nóng)田

2021
05/18
19:45
科技日?qǐng)?bào)
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 近日,我國智能科學(xué)技術(shù)重要獎(jiǎng)項(xiàng)“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”頒發(fā)。其中“非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得2020年度吳文俊人工智能技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)。

  什么是機(jī)器視覺?什么是非結(jié)構(gòu)環(huán)境?目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)達(dá)到了怎樣的水平?應(yīng)用領(lǐng)域有哪些?5月14日“非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目主要完成人,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授張春龍、袁挺在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)對(duì)以上問題進(jìn)行了解答。

  農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)視覺系統(tǒng)要求很高

  什么是機(jī)器視覺?袁挺解釋,機(jī)器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)重要分支,簡單來說,機(jī)器視覺就是用傳感器代替人眼來做檢測(cè)和判斷。

  “作為智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人的外部傳感器,機(jī)器視覺是機(jī)器人作業(yè)裝備的眼睛,是最大的信息源,具有感知信息豐富、采集信息完整等優(yōu)勢(shì)。”張春龍說。

  袁挺介紹,機(jī)器視覺是通過視覺產(chǎn)品(即圖像采集裝置)將被拍攝的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),并傳送給專用的圖像處理系統(tǒng),系統(tǒng)得到目標(biāo)的形態(tài)信息,再將像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。隨后圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來提取目標(biāo)特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)裝備的動(dòng)作。

  “機(jī)器視覺最基本的特點(diǎn)就是可以提高生產(chǎn)的靈活性和智能化程度。在一些不適于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合,常用機(jī)器視覺來替代人工視覺。同時(shí),在大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中,機(jī)器視覺技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動(dòng)化程度。”袁挺說。

  “對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人來說,非結(jié)構(gòu)環(huán)境主要指農(nóng)田自然環(huán)境。非結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)來說存在諸多不確定因素,如自然光照多變、待作業(yè)空間復(fù)雜多變、作業(yè)對(duì)象千姿百態(tài)、枝葉果實(shí)相互遮擋等,這都成為機(jī)器人作業(yè)中信息視覺感知的技術(shù)難題。”張春龍說。

  由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)目標(biāo)是離散個(gè)體,其個(gè)體特征具有隨機(jī)性和多樣性,這種非標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)信息增大了農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)感知與判斷的難度。張春龍表示,機(jī)器視覺系統(tǒng)只有具備對(duì)作業(yè)對(duì)象的準(zhǔn)確識(shí)別和對(duì)目標(biāo)位置的精確感知,才能降低對(duì)作業(yè)對(duì)象的損傷,提高作業(yè)成功率和效率。

  “目前,以機(jī)器視覺為主的作業(yè)信息感知技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。”張春龍說。

  多項(xiàng)技術(shù)打破國外壟斷、填補(bǔ)空白

  田間的非結(jié)構(gòu)環(huán)境為農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)帶來了挑戰(zhàn),制約著農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的推廣與應(yīng)用。張春龍介紹:“非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目通過對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺技術(shù)的深入研究,在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下信息獲取、復(fù)雜光機(jī)電協(xié)同控制、“激光+視覺”多元信息感知等方面取得了技術(shù)突破,多項(xiàng)技術(shù)打破國外技術(shù)壟斷,填補(bǔ)國內(nèi)空白。項(xiàng)目擴(kuò)展了人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的落地應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室走向田間生產(chǎn)的創(chuàng)新實(shí)踐,引領(lǐng)了傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的智能化轉(zhuǎn)型。

  農(nóng)田環(huán)境中的自然光照、陰影、風(fēng)速等因素復(fù)雜多變,使得機(jī)器視覺作物信息動(dòng)態(tài)穩(wěn)定獲取成為難點(diǎn)。“項(xiàng)目從自然光照補(bǔ)償和抑制機(jī)理、機(jī)器學(xué)習(xí)與立體視覺算法匹配等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新,提出了農(nóng)業(yè)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自然光照補(bǔ)償和抑制機(jī)理的機(jī)器視覺處理技術(shù),通過分析視覺信息對(duì)自然光照變化的敏感程度,構(gòu)建光照波動(dòng)控制模型,突破自然光照變化對(duì)作物信息動(dòng)態(tài)穩(wěn)定獲取的技術(shù)局限,打破了傳統(tǒng)機(jī)器視覺缺乏對(duì)自然光照適應(yīng)性的技術(shù)瓶頸。”袁挺說。

  此外,農(nóng)田環(huán)境作物信息疊加多義、作業(yè)空間復(fù)雜多變,枝葉交錯(cuò)、果實(shí)重疊、苗草簇生,使得機(jī)器視覺難以準(zhǔn)確識(shí)別作物信息。“項(xiàng)目從作物光譜特性、物理性狀與視覺圖像智能算法匹配等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新,研究了近紅外、可見光視覺技術(shù)和深度學(xué)習(xí)方法交叉融合的農(nóng)業(yè)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下作物信息智能獲取技術(shù),突破了自然環(huán)境下農(nóng)作物信息精準(zhǔn)獲取難點(diǎn)問題。”張春龍介紹。

  針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作在田間非結(jié)構(gòu)環(huán)境中,地形起伏、溝渠縱橫,其視覺系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制的問題,“項(xiàng)目從機(jī)器人手眼協(xié)同控制等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新,研究了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)視覺伺服控制技術(shù),破解了農(nóng)業(yè)機(jī)器人精度與速度、效率與損傷間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點(diǎn)問題。”袁挺指出。

  新技術(shù)可用于多項(xiàng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

  “非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目成果集成了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自然光照補(bǔ)償?shù)碾p目視覺處理器、機(jī)器人柔性作業(yè)末端視覺伺服控制等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)植株狹窄作業(yè)空間中的機(jī)器人精準(zhǔn)采收,目前已在多種農(nóng)業(yè)機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

  比如,黃瓜采摘機(jī)器人有一雙“大眼睛”和一支靈活的機(jī)械手臂,它不僅能自主完成黃瓜的采摘作業(yè),還能自己辨別黃瓜的成熟度,只采摘那些個(gè)頭大飽滿的黃瓜;智能施藥機(jī)器人,能利用自己的“眼睛”獲取田間病蟲草害信息,及時(shí)對(duì)重點(diǎn)部位或區(qū)域噴灑農(nóng)藥,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑,降低化學(xué)農(nóng)藥使用量,更加符合農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的要求;農(nóng)田鋤草機(jī)器人,基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)目標(biāo)視覺感知與機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)自適應(yīng)伺服控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了鋤草機(jī)器人自動(dòng)對(duì)行和作物株間鋤草作業(yè)。

  這些智能機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)在北京、新疆、江蘇等農(nóng)業(yè)示范區(qū)得到了推廣應(yīng)用。

  “我們經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),在規(guī)模農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū),智能農(nóng)機(jī)有著可觀的潛在需求,不但可以降低高昂的人工費(fèi)用,還可以進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè),減少農(nóng)藥、化肥等施用量,為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化規(guī)模化發(fā)展,中國農(nóng)業(yè)向智能化升級(jí)已經(jīng)成為可能。”張春龍說。

  同時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)也可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保無人機(jī),它集成了作業(yè)目標(biāo)雙目視覺信息智能感知方法、自主仿地飛行自適應(yīng)控制方法、實(shí)時(shí)地塊邊界識(shí)別與避障飛行控制方法等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了植保無人機(jī)仿地飛行、高速避障、精準(zhǔn)噴灑作業(yè)。

  “未來,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推進(jìn)人工智能+機(jī)器視覺技術(shù)研究,借助人工智能技術(shù)促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無人化生產(chǎn)提質(zhì)、增效、賦能。”張春龍說。

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