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機器視覺做“機器人的眼睛” 助力智能農(nóng)業(yè)發(fā)展

2021-05-19 09:00:14 來源：儀表網(wǎng) 閱讀量：6807

　　機器視覺作為智能農(nóng)業(yè)機器人的外部傳感器，是機器人作業(yè)裝備的眼睛，是信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整等優(yōu)勢。目前以機器視覺為主的作業(yè)信息感知技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點。

　　近日，我國智能科學技術(shù)重要獎項“吳文俊人工智能科學技術(shù)獎”頒發(fā)。其中“非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目獲得2020年度吳文俊人工智能技術(shù)發(fā)明獎。

　　什么是機器視覺？

　　機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個重要分支，簡單來說，機器視覺就是用傳感器代替人眼來做檢測和判斷。作為智能農(nóng)業(yè)機器人的外部傳感器，機器視覺是機器人作業(yè)裝備的眼睛，是信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整等優(yōu)勢。

　　機器視覺是通過視覺產(chǎn)品(即圖像采集裝置)將被拍攝的目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，并傳送給圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)得到目標的形態(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。隨后圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來提取目標特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場裝備的動作。

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

　　對于農(nóng)業(yè)機器人來說，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)境對于農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)來說存在諸多不確定因素，如自然光照多變、待作業(yè)空間復雜多變、作業(yè)對象千姿百態(tài)、枝葉果實相互遮擋等，這都成為機器人作業(yè)中信息視覺感知的技術(shù)難題。

　　由于農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)目標是離散個體，其個體特征具有隨機性和多樣性，這種非標準化的目標信息增大了農(nóng)業(yè)機器人機器視覺系統(tǒng)感知與判斷的難度。機器視覺系統(tǒng)只有具備對作業(yè)對象的準確識別和對目標位置的感知，才能降低對作業(yè)對象的損傷，提高作業(yè)成功率和效率。

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

　　田間的非結(jié)構(gòu)環(huán)境為農(nóng)業(yè)機器人研發(fā)帶來了挑戰(zhàn)，制約著農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的推廣與應用。農(nóng)田環(huán)境中的自然光照、陰影、風速等因素復雜多變，使得機器視覺作物信息動態(tài)穩(wěn)定獲取成為難點。從自然光照補償和抑制機理、機器學習與立體視覺算法匹配等方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，提出了農(nóng)業(yè)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自然光照補償和抑制機理的機器視覺處理技術(shù)，通過分析視覺信息對自然光照變化的敏感程度，構(gòu)建光照波動控制模型，突破自然光照變化對作物信息動態(tài)穩(wěn)定獲取的技術(shù)局限，打破了傳統(tǒng)機器視覺缺乏對自然光照適應性的技術(shù)瓶頸。

　　針對農(nóng)業(yè)機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)行機構(gòu)協(xié)同控制的問題，從機器人手眼協(xié)同控制等方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，研究了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機器人末端執(zhí)行機構(gòu)視覺伺服控制技術(shù)。

　　新技術(shù)可用于多項農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

　　“非結(jié)構(gòu)環(huán)境下農(nóng)業(yè)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目成果集成了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自然光照補償?shù)碾p目視覺處理器、機器人柔性作業(yè)末端視覺伺服控制等技術(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)植株狹窄作業(yè)空間中的機器人采收，目前已在多種農(nóng)業(yè)機器人中實現(xiàn)應用。

　　比如，黃瓜采摘機器人有一雙“大眼睛”和一支靈活的機械手臂，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，只采摘那些個頭大飽滿的黃瓜；智能施藥機器人，能利用自己的“眼睛”獲取田間病蟲草害信息，及時對重點部位或區(qū)域噴灑農(nóng)藥，實現(xiàn)噴灑，降低化學農(nóng)藥使用量，更加符合農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的要求；農(nóng)田鋤草機器人，基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機器人作業(yè)目標視覺感知與機器人末端執(zhí)行機構(gòu)自適應伺服控制技術(shù)，實現(xiàn)了鋤草機器人自動對行和作物株間鋤草作業(yè)。

　　同時，農(nóng)業(yè)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)也可應用于農(nóng)業(yè)植保無人機，它集成了作業(yè)目標雙目視覺信息智能感知方法、自主仿地飛行自適應控制方法、實時地塊邊界識別與避障飛行控制方法等技術(shù)，實現(xiàn)了植保無人機仿地飛行、高速避障、噴灑作業(yè)。

　　未來，項目團隊將繼續(xù)推進人工智能+機器視覺技術(shù)研究，借助人工智能技術(shù)促進農(nóng)業(yè)機器人產(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。

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