機器視覺(jué)作為智能農業(yè)機器人的外部傳感器，是機器人作業(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。目前以機器視覺(jué)為主的作業(yè)信息感知技術(shù)已成為農業(yè)機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。
張春龍 中國農業(yè)大學(xué)副教授
近日，我國智能科學(xué)技術(shù)重要獎項“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎”頒發(fā)。其中“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)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(jué)？什么是非結構環(huán)境？目前我國農業(yè)機器人視覺(jué)技術(shù)達到了怎樣的水平？應用領(lǐng)域有哪些？5月14日“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目主要完成人，中國農業(yè)大學(xué)副教授張春龍、袁挺在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)對以上問(wèn)題進(jìn)行了解答。
農業(yè)機器人對視覺(jué)系統要求很高
什么是機器視覺(jué)？袁挺解釋?zhuān)瑱C器視覺(jué)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)重要分支，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，機器視覺(jué)就是用傳感器代替人眼來(lái)做檢測和判斷。
“作為智能農業(yè)機器人的外部傳感器，機器視覺(jué)是機器人作業(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。”張春龍說(shuō)。
袁挺介紹，機器視覺(jué)是通過(guò)視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像采集裝置）將被拍攝的目標轉換成圖像信號，并傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，系統得到目標的形態(tài)信息，再將像素分布和亮度、顏色等信息轉變成數字信號。隨后圖像處理系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)提取目標特征，進(jìn)而根據判別的結果來(lái)控制現場(chǎng)裝備的動(dòng)作。
“機器視覺(jué)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)的危險工作環(huán)境或者人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用機器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)。同時(shí)，在大批量重復性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機器視覺(jué)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(shuō)。
“對于農業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，非結構環(huán)境主要指農田自然環(huán)境。非結構環(huán)境對于農業(yè)機器人作業(yè)來(lái)說(shuō)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(shí)相互遮擋等，這都成為機器人作業(yè)中信息視覺(jué)感知的技術(shù)難題。”張春龍說(shuō)。
由于農業(yè)機器人的作業(yè)目標是離散個(gè)體，其個(gè)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業(yè)機器人機器視覺(jué)系統感知與判斷的難度。張春龍表示，機器視覺(jué)系統只有具備對作業(yè)對象的準確識別和對目標位置的精確感知，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(jué)為主的作業(yè)信息感知技術(shù)已成為農業(yè)機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。”張春龍說(shuō)。
多項技術(shù)打破國外壟斷、填補空白
田間的非結構環(huán)境為農業(yè)機器人研發(fā)帶來(lái)了挑戰，制約著(zhù)農業(yè)機器人技術(shù)的推廣與應用。張春龍介紹：“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目通過(guò)對農業(yè)機器人機器視覺(jué)技術(shù)的深入研究，在非結構環(huán)境下信息獲取、復雜光機電協(xié)同控制、“激光+視覺(jué)”多元信息感知等方面取得了技術(shù)突破，多項技術(shù)打破國外技術(shù)壟斷，填補國內空白。項目擴展了人工智能技術(shù)在農業(yè)場(chǎng)景的落地應用，實(shí)現了農業(yè)機器人從實(shí)驗室走向田間生產(chǎn)的創(chuàng )新實(shí)踐，引領(lǐng)了傳統農機的智能化轉型。
農田環(huán)境中的自然光照、陰影、風(fēng)速等因素復雜多變，使得機器視覺(jué)作物信息動(dòng)態(tài)穩定獲取成為難點(diǎn)。“項目從自然光照補償和抑制機理、機器學(xué)習與立體視覺(jué)算法匹配等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng )新，提出了農業(yè)非結構環(huán)境下自然光照補償和抑制機理的機器視覺(jué)處理技術(shù)，通過(guò)分析視覺(jué)信息對自然光照變化的敏感程度，構建光照波動(dòng)控制模型，突破自然光照變化對作物信息動(dòng)態(tài)穩定獲取的技術(shù)局限，打破了傳統機器視覺(jué)缺乏對自然光照適應性的技術(shù)瓶頸。”袁挺說(shuō)。
此外，農田環(huán)境作物信息疊加多義、作業(yè)空間復雜多變，枝葉交錯、果實(shí)重疊、苗草簇生，使得機器視覺(jué)難以準確識別作物信息。“項目從作物光譜特性、物理性狀與視覺(jué)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(jiàn)光視覺(jué)技術(shù)和深度學(xué)習方法交叉融合的農業(yè)非結構環(huán)境下作物信息智能獲取技術(shù)，突破了自然環(huán)境下農作物信息精準獲取難點(diǎn)問(wèn)題。”張春龍介紹。
針對農業(yè)機器人工作在田間非結構環(huán)境中，地形起伏、溝渠縱橫，其視覺(jué)系統與執行機構協(xié)同控制的問(wèn)題，“項目從機器人手眼協(xié)同控制等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng )新，研究了非結構環(huán)境下農業(yè)機器人末端執行機構視覺(jué)伺服控制技術(shù)，破解了農業(yè)機器人精度與速度、效率與損傷間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點(diǎn)問(wèn)題。”袁挺指出。
新技術(shù)可用于多項農業(yè)領(lǐng)域
“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目成果集成了非結構環(huán)境下自然光照補償的雙目視覺(jué)處理器、機器人柔性作業(yè)末端視覺(jué)伺服控制等技術(shù)，實(shí)現了農業(yè)植株狹窄作業(yè)空間中的機器人精準采收，目前已在多種農業(yè)機器人中實(shí)現應用。
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(gè)頭大飽滿(mǎn)的黃瓜；智能施藥機器人，能利用自己的“眼睛”獲取田間病蟲(chóng)草害信息，及時(shí)對重點(diǎn)部位或區域噴灑農藥，實(shí)現精準噴灑，降低化學(xué)農藥使用量，更加符合農業(yè)綠色生產(chǎn)的要求；農田鋤草機器人，基于非結構環(huán)境下機器人作業(yè)目標視覺(jué)感知與機器人末端執行機構自適應伺服控制技術(shù)，實(shí)現了鋤草機器人自動(dòng)對行和作物株間鋤草作業(yè)。
這些智能機器人現在已經(jīng)在北京、新疆、江蘇等農業(yè)示范區得到了推廣應用。
“我們經(jīng)過(guò)調研發(fā)現，在規模農業(yè)較發(fā)達地區，智能農機有著(zhù)可觀(guān)的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費用，還可以進(jìn)行精準作業(yè)，減少農藥、化肥等施用量，為農業(yè)可持續發(fā)展提供技術(shù)支撐。隨著(zhù)我國農業(yè)機械化規?；l(fā)展，中國農業(yè)向智能化升級已經(jīng)成為可能。”張春龍說(shuō)。
同時(shí)，農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)也可應用于農業(yè)植保無(wú)人機，它集成了作業(yè)目標雙目視覺(jué)信息智能感知方法、自主仿地飛行自適應控制方法、實(shí)時(shí)地塊邊界識別與避障飛行控制方法等技術(shù)，實(shí)現了植保無(wú)人機仿地飛行、高速避障、精準噴灑作業(yè)。
“未來(lái)，項目團隊將繼續推進(jìn)人工智能+機器視覺(jué)技術(shù)研究，借助人工智能技術(shù)促進(jìn)農業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為現代農業(yè)無(wú)人化生產(chǎn)提質(zhì)、增效、賦能。”張春龍說(shuō)。
張春龍 中國農業(yè)大學(xué)副教授
近日，我國智能科學(xué)技術(shù)重要獎項“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎”頒發(fā)。其中“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)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(jué)？什么是非結構環(huán)境？目前我國農業(yè)機器人視覺(jué)技術(shù)達到了怎樣的水平？應用領(lǐng)域有哪些？5月14日“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目主要完成人，中國農業(yè)大學(xué)副教授張春龍、袁挺在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)對以上問(wèn)題進(jìn)行了解答。
農業(yè)機器人對視覺(jué)系統要求很高
什么是機器視覺(jué)？袁挺解釋?zhuān)瑱C器視覺(jué)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)重要分支，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，機器視覺(jué)就是用傳感器代替人眼來(lái)做檢測和判斷。
“作為智能農業(yè)機器人的外部傳感器，機器視覺(jué)是機器人作業(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。”張春龍說(shuō)。
袁挺介紹，機器視覺(jué)是通過(guò)視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像采集裝置）將被拍攝的目標轉換成圖像信號，并傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，系統得到目標的形態(tài)信息，再將像素分布和亮度、顏色等信息轉變成數字信號。隨后圖像處理系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)提取目標特征，進(jìn)而根據判別的結果來(lái)控制現場(chǎng)裝備的動(dòng)作。
“機器視覺(jué)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)的危險工作環(huán)境或者人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用機器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)。同時(shí)，在大批量重復性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機器視覺(jué)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(shuō)。
“對于農業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，非結構環(huán)境主要指農田自然環(huán)境。非結構環(huán)境對于農業(yè)機器人作業(yè)來(lái)說(shuō)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(shí)相互遮擋等，這都成為機器人作業(yè)中信息視覺(jué)感知的技術(shù)難題。”張春龍說(shuō)。
由于農業(yè)機器人的作業(yè)目標是離散個(gè)體，其個(gè)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業(yè)機器人機器視覺(jué)系統感知與判斷的難度。張春龍表示，機器視覺(jué)系統只有具備對作業(yè)對象的準確識別和對目標位置的精確感知，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(jué)為主的作業(yè)信息感知技術(shù)已成為農業(yè)機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。”張春龍說(shuō)。
多項技術(shù)打破國外壟斷、填補空白
田間的非結構環(huán)境為農業(yè)機器人研發(fā)帶來(lái)了挑戰，制約著(zhù)農業(yè)機器人技術(shù)的推廣與應用。張春龍介紹：“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目通過(guò)對農業(yè)機器人機器視覺(jué)技術(shù)的深入研究，在非結構環(huán)境下信息獲取、復雜光機電協(xié)同控制、“激光+視覺(jué)”多元信息感知等方面取得了技術(shù)突破，多項技術(shù)打破國外技術(shù)壟斷，填補國內空白。項目擴展了人工智能技術(shù)在農業(yè)場(chǎng)景的落地應用，實(shí)現了農業(yè)機器人從實(shí)驗室走向田間生產(chǎn)的創(chuàng )新實(shí)踐，引領(lǐng)了傳統農機的智能化轉型。
農田環(huán)境中的自然光照、陰影、風(fēng)速等因素復雜多變，使得機器視覺(jué)作物信息動(dòng)態(tài)穩定獲取成為難點(diǎn)。“項目從自然光照補償和抑制機理、機器學(xué)習與立體視覺(jué)算法匹配等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng )新，提出了農業(yè)非結構環(huán)境下自然光照補償和抑制機理的機器視覺(jué)處理技術(shù)，通過(guò)分析視覺(jué)信息對自然光照變化的敏感程度，構建光照波動(dòng)控制模型，突破自然光照變化對作物信息動(dòng)態(tài)穩定獲取的技術(shù)局限，打破了傳統機器視覺(jué)缺乏對自然光照適應性的技術(shù)瓶頸。”袁挺說(shuō)。
此外，農田環(huán)境作物信息疊加多義、作業(yè)空間復雜多變，枝葉交錯、果實(shí)重疊、苗草簇生，使得機器視覺(jué)難以準確識別作物信息。“項目從作物光譜特性、物理性狀與視覺(jué)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(jiàn)光視覺(jué)技術(shù)和深度學(xué)習方法交叉融合的農業(yè)非結構環(huán)境下作物信息智能獲取技術(shù)，突破了自然環(huán)境下農作物信息精準獲取難點(diǎn)問(wèn)題。”張春龍介紹。
針對農業(yè)機器人工作在田間非結構環(huán)境中，地形起伏、溝渠縱橫，其視覺(jué)系統與執行機構協(xié)同控制的問(wèn)題，“項目從機器人手眼協(xié)同控制等方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng )新，研究了非結構環(huán)境下農業(yè)機器人末端執行機構視覺(jué)伺服控制技術(shù)，破解了農業(yè)機器人精度與速度、效率與損傷間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點(diǎn)問(wèn)題。”袁挺指出。
新技術(shù)可用于多項農業(yè)領(lǐng)域
“非結構環(huán)境下農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目成果集成了非結構環(huán)境下自然光照補償的雙目視覺(jué)處理器、機器人柔性作業(yè)末端視覺(jué)伺服控制等技術(shù)，實(shí)現了農業(yè)植株狹窄作業(yè)空間中的機器人精準采收，目前已在多種農業(yè)機器人中實(shí)現應用。
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(gè)頭大飽滿(mǎn)的黃瓜；智能施藥機器人，能利用自己的“眼睛”獲取田間病蟲(chóng)草害信息，及時(shí)對重點(diǎn)部位或區域噴灑農藥，實(shí)現精準噴灑，降低化學(xué)農藥使用量，更加符合農業(yè)綠色生產(chǎn)的要求；農田鋤草機器人，基于非結構環(huán)境下機器人作業(yè)目標視覺(jué)感知與機器人末端執行機構自適應伺服控制技術(shù)，實(shí)現了鋤草機器人自動(dòng)對行和作物株間鋤草作業(yè)。
這些智能機器人現在已經(jīng)在北京、新疆、江蘇等農業(yè)示范區得到了推廣應用。
“我們經(jīng)過(guò)調研發(fā)現，在規模農業(yè)較發(fā)達地區，智能農機有著(zhù)可觀(guān)的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費用，還可以進(jìn)行精準作業(yè)，減少農藥、化肥等施用量，為農業(yè)可持續發(fā)展提供技術(shù)支撐。隨著(zhù)我國農業(yè)機械化規?；l(fā)展，中國農業(yè)向智能化升級已經(jīng)成為可能。”張春龍說(shuō)。
同時(shí)，農業(yè)機器人機器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)也可應用于農業(yè)植保無(wú)人機，它集成了作業(yè)目標雙目視覺(jué)信息智能感知方法、自主仿地飛行自適應控制方法、實(shí)時(shí)地塊邊界識別與避障飛行控制方法等技術(shù)，實(shí)現了植保無(wú)人機仿地飛行、高速避障、精準噴灑作業(yè)。
“未來(lái)，項目團隊將繼續推進(jìn)人工智能+機器視覺(jué)技術(shù)研究，借助人工智能技術(shù)促進(jìn)農業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為現代農業(yè)無(wú)人化生產(chǎn)提質(zhì)、增效、賦能。”張春龍說(shuō)。
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