機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

王玉芯 戢 敏 周黎明 王 輝

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引言

2019年，我國農(nóng)作物耕種綜合機(jī)械化率已超過70%，尤其是在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的推動下，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械呈現(xiàn)出智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢。實踐證明，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化水平對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低人工勞動強(qiáng)度、推進(jìn)規(guī)?；鳂I(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。機(jī)器視覺是一門涉及控制科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)及圖像處理等多門學(xué)科的綜合技術(shù)。依托機(jī)器視覺技術(shù)的非接觸性、高精準(zhǔn)性和快速性等優(yōu)點能夠有效解決傳統(tǒng)人工操作帶來的偏差和誤差等問題，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化操作水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械高質(zhì)量發(fā)展?；诖?，筆者結(jié)合實踐調(diào)查詳細(xì)闡述機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用策略。

1 機(jī)器視覺技術(shù)概述

機(jī)器視覺主要是利用計算機(jī)模仿人的視覺功能，利用控制系統(tǒng)對客觀事物的圖像進(jìn)行分析處理，最終應(yīng)用于實際檢測、測量及控制的技術(shù)。機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由以下5部分組成。一是光源。光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響機(jī)器視覺系統(tǒng)的運行質(zhì)量。如果沒有與機(jī)器視覺技術(shù)相匹配的光源，就會導(dǎo)致攝像機(jī)無法捕捉到檢測對象，導(dǎo)致難以形成預(yù)定的數(shù)據(jù)信號。其中，機(jī)器視覺光源主要分為可見光和不可見光。二是攝像機(jī)組。攝像機(jī)組主要是收集檢測對象圖像的設(shè)備，可以根據(jù)使用場景選用不同分辨率的攝像機(jī)。三是圖像采集卡。圖像采集卡是整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，用于儲存攝像機(jī)組拍攝的圖像信息，并對信息進(jìn)行處理。四是視覺處理器。視覺處理器一般與采集卡融為一體，對采集的圖像信息進(jìn)行快速處理。五是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)視覺處理器發(fā)出的指令信息做出相應(yīng)動作，完成整個機(jī)器視覺控制操作流程。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)是推動農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展的重要技術(shù)之一，能夠有效替代人工操作，減少人工勞動量，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的精準(zhǔn)度。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣泛，成為智慧農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與制造不可或缺的部分。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下3個方面。

2.1 機(jī)器視覺技術(shù)在除草設(shè)備中的應(yīng)用

農(nóng)田中的雜草會影響農(nóng)作物生長，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，及時有效清除田間雜草是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。目前，農(nóng)田除草主要采取機(jī)械除草和使用化學(xué)除草劑2種方式。使用化學(xué)除草劑會污染土壤，因此，機(jī)械除草是今后田間除草的主要發(fā)展方向。農(nóng)田雜草無論外觀還是生長特點都不同于農(nóng)作物，利用機(jī)器視覺技術(shù)可以準(zhǔn)確識別田間雜草。在機(jī)械除草設(shè)備中裝載高分辨率攝像頭，通過識別雜草分生組織中的熱能，標(biāo)記出作物和雜草。其關(guān)鍵點就是通過機(jī)器視覺技術(shù)快速獲取田間雜草的密度和位置等空間分布情況，通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)將識別的雜草清除干凈。例如，胡煉等研究的株間機(jī)械除草設(shè)備，利用機(jī)器視覺技術(shù)對雜草進(jìn)行定位，將定位后的雜草清除掉。首先，利用Matlab R2010b圖像軟件處理系統(tǒng)將安裝在除草設(shè)備中的攝像機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行分割處理（圖像中的對象主要是植物和背景）。為明確識別雜草和農(nóng)作物分類，在圖片處理時需要將24-bit彩色圖像的RGB各個分量進(jìn)行組合轉(zhuǎn)化，以此增加植物的信息含量。其次，利用灰度化處理對農(nóng)業(yè)物和雜草進(jìn)行識別，選擇灰度化處理的原因是此種方法可以很好地提取綠色植物的圖像，集中展示綠色植被的數(shù)據(jù)信息。最后，提取綠色植被信息后，機(jī)器視覺技術(shù)對作物信息進(jìn)行識別并確定雜草坐標(biāo)，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)清除。

噴灑化學(xué)除草劑是當(dāng)前田間除草的重要方式之一，其主要是由作業(yè)人員操縱噴灑設(shè)備將除草劑噴灑到雜草葉面上。根據(jù)調(diào)查，由于化學(xué)除草劑對農(nóng)業(yè)物生長具有一定的負(fù)面影響，在噴灑除草劑時需要確保噴灑精度。利用機(jī)器視覺技術(shù)可以實現(xiàn)定向噴灑，有效避免除草劑噴灑到農(nóng)作物上。例如，美國公司John Deere致力于智慧農(nóng)業(yè)方面的研究，2022年該企業(yè)研發(fā)了定向噴霧除草系統(tǒng)，可針對玉米、大豆等田間的雜草噴灑非殘留除草劑。該系統(tǒng)通過在新型的碳纖維桁架式吊桿上安裝攝像頭和處理器，利用計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來檢測作物中的雜草。其中，吊桿總長36.576 m，每隔1 m安裝1個攝像頭，運行Blue River圖像識別算法的Jetson Xavier模塊可一次性掃描超過195.096 m內(nèi)的雜草，利用新型動臂高度控制系統(tǒng)，只對雜草進(jìn)行噴灑，大大提高了定向噴霧的準(zhǔn)確性，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)除草。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)作物采摘機(jī)械中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的人工采摘作業(yè)模式采摘成本高、效率低，影響農(nóng)業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。我國農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展迫切需要基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動采摘機(jī)械。以蘑菇采摘為例，種植人員需要在采摘過程中對蘑菇品質(zhì)進(jìn)行分類，根據(jù)蘑菇的大小、形狀及顏色等進(jìn)行分類采摘，因此，要求采摘設(shè)備要能準(zhǔn)確識別蘑菇的外觀等基本信息，做到精準(zhǔn)采摘。

2.2.1 蘑菇自動采摘設(shè)備的總體設(shè)計?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的自動采摘機(jī)械設(shè)備的具體設(shè)計目標(biāo)如表1所示。基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動采摘設(shè)備能夠在蘑菇苗床上自主運動，根據(jù)視覺檢測系統(tǒng)對蘑菇進(jìn)行定位與自主裝筐，從而實現(xiàn)蘑菇的智能化采摘。

表1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計目標(biāo)

2.2.2 蘑菇自動采摘機(jī)械的作業(yè)流程?；跈C(jī)器視覺系統(tǒng)的蘑菇自動采摘系統(tǒng)由安裝在機(jī)械設(shè)備中的攝像機(jī)對待采蘑菇進(jìn)行識別，攝像機(jī)采集到相關(guān)圖片信息后通過處理系統(tǒng)處理后，將采集控制信息反饋給執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)完成采摘作業(yè)。由于蘑菇苗床為桁架式結(jié)構(gòu)，當(dāng)完成當(dāng)前層所有蘑菇的采摘后，可由升降機(jī)構(gòu)將移動平臺搬運到其他層采摘。圖1為蘑菇自動采摘示意圖。由于蘑菇采摘屬于分層作業(yè)，受相機(jī)視野及苗床高度的限制，基于機(jī)器視覺技術(shù)的控制系統(tǒng)不能將苗床寬度范圍內(nèi)的所有蘑菇信息拍攝到位，需根據(jù)每層的寬度進(jìn)行拍攝。為防止漏檢，基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動采摘設(shè)備需設(shè)置3個拍攝區(qū)域，并確保3個拍攝區(qū)域有重疊，以有效提升視覺系統(tǒng)識別蘑菇的精準(zhǔn)度。拍攝時相機(jī)要沿著苗床寬度方向移動拍攝（進(jìn)行3次拍攝），自動采摘設(shè)備對待采蘑菇圖片進(jìn)行處理，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照圖像處理后的定位信息執(zhí)行采摘命令，完成采摘命令后，移動平臺沿著衡量Y方向移動下一個采摘區(qū)域，重復(fù)上述動作，直到全部完成采摘任務(wù)。

圖1 蘑菇自動采摘機(jī)械作業(yè)示意圖

2.3 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)運輸機(jī)械中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)運輸機(jī)械設(shè)備是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，隨著機(jī)械自動化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)運輸機(jī)械設(shè)備實現(xiàn)了無人操作。例如，近年來發(fā)展起來的無人耕地機(jī)械就是利用機(jī)器視覺技術(shù)實施作業(yè)的。拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的重要動力來源，傳統(tǒng)的人工操作拖拉機(jī)的模式受人們視覺的主觀影響，導(dǎo)致拖拉機(jī)運行路線精準(zhǔn)度不高。為了實現(xiàn)對拖拉機(jī)的無人控制要求，依托機(jī)器視覺技術(shù)構(gòu)建的拖拉機(jī)運輸控制系統(tǒng)成為助力農(nóng)業(yè)自動化運輸?shù)闹匾夹g(shù)。具體設(shè)計方案為：首先在拖拉機(jī)導(dǎo)向輪中安裝傳感器和轉(zhuǎn)交傳感器，可實現(xiàn)對拖拉機(jī)行進(jìn)速度及導(dǎo)向輪偏轉(zhuǎn)角度信息的實時監(jiān)測，在拖拉機(jī)前部安裝具有防抖功能的相機(jī)，相機(jī)的拍攝俯角為30°，在拍攝時需要根據(jù)拖拉機(jī)的前行速度確定拍攝頻率，如拖拉機(jī)行進(jìn)速度越快，拍攝的頻率就越高；然后拍攝后的圖像經(jīng)過采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算機(jī)視覺系統(tǒng)分析識別拖拉機(jī)的行進(jìn)路線后，根據(jù)機(jī)械與路徑之間的橫向距離偏差、導(dǎo)向偏差及導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角確定調(diào)整角度；最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理中心處理后得出相應(yīng)的執(zhí)行命令。

3 加強(qiáng)機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用的對策

機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械操作過程中存在圖像識別分析算法不高、對象識別不準(zhǔn)等問題，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化、自動化發(fā)展。為促進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)在田間農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，相關(guān)部門需要采取以下措施。一是加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)人員的專業(yè)技能。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用涉及大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)，要求農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)人員要具備復(fù)合型的專業(yè)知識；農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)企業(yè)要加強(qiáng)與高等院校的合作，深化產(chǎn)教融合，培養(yǎng)符合智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的新時代機(jī)械設(shè)計人才。二是完善基礎(chǔ)配套設(shè)施，實施數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)工程。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用需要數(shù)字化技術(shù)作為支撐，雖然我國“天地空”一體化監(jiān)測技術(shù)基本框架已經(jīng)形成，但是傳感器實時性、自動監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用水平還不高，尤其是我國自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)傳感器應(yīng)用數(shù)量還未達(dá)到世界平均水平，不足以支撐農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化操作。因此，我國要加大農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度，加強(qiáng)實時監(jiān)測、智能分析等核心技術(shù)的研發(fā)工作。三是要做好農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的維修保養(yǎng)工作。農(nóng)田環(huán)境比較惡劣，基于機(jī)器視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備對使用環(huán)境的要求比較高，為了降低故障發(fā)生率，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的運行效率，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理人員要做好日常維修保養(yǎng)工作，及時針對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備常見的故障問題制訂維修保養(yǎng)預(yù)案，以便在發(fā)生故障時可以第一時間解決。例如，無人機(jī)作業(yè)時，會出現(xiàn)因機(jī)器視覺識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸不及時導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)作業(yè)故障的問題。對于此種問題，需要無人機(jī)操作人員及時檢修自動識別數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，做好無人機(jī)各電器元件的檢修工作，避免出現(xiàn)信號連接不暢等問題。

總之，基于智慧農(nóng)業(yè)工程的實施，機(jī)械設(shè)備研發(fā)管理人員要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，利用機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中，以此減少人工勞動量，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械工作效率，助力農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。