2021-09-10 08:57:39
“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎”是我國人工智能領(lǐng)域“皇冠上的明珠”，其中的一顆就被中國農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊負(fù)責(zé)的“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”項目摘取——2020年度的吳文俊人工智能技術(shù)發(fā)明獎。記者在驚嘆我國農(nóng)業(yè)科技日新月異的同時，也激起了心中的好奇：什么是“非結(jié)構(gòu)環(huán)境”？機(jī)器視覺和人的視覺有何不同？該技術(shù)有哪些突破？近日，項目主要完成人、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師張春龍副教授向記者一一拆解了這一農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的“黑科技”。
“對于農(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。”張春龍開門見山。農(nóng)田自然環(huán)境中光照條件復(fù)雜多變、作業(yè)空間不可預(yù)知、作業(yè)目標(biāo)隨機(jī)分布、作業(yè)對象形態(tài)多樣、枝葉果實交錯遮擋、苗草簇生、地形起伏，壟溝縱橫……因此給農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用帶來了很大挑戰(zhàn)。
“人的視覺是一個非常復(fù)雜的生物系統(tǒng)，可以直接和周圍環(huán)境進(jìn)行信息交互，對環(huán)境具有較強的感知適應(yīng)性。”張春龍說，而機(jī)器視覺一般指一個特定的信息感知系統(tǒng)，往往只針對單一特殊任務(wù)進(jìn)行某種有效描述，而且其感知環(huán)境通常是可以被改造和控制的，因此很難建立一個“通用”的機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺的“用武之地”在哪兒呢？“它的任務(wù)主要是模擬人的視覺功能，來感知環(huán)境并有效解決人眼難以解決的問題。”張春龍告訴記者，特別是在高風(fēng)險特種作業(yè)環(huán)境下，或執(zhí)行高精度、高效率、高強度作業(yè)任務(wù)等人眼難以滿足要求的場景，來輔助或代替人的視覺。
機(jī)器視覺是人工智能領(lǐng)域的重要技術(shù)組成，通過利用電子設(shè)備和光學(xué)感知技術(shù)獲取環(huán)境和目標(biāo)圖像信息，利用處理器分析和解釋圖像，進(jìn)而根據(jù)圖像處理結(jié)果來控制機(jī)器動作。當(dāng)前，以機(jī)器視覺為主的作業(yè)信息感知已成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化的研究熱點。談及其“熱度”高的原因，張春龍表示，機(jī)器視覺作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人最大的信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整、識別信息直接等特點。但機(jī)器視覺信息感知的準(zhǔn)確性和可靠性易受自然光照、風(fēng)力、陰影、遮擋等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境因素，和作業(yè)對象隨機(jī)性、多樣性等個體特征的影響，從而影響農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化作業(yè)效率和成功率，制約著農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的推廣與應(yīng)用。
該項目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，突破了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，增強了機(jī)器視覺對農(nóng)田自然光照的適應(yīng)能力。項目研究了集光譜檢測、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)境作物信息獲取技術(shù)，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)視覺伺服控制進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，提高了自然環(huán)境下農(nóng)作物信息獲取的精準(zhǔn)度，破解了農(nóng)業(yè)機(jī)器人精度與速度、效率與損傷之間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點問題。
記者了解到，該項目的技術(shù)成果目前已經(jīng)在果蔬采摘機(jī)器人、精準(zhǔn)噴藥機(jī)器人、大田鋤草機(jī)器人、植保無人機(jī)等農(nóng)業(yè)智能裝備領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。比如，果蔬采摘機(jī)器人有“眼睛”和“手臂”，不僅能自主采摘果實，還能辨別果實的成熟度，只對那些個頭大、品相好的目標(biāo)“下手”。精準(zhǔn)噴藥機(jī)器人，則能利用自己的“眼睛”識別田間病蟲草害，及時對重點區(qū)域精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥，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。
張春龍表示，相關(guān)機(jī)器人產(chǎn)品已經(jīng)推廣到北京、江蘇、新疆、河南等地，覆蓋大田、溫室、果園等農(nóng)業(yè)作業(yè)場景，可節(jié)省勞動力50％以上。
“未來，項目技術(shù)將應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬采摘、巡檢、運輸?shù)认盗袡C(jī)器人產(chǎn)品和大田田間管理到產(chǎn)后各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)機(jī)器人中。”張春龍告訴記者，在規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人不但可以解決農(nóng)時集中用工緊張問題，還可以為精耕細(xì)作、綠色高效的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式提供技術(shù)支撐，有很好的用武之地和巨大的市場需求。“隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、規(guī)模化發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智能化升級已經(jīng)成為可能。”張春龍對未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人的規(guī)模應(yīng)用充滿信心。
農(nóng)民日報·中國農(nóng)網(wǎng)記者 顏旭
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