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(yīng)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？什么是非結(jié)構(gòu)環(huán)境？目前我國農(nóng)業(yè)機器人視覺技術(shù)達到了怎樣的水平？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)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目主要完成人，中國農(nóng)業(yè)大學副教授張春龍、袁挺在接受科技日報記者采訪時對以上問題進行了解答。
農(nóng)業(yè)機器人對視覺系統(tǒng)要求很高
什么是機器視覺？袁挺解釋，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。
袁挺介紹，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，并傳送給專用的圖像處理系統(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。”袁挺說。
“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。”張春龍說。
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。張春龍表示，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。”張春龍說。
多項技術(shù)打破國外壟斷、填補空白
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(yīng)用。張春龍介紹：“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(yīng)用”項目通過對農(nóng)業(yè)機器人機器視覺技術(shù)的深入研究，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下信息獲取、復雜光機電協(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，多項技術(shù)打破國外技術(shù)壟斷，填補國內(nèi)空白。項目擴展了人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)場景的落地應(yīng)用，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機器人從實驗室走向田間生產(chǎn)的創(chuàng)新實踐，引領(lǐng)了傳統(tǒng)農(nóng)機的智能化轉(zhuǎn)型。
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。“項目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(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)空間復雜多變，枝葉交錯、果實重疊、苗草簇生，使得機器視覺難以準確識別作物信息。“項目從作物光譜特性、物理性狀與視覺圖像智能算法匹配等方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，研究了近紅外、可見光視覺技術(shù)和深度學習方法交叉融合的農(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)作物信息精準獲取難點問題。”張春龍介紹。
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，“項目從機器人手眼協(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)，破解了農(nóng)業(yè)機器人精度與速度、效率與損傷間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點問題。”袁挺指出。
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(yīng)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)空間中的機器人精準采收，目前已在多種農(nóng)業(yè)機器人中實現(xiàn)應(yīng)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)精準噴灑，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(yīng)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)。
這些智能機器人現(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)達地區(qū)，智能農(nóng)機有著可觀的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費用，還可以進行精準作業(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)機械化規(guī)模化發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)向智能化升級已經(jīng)成為可能。”張春龍說。
同時，農(nóng)業(yè)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)也可應(yīng)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(yīng)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、精準噴灑作業(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。”張春龍說。
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(yīng)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？什么是非結(jié)構(gòu)環(huán)境？目前我國農(nóng)業(yè)機器人視覺技術(shù)達到了怎樣的水平？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)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目主要完成人，中國農(nóng)業(yè)大學副教授張春龍、袁挺在接受科技日報記者采訪時對以上問題進行了解答。
農(nóng)業(yè)機器人對視覺系統(tǒng)要求很高
什么是機器視覺？袁挺解釋，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。
袁挺介紹，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，并傳送給專用的圖像處理系統(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。”袁挺說。
“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。”張春龍說。
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。張春龍表示，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。”張春龍說。
多項技術(shù)打破國外壟斷、填補空白
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(yīng)用。張春龍介紹：“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(yīng)用”項目通過對農(nóng)業(yè)機器人機器視覺技術(shù)的深入研究，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下信息獲取、復雜光機電協(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，多項技術(shù)打破國外技術(shù)壟斷，填補國內(nèi)空白。項目擴展了人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)場景的落地應(yīng)用，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機器人從實驗室走向田間生產(chǎn)的創(chuàng)新實踐，引領(lǐng)了傳統(tǒng)農(nóng)機的智能化轉(zhuǎn)型。
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。“項目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(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)空間復雜多變，枝葉交錯、果實重疊、苗草簇生，使得機器視覺難以準確識別作物信息。“項目從作物光譜特性、物理性狀與視覺圖像智能算法匹配等方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，研究了近紅外、可見光視覺技術(shù)和深度學習方法交叉融合的農(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)作物信息精準獲取難點問題。”張春龍介紹。
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，“項目從機器人手眼協(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)，破解了農(nóng)業(yè)機器人精度與速度、效率與損傷間辯證關(guān)系的協(xié)同控制難點問題。”袁挺指出。
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(yīng)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)空間中的機器人精準采收，目前已在多種農(nóng)業(yè)機器人中實現(xiàn)應(yīng)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)精準噴灑，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(yīng)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)。
這些智能機器人現(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)達地區(qū)，智能農(nóng)機有著可觀的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費用，還可以進行精準作業(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)機械化規(guī)模化發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)向智能化升級已經(jīng)成為可能。”張春龍說。
同時，農(nóng)業(yè)機器人機器視覺關(guān)鍵技術(shù)也可應(yīng)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(yīng)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、精準噴灑作業(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。”張春龍說。
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