2021-09-10 08:57:39
“吳文俊人工智能科學技術獎”是我國人工智能領域“皇冠上的明珠”，其中的一顆就被中國農業大學團隊負責的“非結構環境下農業機器人機器視覺關鍵技術與應用”項目摘取——2020年度的吳文俊人工智能技術發明獎。記者在驚嘆我國農業科技日新月異的同時，也激起了心中的好奇：什么是“非結構環境”？機器視覺和人的視覺有何不同？該技術有哪些突破？近日，項目主要完成人、中國農業大學博士生導師張春龍副教授向記者一一拆解了這一農業領域的“黑科技”。
“對于農業機器人來說，非結構環境主要指農田自然環境。”張春龍開門見山。農田自然環境中光照條件復雜多變、作業空間不可預知、作業目標隨機分布、作業對象形態多樣、枝葉果實交錯遮擋、苗草簇生、地形起伏，壟溝縱橫……因此給農業機器人技術研發與應用帶來了很大挑戰。
“人的視覺是一個非常復雜的生物系統，可以直接和周圍環境進行信息交互，對環境具有較強的感知適應性。”張春龍說，而機器視覺一般指一個特定的信息感知系統，往往只針對單一特殊任務進行某種有效描述，而且其感知環境通常是可以被改造和控制的，因此很難建立一個“通用”的機器視覺系統。機器視覺的“用武之地”在哪兒呢？“它的任務主要是模擬人的視覺功能，來感知環境并有效解決人眼難以解決的問題。”張春龍告訴記者，特別是在高風險特種作業環境下，或執行高精度、高效率、高強度作業任務等人眼難以滿足要求的場景，來輔助或代替人的視覺。
機器視覺是人工智能領域的重要技術組成，通過利用電子設備和光學感知技術獲取環境和目標圖像信息，利用處理器分析和解釋圖像，進而根據圖像處理結果來控制機器動作。當前，以機器視覺為主的作業信息感知已成為農業機器人智能化的研究熱點。談及其“熱度”高的原因，張春龍表示，機器視覺作為農業機器人最大的信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整、識別信息直接等特點。但機器視覺信息感知的準確性和可靠性易受自然光照、風力、陰影、遮擋等非結構化環境因素，和作業對象隨機性、多樣性等個體特征的影響，從而影響農業機器人智能化作業效率和成功率，制約著農業機器人技術的推廣與應用。
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穩定獲取的技術局限，增強了機器視覺對農田自然光照的適應能力。項目研究了集光譜檢測、可見光視覺技術和深度學習方法交叉融合的農業非結構環境作物信息獲取技術，對農業機器人末端執行機構視覺伺服控制進行了技術創新，提高了自然環境下農作物信息獲取的精準度，破解了農業機器人精度與速度、效率與損傷之間辯證關系的協同控制難點問題。
記者了解到，該項目的技術成果目前已經在果蔬采摘機器人、精準噴藥機器人、大田鋤草機器人、植保無人機等農業智能裝備領域進行了應用。比如，果蔬采摘機器人有“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“下手”。精準噴藥機器人，則能利用自己的“眼睛”識別田間病蟲草害，及時對重點區域精準噴灑農藥，降低化學農藥使用量，更加符合農業綠色生產的要求。
張春龍表示，相關機器人產品已經推廣到北京、江蘇、新疆、河南等地，覆蓋大田、溫室、果園等農業作業場景，可節省勞動力50％以上。
“未來，項目技術將應用到設施農業果蔬采摘、巡檢、運輸等系列機器人產品和大田田間管理到產后各生產環節作業機器人中。”張春龍告訴記者，在規模農業生產中，農業機器人不但可以解決農時集中用工緊張問題，還可以為精耕細作、綠色高效的農業可持續發展模式提供技術支撐，有很好的用武之地和巨大的市場需求。“隨著我國農業機械化、規模化發展，農業生產向智能化升級已經成為可能。”張春龍對未來農業機器人的規模應用充滿信心。
農民日報·中國農網記者 顏旭
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