中国突破机器视觉关键技术 帮助农业机器人“占领”果园和农田

近日，我国智能科学技术的重要奖项“吴文俊人工智能科技奖”被授予。其中“非结构化环境下农业机器人机器视觉关键技术及应用”项目获得2020年吴文俊人工智能技术发明奖。

什么是机器视觉？什么是非结构化环境？目前我国农业机器人的视觉技术达到了什么水平？有哪些应用领域？5月14日，完成“非结构化环境下农业机器人机器视觉关键技术及应用”项目的中国农业大学副教授张春龙、袁婷在接受采访时回答了上述问题。

农业机器人对视觉系统要求很高

什么是机器视觉？袁婷解释说，机器视觉是正在迅速发展的人工智能的一个重要分支。简单来说，机器视觉用传感器代替人眼进行检测和判断。

“机器视觉作为智能农业机器人的外部传感器，是机器人操作设备的眼睛和最大的信息源。它具有感知信息丰富、采集信息完整的优点。”张春龙说。

袁婷介绍说，机器视觉是通过视觉产品(即图像采集设备)将拍摄的物体转换成图像信号，并将其传输到专门的图像处理系统。系统获取物体的形状信息，然后将像素分布、亮度、颜色等信息转换成数字信号。然后，图像处理系统对这些信号进行各种操作以提取目标特征，然后根据识别结果控制现场设备的动作。

“机器视觉最基本的特点是可以提高生产的灵活性和智能性。在一些不适合人工操作或人工视觉无法满足要求的危险工作环境中，机器视觉经常被用来代替人工视觉。同时，在大规模重复工业生产过程中，机器视觉技术可以大大提高生产效率和自动化程度。”袁婷说。

“对于农业机器人来说，非结构化环境主要是指农田的自然环境。农业机器人操作的非结构化环境中存在许多不确定因素，如多变的自然光照、复杂多变的待操作空间、各种待操作物体、枝叶相互遮挡等，成为机器人操作中信息视觉感知的技术难题。”张春龙说。

由于农业机器人的操作目标是离散的个体，其个体特征具有随机性和多样性，这种非标准化的目标信息增加了农业机器人机器视觉系统感知和判断的难度。张春龙说，只有机器视觉系统对工作对象有准确的识别，对目标位置有准确的感知，才能减少对工作对象的伤害，提高手术的成功率和效率。

“目前，基于机器视觉的作业信息感知技术已经成为农业机器人智能的关键技术和研究热点。”张春龙说。

多项技术打破国外垄断、填补空白

该领域的非结构化环境给农业机器人的研究和发展带来了挑战，制约了农业机器人技术的推广和应用。张春龙介绍：“非结构化环境下农业机器人机器视觉关键技术及应用”项目通过对农业机器人机器视觉技术的深入研究，在非结构化环境下“激光视觉”的信息采集、复杂光机电协同控制和多信息感知等方面取得了技术突破，多项技术打破了国外技术垄断，填补了国内空白。该项目拓展了人工智能技术在农业场景中的应用，实现了农业机器人从实验室到田间生产的创新实践，引领了传统农业机械的智能化改造。

农田环境中的自然光照、阴影、风速等因素复杂多变，使得机器视觉难以动态稳定地获取作物信息。“该项目在自然光补偿和抑制机制、机器学习和立体视觉算法匹配等方面进行了技术创新。提出了农业非结构化环境中自然光补偿和抑制机制的机器视觉处理技术。通过分析视觉信息对自然光变化的敏感性，构建了光波动控制模型，突破了自然光变化对作物信息动态稳定获取的技术限制，打破了传统机器视觉对自然光缺乏适应性的技术瓶颈。”袁婷说。

此外，农田环境中作物信息的重叠模糊，工作空间复杂多变，枝叶交错，果实重叠，苗草丛生，使得机器视觉难以准确识别作物信息。“该项目在作物光谱特征、物理性质和视觉图像智能算法匹配等方面进行了技术创新，研究了突破自然环境的近红外、可见光视觉技术和深度学习方法交叉融合的农业非结构化环境下作物信息智能获取技术。准确获取作物信息的难题。”张春龙介绍道。

针对农业机器人在野外非结构化环境下工作的问题，如起伏地形、纵横沟渠、视觉系统与执行器之间的协同控制等，“本项目在机器人手眼协同控制方面进行了技术创新，研究了非结构化环境下农业机器人末端执行器的视觉伺服控制技术，解决了农业机器人精度与速度、效率与损伤之间的协同控制难题。”袁婷指出。

新技术可用于多项农业领域

“农业机器人机器视觉在非结构化环境中的关键技术及应用”项目集成了用于非结构化环境中自然光照补偿的双目视觉处理器、机器人柔性操作端视觉伺服控制等技术，实现了机器人在狭小工作空间内对农业植物的精确收割，已应用于各种农业机器人中。

例如，黄瓜采摘机器人有一双“大眼睛”和一只灵活的机械臂。它不仅可以独立完成黄瓜的采摘操作，还可以自己识别黄瓜的成熟度，只采摘那些大而饱满的黄瓜；智能施药机器人可以利用自身的“眼睛”获取田间的病虫害信息，及时在关键部位或区域喷洒农药，实现精准喷洒，减少化学农药的使用，更好地满足农业绿色生产的要求；农田除草机器人基于非结构化环境中机器人工作目标的视觉感知和机器人末端执行器的自适应伺服控制技术，实现了除草机器人的自动对准和作物间除草。

这些智能机器人已在北京、新疆、江苏等农业示范区推广应用。

“经过调查，我们发现在规模农业发达的地区，智能农业机械有相当大的潜在需求，不但可以降低高昂的人工费用，还可以进行精准作业，减少农药、化肥等施用量，为农业可持续发展提供技术支撑。随着我国农业机械化规模化发展，中国农业向智能化升级已经成为可能。”张春龙说。

同时，农业机器人机器视觉关键技术也可应用于农业植保无人机，它集成了作业目标双目视觉信息智能感知方法、自主仿地飞行自适应控制方法、实时地块边界识别与避障飞行控制方法等技术，实现了植保无人机仿地飞行、高速避障、精准喷洒作业。

“未来，项目团队将继续推进人工智能+机器视觉技术研究，借助人工智能技术促进农业机器人产业化发展，为现代农业无人化生产提质、增效、赋能。”张春龙说。