張 勇,劉至洋,于明靜

(長(zhǎng)春光華學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130033)

0 引言

為了提高農(nóng)藥投放的有效性,降低潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),消除健康隱患,精量施藥技術(shù)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要技術(shù)之一。機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用已成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的重要組成部分,如采摘機(jī)器人、種植機(jī)器人、施藥機(jī)器人等。進(jìn)入21世紀(jì)以后,農(nóng)業(yè)機(jī)器人在美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。日本國(guó)家農(nóng)業(yè)和食品研究院設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人,可以根據(jù)攝像頭采集的圖像信息,精確捕捉草莓的位置,分析草莓成熟度進(jìn)行精準(zhǔn)采摘,并對(duì)存在病害的草莓進(jìn)行精準(zhǔn)施藥[1-2]。美國(guó)明尼蘇達(dá)州農(nóng)機(jī)公司設(shè)計(jì)了一款精準(zhǔn)施肥機(jī)器人,可以設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),對(duì)農(nóng)作物的土壤進(jìn)行適量施肥,減少施肥總量,提高施肥利用效率[3]。中國(guó)在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速,不僅研發(fā)設(shè)計(jì)了多種類型的機(jī)器人,還在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

類蜘蛛六足仿生機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不斷采集壟間的路徑和果蔬莖葉圖像信息,通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)器,服務(wù)器會(huì)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像特征提取、關(guān)聯(lián)度分析等系列處理,對(duì)接農(nóng)業(yè)專家知識(shí)庫(kù)系統(tǒng),根據(jù)主次影響因子和支持矢量機(jī)構(gòu)建果蔬精量施藥模型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

壟間施藥機(jī)器人正常行走時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航以及與精量施藥系統(tǒng)的集成,利用CCD獲取果蔬莖葉的圖像,并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器端的識(shí)別系統(tǒng),對(duì)圖像進(jìn)行背景分割、果蔬壟溝中心線提取與偏差計(jì)算,將偏差信息發(fā)給精準(zhǔn)施藥控制器,由精準(zhǔn)施藥控制器對(duì)噴藥噴頭發(fā)出相應(yīng)的控制命令,實(shí)現(xiàn)噴藥噴頭的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)施藥控制。重點(diǎn)研究果蔬莖葉的形狀、顏色、紋理及莖葉的比例等特征與變量施藥的主要特征與次要特征以及某幾個(gè)主要特征與特定農(nóng)藥的灰色關(guān)聯(lián)度,找到灰色關(guān)聯(lián)度較大的主特征,利用支持矢量機(jī)技術(shù)建立施藥用量與果蔬莖葉的主特征之間的定量分析模型。為克服作物行識(shí)別算法的單一性和適應(yīng)性不強(qiáng)的缺點(diǎn),首先,利用改進(jìn)過的綠特征法和改進(jìn)的中值濾波算法分割出作物行,減少處理時(shí)間和去除噪聲;其次,在行提取時(shí)只保留包含作物行信息的中間作物行,通過隨機(jī)hough變換檢測(cè)出作物行中心線,并根據(jù)世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和相對(duì)距離得到偏差信息[4]。

2 類蜘蛛仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

果蔬精量施藥系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要是指類蜘蛛仿生六足機(jī)器人系統(tǒng),該系統(tǒng)采用全志4核64位Cortex A53微處理器,其他部分包括圖像采集系統(tǒng)、超聲波傳感器、三軸加速度傳感器、GPS定位系統(tǒng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)線通信系統(tǒng)6個(gè)內(nèi)容。主控制器通過圖像采集系統(tǒng)獲取果蔬莖葉、田間行、周邊環(huán)境等信息,通過5G無(wú)線通信系統(tǒng)傳遞給遠(yuǎn)程控制端,并根據(jù)反饋信息執(zhí)行后續(xù)命令。超聲波傳感器采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的底盤距離地面障礙物的距離信息,防止運(yùn)動(dòng)過程中來自地面的阻滯及刮碰。GPS定位系統(tǒng)主要用于確定當(dāng)前機(jī)器人在田間行進(jìn)的位置信息,為遠(yuǎn)程服務(wù)器端提供行進(jìn)軌跡數(shù)據(jù)。類蜘蛛仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 類蜘蛛仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)

舵機(jī)控制系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制的直接部件,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)功能,包括前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、俯身爬行等工作,操控者也可以通過遠(yuǎn)程服務(wù)器端、手機(jī)控制界面等實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作控制,也可以根據(jù)預(yù)設(shè)方案及反饋信息輔助命令實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化控制。供電部分采用18650鋰電池組,為主控系統(tǒng)、各類外搭電路及模塊供電。上位機(jī)控制系統(tǒng)包括服務(wù)器圖像分析處理和控制界面兩部分,管理者可通過上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),并對(duì)機(jī)器人行動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,也可以通過手機(jī)端界面訪問上位機(jī)服務(wù)器,間接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集。

2.1 病害識(shí)別與處理

為了識(shí)別果蔬病害的準(zhǔn)確情況,需要建立植物病害的分類模型,并以西紅柿病害為例對(duì)比正常圖像信息,利用深度學(xué)習(xí)特征模型,采取多種不同算法組合優(yōu)化的建模方法,并以西紅柿葉片病害圖像處理為例,對(duì)西紅柿莖葉圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、圖像分割、特征提取、判別分析等處理,實(shí)現(xiàn)西紅柿病害的識(shí)別功能[5]。設(shè)計(jì)中采用SVM分類建模方法,以RBF函數(shù)為分類函數(shù),在PCA-SVM分類模型中以100個(gè)早疫病樣本為樣本,對(duì)特征矢量進(jìn)行訓(xùn)練。構(gòu)建100個(gè)測(cè)試樣本,根據(jù)PCA-SVM 分類模型仿真圖情況可知,僅有1個(gè)樣本被錯(cuò)分,識(shí)別率可達(dá)97.6%。

2.2 實(shí)施與調(diào)試

該系統(tǒng)在吉林省內(nèi)果蔬種植基地進(jìn)行調(diào)研,整合餐桌常見果蔬的常用農(nóng)藥類別、用量及施藥特性。針對(duì)田間果蔬的施藥現(xiàn)狀,聯(lián)合項(xiàng)目組的植保專家,構(gòu)建常見餐桌果蔬的專家知識(shí)庫(kù)。在省內(nèi)選定1~2個(gè)果蔬種植基地,搭建硬件平臺(tái),架設(shè)CCD照相機(jī)采集果蔬莖葉部表面的圖像信息,建立果蔬生長(zhǎng)過程中不同狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)庫(kù),并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)果蔬莖葉圖像進(jìn)行特征提取、建模與分析。利用灰度關(guān)聯(lián)分析技術(shù)與支持矢量機(jī)技術(shù)構(gòu)建施藥定量分析模型,針對(duì)實(shí)時(shí)采集的果蔬生長(zhǎng)狀態(tài)圖像信息,在施藥量、施藥時(shí)間、施藥濃度等方面實(shí)現(xiàn)變量施藥預(yù)測(cè)。購(gòu)置相關(guān)硬件,包括CCD相機(jī)、精量施藥機(jī)器人組件、噴藥控制系統(tǒng)等,制作出樣機(jī)一套,并通過優(yōu)化隨機(jī)變換算法檢測(cè)作物行中心線,解決壟間施藥機(jī)器人作業(yè)正常行走時(shí)的自動(dòng)導(dǎo)航問題。搭建遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái),將硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)集成。在果蔬種植基地進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,測(cè)試相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)是否滿足項(xiàng)目需要,若不能滿足需要,則反復(fù)優(yōu)化算法,調(diào)整各項(xiàng)參數(shù),直至滿足系統(tǒng)需要。后臺(tái)服務(wù)主要職能包括:

(1)Web前端用于使用、配置、展示西紅柿病蟲害預(yù)警系統(tǒng);

(2)Http服務(wù)層用于架設(shè)Web前端、App、PLC中間層使用的界面服務(wù),并為Web前端提供網(wǎng)頁(yè)服務(wù);

(3)圖像預(yù)處理層用于處理經(jīng)由拍攝與PLC中間層通過網(wǎng)絡(luò)上傳的西紅柿圖像信息,隨后將處理后的圖像送入卷積層進(jìn)行病蟲害信息的識(shí)別與分類;

(4)卷積網(wǎng)絡(luò)層用于基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器自學(xué)習(xí)的主體結(jié)構(gòu)分析,是實(shí)現(xiàn)圖像分類功能及核心算法的關(guān)鍵;

(5)業(yè)務(wù)層鏈接所有服務(wù)的耦合層,主要用于接收通過卷積層分類出來的病蟲害信息,并根據(jù)結(jié)果決定是否將病蟲害的預(yù)警信息通過Http服務(wù)層進(jìn)行發(fā)送。

3 結(jié)語(yǔ)

該文的研究成果用于構(gòu)建基于機(jī)器視覺的定時(shí)、定量、定點(diǎn)的果蔬精量施藥系統(tǒng),預(yù)計(jì)能使每畝的農(nóng)藥使用量減少約30%,并使果蔬的噴藥時(shí)間縮短20%以上,減少工人數(shù)可達(dá)50%,做到省藥、省工、少污染、高藥效、高收益,從而為老百姓餐桌果蔬的優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保、低成本、綠色、精細(xì)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí),項(xiàng)目研究形成的技術(shù)成果與方法創(chuàng)新同樣可以應(yīng)用于其他農(nóng)作物的施藥、施肥、灌溉等研究與實(shí)踐領(lǐng)域,能夠?yàn)楝F(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的核心理論與技術(shù)發(fā)展提供一定的參考,具有廣泛的市場(chǎng)轉(zhuǎn)化前景和應(yīng)用價(jià)值。