機器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用研究

王曉健 侯緒杰 姜少燕

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261367)

引言

機器人的視覺技術(shù)簡稱為機器視覺，起源于20世紀60年代的美國。其原理是利用計算機編寫出來的程序來使機器人擁有類似于人類的視覺，從而實現(xiàn)機器人擁有人類視覺的智能行為。但是剛開始這項技術(shù)并不應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械當(dāng)中，直到70年代末期人們發(fā)現(xiàn)將這一技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械中可以有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，降低人員的工作量，提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。后來，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，使得圖像處理技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。之后，農(nóng)業(yè)機械方面的機器視覺也有了較高的進展，使得這一技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中運用的越來越廣泛。這一技術(shù)運用在農(nóng)業(yè)機械上可以進行播種、檢測、灌溉以及收獲等各方面的操作。

1.機器視覺

機器視覺包含了數(shù)字圖像處理技術(shù)、控制工程技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、計算機技術(shù)、機械電子工程技術(shù)等一系列綜合類型的復(fù)雜技術(shù)。通過計算機技術(shù)來模擬人類眼睛功能用于機器人上，使機器人擁有和人類眼睛相似的功能，從而使人類通過機器人觀察到的事物傳回到計算機上，讓人類不用親自去現(xiàn)場即可看到現(xiàn)場圖像而操控機器人來完成工作。機器視覺的原理是傳感器接收到凸透鏡所形成的圖像，使用計算機技術(shù)對傳輸過來的信號進行處理分析，然后將信號轉(zhuǎn)換成圖片，從而能夠看到與機器人在現(xiàn)場看到相同的場景。機器視覺技術(shù)經(jīng)歷了一維、二維、三維等三種成像技術(shù)形式。其中最早的成像形式是簡單的一維視覺成像技術(shù)，一維成像只是對成像對象的形狀、大小、顏色和場景光照等簡單的信息識別和檢測。由于這一技術(shù)較為簡單，因此比較容易來實現(xiàn)，所以使用的比較廣泛。慢慢地人們發(fā)現(xiàn)一維成像存在著各種缺點，因此研究出來了二維成像技術(shù)。二維成像技術(shù)可以將機器人所看到的場景通過信號傳輸?shù)接嬎銠C上，然后利用技術(shù)將信號轉(zhuǎn)換為二維圖片，再進行圖像分析處理，呈現(xiàn)出清晰的圖像能夠更好地把握現(xiàn)場的情況。目前，二維視覺成像技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的，既比一維視覺成像技術(shù)清楚又比三維的技術(shù)要求低。在農(nóng)業(yè)機械上的使用主要是識別農(nóng)作物。三維視覺成像技術(shù)，讓人有著身臨其境的感覺，讓你看到的場景更能真實的反映出現(xiàn)場。不僅能夠反映出一維視覺成像所能反映的狀態(tài)，還能夠了解所處的環(huán)境、地理位置等信息，但是所要求的技術(shù)較高。

2.機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

圖像獲取功能和圖像處理技術(shù)兩部分構(gòu)成了機器視覺系統(tǒng)。通過機器人將被觀測到的場景轉(zhuǎn)化為計算機的信號最后再生成圖像，這就是圖像獲取功能。攝像機、光源照明以及圖像采集卡是圖像獲取功能最主要的三個部分。如何對圖像進行處理是非常重要的，由于對圖像進行后期的處理以及運算所需要的硬件要求較高。因此處理圖像所需要的信號處理卡較為重要，使用較好的信號處理卡才能得到更為清晰的圖像。通過圖像識別、理解內(nèi)容、加強圖像以及信號的傳輸是經(jīng)常使用的圖像處理方法。

3.機械視覺在應(yīng)用中存在的問題

如今傳感器和計算機技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒欤瑘D像處理能力有著顯著的提升，但是在農(nóng)業(yè)機械的機器視覺的應(yīng)用還存在著一定的問題。機器視覺通過紅外光譜反饋的信號，通過處理后得到的圖像不能夠使機器人對工作對象有著高度的識別能力，經(jīng)常會出現(xiàn)識別錯誤的情況。還有就是目前大多數(shù)機器人只能夠進行外部品質(zhì)的檢測，農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)了問題是不能夠檢測出來的，想要更好地對產(chǎn)品進行檢測還需要深入研究。當(dāng)產(chǎn)品是動態(tài)的時候檢測的效率往往較低，只有對靜態(tài)的產(chǎn)品有較高的檢測效率。在圖像處理這一方面，二維圖像技術(shù)已經(jīng)逐漸不能夠滿足廣大人民的需求，但是三維圖像技術(shù)又不夠完善，存在著許多的缺陷，且圖像處理技術(shù)也不完善，因此需要提高這一方面的技術(shù)才能夠解決這一方面的問題。

4.機器視覺現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)中機器視覺技術(shù)最早使用的是歐美國家，在20世紀80年代，歐美國家就將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械當(dāng)中，最早是用來檢測一些水果和蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)品等級，如：蘋果、梨子、西紅柿、李子等。后來傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，機器視覺逐漸應(yīng)用得更加廣泛。例如：采摘農(nóng)作物、除草除蟲、分揀果實與種子以及控制農(nóng)作物的生長等。

4.1 搬運、采摘農(nóng)業(yè)機器人

機器視覺技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機器人上，這種機器人是一種擁有自主活動功能、具體感知、重復(fù)編程的自動化設(shè)備，主要的操作對象是農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，可以讓農(nóng)民提高工作效率、減低工作強度、增強工作的安全性。根據(jù)調(diào)查可知，現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)機器人主要是用來搬運和采摘農(nóng)產(chǎn)品的。用來搬運的機器人需要較高的技術(shù)，因為這種機器人需要在復(fù)雜的環(huán)境中識別出農(nóng)產(chǎn)品，并聚集好產(chǎn)品以便于更好的運輸。同時這類機器人還需要能夠識別出正確的路線然后自己行走到目的地。用于采摘的機器人相較于前一種機器人而言較為簡單，通常是機械手臂，輔助農(nóng)民進行采摘。一些農(nóng)作物在采摘過程中較為麻煩，且對身體的傷害較大，通常會用到這一類機器人。例如對菠蘿的采摘，通常農(nóng)民在采摘過程中需要戴著手套，但有時還是會對手造成一定的傷害，且有些植株高度和人身高相差較大，因此使用這一類機器人可以大大地提高采摘的效率和保障農(nóng)民的安全。

最開始農(nóng)業(yè)機器人只有國外在應(yīng)用，在20世紀的80年代日本就研發(fā)出來了櫻桃采摘的機器人，這種機器人能夠進行采摘果實并且還可以識別出果實的數(shù)量。我國這類機器人的研發(fā)與應(yīng)用相對而言要晚得多，直到2009年才研發(fā)出來采摘黃瓜的機器人，實行了農(nóng)業(yè)機器零的突破。這一款農(nóng)業(yè)機器人對黃瓜果實的識別主要通過紅外光譜進行分析，然后使用立體技術(shù)來識別目標(biāo)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)果實的定位。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)和應(yīng)用越來越廣泛。

4.2 分揀、檢測機器人

分揀類型的機器人也用著一定的應(yīng)用，主要的作用是對不同的農(nóng)產(chǎn)品進行自動分揀和檢測。對水果和蔬菜進行分類的時候通過其形狀、大小、顏色等各方面的特征來進行分類和篩選；還可以對水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物的品質(zhì)進行檢測；其中對農(nóng)副產(chǎn)品的檢測是其最大的特色，這類機器人可以通過機器視覺技術(shù)在家禽孵化的早期對其進行生命活力的檢測，從而可以剔除掉不能夠孵化的蛋，使得孵化率提高。

4.3 噴霧機器人

傳統(tǒng)的噴灑農(nóng)藥的方式有著效率低下、噴灑不均勻、浪費率高、污染環(huán)境等較多的缺點，且比較浪費人力和物力，造成較高的經(jīng)濟損失。噴霧機器人可以通過機器視覺技術(shù)來對所需要噴灑藥物的植株進行定向、均勻地噴灑，這樣不僅可以使所需要噴灑藥物的植物得到良好的噴灑效果還可以節(jié)省經(jīng)濟成本。這種機器人的原理是利用機器視覺系統(tǒng)使噴頭直接對所需噴灑的植物進行定位，并且利用這一技術(shù)根據(jù)所要噴灑目標(biāo)所處的環(huán)境、大小等情況進行噴灑角度的調(diào)整和噴灑量的控制。例如棉花的生長，在新疆地區(qū)種植著大量的棉花，在棉花即將進入收獲期時需要噴灑特定的藥水使棉花葉子脫落，這樣就可以在棉花成熟期時獲得更多的棉花，提高棉花的品質(zhì)。傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑都是種植戶們親自去棉花地里噴灑農(nóng)藥，由于往往是開著特定的車在田里噴灑，一般情況下就會造成一定量棉花的損傷，并且藥物噴灑得不均勻也會導(dǎo)致有些棉花的葉子由于沒噴到藥水而無法脫落，這樣就會造成棉花產(chǎn)量的降低。而使用這類機器人就不會出現(xiàn)這種情況，可以讓棉花的葉子全部脫落且不會造成浪費和環(huán)境的污染，同時也可以提高棉花的產(chǎn)量。使用噴霧機器人后還可以減少員工數(shù)量，降低人員成本以及保護環(huán)境等各種好處。

4.4 加工機器人

加工機器人主要是對農(nóng)產(chǎn)品進行特定的加工，在加工的過程中運用到了機器視覺技術(shù)，運用這一技術(shù)可以對加工的產(chǎn)品進行品質(zhì)的檢測，可以通過反饋回來的信號進行加工的調(diào)整。

5.結(jié)束語

綜上所述，隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷深化，現(xiàn)如今機器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上得到的重視越來越高，研究農(nóng)業(yè)機械的方向越來越多，運用的也越來越廣泛。對于農(nóng)業(yè)大國的我國，如果能夠?qū)C器視覺更好的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械上，可以使農(nóng)業(yè)機械發(fā)展得更好。將會大幅度提高我國農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展將會產(chǎn)生深遠的影響。