機器視覺在農業機械導航技術上的應用研究

周貴富

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644002）

1 前言

視覺導航技術擁有諸多突出性優點，如結構簡單、便于操作、實時性高等，所以通過機器視覺信息來改善農業生產效率、對種植的農作物進行檢測是一種非常高效化的方式，將機器視覺應用于農業機器導航方面具備較高的理論意義以及實用價值。對于傳統農業機械導航來講，主要包含信標導航、GPS 導航、慣性導航等，其中信標導航需要人工預先建設信標，對于規模較大的農田而言，不具備一般性；對于慣性導航來講，極易產生較大的誤差，精準度較低；對于GPS 導航，在應用過程中會受到外部因素的干擾，并且檢測精度相對較低，由此可見，這些導航技術均存在一定的缺陷，需要進行優化改進。其中機器視覺主要是基于成像方式，通過圖像處理對附近環境信息進行提取，然后基于多方面因素做出現場判斷、控制的一種方法，將其應用于農業機械導航方面具備諸多突出優點，如信息特征顯著、操作靈活性高等，所以越來越多的學者、專家均開始圍繞機器視覺在農業機械導航方面的應用展開研究。

2 基于機器視覺的農業機械導航的結構特點

2.1 機器視覺

機器視覺主要是圍繞基于計算機技術對生物宏觀功能進行模擬方面進行研究，換而言之，主要是指通過機器來直接替代人眼的視覺功能，并從客觀事物的圖像中對一些有用信息進行提取，然后基于實際需求進行處理、理解，并將其應用于檢測、測量、控制等方面。對于一個典型的機器視覺應用系統來講，其應當包含多個模塊，比如，光源、圖像捕捉系統、光學系統、智能判斷決策模塊等。首先，通過OCD 攝像機對目標進行拍攝，并將其轉變為一個圖像信號；其次，將其傳輸至圖像處理系統之中，并基于亮度、顏色等相關信息，將其轉變為數字化信號，同時，圖像系統將會對這些信號進行分析、運算，并抽取目標的基本特征，比如，數量、面積、長度等信息；最后，基于預設的容許度、其他條件社將判斷結果輸出，以此實現對農業機器進行導航的目的。對于機器視覺而言，其基本特點包含多方面內容，比如，自動化、非接觸、高精度等，與普通的圖像處理系統相比，機器視覺高度注重速度以及精度。

農業機械在工作的過程中，機器視覺可以利用灰度、顏色等多方面的對比分析，求出邊界點以及邊線，對于有效的圖像處理算法而言，可以實現提取邊界線的目的。當處于野外環境時，通過大視場獲取對比度相對較為清晰化的圖像，并對像素數目的閾值進行科學化設定，然后在此基礎上根據像素對視場進行科學化調整，當對圖像處理后，可以基于左右作物線明確具體的導航路線，所以機器的辨別與信息處理的效果、獲取作物線的精準度之間存在緊密關聯，可以由此得到導航線路，由此可見，當對農業機械導航系統進行優化處理后，將可以極大地提升機械作業效率。

2.2 結構特點

通過大量的調查以及分析后可以發現，附帶有視覺導航技術的農業機械設備擁有相對較為突出的自主性，當對路徑進行明確后，可以根據預先設定進行作業，該作業流程主要可以細化為兩個階段：（1）農機導航的基本狀態；（2）導航參考作業。農業機械實現自動化工作的核心便是視覺導航系統，其通常是由多個部分構成，具體為：在農業機械運動模型之中，可以對傳感器信號進行采集；導航傳感器可以獲取實時信息，以便人們及時了解各方面信息狀況；在整個系統中，導航規劃器是非常重要的一個構成內容，在提高系統運行效率方面發揮著不可替代的重要作用；通過轉向控制器對導航計劃信號等多方面問題進行科學化處理，以便農業設備根據特定路線時完成相應的操作過程。

通常情況下，機器視覺技術可以被應用在多個場合之中，其中農產品分揀機便是機器視覺技術在農業機械中應用最早、應用最廣泛的一個典型實例，其通常應用在檢測工作領域，主要是對農產品表面的一些物質、特性等，然后在此基礎上按照特定標準對其進行分類處理，該技術通常應用在農產品加工方面，可以切實提升農產品檢測效率、反饋精準度。同時，機器視覺技術還可以被應用于農業生產活動方面，其中動植物的生產過程非常細微，因此，在農業生活活動領域，只有對動植物的生長發育狀況進行拍攝記錄，才可以更好地了解動植物的生產環境、生長狀況，以便為其營建一個優良的環境，而機器視覺技術便可以實現該方面功能。另外，機器視覺技術還可以應用在糧食識別以及分類方面，其主要是通過高速濾波、神經網絡等方式來對玉米、水稻等農作物實現高效化識別以及分類，并基于水稻、玉米等谷物的應力裂紋、形態、染色之后的特征等，高效化識別水稻、小麥等，同時還可以對農副產品的質量進行精準化檢測，并且一些農產品質量缺陷、包裝損害等缺陷，也可以進行精準化識別。

3 機器視覺在農業機械導航技術上的應用

3.1 導航規劃

在農業機械中，導航技術是非常重要一項內容，在農業機械運轉方面發揮著重要作用，與農業生產水平息息相關。因此，在開展設計以及規劃工作的過程中，應當對機器視覺導航技術方面進行綜合性考量，通常情況下，要從多個方面進行把控。首先，要明確農業機械設備與其他普通設備之間存在一定的差異性，要結合農業機械設備的應用狀況做好規劃，進而確保導航信息的精準性以及高效性。在開展實際農業生產活動的過程中，還要對農業機械的導航以及運轉情況進行分析，不同農業機械的導航參考狀態存在顯著化差異，農業作業區域應當對農業機械設備方向盤的角度進行分析，確保設計人員可以基于現場狀況來規劃航線，確保導航規劃路線可以滿足農機的運行狀態。同時，還需要對農業機械作業過程中可能產生的誤差進行綜合性分析，并在此基礎上提出合理化、完善的管控措施，以此保證農業機械可以順利實現導航目標，但是，在導航規劃方面，技術人員不但要對農業機械的導航參考信息進行分析，同時還要盡可能地消除位置方面的偏差，確保農業機械保持優良的運轉狀態。

3.2 視覺信息處理

當在不同農業機械上應用視覺導航技術時，要結合實際情況進行略微調整，結合不同環境，傳遞不同的信息，以此對農業生產方面的實際內容進行科學化處理，以此確保視覺導航技術的作用得到充分化展現。農業機械在實際運行的過程中，要高度關注視覺信息的真實性以及完善性，以此確保導航系統可以正常工作，因此，在系統處理過程中，要高度注重視覺信息處理技術的應用。在農業生產活動過程中，通常是在室外環境中開展，所以視覺圖像處理過程中，要針對分散、復雜的自然對象，而這些對視覺信息處理技術的處理效果形成了一定的影響。因此，要從多個維度入手，分析多方面因素，通過自然環境適應技術實現圖像處理的目的，切實提高圖像分辨率，加快推動農業生產活動穩步開展。

3.3 轉向控制

對于轉向控制技術來講，其在指令速度方面擁有相對較高的技術要求，工作人員應當在特定范圍內對轉移速度進行精準化管控，保證農業機械可以快速地獲取信息數據，當得到相應的指令后，順利完成農業工作。同時，對于裝有視覺導航技術的智能農機，其運動區域不僅僅局限于特定區域，還應當結合具體要求進行行駛，因此技術人員應當對農機設備方向盤與地面的作用因素進行考量，確保農業設備的導航技術可以適應各種復雜路況以及環境。

3.4 位置測量

機器視覺主要是指通過計算機來對人體視物功能進行模擬，從外部世界中提取事物圖像，由此獲取參數數據，對其進行處理后再獲取深度信息，并對其進行加深理解，同時將其應用于后續關于同類客觀事物檢測以及控制方面。對于機器視覺技術來講，其可以實現信息數據的快速化提取，并且信息提取容量較大，可以實現對位置測量技術進行優化的目的，以便為農業機械導航系統的發展奠定優良基礎。

在開展具體工作的過程中，將攝像機作為位置測量前端數據的接收傳感器，對農作物的參數信息進行識別、抓取，由此明確農業機械設備在農田的位置信息，并據此明確導航基準線，同時在機器視覺技術的支持下，還可以利用農作物識別、參數界定等多種形式實現位置測量的功能。

4 基于機器視覺的農業機械導航研究方面的注意事項

現階段，基于視覺導航技術的農業機械設備在中國農業生產活動方面得到了廣泛化的應用，并且展現出了相對較為突出的應用效果。但是，隨著中國農業科技水平日益提升，農業機械設備視覺導航技術在未來研究、應用方面仍需注意相關問題，具體可以歸結為以下3 個方面。

（1）控制算法方面。對于復雜、多變的自然環境，農業機械在作業過程中難免會受到隨機擾動的影響，基于數據模型可以發現通過控制算法能夠實現對農業機械的高效化控制。同時，在已知以及可預測的環境下，有效的模糊規則可以基于實驗、仿真結果以及專家自身的經驗進行制定，但是實際環境存在多變性以及復雜性的特定，并不能對所有狀況進行預測，因此農業機械視覺導航系統在未來發展過程中應當注重控制算法方面的研究，以此強化自適應能力。

（2）圖像處理過程中的計算速度。隨著人們所采取圖像的環境變化頻率越來越高，再加上環境復雜度日益提高，圖像處理過程中所應用的時間也越來越多，當不明確未來的發展狀況時，圖像處理速度相對較慢，對農業機械的工作進展也會形成一定的影響。無論是感性的反應控制，還是基于感知到模型、再到技術制定與實施，均無法獲取精準的信息，而農業機械也由此無法獲得優良的導航效果。

（3）多傳感器的信息融合。對于機器視覺技術來講，其具備實時性以及靈活的突出優點，但是其與導航特性存在直接關聯，并且還需要其他傳感器所獲取的各種導航信息給予支持。而利用多傳感器，不但可以實現信息融合，并且還可以提高導航的精準性以及穩定性，對一些導航中的困難進行科學化處理，進而實現自動駕駛的目的。

5 結語

總而言之，在現代農業高速化發展的過程中，GPS、慣性等導航方式在農業機械導航方面得到了廣泛化的應用，但是經過實際應用后發現，這些導航方式均存在一定的不足之處。基于機器視覺的導航系統在服務業以及工業領域已經得到了廣泛的應用，所以把機器視覺技術應用于農業機械導航領域也擁有巨大的潛力。在農業場景下，基于圖像信息的機器視覺技術可以實現對農業機械導航路線的科學規劃，以此提高農業機械的作業效率，提高農業生產勞動力，正是基于該方面優勢，越來越多的學者、專家開始圍繞該方面進行研究分析，并得到了諸多豐富的研究成果，由此可見，機器視覺在農業機械導航方面的應用具備較高的價值。

同時，在農業生產蓬勃化發展的時代環境下，推動農業機械逐步趨向于智能化、高效化的方向十分重要，機器視覺在農業機械導航方面的應用也漸漸發展成為一個社會熱點。我國是一個農業大國，農業在促進國民經濟高速化發展方面發揮著不可替代的重要作用，強化關于智能農業機械方面的研究可以進一步提高農業生產效率，促進我國經濟實現高效化發展。