|
温室甜椒采摘机器人 温室内蔬菜采摘，尤其是茄果类蔬菜采摘是世界难题，人力成本的不断上升，种植者不断呼吁降低劳动强度，机器代替人们进行工作终将成为大趋势。随着人工智能技术的发展，温室果蔬采摘机器人研究成为当今热点。2018年7月，在荷兰举办了一场甜椒采摘机器人的现场观摩会，再一次把温室园艺领域的目光转向荷兰。甜椒采摘机器人需要克服什么样的困难呢？如图1所示，有2个成熟的甜椒，但他被包围在茎叶之间，如何精确识别，并进行定位，在不伤害茎叶的情况下成功采摘，难度很大。温室内非结构化环境（图2）、果实精准识别和经济可行性均对该技术研发构成挑战。 研发团队1996~2018年经过大约20多年的研究，形成了3个阶段的研发成果。 第一阶段Cupid黄瓜采摘机器人 1996~2002年，瓦赫宁根大学及研究中心的采摘机器人研发团队在荷兰农业部的资助下，一开始并没有把研究放在甜椒上，首先开展的是黄瓜采摘机器人研发。荷兰采用高吊线栽培技术为黄瓜的采摘提供了可能，黄瓜在采摘之前，黄瓜叶已经被去掉（图3），看似比较容易采摘。 研发团队利用果实和叶片不同的反射特性对黄瓜进行识别，如图4所示，识别系统波长为970nm时，黄瓜和叶片具有相同的反射特性，而波长为850nm时，差异显著。正是利用该区别，可以成功的将黄瓜在温室内将果实和叶片分开。 在荷兰，地面加热管道发挥了重要作用，不仅可以用于温室加温，更多的承担了温室作业设备的移动用轨道。黄瓜采摘机器人固定在自行走轨道车上，沿着加热管道行走。采摘机器人安装2套图像采集系统。一套安装在轨道车上，用于搜索果实，判断成熟度、品质以及行走路径规划；另一套高清系统安装在机器人末端执行期的顶部，用于判断如何夹持果实。利用轨道上的相机和上部相机取得的图像，可以形成立体图像，3D定位系统准确判断黄瓜各部分的位置。定位识别率可达到95%。采用电子手术切割技术，采摘成功率74%，采摘时间124s。图6~8分别为实验室原型机、温室原型机及作业。 第二阶段Crops甜椒采摘机器人 2010年10月~2014年9月，采摘机器人研发团队得到1002万欧元（7734万元人民币）的经费支持，其中，欧盟提供760万欧元（5866万元人民币），来自10个国家的14家团队参与研发，见表1。 此次启动的项目任务设置较为复杂，不仅考虑了甜椒，还考虑了葡萄、苹果等采摘任务，所以，研发团队比较庞大。研发团队首先确定了系统要求，并为此开发和测试了相关模块，然后在瓦赫宁根大学及研究中心进行组装。其中，慕尼黑技术大学(德国)应用力学研究所开发了机器人臂。荷兰JentjensMachinetechniek开发了机器人电动作业平台，可以在温室内运输采摘机器人。德国Festo公司开发了一种特殊的抓手，能够抓持甜椒。乌梅亚大学(瑞典)计算机科学系组装了第一个控制软件。最后，集成果实识别和避障功能后，在温室的实际环境中对系统进行了现场测试。2012年4月，研发团队首次在甜椒作物中测试了第一个原型机。值得一提的是，与黄瓜不同，在波长大于900nm的时候，甜椒可以从环境中较为准确的识别出来。而拉绳吊线、滴灌等设施设备需要在447nm的波长下识别出。 甜椒采摘机器人分别开发了2种末端执行器，一种是唇吸式（图9），一种是夹持式（图10）。温室内测试了照明变化、遮挡物以及密集间隔的障碍物对作业的影响。如前所示，甜椒处于非常复杂的环境中，不仅温室的光环境不断发生变化，连阴影也在不断发生变化。试验采用了2种不同方式，一种是不对作业条件进行预处理，如图12a，采摘成功率夹持式和唇吸式分别只有6%、2%。在对作业条件进行简化处理后，如图12b，采摘成功率分别提高到26%(夹持式)和33%(唇吸式)。定位识别率达到56%~86%，采摘效率94s。
第三阶段Sweeper甜椒采摘机器人 2015年2月~2018年1月，研发团队投入460万欧元（3550万元人民币）开发Sweeper甜椒采摘机器人，其中欧盟提供400万欧元（3087万元人民币）研发经费。研发团队在Crops的基础上进行了重新组合，由瓦赫宁根大学及研究中心等6个团队共同开发完成。见表2。相比Crops甜椒采摘机器人的研发团队，团队精简了软硬件研发单位，增加了品种筛选、作物管理以及温室管理团队，对于完成研发工作发挥了重要作用。
Sweeper甜椒采摘机器人是在Crops甜椒采摘机器人的基础上完成的。将RGB摄像机安装在末端执行器上对甜椒进行识别，由于植株密集，相机距离植物最多不能大于40cm。由于距离较近，每次采摘只能识别少量成熟的甜椒，机器人必须增加搜索模式才能找到甜椒。当在图像中检测到至少一个甜椒时，将中止搜索并启动采摘模式。将机械采摘手引导到靠近果实，随后激活视觉伺服控制循环，采摘后自动放置到采摘框中。然后再进行检测搜索，当检测到更多的甜椒时，系统将继续完成采摘作业，当所有检测到的甜椒都被采摘后，系统将恢复搜索，直至采摘完毕。 由于加入了品种和栽培管理团队，在项目的设计上充分考虑了栽培品种、栽培模式对采摘带来的影响。在栽培管理上，需要去除果实边的叶子，种植密度平均控制在7.2棵/m2，行距1.33m。此外，还要及早去除小果，增长甜椒柄（图17）。同时借助LED补光，采用5μmol/(m2·s)的远红外光进行补光改变植株形态。在研发团队的紧密配合下，对比测试结果表明，对于图14所示的栽培模式，处理后的温室作业条件和未处理相比，采摘成功率分别是62%和31%。图15所示的栽培模式，两者相比采摘成功率分别是49%和20%。
第三阶段的研究结果表明，对于甜椒采摘机器人的未来研究，一方面要不断提高机器人的识别、采摘能力，另一方面还要加大甜椒品种和栽培模式上的研究，为了方便识别和采摘，叶片减少，颜色识别度高，为了便于采摘，还需要较长的柄（图17）。还要简化栽培方式，为机器人作业提供“简单”的作业环境（图16）。正如瓦赫宁根大学及研究中心JosBalendonck教授2018年7月所说，Sweeper甜椒采摘机器人研发的目的就是为市场提供可以使用的机器人，但是，截至7月研发团队仍然没有取得成功，乐观估计，真正商业化运作还需3年时间。
正如荷兰瓦赫宁根大学的官方宣传片一样，荷兰引领温室园艺产业的核心在于不断的创新。以荷兰为组织的采摘机器人研发团队经过20多年的努力在不断进步的技术推动下取得了阶段性成果，虽然距离真正的商业化应用还有一段距离。但其研发方式值得我们学习和借鉴。一是令人称道的协同创新精神。一个项目多国参与，组织难度大。正是这些跨国研究团队相互合作、攻克难关，发挥各自团队的优势，持之以恒的为了一个目标共同努力；二是令人称道的科学家精神。研发风险一直存在，每次研发不一定都有巨大的进步。研发团队进行了温室现场测试，测试结果虽然不完美，但真实的反映了测试条件和测试结果，大方的承认测试成功率的提高来自于对测试条件的不断处理；三是令人称道的农机与农艺的融合。人们一直在强调农机与农艺的融合，但实践上又各自为政。采摘机器人的研发从改变种子、改变栽培模式、改变温室环境、改变温室作业管理方式开始，农艺尽力去满足农机的作业需求。农机也在不断尝试克服农艺固有的限制，提高技术解决复杂问题的能力，同时给农艺提出更高的要求。这种农机与农艺的相互支持，推动着采摘机器人的不断进步。 作者：丁小明（农业农村部规划设计研究院设施农业研究所） |
|
|
