園林自動噴藥機(jī)器人雜草識別與導(dǎo)航方法探究

秦富貞，曹愛霞

(青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427)

0 引言

園林中的花草樹木是園林自然景觀的基礎(chǔ)，對于園林功能的發(fā)揮至關(guān)重要。園林雜草通常與景觀植物伴隨生長，種類繁多，生長迅速，具有較強(qiáng)的生命力。這些雜草不僅有雙子葉的闊葉類雜草，也有單子葉的禾本科和莎草科雜草，滋生后與景觀植物爭奪養(yǎng)分和生長空間，在防控不力的情況下能夠很快發(fā)展為優(yōu)勢種群，甚至引起原有的自然景觀早衰和退化。例如，單株野燕麥的根系可以達(dá)到2m的長度，形成1kg干物質(zhì)所消耗營養(yǎng)和水分量是驚人的。另外，園林雜草還是很多病蟲害的中間寄主和越冬場所，并為其提供傳播條件，加重景觀植物的感染程度。因此，在園林自然景觀的日常維護(hù)中，需要投入大量的成本對雜草進(jìn)行清除和控制。

在雜草發(fā)生的早期，危害面積較小，可以采用傳統(tǒng)的人工方式拔出；后期的雜草生長旺盛，危害面積大，人工除草的效率和徹底程度無法滿足要求，則需要噴灑除草劑進(jìn)行清除。除草劑一般由人工采用簡易的噴霧裝置噴灑，勞動強(qiáng)度大，人員健康會受到農(nóng)藥的危害。在自動控制和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們研制出各種用途的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，大幅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。噴藥機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一種，最早由日本開發(fā)，安裝各種傳感器和噴藥控制裝置，可以高效、準(zhǔn)確地完成噴藥作業(yè)[1]。我國雖然起步較晚，也設(shè)計(jì)出了多種農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)器人，主要應(yīng)用在果園和作物上。鄒大軍等設(shè)計(jì)了噴藥機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，具有良好的性能，能夠滿足藍(lán)莓噴藥機(jī)器人的行走要求[2]。孫雪等在噴藥機(jī)器人上安裝伸縮噴藥桿，重新設(shè)計(jì)行走和升降裝置，實(shí)現(xiàn)了對果園的高效自動化噴藥作業(yè)[3]。曹瑋鑫等設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程遙控操作的智能噴藥機(jī)器人，試驗(yàn)證實(shí)其擁有優(yōu)良的行走性能和作業(yè)速度[4]。

在噴藥機(jī)器人的諸多性能中，精準(zhǔn)噴藥和自主導(dǎo)航是較為重要的兩項(xiàng)內(nèi)容。普通的噴藥方式比較粗放，對防治的目標(biāo)沒有選擇性，不利于節(jié)約成本，還會引起環(huán)境污染。對此，人們開發(fā)出精準(zhǔn)噴藥技術(shù)，即根據(jù)雜草的位置和密度調(diào)整藥液噴灑時(shí)機(jī)和劑量。精準(zhǔn)噴藥在保證防治效果的前提下，可以減少農(nóng)藥用量，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢[5]。對雜草的識別是精準(zhǔn)噴藥的基礎(chǔ)，目前已經(jīng)有多種識別技術(shù)與噴藥機(jī)器人結(jié)合。紀(jì)良文等設(shè)計(jì)了基于超聲波測距的輔助視覺系統(tǒng)，可以為噴藥機(jī)器人提供農(nóng)作物的位置和形狀等信息[6]。周恩浩等以單片機(jī)和光敏電阻為部件，組成簡易的視覺識別系統(tǒng)，為提高噴藥機(jī)器人的農(nóng)藥利用率提供了支持[7]。與上述的兩種技術(shù)相比，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)采集的圖像信息量大，分析內(nèi)容全面，能夠根據(jù)形狀、顏色和紋理等特征將雜草準(zhǔn)確識別出來[8]。郭亭亭等開發(fā)了具有計(jì)算機(jī)視覺分析功能的噴藥機(jī)器人，能夠正確識別作物和雜草，并根據(jù)雜草面積和分布狀況進(jìn)行精準(zhǔn)噴藥[9]。

噴藥機(jī)器人的自主導(dǎo)航有利于提高對環(huán)境的適應(yīng)能力，是機(jī)器人自動化程度的重要體現(xiàn)。傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式是在作業(yè)區(qū)域中放置傳感器或者電纜，利用其產(chǎn)生的電磁場信號引導(dǎo)機(jī)器人行走[10-11]。計(jì)算機(jī)視覺可以采集噴藥機(jī)器人前方的圖像，分析識別路徑后規(guī)劃形成行走路線，從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航[12-14]。基于計(jì)算機(jī)視覺的機(jī)器人導(dǎo)航同樣具有較高的精度，無需放置傳感器和電纜，是比較實(shí)用的導(dǎo)航方法。

本文在園林噴藥機(jī)器人上安裝計(jì)算機(jī)視覺設(shè)備，拍攝圖像后根據(jù)顏色和形狀特征識別雜草，輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥；同時(shí)，根據(jù)顏色特征識別路徑，規(guī)劃獲得行走路線，輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航；最后，通過試驗(yàn)評價(jià)上述方法的實(shí)際應(yīng)用效果，以期提高園林噴藥機(jī)器人的智能化和自動化水平。

1 總體設(shè)計(jì)

噴藥機(jī)器人為AS-R型，是一個四輪移動平臺，搭載視覺模塊、主控模塊、噴藥模塊和行走裝置等設(shè)備，具有自主供電和行走的能力。視覺模塊安裝在機(jī)器人的上方，拍攝圖像后通過圖像采集卡形成數(shù)字信號傳輸給主控模塊進(jìn)行分析處理。主控模塊是噴藥機(jī)器人的控制核心，由電池提供電源，可以接受上位機(jī)發(fā)來的無線通訊信號。視覺圖像的分析處理由主控模塊完成，并將雜草和路徑識別的結(jié)果轉(zhuǎn)化為指令發(fā)送給噴藥模塊和行走裝置。噴藥模塊根據(jù)雜草識別的結(jié)果適時(shí)開啟實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥，行走裝置根據(jù)規(guī)劃的路線進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航,如圖1所示。

圖1 自動噴藥機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

2 組成部分

視覺模塊由尼康COOLPIX P60型數(shù)碼相機(jī)和天創(chuàng)UB570型圖像采集卡組成。相機(jī)具有800萬像素，安裝在機(jī)器人的前部上方，進(jìn)行了防抖動處理。相機(jī)光軸與豎直方向呈60°角，俯視拍攝生成JPEG格式的圖像，然后經(jīng)過圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便主控模塊進(jìn)行視覺分析。主控模塊主體是三星S3C2440型處理器，主要功能是接收上位機(jī)發(fā)來的無線控制信號和視覺模塊采集的圖像并進(jìn)行分析； 同時(shí)，根據(jù)圖像分析結(jié)果生成控制指令，發(fā)送給噴藥模塊和行走裝置。該處理器為32位CMOS微控制器，主頻速率達(dá)400MHz，可滿足各種功能的要求。主控模塊中用于圖像處理的是TI公司的TMS320DM642型芯片，屬于高性能的定點(diǎn)DSP，具有良好的穩(wěn)定性和兼容性。

噴藥模塊包括藥液箱、隔膜泵、離心噴頭和噴藥控制器。隔膜泵的功能是將藥液從藥液箱輸送到噴頭，每個噴頭由單個電磁閥控制，通過接受主控模塊發(fā)來的脈沖寬度調(diào)制開啟。機(jī)器人前方的左右兩邊各有1套噴藥裝置，每套裝置包含4個噴頭。噴藥控制器可以控制各個噴頭開啟的時(shí)機(jī)和時(shí)間長度，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)區(qū)域的精準(zhǔn)噴藥。噴藥機(jī)器人采用四輪行走的方式，行車控制器用于接收主控模塊發(fā)來的規(guī)劃路線，行駛方向由角度傳感器提供，液壓閥控制車輪的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

3 計(jì)算機(jī)視覺分析

噴藥機(jī)器人在行走的過程中拍攝園林圖像，相機(jī)與拍攝目標(biāo)之間存在相對運(yùn)動，因此圖像含有不同程度的噪音。圖像噪音會降低圖像的清晰度，影響對雜草和路徑的識別。本文采用3×3的中值濾波法對圖像進(jìn)行預(yù)處理，以便去除噪音。預(yù)處理后得到的原始圖像包含景觀植物、雜草和道路，景觀植物和雜草為綠色，道路為灰白色。景觀植物的種類有棕櫚和海桐，雜草的種類為狗尾草和馬唐(如圖2所示)。

圖2 園林的原始圖像

針對相機(jī)俯視角造成的不同距離上相同大小物體對應(yīng)像素點(diǎn)數(shù)不同的問題，本文參考紀(jì)壽文等的方法矯正圖像的畸變[15]。

合適的顏色空間對于彩色圖像的分割效果至關(guān)重要，這里根據(jù)園林圖像受光照強(qiáng)度影響較明顯的特點(diǎn)，選用HSI模型顏色空間的亮度I分量來對圖像進(jìn)行灰度化處理?；叶然蟮膱D像黑白效果更加明顯，顏色差異得到了增加，有助于目標(biāo)區(qū)域的輪廓提取，如圖3所示。

圖3 園林的灰度化圖像

雜草與景觀植物的顏色接近，但是在葉片形態(tài)上存在差異，因此選用長寬比和圓度兩個特征進(jìn)行雜草識別。長寬比是最小外接矩形的長度與寬度的比例，圓度是面積與周長平方的比值，它們在圖像旋轉(zhuǎn)、平移和縮放處理過程中穩(wěn)定性較好。道路為灰白色，與背景的差異明顯，因此根據(jù)顏色特征提取。根據(jù)圖片的特征，選擇閾值分割方法來識別雜草和道路。目標(biāo)的形狀和顏色特征受光照強(qiáng)度影響不大，將I分量的效果圖與灰度圖分別進(jìn)行最大類間方差分析，再進(jìn)行圖像二值化，得到分割形狀特征和顏色特征的閾值。雜草和道路的識別結(jié)果如圖4所示。其中，灰色部分為景觀植物，黑色部分為雜草，白色部分為道路。

獲得雜草的分布情況后，計(jì)算各個區(qū)域的雜草覆蓋率，據(jù)此噴灑相應(yīng)的藥液劑量，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。采用Canny算子檢測道路的邊緣，然后提取相同水平線上的兩個邊緣像素點(diǎn)的中心位置，整理得到一條連續(xù)的曲線，即噴藥機(jī)器人的行駛路線，如圖5所示。

圖4 雜草和道路的識別

圖5 噴藥機(jī)器人的行駛路線

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在園林中選擇5條20m長的路段，利用噴藥機(jī)器人進(jìn)行噴藥作業(yè)。每個路段上隨機(jī)選取10個點(diǎn)作為樣本，統(tǒng)計(jì)機(jī)器人對雜草的識別率、誤識率和路線偏離距離，評價(jià)雜草識別和導(dǎo)航方法的應(yīng)用效果。雜草的識別率為被識別的雜草占所有雜草的比例，誤識率為被識別為雜草的景觀植物占被識別植物的比例，路線偏離距離為噴藥機(jī)器人前輪中心與規(guī)劃路線之間的距離。

噴藥機(jī)器人對園林雜草的識別率為84.6%～90.5%，誤識率為6.9%～9.5%，具有較高的雜草識別精度；路線偏離距離為4.4～7.3cm，與規(guī)劃的路線基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航。機(jī)器人處理單幅圖像的過程耗時(shí)0.1s，可以滿足實(shí)際作業(yè)的需求。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 雜草識別和導(dǎo)航方法的應(yīng)用效果

5 結(jié)論

將計(jì)算機(jī)視覺設(shè)備安裝到園林噴藥機(jī)器人上，拍攝圖像后根據(jù)顏色和形狀特征識別雜草，根據(jù)顏色特征識別路徑，規(guī)劃獲得行走路線。試驗(yàn)結(jié)果表明：噴藥機(jī)器人對園林雜草的識別率為84.6%～90.5%，誤識率為6.9%～9.5%，具有較高的雜草識別精度；實(shí)際行走路線與規(guī)劃的路線基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航；機(jī)器人處理單幅圖像僅耗時(shí)0.1s，可以滿足實(shí)際作業(yè)的需求，智能化和自動化水平得到了提高。