基于視覺的采摘機(jī)器人采摘定位與導(dǎo)航方法

蒙賀偉　周馨曌　吳烽云　鄒天龍

摘要：自主導(dǎo)航與采摘定位作為采摘機(jī)器人的關(guān)鍵任務(wù)，可有效減輕人工勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)精度與作業(yè)效率。該文闡述和分析基于視覺的采摘機(jī)器人采摘定位與自主導(dǎo)航方法，主要涉及視覺導(dǎo)航的可行駛區(qū)域檢測、果實目標(biāo)識別及采摘點定位，并根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對機(jī)器視覺的最新發(fā)展和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；機(jī)器視覺；自主導(dǎo)航；可行駛區(qū)域檢測；果實目標(biāo)識別；采摘點定位

中圖分類號：TP391.4 ??????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ???????????文章編號：1674-2605（2023）05-0001-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.05.001

Picking?Location and Navigation Methods?for?Vision-based

Picking Robots

MENG?Hewei¹ZHOU?Xinzhao^1，2WU Fengyun^3，4Zou Tianlong²

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi 832000， China

2.Foshan-Zhongke Innovation Research Institute of Intelligent Agriculture， Foshan 528010， China

3.Guangzhou College of Commerce， Guangzhou 511363， China

4.College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract：?Autonomous navigation and picking positioning， as key tasks of picking robots， can effectively reduce manual labor intensity， improve work accuracy and efficiency. This article elaborates and analyzes the methods of vision-based picking positioning and autonomous navigation for picking robots， mainly involving the detection of movable areas， fruit target recognition， and picking point positioning in visual navigation. Based on the current research status at home and abroad， it looks forward to the latest development and future development trends of machine vision.

Keywords：picking robots; machine vision; autonomous navigation; travelable area detection; fruit target recognition; picking point positioning

0 引言

在世界各地，水果在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有越來越重要的地位。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自1991年至2021年以來，葡萄、蘋果、柑橘等水果的生產(chǎn)總值呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢^[1]。水果收獲具有工作周期短、勞動密集、耗時等特點。隨著人口老齡化和

農(nóng)村勞動力的短缺，人工成本逐年增加，勞動力需求與人工成本之間的矛盾日益突出，制約了中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，面向蘋果^[2-3]、番茄^[4-5]、荔枝^[6-8]、火龍果^[9]、茶葉^[10-11]、甜椒^[12-13]等多種作物的采摘機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)^[14-15]得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。采摘機(jī)器人的應(yīng)用對提高生產(chǎn)力、作業(yè)效率以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義。荔枝采摘機(jī)器人如圖1所示。

相較于工業(yè)機(jī)器人，采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜，干擾因素多、障礙物多、不規(guī)則程度高，且由于果樹葉片遮擋等影響，降低了全球定位系統(tǒng)（global positioning system，?GPS）的定位精度。機(jī)器視覺具有成本低、操作簡單、信息豐富等特點，更適用于GPS信號被遮擋的山間、農(nóng)田等復(fù)雜環(huán)境。機(jī)器視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及可行駛區(qū)域檢測，其研究方法通常分為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分割方法和基于圖像特征的分割方法。

采摘機(jī)器人除了實現(xiàn)果園環(huán)境下的自主行走外，還需要在復(fù)雜的環(huán)境下實現(xiàn)果實自動采摘。如何實現(xiàn)低損、智能、擬人化的采摘作業(yè)是采摘機(jī)器人的應(yīng)用重點。目前相關(guān)學(xué)者的研究主要集中在果實目標(biāo)識別、采摘點定位等方面。

本文分析基于視覺的采摘機(jī)器人自主導(dǎo)航與采摘定位的研究進(jìn)展，在對基于機(jī)器學(xué)習(xí)的可行駛區(qū)域分割方法和基于圖像特征的可行駛區(qū)域分割方法進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述果實目標(biāo)識別、采摘點定位等方法的發(fā)展現(xiàn)狀，最后結(jié)合無人農(nóng)場與智慧農(nóng)業(yè)，對采摘機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)的未來應(yīng)用場景進(jìn)行展望。

1 基于機(jī)器視覺的自主導(dǎo)航

可行駛區(qū)域檢測的主要目的是從復(fù)雜場景中提取無障礙可行駛區(qū)域，為確定導(dǎo)航路徑奠定基礎(chǔ)。根據(jù)可行駛區(qū)域的特點，可分為結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域和非結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域兩類。其中，結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域類似于城市道路、高速公路等標(biāo)準(zhǔn)化道路，車道標(biāo)線清晰，道路邊緣規(guī)則，幾何特征鮮明；非結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域類似于果園、農(nóng)村的道路以及作物行間區(qū)域，可行駛區(qū)域邊緣不規(guī)則、邊界不清晰、沒有車道標(biāo)線。與結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域相比，非結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域具有更為復(fù)雜的環(huán)境背景。大部分非結(jié)構(gòu)化可行駛區(qū)域的路面凹凸不平，并伴有隨機(jī)分布的雜草。

1.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的可行駛區(qū)域分割方法

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的可行駛區(qū)域分割方法可分為聚類^[16]、支持向量機(jī)（support vector machine， SVM）^[17]、深度學(xué)習(xí)^[18]等。YANG等^[19]提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和像素掃描的視覺導(dǎo)航路徑提取方法，引入Segnet網(wǎng)絡(luò)和Unet網(wǎng)絡(luò)，提高果園路況信息和背景環(huán)境的分割效果；同時采用滑動濾波算法、掃描法和加權(quán)平均法擬合最終的導(dǎo)航路徑。LEI等^[20]結(jié)合改進(jìn)的種子SVM和二維激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，對非結(jié)構(gòu)化道路進(jìn)行檢測和識別。WANG等^[21]結(jié)合光照不變圖像，通過組合分析概率圖與梯度信息，實現(xiàn)復(fù)雜場景的道路提取。KIM等^[22]采用基于補(bǔ)丁和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolu-tional neural network， CNN）的輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)半結(jié)構(gòu)化果園環(huán)境中的自主路徑識別。ALAM等^[23]采用最近鄰分類（nearest neighbor， NN）算法和軟投票聚合相結(jié)合的方法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路提取。部分學(xué)者^[24-26]基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，研究遙感中的道路提取方法，但這種方法并不適用于采摘機(jī)器人。

1.2 基于圖像特征的可行駛區(qū)域分割方法

基于圖像特征的可行駛區(qū)域分割方法通過建立模型，利用顏色、紋理等特征來區(qū)分道路和非道路區(qū)域。ZHOU等^[27]利用H分量來提取天空區(qū)域的目標(biāo)路徑。CHEN等^[28-29]利用改進(jìn)的灰度因子和最大類間方差法提取土壤和植物的灰度圖像，實現(xiàn)溫室環(huán)境下土壤和植物的分割。ZHOU等^[30]基于圖像預(yù)處理算法，優(yōu)化灰度與因子，實現(xiàn)雙空間融合的非結(jié)構(gòu)化道路提取，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化道路與路側(cè)果實的同步識別，如圖2所示。

QI等^[31]基于圖的流形排序方法對道路區(qū)域進(jìn)行分割，并使用二項式函數(shù)來擬合道路區(qū)域模型，實現(xiàn)農(nóng)村環(huán)境下的道路識別。一些學(xué)者在道路提取過程中考慮了消失點等空間結(jié)構(gòu)特征，如SU等^[32]在光照不變圖像預(yù)消失點約束的基礎(chǔ)上，采用Dijkstra方法結(jié)合單線激光雷達(dá)實現(xiàn)道路提??；PHUNG等^[33]基于改進(jìn)的消失點估計方法結(jié)合幾何和顏色，實現(xiàn)行人車道的檢測。然而，消失點的檢測比較耗時^[34]，且大多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化道路檢測，不適用于處理非結(jié)構(gòu)化道路。

2 基于機(jī)器視覺的采摘定位

2.1 果實目標(biāo)識別

果實目標(biāo)識別的方法主要分為基于傳統(tǒng)圖像特征分析的方法和基于深度學(xué)習(xí)的方法。

基于傳統(tǒng)圖像特征分析的方法主要通過顏色^[35]、形狀紋理^[36]以及多種特征^[37-38]對水果進(jìn)行識別。如P?REZ-ZAVALA等^[39]基于形狀和紋理信息，將聚類像素的區(qū)域分離成葡萄串，其平均檢測精度為88.61%，平均召回率為80.34%。周文靜等^[40]基于K近鄰算法和最大類間方差法將葡萄果粒與圖像背景進(jìn)行區(qū)別分割，并基于圓形Hough變換實現(xiàn)葡萄果粒的識別。LIU等^[41]通過顏色、紋理信息以及SVM，實現(xiàn)了葡萄果束的分離和計數(shù)。吳亮生等^[42]基于Cb Cr色差法和區(qū)域生長策略提取了楊梅果實潛在的前景區(qū)域。

基于傳統(tǒng)圖像特征分析的方法在面向多變環(huán)境時具有一定的局限性，因此基于深度學(xué)習(xí)的方法得到快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域^[43-47]，如在作物生長形態(tài)識別^[48-53]、分類定位^[54-57]、跟蹤計數(shù)^[58-60]和病蟲害識別^[61-64]等領(lǐng)域受到學(xué)者的高度重視，深度學(xué)習(xí)的相關(guān)技術(shù)也在果蔬的目標(biāo)檢測與識別方面得到深入研究。LI等^[65]利用Faster R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型、色差和色差比實現(xiàn)果園混亂背景下的蘋果檢測與分割。WANG等^[66]開發(fā)一種基于通道修剪YOLOv5s算法的蘋果果實檢測方法，該模型具有尺寸小、檢測速度快等特點。FU等^[67]通過修改YOLOv4網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)果園自然環(huán)境中香蕉束和莖的快速檢測。HAYDAR等^[68]基于OpenCV AI Kit （OAK-D）與YOLOv4-tiny深度學(xué)習(xí)模型，開發(fā)一種支持深度學(xué)習(xí)的機(jī)器視覺控制系統(tǒng)，實現(xiàn)果實高度的檢測以及割臺采摘齒耙位置的自動調(diào)整。LI等^[69]基于改進(jìn)的Faster R-CNN提出Strawberry R-CNN，通過創(chuàng)建草莓計數(shù)誤差集，設(shè)計一種草莓識別與計數(shù)評估方法。SUNIL等^[70]采用ResNet50、多視角特征融合網(wǎng)絡(luò)（multi-view feature fusion network， MFFN）和自適應(yīng)注意力機(jī)制，結(jié)合通道、空間和像素注意力對番茄植物葉子圖像進(jìn)行分類，實現(xiàn)基于MFFN的番茄植物病害分類。程佳兵等^[71]基于深度目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)水果與背景區(qū)域的分割，借助立體匹配和三角測量技術(shù)，實現(xiàn)水果三維點云與空間位置的獲取。

2.2 采摘點定位

對果實目標(biāo)識別后，結(jié)合果實的特性，對果實的采摘點進(jìn)行定位，為采摘末端提供作業(yè)信息，以實現(xiàn)低損、準(zhǔn)確的水果收獲。

張勤等^[72]基于YOLACT模型對番茄果梗進(jìn)行粗分割，通過感興趣區(qū)域（region of interest， ROI）的位置匹配關(guān)系、細(xì)化算法、膨脹操作和果梗形態(tài)特征等進(jìn)一步對果梗進(jìn)行細(xì)分割，最終結(jié)合深度信息求取采摘點坐標(biāo)。徐鳳如等^[73]采用改進(jìn)型YOLOv4-Dense算法和OpenCV圖像處理方法，在對芽葉進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上，基于熔斷行預(yù)目標(biāo)采摘區(qū)域的交點即為理想采摘點的思想，對茶樹芽葉采摘點進(jìn)行定位。宋彥等^[74]構(gòu)建一種基于多頭自注意力機(jī)制結(jié)合多尺度特征融合的RMHSA-NeXt語義分割算法，實現(xiàn)茶葉采摘點的分割，具有準(zhǔn)確性高、推理速度快等特點。寧政通等^[75]采用掩模區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與閾值分割方法，實現(xiàn)葡萄果梗的識別，并將果梗質(zhì)心點確定為采摘點。杜文圣等^[76]通過改進(jìn)的MaskR-CNN模型和集合邏輯算法，實現(xiàn)鮮食葡萄的檢測與夾持點定位。梁喜鳳等^[77]利用番茄果串的質(zhì)心及其輪廓邊界確定果梗的ROI，以第一個果實分叉點與果梗骨架角點確定采摘點位置。畢松等^[78]通過分割成熟草莓的目標(biāo)點云對草莓位姿進(jìn)行估計，結(jié)合草莓位姿質(zhì)心與草莓高確定采摘點。ZHAO等^[79]基于采摘點服從邊界框的思路，結(jié)合改進(jìn)的YOLOv4，實現(xiàn)葡萄檢測與采摘點的同步預(yù)測。張勤等^[80]基于YOLOv4算法和番茄串與對應(yīng)果梗的連通關(guān)系，篩選可摘番茄串，并利用深度信息和顏色特征確定采摘點。WU等^[81]提出一種自上而下的葡萄果梗定位思路，整合目標(biāo)和關(guān)鍵點的檢測功能，實現(xiàn)果梗及其采摘點的定位。JIN等^[82]構(gòu)建遠(yuǎn)近距離立體視覺系統(tǒng)對葡萄果串與果梗進(jìn)行識別與定位，并基于果梗質(zhì)心識別算法實現(xiàn)采摘點定位。TANG等^[83]采用k-means++先驗框聚類方法對YOLOv4-tiny模型進(jìn)行改進(jìn)，并基于提取的目標(biāo)ROI提出一種雙目立體匹配策略，在降低算法計算量的同時，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的油茶果果實檢測與采摘點定位。WU等^[84-85]為實現(xiàn)香蕉智能化采摘，提出改進(jìn)的YOLOv5-B模型，搭建立體視覺香蕉雄花簇切斷機(jī)器人實驗平臺，并獲得花軸切斷點的三維空間坐標(biāo)。上述研究方法為采摘機(jī)器人的無人化作業(yè)和低損采摘奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與展望

本文綜述了機(jī)器視覺在采摘機(jī)器人中采摘定位與自主導(dǎo)航的應(yīng)用，主要包括基于機(jī)器視覺的自主導(dǎo)航、果實目標(biāo)識別與采摘點定位等。

雖然人工智能及深度學(xué)習(xí)方法提高了采摘機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性與可靠性，但由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，機(jī)器視覺的應(yīng)用仍然存在較大的定位誤差。因此，需要結(jié)合采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，進(jìn)一步開發(fā)機(jī)器視覺與末端的誤差主動容錯機(jī)制，以降低目標(biāo)定位和操作誤差。

采摘機(jī)器人在自主行走作業(yè)過程中，受到地面不平、震動等動態(tài)干擾，導(dǎo)致視覺畫面質(zhì)量降低，影響導(dǎo)航的精確度。因此，需要結(jié)合圖像預(yù)處理技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)實時降噪、多源信息融合的導(dǎo)航算法，提高采摘機(jī)器人在野外果園作業(yè)的魯棒性與可靠性。此外，采摘與行走的多行為協(xié)同決策是一個值得研究的方向。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

蒙賀偉，男，1982年生，博士，教授/博士生導(dǎo)師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。E-mail： mhw_mac@126.com

周馨曌，女，1997年生，博士，主要研究方向：智慧農(nóng)業(yè)、機(jī)器視覺、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化。E-mail： zxinzhao@126.com

吳烽云（通信作者），女，1988年生，博士，主要研究方向：智慧農(nóng)業(yè)、機(jī)器視覺。E-mail： fyseagull@163.com

鄒天龍，男，1986年生，大專，主要研究方向：測控系統(tǒng)集成應(yīng)用。E-mail：?84174619@qq.com