機器視覺在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航技術(shù)上的應(yīng)用研究

周貴富

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644002）

1 前言

視覺導(dǎo)航技術(shù)擁有諸多突出性優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、對種植的農(nóng)作物進(jìn)行檢測是一種非常高效化的方式，將機器視覺應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器導(dǎo)航方面具備較高的理論意義以及實用價值。對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航來講，主要包含信標(biāo)導(dǎo)航、GPS 導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等，其中信標(biāo)導(dǎo)航需要人工預(yù)先建設(shè)信標(biāo)，對于規(guī)模較大的農(nóng)田而言，不具備一般性；對于慣性導(dǎo)航來講，極易產(chǎn)生較大的誤差，精準(zhǔn)度較低；對于GPS 導(dǎo)航，在應(yīng)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(dǎo)航技術(shù)均存在一定的缺陷，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。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(huán)境信息進(jìn)行提取，然后基于多方面因素做出現(xiàn)場判斷、控制的一種方法，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方面具備諸多突出優(yōu)點，如信息特征顯著、操作靈活性高等，所以越來越多的學(xué)者、專家均開始圍繞機器視覺在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方面的應(yīng)用展開研究。

2 基于機器視覺的農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)特點

2.1 機器視覺

機器視覺主要是圍繞基于計算機技術(shù)對生物宏觀功能進(jìn)行模擬方面進(jìn)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(jìn)行提取，然后基于實際需求進(jìn)行處理、理解，并將其應(yīng)用于檢測、測量、控制等方面。對于一個典型的機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)來講，其應(yīng)當(dāng)包含多個模塊，比如，光源、圖像捕捉系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、智能判斷決策模塊等。首先，通過OCD 攝像機對目標(biāo)進(jìn)行拍攝，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€圖像信號；其次，將其傳輸至圖像處理系統(tǒng)之中，并基于亮度、顏色等相關(guān)信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號，同時，圖像系統(tǒng)將會對這些信號進(jìn)行分析、運算，并抽取目標(biāo)的基本特征，比如，數(shù)量、面積、長度等信息；最后，基于預(yù)設(shè)的容許度、其他條件社將判斷結(jié)果輸出，以此實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機器進(jìn)行導(dǎo)航的目的。對于機器視覺而言，其基本特點包含多方面內(nèi)容，比如，自動化、非接觸、高精度等，與普通的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺高度注重速度以及精度。

農(nóng)業(yè)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(xiàn)提取邊界線的目的。當(dāng)處于野外環(huán)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(shù)目的閾值進(jìn)行科學(xué)化設(shè)定，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)像素對視場進(jìn)行科學(xué)化調(diào)整，當(dāng)對圖像處理后，可以基于左右作物線明確具體的導(dǎo)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(zhǔn)度之間存在緊密關(guān)聯(lián)，可以由此得到導(dǎo)航線路，由此可見，當(dāng)對農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理后，將可以極大地提升機械作業(yè)效率。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

通過大量的調(diào)查以及分析后可以發(fā)現(xiàn)，附帶有視覺導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備擁有相對較為突出的自主性，當(dāng)對路徑進(jìn)行明確后，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定進(jìn)行作業(yè)，該作業(yè)流程主要可以細(xì)化為兩個階段：（1）農(nóng)機導(dǎo)航的基本狀態(tài)；（2）導(dǎo)航參考作業(yè)。農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)自動化工作的核心便是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，其通常是由多個部分構(gòu)成，具體為：在農(nóng)業(yè)機械運動模型之中，可以對傳感器信號進(jìn)行采集；導(dǎo)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(tǒng)中，導(dǎo)航規(guī)劃器是非常重要的一個構(gòu)成內(nèi)容，在提高系統(tǒng)運行效率方面發(fā)揮著不可替代的重要作用；通過轉(zhuǎn)向控制器對導(dǎo)航計劃信號等多方面問題進(jìn)行科學(xué)化處理，以便農(nóng)業(yè)設(shè)備根據(jù)特定路線時完成相應(yīng)的操作過程。

通常情況下，機器視覺技術(shù)可以被應(yīng)用在多個場合之中，其中農(nóng)產(chǎn)品分揀機便是機器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用最早、應(yīng)用最廣泛的一個典型實例，其通常應(yīng)用在檢測工作領(lǐng)域，主要是對農(nóng)產(chǎn)品表面的一些物質(zhì)、特性等，然后在此基礎(chǔ)上按照特定標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分類處理，該技術(shù)通常應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品加工方面，可以切實提升農(nóng)產(chǎn)品檢測效率、反饋精準(zhǔn)度。同時，機器視覺技術(shù)還可以被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動方面，其中動植物的生產(chǎn)過程非常細(xì)微，因此，在農(nóng)業(yè)生活活動領(lǐng)域，只有對動植物的生長發(fā)育狀況進(jìn)行拍攝記錄，才可以更好地了解動植物的生產(chǎn)環(huán)境、生長狀況，以便為其營建一個優(yōu)良的環(huán)境，而機器視覺技術(shù)便可以實現(xiàn)該方面功能。另外，機器視覺技術(shù)還可以應(yīng)用在糧食識別以及分類方面，其主要是通過高速濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式來對玉米、水稻等農(nóng)作物實現(xiàn)高效化識別以及分類，并基于水稻、玉米等谷物的應(yīng)力裂紋、形態(tài)、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(nóng)副產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)化檢測，并且一些農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷、包裝損害等缺陷，也可以進(jìn)行精準(zhǔn)化識別。

3 機器視覺在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航技術(shù)上的應(yīng)用

3.1 導(dǎo)航規(guī)劃

在農(nóng)業(yè)機械中，導(dǎo)航技術(shù)是非常重要一項內(nèi)容，在農(nóng)業(yè)機械運轉(zhuǎn)方面發(fā)揮著重要作用，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平息息相關(guān)。因此，在開展設(shè)計以及規(guī)劃工作的過程中，應(yīng)當(dāng)對機器視覺導(dǎo)航技術(shù)方面進(jìn)行綜合性考量，通常情況下，要從多個方面進(jìn)行把控。首先，要明確農(nóng)業(yè)機械設(shè)備與其他普通設(shè)備之間存在一定的差異性，要結(jié)合農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的應(yīng)用狀況做好規(guī)劃，進(jìn)而確保導(dǎo)航信息的精準(zhǔn)性以及高效性。在開展實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的過程中，還要對農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航以及運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析，不同農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航參考狀態(tài)存在顯著化差異，農(nóng)業(yè)作業(yè)區(qū)域應(yīng)當(dāng)對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備方向盤的角度進(jìn)行分析，確保設(shè)計人員可以基于現(xiàn)場狀況來規(guī)劃航線，確保導(dǎo)航規(guī)劃路線可以滿足農(nóng)機的運行狀態(tài)。同時，還需要對農(nóng)業(yè)機械作業(yè)過程中可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行綜合性分析，并在此基礎(chǔ)上提出合理化、完善的管控措施，以此保證農(nóng)業(yè)機械可以順利實現(xiàn)導(dǎo)航目標(biāo)，但是，在導(dǎo)航規(guī)劃方面，技術(shù)人員不但要對農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航參考信息進(jìn)行分析，同時還要盡可能地消除位置方面的偏差，確保農(nóng)業(yè)機械保持優(yōu)良的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 視覺信息處理

當(dāng)在不同農(nóng)業(yè)機械上應(yīng)用視覺導(dǎo)航技術(shù)時，要結(jié)合實際情況進(jìn)行略微調(diào)整，結(jié)合不同環(huán)境，傳遞不同的信息，以此對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的實際內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)化處理，以此確保視覺導(dǎo)航技術(shù)的作用得到充分化展現(xiàn)。農(nóng)業(yè)機械在實際運行的過程中，要高度關(guān)注視覺信息的真實性以及完善性，以此確保導(dǎo)航系統(tǒng)可以正常工作，因此，在系統(tǒng)處理過程中，要高度注重視覺信息處理技術(shù)的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，通常是在室外環(huán)境中開展，所以視覺圖像處理過程中，要針對分散、復(fù)雜的自然對象，而這些對視覺信息處理技術(shù)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(huán)境適應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)圖像處理的目的，切實提高圖像分辨率，加快推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動穩(wěn)步開展。

3.3 轉(zhuǎn)向控制

對于轉(zhuǎn)向控制技術(shù)來講，其在指令速度方面擁有相對較高的技術(shù)要求，工作人員應(yīng)當(dāng)在特定范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)移速度進(jìn)行精準(zhǔn)化管控，保證農(nóng)業(yè)機械可以快速地獲取信息數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)玫较鄳?yīng)的指令后，順利完成農(nóng)業(yè)工作。同時，對于裝有視覺導(dǎo)航技術(shù)的智能農(nóng)機，其運動區(qū)域不僅僅局限于特定區(qū)域，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體要求進(jìn)行行駛，因此技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對農(nóng)機設(shè)備方向盤與地面的作用因素進(jìn)行考量，確保農(nóng)業(yè)設(shè)備的導(dǎo)航技術(shù)可以適應(yīng)各種復(fù)雜路況以及環(huán)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(jìn)行模擬，從外部世界中提取事物圖像，由此獲取參數(shù)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理后再獲取深度信息，并對其進(jìn)行加深理解，同時將其應(yīng)用于后續(xù)關(guān)于同類客觀事物檢測以及控制方面。對于機器視覺技術(shù)來講，其可以實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的快速化提取，并且信息提取容量較大，可以實現(xiàn)對位置測量技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的目的，以便為農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奠定優(yōu)良基礎(chǔ)。

在開展具體工作的過程中，將攝像機作為位置測量前端數(shù)據(jù)的接收傳感器，對農(nóng)作物的參數(shù)信息進(jìn)行識別、抓取，由此明確農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在農(nóng)田的位置信息，并據(jù)此明確導(dǎo)航基準(zhǔn)線，同時在機器視覺技術(shù)的支持下，還可以利用農(nóng)作物識別、參數(shù)界定等多種形式實現(xiàn)位置測量的功能。

4 基于機器視覺的農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航研究方面的注意事項

現(xiàn)階段，基于視覺導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動方面得到了廣泛化的應(yīng)用，并且展現(xiàn)出了相對較為突出的應(yīng)用效果。但是，隨著中國農(nóng)業(yè)科技水平日益提升，農(nóng)業(yè)機械設(shè)備視覺導(dǎo)航技術(shù)在未來研究、應(yīng)用方面仍需注意相關(guān)問題，具體可以歸結(jié)為以下3 個方面。

（1）控制算法方面。對于復(fù)雜、多變的自然環(huán)境，農(nóng)業(yè)機械在作業(yè)過程中難免會受到隨機擾動的影響，基于數(shù)據(jù)模型可以發(fā)現(xiàn)通過控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的高效化控制。同時，在已知以及可預(yù)測的環(huán)境下，有效的模糊規(guī)則可以基于實驗、仿真結(jié)果以及專家自身的經(jīng)驗進(jìn)行制定，但是實際環(huán)境存在多變性以及復(fù)雜性的特定，并不能對所有狀況進(jìn)行預(yù)測，因此農(nóng)業(yè)機械視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中應(yīng)當(dāng)注重控制算法方面的研究，以此強化自適應(yīng)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(huán)境變化頻率越來越高，再加上環(huán)境復(fù)雜度日益提高，圖像處理過程中所應(yīng)用的時間也越來越多，當(dāng)不明確未來的發(fā)展?fàn)顩r時，圖像處理速度相對較慢，對農(nóng)業(yè)機械的工作進(jìn)展也會形成一定的影響。無論是感性的反應(yīng)控制，還是基于感知到模型、再到技術(shù)制定與實施，均無法獲取精準(zhǔn)的信息，而農(nóng)業(yè)機械也由此無法獲得優(yōu)良的導(dǎo)航效果。

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

5 結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速化發(fā)展的過程中，GPS、慣性等導(dǎo)航方式在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方面得到了廣泛化的應(yīng)用，但是經(jīng)過實際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，這些導(dǎo)航方式均存在一定的不足之處?；跈C器視覺的導(dǎo)航系統(tǒng)在服務(wù)業(yè)以及工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，所以把機器視覺技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航領(lǐng)域也擁有巨大的潛力。在農(nóng)業(yè)場景下，基于圖像信息的機器視覺技術(shù)可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航路線的科學(xué)規(guī)劃，以此提高農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力，正是基于該方面優(yōu)勢，越來越多的學(xué)者、專家開始圍繞該方面進(jìn)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(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方面的應(yīng)用具備較高的價值。

同時，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蓬勃化發(fā)展的時代環(huán)境下，推動農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航方面的應(yīng)用也漸漸發(fā)展成為一個社會熱點。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)高速化發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的重要作用，強化關(guān)于智能農(nóng)業(yè)機械方面的研究可以進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)高效化發(fā)展。