■南農(nóng)制造機(jī)器人：能摘棉花又“識(shí)貨”

金秋時(shí)節(jié)，正是棉花收獲的季節(jié)，一片又一片白云般的棉田宛如一個(gè)個(gè)雪白的夢(mèng)，為農(nóng)民鋪出一條條通向致富之門(mén)的道路。但是，“豐產(chǎn)”還得“豐收”，對(duì)農(nóng)民來(lái)說(shuō)，收棉花卻是一件“苦差事”。如果請(qǐng)一個(gè)機(jī)器人幫忙收棉花呢？這不是在科幻片中出現(xiàn)的鏡頭。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院姬長(zhǎng)英教授團(tuán)隊(duì)成功破解了采摘機(jī)器人對(duì)于棉花品級(jí)視覺(jué)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)——田間籽棉成熟度、品級(jí)識(shí)別，可根據(jù)我國(guó)籽棉品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（籽棉的大小、白度、黃度和雜質(zhì)含量等特性），迅速、準(zhǔn)確地判斷出籽棉的品級(jí)，有望從源頭上嚴(yán)把棉花采摘、收購(gòu)關(guān)，解決我國(guó)棉花的采摘質(zhì)量問(wèn)題。

·人工采棉成本高

作為中國(guó)最大的產(chǎn)棉區(qū)，新疆的棉花一直靠人工來(lái)收獲。每年秋季，有近百萬(wàn)名拾花工進(jìn)入新疆千萬(wàn)畝棉田，收獲著自己的豐收希望。

課題組的王玲副教授介紹說(shuō)：“人工采棉耗費(fèi)的成本相當(dāng)大。與其他國(guó)家相比，我國(guó)的棉花種植地域遼闊，生產(chǎn)規(guī)模多元化，棉花品種多、收獲期長(zhǎng)，蟲(chóng)害多，地膜碎片多，而棉花采摘屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，既耗時(shí)，又費(fèi)力，所投入的勞動(dòng)力約占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的50%。例如，在新疆建設(shè)兵團(tuán)，種植700萬(wàn)畝棉花，每年付出拾花采摘費(fèi)近4億元，還要承擔(dān)社會(huì)治安、食宿、醫(yī)療、交通等諸多壓力和經(jīng)濟(jì)成本?！?/p>

而且，機(jī)械采棉的效果也并不能盡如人意。王玲說(shuō)，“目前的機(jī)械采摘雖然效率能提高不少，但是容易造成優(yōu)劣并收的尷尬。采棉機(jī)作業(yè)時(shí)，通常不分種植早晚，催熟后一次性采收，早期成熟的高品級(jí)棉花會(huì)因?yàn)檠诱`了采摘時(shí)機(jī)，造成掛絮降級(jí)，有時(shí)還需要按照采棉機(jī)的要求，在收獲前對(duì)棉株進(jìn)行化學(xué)調(diào)控，這難免會(huì)降低棉花品質(zhì)，造成葉屑、地膜碎片等雜質(zhì)多，降低采棉質(zhì)量?！?/p>

·“南農(nóng)制造”機(jī)器人能辨優(yōu)劣

我國(guó)人工采棉和機(jī)械采棉的方法一直存在各種缺陷，在采摘、收購(gòu)中識(shí)別棉花的好壞也往往以主觀感官檢驗(yàn)為主，儀器測(cè)試為輔。為了提高棉花采摘質(zhì)量，特別是解決機(jī)械化采摘方式下的采棉質(zhì)量問(wèn)題，2005年起，課題組便開(kāi)始了“基于圖像特征選擇識(shí)別田間籽棉成熟度、品級(jí)”的研究，并在此期間成功申報(bào)了國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目。

據(jù)課題組介紹，這種新研制的配有視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的棉花采摘機(jī)器人能夠模擬人工實(shí)時(shí)采摘籽棉并分級(jí)，能夠適應(yīng)棉花品種的多樣性，降低生產(chǎn)成本，使采收的高、中、低檔棉花分倉(cāng)歸類(lèi)。此項(xiàng)技術(shù)的突破，也將使我國(guó)的棉花質(zhì)量檢測(cè)由收獲后檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槭斋@前檢測(cè)。請(qǐng)機(jī)器人幫忙，在采摘前就能知道，哪片地里的棉花質(zhì)量好，哪片地里的棉花質(zhì)量差，從而避免重復(fù)或無(wú)謂勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采棉作業(yè)的精細(xì)化。

·視覺(jué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)獲突破

據(jù)介紹，制造摘棉花機(jī)器人的關(guān)鍵是視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)的突破。研究人員先使用CCD數(shù)碼相機(jī)采集早、中、晚三期“蘇棉12”1～7級(jí)籽棉的正面圖像共計(jì)350幅，然后通過(guò)技術(shù)處理，把籽棉圖像從復(fù)雜的背景中分離出來(lái)，利用反映籽棉白度、黃度和雜質(zhì)含量的14個(gè)紋理特征以及反映棉瓣大小、結(jié)構(gòu)的16個(gè)形狀特征，對(duì)籽棉進(jìn)行成熟度判別和品級(jí)分級(jí)識(shí)別，識(shí)別率可分別達(dá)到85.3%和88.4%。

機(jī)器人在實(shí)際采摘時(shí)，可運(yùn)用雙目視覺(jué)攝像機(jī)和圖像采集卡采集棉花圖像，并進(jìn)行圖像處理，定位棉花坐標(biāo)位置?？拷仓旰螅瑱C(jī)器人通過(guò)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)完成采摘。而在棉花種植時(shí)，只需讓棉花植株的種植間距滿足機(jī)器人的寬度，在棉田留予一定的條寬來(lái)滿足采摘機(jī)械手的工作幅寬即可，由于機(jī)器人的“手臂”可以升降自如，因此，對(duì)棉花的生長(zhǎng)高度也沒(méi)有特殊要求。

·機(jī)器摘棉指日可待

此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性突破，課題組將在姬長(zhǎng)英教授的帶領(lǐng)下，將棉花品級(jí)、成熟度識(shí)別程序移植到機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)室整合試驗(yàn)，并在新疆建設(shè)兵團(tuán)開(kāi)展進(jìn)一步的田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)一旦取得成功，課題組將向國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)棉區(qū)推廣應(yīng)用此技術(shù)，并針對(duì)不同地域的棉花品種建立判別棉花品級(jí)、成熟度的數(shù)學(xué)模型，因地制宜地設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用程序并移植到機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)中。

目前我國(guó)還沒(méi)有完全符合國(guó)情的棉花定級(jí)儀器，為此，棉花采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中籽棉成熟度和品級(jí)表征研究的深入開(kāi)展，也將有利于符合國(guó)情的棉花定級(jí)儀器早日問(wèn)世，填補(bǔ)空白。

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）