周貴富

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644002）

1 前言

視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)擁有諸多突出性優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、實(shí)時(shí)性高等，所以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)信息來(lái)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、對(duì)種植的農(nóng)作物進(jìn)行檢測(cè)是一種非常高效化的方式，將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器導(dǎo)航方面具備較高的理論意義以及實(shí)用價(jià)值。對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航來(lái)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(duì)于規(guī)模較大的農(nóng)田而言，不具備一般性；對(duì)于慣性導(dǎo)航來(lái)講，極易產(chǎn)生較大的誤差，精準(zhǔn)度較低；對(duì)于GPS 導(dǎo)航，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到外部因素的干擾，并且檢測(cè)精度相對(duì)較低，由此可見(jiàn)，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(jī)器視覺(jué)主要是基于成像方式，通過(guò)圖像處理對(duì)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(chǎng)判斷、控制的一種方法，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航方面具備諸多突出優(yōu)點(diǎn)，如信息特征顯著、操作靈活性高等，所以越來(lái)越多的學(xué)者、專家均開(kāi)始圍繞機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航方面的應(yīng)用展開(kāi)研究。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 機(jī)器視覺(jué)

機(jī)器視覺(jué)主要是圍繞基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)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(guò)機(jī)器來(lái)直接替代人眼的視覺(jué)功能，并從客觀事物的圖像中對(duì)一些有用信息進(jìn)行提取，然后基于實(shí)際需求進(jìn)行處理、理解，并將其應(yīng)用于檢測(cè)、測(cè)量、控制等方面。對(duì)于一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)講，其應(yīng)當(dāng)包含多個(gè)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(guò)OCD 攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)圖像信號(hào)；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(hào)，同時(shí)，圖像系統(tǒng)將會(huì)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算，并抽取目標(biāo)的基本特征，比如，數(shù)量、面積、長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器進(jìn)行導(dǎo)航的目的。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)而言，其基本特點(diǎn)包含多方面內(nèi)容，比如，自動(dòng)化、非接觸、高精度等，與普通的圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺(jué)高度注重速度以及精度。

農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作的過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)可以利用灰度、顏色等多方面的對(duì)比分析，求出邊界點(diǎn)以及邊線，對(duì)于有效的圖像處理算法而言，可以實(shí)現(xiàn)提取邊界線的目的。當(dāng)處于野外環(huán)境時(shí)，通過(guò)大視場(chǎng)獲取對(duì)比度相對(duì)較為清晰化的圖像，并對(duì)像素?cái)?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(duì)視場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)化調(diào)整，當(dāng)對(duì)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(jī)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(jiàn)，當(dāng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械作業(yè)效率。

2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通過(guò)大量的調(diào)查以及分析后可以發(fā)現(xiàn)，附帶有視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備擁有相對(duì)較為突出的自主性，當(dāng)對(duì)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(gè)階段：（1）農(nóng)機(jī)導(dǎo)航的基本狀態(tài)；（2）導(dǎo)航參考作業(yè)。農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工作的核心便是視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，其通常是由多個(gè)部分構(gòu)成，具體為：在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型之中，可以對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集；導(dǎo)航傳感器可以獲取實(shí)時(shí)信息，以便人們及時(shí)了解各方面信息狀況；在整個(gè)系統(tǒng)中，導(dǎo)航規(guī)劃器是非常重要的一個(gè)構(gòu)成內(nèi)容，在提高系統(tǒng)運(yùn)行效率方面發(fā)揮著不可替代的重要作用；通過(guò)轉(zhuǎn)向控制器對(duì)導(dǎo)航計(jì)劃信號(hào)等多方面問(wèn)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(shí)完成相應(yīng)的操作過(guò)程。

通常情況下，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以被應(yīng)用在多個(gè)場(chǎng)合之中，其中農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)便是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用最早、應(yīng)用最廣泛的一個(gè)典型實(shí)例，其通常應(yīng)用在檢測(cè)工作領(lǐng)域，主要是對(duì)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(duì)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(shí)提升農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)效率、反饋精準(zhǔn)度。同時(shí)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可以被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)方面，其中動(dòng)植物的生產(chǎn)過(guò)程非常細(xì)微，因此，在農(nóng)業(yè)生活活動(dòng)領(lǐng)域，只有對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況進(jìn)行拍攝記錄，才可以更好地了解動(dòng)植物的生產(chǎn)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況，以便為其營(yíng)建一個(gè)優(yōu)良的環(huán)境，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)便可以實(shí)現(xiàn)該方面功能。另外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可以應(yīng)用在糧食識(shí)別以及分類方面，其主要是通過(guò)高速濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式來(lái)對(duì)玉米、水稻等農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)高效化識(shí)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(shí)別水稻、小麥等，同時(shí)還可以對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)化檢測(cè)，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(shí)別。

3 機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械中，導(dǎo)航技術(shù)是非常重要一項(xiàng)內(nèi)容，在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)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(kāi)展設(shè)計(jì)以及規(guī)劃工作的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)器視覺(jué)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(gè)方面進(jìn)行把控。首先，要明確農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(kāi)展實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的過(guò)程中，還要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航以及運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析，不同農(nóng)業(yè)機(jī)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備方向盤(pán)的角度進(jìn)行分析，確保設(shè)計(jì)人員可以基于現(xiàn)場(chǎng)狀況來(lái)規(guī)劃航線，確保導(dǎo)航規(guī)劃路線可以滿足農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，還需要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)過(guò)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(jī)械可以順利實(shí)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航參考信息進(jìn)行分析，同時(shí)還要盡可能地消除位置方面的偏差，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械保持優(yōu)良的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 視覺(jué)信息處理

當(dāng)在不同農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)時(shí)，要結(jié)合實(shí)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的實(shí)際內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)化處理，以此確保視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的作用得到充分化展現(xiàn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，要高度關(guān)注視覺(jué)信息的真實(shí)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(guò)程中，要高度注重視覺(jué)信息處理技術(shù)的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中，通常是在室外環(huán)境中開(kāi)展，所以視覺(jué)圖像處理過(guò)程中，要針對(duì)分散、復(fù)雜的自然對(duì)象，而這些對(duì)視覺(jué)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(gè)維度入手，分析多方面因素，通過(guò)自然環(huán)境適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像處理的目的，切實(shí)提高圖像分辨率，加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)穩(wěn)步開(kāi)展。

3.3 轉(zhuǎn)向控制

對(duì)于轉(zhuǎn)向控制技術(shù)來(lái)講，其在指令速度方面擁有相對(duì)較高的技術(shù)要求，工作人員應(yīng)當(dāng)在特定范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)移速度進(jìn)行精準(zhǔn)化管控，保證農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)，對(duì)于裝有視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的智能農(nóng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)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(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備方向盤(pán)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(cè)量

機(jī)器視覺(jué)主要是指通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)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(duì)其進(jìn)行處理后再獲取深度信息，并對(duì)其進(jìn)行加深理解，同時(shí)將其應(yīng)用于后續(xù)關(guān)于同類客觀事物檢測(cè)以及控制方面。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)講，其可以實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)位置測(cè)量技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的目的，以便為農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奠定優(yōu)良基礎(chǔ)。

在開(kāi)展具體工作的過(guò)程中，將攝像機(jī)作為位置測(cè)量前端數(shù)據(jù)的接收傳感器，對(duì)農(nóng)作物的參數(shù)信息進(jìn)行識(shí)別、抓取，由此明確農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的支持下，還可以利用農(nóng)作物識(shí)別、參數(shù)界定等多種形式實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量的功能。

4 基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航研究方面的注意事項(xiàng)

現(xiàn)階段，基于視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)方面得到了廣泛化的應(yīng)用，并且展現(xiàn)出了相對(duì)較為突出的應(yīng)用效果。但是，隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平日益提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)在未來(lái)研究、應(yīng)用方面仍需注意相關(guān)問(wèn)題，具體可以歸結(jié)為以下3 個(gè)方面。

（1）控制算法方面。對(duì)于復(fù)雜、多變的自然環(huán)境，農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中難免會(huì)受到隨機(jī)擾動(dòng)的影響，基于數(shù)據(jù)模型可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的高效化控制。同時(shí)，在已知以及可預(yù)測(cè)的環(huán)境下，有效的模糊規(guī)則可以基于實(shí)驗(yàn)、仿真結(jié)果以及專家自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制定，但是實(shí)際環(huán)境存在多變性以及復(fù)雜性的特定，并不能對(duì)所有狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注重控制算法方面的研究，以此強(qiáng)化自適應(yīng)能力。

（2）圖像處理過(guò)程中的計(jì)算速度。隨著人們所采取圖像的環(huán)境變化頻率越來(lái)越高，再加上環(huán)境復(fù)雜度日益提高，圖像處理過(guò)程中所應(yīng)用的時(shí)間也越來(lái)越多，當(dāng)不明確未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r時(shí)，圖像處理速度相對(duì)較慢，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作進(jìn)展也會(huì)形成一定的影響。無(wú)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(shí)施，均無(wú)法獲取精準(zhǔn)的信息，而農(nóng)業(yè)機(jī)械也由此無(wú)法獲得優(yōu)良的導(dǎo)航效果。

（3）多傳感器的信息融合。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)講，其具備實(shí)時(shí)性以及靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(duì)一些導(dǎo)航中的困難進(jìn)行科學(xué)化處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速化發(fā)展的過(guò)程中，GPS、慣性等導(dǎo)航方式在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航方面得到了廣泛化的應(yīng)用，但是經(jīng)過(guò)實(shí)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。基于機(jī)器視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航領(lǐng)域也擁有巨大的潛力。在農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下，基于圖像信息的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航路線的科學(xué)規(guī)劃，以此提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力，正是基于該方面優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的學(xué)者、專家開(kāi)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(jiàn)，機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航方面的應(yīng)用具備較高的價(jià)值。

同時(shí)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蓬勃化發(fā)展的時(shí)代環(huán)境下，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械逐步趨向于智能化、高效化的方向十分重要，機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航方面的應(yīng)用也漸漸發(fā)展成為一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在促進(jìn)國(guó)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(qiáng)化關(guān)于智能農(nóng)業(yè)機(jī)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(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)高效化發(fā)展。