机器视觉技术在农业机械中的应用研究

王晓健 侯绪杰 姜少燕

(潍坊职业学院，山东 潍坊 261367)

引言

机器人的视觉技术简称为机器视觉，起源于20世纪60年代的美国。其原理是利用计算机编写出来的程序来使机器人拥有类似于人类的视觉，从而实现机器人拥有人类视觉的智能行为。但是刚开始这项技术并不应用于农业机械当中，直到70年代末期人们发现将这一技术应用于农业机械中可以有效地提高农业生产，降低人员的工作量，提升数据的精准性。后来，随着计算机技术的进一步发展，使得图像处理技术也得到了飞速的发展。之后，农业机械方面的机器视觉也有了较高的进展，使得这一技术在农业机械中运用的越来越广泛。这一技术运用在农业机械上可以进行播种、检测、灌溉以及收获等各方面的操作。

1.机器视觉

机器视觉包含了数字图像处理技术、控制工程技术、光学成像技术、计算机技术、机械电子工程技术等一系列综合类型的复杂技术。通过计算机技术来模拟人类眼睛功能用于机器人上，使机器人拥有和人类眼睛相似的功能，从而使人类通过机器人观察到的事物传回到计算机上，让人类不用亲自去现场即可看到现场图像而操控机器人来完成工作。机器视觉的原理是传感器接收到凸透镜所形成的图像，使用计算机技术对传输过来的信号进行处理分析，然后将信号转换成图片，从而能够看到与机器人在现场看到相同的场景。机器视觉技术经历了一维、二维、三维等三种成像技术形式。其中最早的成像形式是简单的一维视觉成像技术，一维成像只是对成像对象的形状、大小、颜色和场景光照等简单的信息识别和检测。由于这一技术较为简单，因此比较容易来实现，所以使用的比较广泛。慢慢地人们发现一维成像存在着各种缺点，因此研究出来了二维成像技术。二维成像技术可以将机器人所看到的场景通过信号传输到计算机上，然后利用技术将信号转换为二维图片，再进行图像分析处理，呈现出清晰的图像能够更好地把握现场的情况。目前，二维视觉成像技术是应用最为广泛的，既比一维视觉成像技术清楚又比三维的技术要求低。在农业机械上的使用主要是识别农作物。三维视觉成像技术，让人有着身临其境的感觉，让你看到的场景更能真实的反映出现场。不仅能够反映出一维视觉成像所能反映的状态，还能够了解所处的环境、地理位置等信息，但是所要求的技术较高。

2.机器视觉系统的构成

图像获取功能和图像处理技术两部分构成了机器视觉系统。通过机器人将被观测到的场景转化为计算机的信号最后再生成图像，这就是图像获取功能。摄像机、光源照明以及图像采集卡是图像获取功能最主要的三个部分。如何对图像进行处理是非常重要的，由于对图像进行后期的处理以及运算所需要的硬件要求较高。因此处理图像所需要的信号处理卡较为重要，使用较好的信号处理卡才能得到更为清晰的图像。通过图像识别、理解内容、加强图像以及信号的传输是经常使用的图像处理方法。

3.机械视觉在应用中存在的问题

如今传感器和计算机技术已经相当的成熟，图像处理能力有着显著的提升，但是在农业机械的机器视觉的应用还存在着一定的问题。机器视觉通过红外光谱反馈的信号，通过处理后得到的图像不能够使机器人对工作对象有着高度的识别能力，经常会出现识别错误的情况。还有就是目前大多数机器人只能够进行外部品质的检测，农产品内部出现了问题是不能够检测出来的，想要更好地对产品进行检测还需要深入研究。当产品是动态的时候检测的效率往往较低，只有对静态的产品有较高的检测效率。在图像处理这一方面，二维图像技术已经逐渐不能够满足广大人民的需求，但是三维图像技术又不够完善，存在着许多的缺陷，且图像处理技术也不完善，因此需要提高这一方面的技术才能够解决这一方面的问题。

4.机器视觉现状和发展趋势及应用

在农业机械的研发中机器视觉技术最早使用的是欧美国家，在20世纪80年代，欧美国家就将机器视觉技术应用于农业机械当中，最早是用来检测一些水果和蔬菜的质量和产品等级，如：苹果、梨子、西红柿、李子等。后来传感器技术和计算机技术的不断发展，机器视觉逐渐应用得更加广泛。例如：采摘农作物、除草除虫、分拣果实与种子以及控制农作物的生长等。

4.1 搬运、采摘农业机器人

机器视觉技术应用在农业机器人上，这种机器人是一种拥有自主活动功能、具体感知、重复编程的自动化设备，主要的操作对象是农业产品，可以让农民提高工作效率、减低工作强度、增强工作的安全性。根据调查可知，现今的农业机器人主要是用来搬运和采摘农产品的。用来搬运的机器人需要较高的技术，因为这种机器人需要在复杂的环境中识别出农产品，并聚集好产品以便于更好的运输。同时这类机器人还需要能够识别出正确的路线然后自己行走到目的地。用于采摘的机器人相较于前一种机器人而言较为简单，通常是机械手臂，辅助农民进行采摘。一些农作物在采摘过程中较为麻烦，且对身体的伤害较大，通常会用到这一类机器人。例如对菠萝的采摘，通常农民在采摘过程中需要戴着手套，但有时还是会对手造成一定的伤害，且有些植株高度和人身高相差较大，因此使用这一类机器人可以大大地提高采摘的效率和保障农民的安全。

最开始农业机器人只有国外在应用，在20世纪的80年代日本就研发出来了樱桃采摘的机器人，这种机器人能够进行采摘果实并且还可以识别出果实的数量。我国这类机器人的研发与应用相对而言要晚得多，直到2009年才研发出来采摘黄瓜的机器人，实行了农业机器零的突破。这一款农业机器人对黄瓜果实的识别主要通过红外光谱进行分析，然后使用立体技术来识别目标，从而能够实现果实的定位。随着技术的发展，我国的农业机器人的研发和应用越来越广泛。

4.2 分拣、检测机器人

分拣类型的机器人也用着一定的应用，主要的作用是对不同的农产品进行自动分拣和检测。对水果和蔬菜进行分类的时候通过其形状、大小、颜色等各方面的特征来进行分类和筛选；还可以对水稻、小麦、玉米等农作物的品质进行检测；其中对农副产品的检测是其最大的特色，这类机器人可以通过机器视觉技术在家禽孵化的早期对其进行生命活力的检测，从而可以剔除掉不能够孵化的蛋，使得孵化率提高。

4.3 喷雾机器人

传统的喷洒农药的方式有着效率低下、喷洒不均匀、浪费率高、污染环境等较多的缺点，且比较浪费人力和物力，造成较高的经济损失。喷雾机器人可以通过机器视觉技术来对所需要喷洒药物的植株进行定向、均匀地喷洒，这样不仅可以使所需要喷洒药物的植物得到良好的喷洒效果还可以节省经济成本。这种机器人的原理是利用机器视觉系统使喷头直接对所需喷洒的植物进行定位，并且利用这一技术根据所要喷洒目标所处的环境、大小等情况进行喷洒角度的调整和喷洒量的控制。例如棉花的生长，在新疆地区种植着大量的棉花，在棉花即将进入收获期时需要喷洒特定的药水使棉花叶子脱落，这样就可以在棉花成熟期时获得更多的棉花，提高棉花的品质。传统的农药喷洒都是种植户们亲自去棉花地里喷洒农药，由于往往是开着特定的车在田里喷洒，一般情况下就会造成一定量棉花的损伤，并且药物喷洒得不均匀也会导致有些棉花的叶子由于没喷到药水而无法脱落，这样就会造成棉花产量的降低。而使用这类机器人就不会出现这种情况，可以让棉花的叶子全部脱落且不会造成浪费和环境的污染，同时也可以提高棉花的产量。使用喷雾机器人后还可以减少员工数量，降低人员成本以及保护环境等各种好处。

4.4 加工机器人

加工机器人主要是对农产品进行特定的加工，在加工的过程中运用到了机器视觉技术，运用这一技术可以对加工的产品进行品质的检测，可以通过反馈回来的信号进行加工的调整。

5.结束语

综上所述，随着我国现代科学技术的不断深化，现如今机器视觉技术在农业机械上得到的重视越来越高，研究农业机械的方向越来越多，运用的也越来越广泛。对于农业大国的我国，如果能够将机器视觉更好的应用于农业机械上，可以使农业机械发展得更好。将会大幅度提高我国农产品的生产效率和产量，对我国农业发展将会产生深远的影响。