團(tuán)隊(duì)成員在進(jìn)行設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作。安徽師大供圖
盡管農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平已經(jīng)有了大幅提升，但是雜草依然是人類農(nóng)業(yè)一大威脅。
安徽師范大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院“草影無蹤”團(tuán)隊(duì)嘗試用青年科技力量助力高效除草。該團(tuán)隊(duì)歷時5年，深入走訪8家農(nóng)業(yè)企業(yè)，走進(jìn)32個農(nóng)戶家中，在萬余次模型訓(xùn)練、6萬行代碼的基礎(chǔ)上，終于讓小型激光除草機(jī)從實(shí)驗(yàn)室走向田間地頭。其工作原理是：雜草幼苗階段，通過激光灼燒，燒斷根莖，從而“燒死”雜草；雜草生長成熟期，灼燒莖葉，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，阻礙營養(yǎng)傳遞，從而“餓死”雜草。
此前，該團(tuán)隊(duì)的《草影無蹤新型單尾蝎式激光除草機(jī)》項(xiàng)目已斬獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎以及安徽省大學(xué)生創(chuàng)新大賽（2024）銀獎。
學(xué)計算機(jī)的學(xué)生為何瞄準(zhǔn)了農(nóng)業(yè)
“我是農(nóng)民的孩子，從小看著老一輩親手拔去雜草，十分辛勞且效率很低�！薄安萦盁o蹤”團(tuán)隊(duì)隊(duì)長、2022級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的閆星星說，在學(xué)校“花津創(chuàng)客營”的培訓(xùn)中，了解到激光的多種功能，于是便思考是否可以加大激光功率，以達(dá)到除雜草的目標(biāo)。
“在與雜草的斗爭中，人工除草成本高，化學(xué)除草污染重。機(jī)械除草憑借高效環(huán)保的先天優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。”在他看來，計算機(jī)與農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)合是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢：“機(jī)械結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)品的下限，而運(yùn)用的算法知識決定了產(chǎn)品的上限。”
據(jù)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師趙傳信分析，激光除草技術(shù)作為當(dāng)前國內(nèi)外新出現(xiàn)的技術(shù)，具有降低農(nóng)業(yè)勞動強(qiáng)度、減少除草劑使用等優(yōu)點(diǎn)，市場前景較為廣闊�！翱紤]到專業(yè)特點(diǎn)，我們選擇從融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器人技術(shù)為一體的小型激光除草機(jī)器人項(xiàng)目入手，充分結(jié)合學(xué)生們的專業(yè)知識，鍛煉他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。”
為了填補(bǔ)同學(xué)們在特定領(lǐng)域的知識空白，指導(dǎo)教師們主動構(gòu)建跨學(xué)科研究平臺，邀請來自農(nóng)業(yè)科學(xué)、自動化技術(shù)、機(jī)器人工程等領(lǐng)域的專家學(xué)者，提供專業(yè)指導(dǎo)。
基于這一背景，團(tuán)隊(duì)成員展開適用于小型經(jīng)濟(jì)組織的輕型激光除草機(jī)的實(shí)地調(diào)查和試點(diǎn)工作。在走訪中團(tuán)隊(duì)了解到自動化除草為大勢所趨，而目前只有激光除草實(shí)現(xiàn)了市場化。于是團(tuán)隊(duì)把研發(fā)方向定位為一款適合小型經(jīng)濟(jì)組織的輕型激光除草機(jī)。
隨著調(diào)研的深入開展，“草影無蹤”團(tuán)隊(duì)將實(shí)地調(diào)研范圍擴(kuò)大到以安徽為中心的周邊省份，開啟以江西、江蘇等為代表的8省調(diào)研之旅。
5年來，這支團(tuán)隊(duì)不斷壯大。2019年，還在讀本科的姚彥成暑期社會實(shí)踐時，萌發(fā)了科技創(chuàng)新的想法，于是開始組隊(duì)，到現(xiàn)在已經(jīng)接續(xù)傳承了兩批人。2022年，閆星星成為第二批的主力隊(duì)員，主要負(fù)責(zé)第二代和第三代產(chǎn)品的研發(fā)和市場化。目前團(tuán)隊(duì)共有15人，主要來自物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)，其中，3人為碩士研究生。
團(tuán)隊(duì)成員在進(jìn)行設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作。安徽師大供圖
找到解決“痛點(diǎn)”的最優(yōu)解
在調(diào)研中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)外現(xiàn)有激光除草技術(shù)存在著除草場景單一，地形適應(yīng)性差，作物誤除率高等痛點(diǎn)�，F(xiàn)有激光除草技術(shù)均采用“自頂向下”掃描，且無復(fù)雜的識別定位功能，導(dǎo)致除草場景專一，僅適用于作物幼苗時期除草；加之機(jī)器體型龐大，大多采用輪式結(jié)構(gòu)，地形適應(yīng)性差，僅適應(yīng)平坦開闊地形。
目前市場上技術(shù)成熟的設(shè)備為國外一家公司生產(chǎn)的激光除草機(jī)，售價高達(dá)20萬美元。
“我們的產(chǎn)品定位于壟間窄域作業(yè)，體積輕量化，目前配備了一套激光頭和兩套雙目相機(jī)，產(chǎn)品售價在人民幣1萬元左右�！遍Z星星說。為解決現(xiàn)有產(chǎn)品的應(yīng)用痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)通過擴(kuò)大雜草作物訓(xùn)練集，研發(fā)出高效、靈活、低成本的單尾蝎式激光除草機(jī)。
“就像讓一群螞蟻在迷宮中尋找從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑，螞蟻能繞過障礙物，找到一條不撞墻的最佳路線。”閆星星介紹，他們采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行機(jī)械臂路徑優(yōu)化，使其能夠選擇一條從起始點(diǎn)到目的點(diǎn)的最優(yōu)路徑，避免在轉(zhuǎn)動運(yùn)作過程與障礙物發(fā)生碰撞。
團(tuán)隊(duì)搭建輔助輪越障模型，在原有履帶式的小車上附加了輔助輪，建立重心運(yùn)動模型，結(jié)合加速度與傾斜程度等信息，調(diào)整參數(shù)幫助小車順利爬坡越障。如同汽車卡在坑洼地中，有人從后方推一把，助力它回到平地上。
團(tuán)隊(duì)還研發(fā)融合輪廓檢測的雙目視覺增強(qiáng)識別定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對雜草/蔬菜的識別。如同給機(jī)器裝上一雙智能眼睛，能精確找到雜草的位置，并計算出灼燒雜草的最佳點(diǎn)。
在團(tuán)隊(duì)成員的接力攻關(guān)下，激光除草機(jī)已經(jīng)進(jìn)化出第三代產(chǎn)品。其中，二代機(jī)相較于一代機(jī)有了明顯的改進(jìn)：首先，將輪式改為全履帶式底盤，同時增加了輔助輪，大幅提升了越障能力；其次，對激光器進(jìn)行了功率上的調(diào)整，提升了除草效率，節(jié)約了除草時間。同時研發(fā)ESCOLR算法，提高了雜草識別定位的精確度。今年年初，團(tuán)隊(duì)成員在網(wǎng)上看到雙尾蝎式戰(zhàn)斗機(jī)的介紹，受此啟發(fā)，經(jīng)過商討，三代機(jī)最終采用雙蝎式的布局，大大提高了除草的效率。
團(tuán)隊(duì)成員在進(jìn)行設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作。安徽師大供圖
從實(shí)驗(yàn)室到田間地頭有多遠(yuǎn)
生產(chǎn)出來的除草機(jī)能否適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，只有在田間地頭才能找到確定的答案。為此，團(tuán)隊(duì)來到安徽阜陽一家中藥材種植基地進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)，起初大家都欣喜于除草機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，然而突然吹來的一陣大風(fēng)，讓機(jī)器難以準(zhǔn)確定位東倒西歪的雜草。
發(fā)現(xiàn)問題只是第一步，如何解決才是關(guān)鍵�！皥F(tuán)隊(duì)第一次進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證，就遇到環(huán)境干擾導(dǎo)致的定位誤差問題，隨后我們改進(jìn)算法，增加了反饋機(jī)制，讓設(shè)備在風(fēng)吹草動時也能正常工作。”團(tuán)隊(duì)成員劉宇航說。
此外，團(tuán)隊(duì)在阜南縣江山蔬菜大棚基地又遇到了一個挑戰(zhàn)：瓜架的存在阻擋了機(jī)械臂的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動。為了解決這一問題，他們在路徑規(guī)劃算法中增加了避障功能，使得機(jī)械臂能繞開障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
而在岳西縣一家茶葉合作社進(jìn)行實(shí)地測試時，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中設(shè)計的越障算法，并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。為此，又增設(shè)了輔助輪擺臂結(jié)構(gòu)。
值得一提的是，在阜陽的首次試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)還成功解決了因農(nóng)殘過高而降低中草藥藥性的問題，得到了農(nóng)戶高度認(rèn)可，并順利賣出第一臺設(shè)備。歷經(jīng)5年探索、三代更迭，激光除草機(jī)經(jīng)歷900小時、49公里的穩(wěn)定運(yùn)行，終于成功走出實(shí)驗(yàn)室，走向田間地頭。
截至目前，“草影無蹤”團(tuán)隊(duì)與阜陽一家中草藥種植基地和岳西縣一家茶葉生產(chǎn)合作社簽訂意向合作協(xié)議，以及除草服務(wù)合同和產(chǎn)品采購合同，總金額超100萬元。團(tuán)隊(duì)提供全套服務(wù)，包括環(huán)境評估、定制除草、意外情況處理、設(shè)備維護(hù)等工作。
團(tuán)隊(duì)在安徽阜南縣郜臺鄉(xiāng)江山種植園進(jìn)行了對比測試，依托第三方機(jī)構(gòu)的鑒定，相較于之前的除草劑除草，使用激光除草機(jī)，作物的營養(yǎng)物質(zhì)含量提升了近40%。同時，除草誤傷率降低，10畝上海青的產(chǎn)量增加了18%。此外，對安徽蕪湖市新聯(lián)村一片辣椒田的回訪統(tǒng)計顯示，采用激光除草機(jī)后，農(nóng)藥使用量減少了30%。
目前，團(tuán)隊(duì)成員共授權(quán)11項(xiàng)專利、軟件著作權(quán)，發(fā)表7篇論文�！耙环N全生命周期電池荷電狀態(tài)的預(yù)測方法”“農(nóng)作物病害識別模型的訓(xùn)練方法及農(nóng)作物病害識別方法”等專利，在小車導(dǎo)航優(yōu)化、能源管理、電池監(jiān)控及農(nóng)作物病害識別等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。
成明霞 李家榕 中青報中青網(wǎng)記者 王磊 王海涵 來源：中國青年報
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