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　　機(jī)器人摘番茄，聰明又高效

　　“溫室番茄采摘常面臨成熟-半熟混合的場(chǎng)景，且果實(shí)常常被植株、葉片遮擋。機(jī)器人強(qiáng)行采摘不僅效率低，還可能損傷植株。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所機(jī)器視覺(jué)與農(nóng)業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席柴秀娟說(shuō)，在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中，機(jī)器人在密植環(huán)境下采摘需要面對(duì)相機(jī)視角受限、果實(shí)分布復(fù)雜等挑戰(zhàn)。

　　基于這樣的研究背景，柴秀娟團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)出一種數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能溫室采摘系統(tǒng)，能有效解決現(xiàn)代溫室番茄生產(chǎn)密植環(huán)境下，機(jī)器人采摘效率低、易損傷植株的問(wèn)題。

　　這套系統(tǒng)的核心，在于通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)重建一個(gè)高度還原的虛擬番茄溫室。系統(tǒng)包括溫室數(shù)據(jù)掃描、孿生建模、強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練與真實(shí)采摘執(zhí)行四個(gè)環(huán)節(jié)。

　　團(tuán)隊(duì)成員郎一寧介紹：“首先，機(jī)器人搭載的滑軌式深度相機(jī)會(huì)沿溫室逐行掃描，采集高精度的RGB-D數(shù)據(jù)。滑軌能從更多視角、更大范圍獲取信息，相當(dāng)于給機(jī)器人‘打開(kāi)了眼界’，讓它擁有溫室全局視野。”

　　隨后，系統(tǒng)會(huì)將果實(shí)、枝葉等全部在三維空間中重建，生成一個(gè)可交互的數(shù)字孿生溫室。在虛擬環(huán)境中，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法會(huì)嘗試不同采摘策略。“我們通過(guò)數(shù)字孿生環(huán)境下的訓(xùn)練，讓模型形成決策能力，包括手臂軌跡規(guī)劃、番茄優(yōu)先級(jí)選擇、采摘模式選擇等。”柴秀娟說(shuō)。

　　訓(xùn)練完成后，模型被部署到機(jī)器人中，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字世界到現(xiàn)實(shí)世界的“遷移”。值得一提的是，這一算法具有通用性，不需要在每個(gè)溫室重新訓(xùn)練，具備可推廣性優(yōu)勢(shì)。

　　在真實(shí)溫室的測(cè)試中，這套系統(tǒng)展現(xiàn)出采摘效率提升、機(jī)械臂移動(dòng)距離縮短、與植株的碰撞率降低等明顯優(yōu)勢(shì)。郎一寧說(shuō)：“目前單果平均采摘時(shí)效已能控制在8秒以內(nèi)，在復(fù)雜場(chǎng)景下依然保持穩(wěn)定表現(xiàn)。”

　　“傳統(tǒng)系統(tǒng)視野有限，只能局部決策。我們把訓(xùn)練環(huán)境從低還原度的簡(jiǎn)化空間提升到高度真實(shí)的三維孿生環(huán)境，使得強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型的策略更加成熟。”柴秀娟說(shuō)，這正是該系統(tǒng)相較國(guó)內(nèi)外同類研究的一大突破。

　　智能番茄采摘只是開(kāi)始。團(tuán)隊(duì)成員表示，這套系統(tǒng)具備較強(qiáng)的泛化能力，有望推廣至其他溫室果蔬作物的采摘與管理任務(wù)中。

　　該研究得到北京市智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金等項(xiàng)目資助。