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盡管農業(yè)現代化水平已經有了大幅提升，但雜草依然是人類農業(yè)一大威脅。近日，安徽師范大學計算機與信息學院正在全力備戰(zhàn)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽決賽。此前，該團隊的《草影無蹤——新型單尾蝎式激光除草機》項目已斬獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎以及安徽省大學生創(chuàng)新大賽(2024)銀獎。

“草影無蹤”團隊歷時5年，深入走訪8家農業(yè)企業(yè)，走進32位農戶家中，在萬余次模型訓練、六萬行代碼的基礎上，終于讓小型激光除草機從實驗室走向田間地頭，助力高效除草。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，破壞細胞結構，阻礙營養(yǎng)傳遞，從而“餓死”雜草。

圖為團隊成員在進行設備和實驗操作。安徽師大供圖

學計算機的學生為何瞄準了農業(yè)

“我是農民的孩子，從小看著老一輩親手拔去雜草，十分辛勞且效率很低。在學校‘花津創(chuàng)客營’培訓上，老師為我們點燃了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的火苗。”“草影無蹤”團隊隊長、2022級物聯網工程專業(yè)的閆星星說，在這次培訓會上，了解到激光的種種功能，于是便思考是否可以加大激光功率，以達到除雜草的目標。

“在與雜草的斗爭中，人工除草成本高，化學除草污染重。機械除草憑借高效環(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，計算機與農業(yè)機械的結合是現代農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，“機械結構決定我們產品的下限，而運用的算法知識決定了我們產品的上限。”

據團隊指導老師趙傳信分析，激光除草技術作為當前國內外新出現的技術，具有降低農業(yè)勞動強度、減少除草劑使用等優(yōu)點，市場前景較為廣闊。“考慮到專業(yè)特點，我們選擇融合物聯網、人工智能和機器人技術為一體的小型激光除草機器人項目入手，充分結合學生們的專業(yè)知識，鍛煉他們的實踐能力和創(chuàng)新精神。”

為了填補同學們在特定領域的知識空白，指導教師們主動構建跨學科研究平臺，邀請來自農業(yè)科學、自動化技術、機器人工程等領域的專家學者，提供專業(yè)指導。

基于這一背景，團隊成員展開適用于小型經濟組織的輕型激光除草機的實地調查和試點工作。團隊實地走訪了部分農業(yè)基地，了解到目前主要是采取化學除草和半自動化除草。其中人工除草成本高，化學除草污染重，半自動化除草易損傷作物。自動化除草為大勢所趨。

通過走訪安徽省重點高校實驗室，發(fā)現現有自動化除草方式中，目前只有激光除草實現了市場化。于是團隊把研發(fā)方向定位為一款適合小型經濟組織的輕型激光除草機。

隨著調研的深入開展，“草影無蹤”團隊將實地調研范圍擴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省調研之旅。

圖為團隊成員在進行設備和實驗操作。安徽師大供圖

找到解決“痛點”的最優(yōu)解

在調研中，團隊發(fā)現：國內外現有激光除草技術存在著除草場景單一，地形適應性差，作物誤除率高等痛點。現有激光除草技術均采用“自頂向下”掃描，且無復雜的識別定位功能，導致除草場景專一，僅適用于作物幼苗時期除草。加上機器體型龐大，大多采用輪式結構，地形適應性差，僅適應平坦開闊地形。

目前市場上技術成熟的設備為國外一家公司生產的激光除草機，售價高達20萬美金。

“我們的產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，產品售價在人民幣1萬元左右。”閆星星說，為解決現有產品的應用痛點，團隊通過擴大雜草作物訓練集，改進基于蟻群算法的除草臂路徑規(guī)劃技術、搭建輔助輪越障模型、研發(fā)融合輪廓檢測的雙目視覺增強識別定位技術，研發(fā)出高效、靈活、低成本的單尾蝎式激光除草機。

“就像讓一群螞蟻在迷宮中尋找從起點到終點的最短路徑，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，他們采用改進的蟻群算法進行機械臂路徑優(yōu)化，使其能夠選擇一條從起始點到達目的點的最優(yōu)路徑，避免在轉動運作過程與障礙物發(fā)生碰撞。

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，建立重心運動模型，結合加速度與傾斜程度等信息，調整參數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。

研發(fā)融合輪廓檢測的雙目視覺增強識別定位技術，實現對雜草/蔬菜的識別。如同給機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。

圖為團隊成員在進行設備和實驗操作。安徽師大供圖

從實驗室到田間地頭有多遠

生產出來的除草機能否適應現實環(huán)境，只有在田間地頭才能找到確定的答案。為此，團隊來到安徽阜陽一家中藥材種植基地進行首次實驗，起初大家都欣喜于除草機的穩(wěn)定運行，然而突然吹來的一陣大風，讓機器難以準確定位東倒西歪的雜草。

發(fā)現問題只是第一步，如何解決才是關鍵。“團隊第一次進行產品驗證，就遇到環(huán)境干擾導致的定位誤差問題，隨后我們改進算法，增加了反饋機制，讓設備在風吹草動時也能正常工作。”團隊成員劉宇航說。

此外，團隊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械臂的定點轉動。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，使得機械臂能繞開障礙物到達目標點。

而在岳西縣一家茶葉合作社進行實地測試時，發(fā)現原先在實驗室環(huán)境中設計的越障算法，并不能滿足實際應用的需求。為此，增設了輔助輪擺臂結構，使得擺臂電機通過控制擺臂的擺動幅度，調整設備的質心位置。只要設備的質心能夠通過障礙物的關鍵邊界線，就能夠確保設備順利越過障礙。

值得一提的是，在阜陽的首次試驗中，還成功解決了因農殘過高而降低中草藥藥性的問題，得到了農戶高度認可，并順利賣出第一臺設備。歷經五年探索、三代更迭，激光除草機經歷900小時、49公里的穩(wěn)定運行，終于成功走出實驗室，走向田間地頭。

截至目前，“草影無蹤”團隊與阜陽一家中草藥種植基地和岳西縣一家茶葉生產合作社簽訂意向合作協議，以及除草服務合同和產品采購合同，總金額超100萬元。團隊提供全套服務，包括環(huán)境評估，定制除草，意外情況處理，設備維護等工作。

團隊在安徽阜南縣郜臺鄉(xiāng)江山種植園進行了對比測試，依托第三方機構的鑒定，相較于之前的除草劑除草，使用激光除草機，作物的營養(yǎng)物質含量提升了近40%。同時，除草誤傷率降低，10畝上海青的產量增加了18%。此外，在對安徽蕪湖市新聯村一片辣椒田的回訪統計顯示，采用激光除草機后，農藥使用量減少了30%。

目前，團隊成員共授權11項專利軟著，發(fā)表7篇論文，如“基于可變網格劃分的異常軌跡檢測方法”“無線可充電傳感器網絡中多輛移動充電車的混合調度策略”等，在小車導航優(yōu)化、能源管理和電池監(jiān)控等方面實現了技術創(chuàng)新。

通過與代加工廠合作，團隊實現了科研成果的成功轉化和批量生產。同時，也有意向投資人看中了團隊的技術創(chuàng)新和市場潛力，表示提供資金支持，這將進一步推動產品的技術升級和市場擴展。

“近年來，學校各級團組織持續(xù)聚焦科創(chuàng)育人，以學校學科振興行動計劃為依托，以地方經濟社會發(fā)展需求為牽引，以‘行走的思政課堂’實踐育人項目為載體，以‘挑戰(zhàn)杯’等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事為抓手，鼓勵廣大同學敢于想象、勇于突破、善于創(chuàng)造，努力把論文寫在祖國大地上。”安徽師范大學團委書記廖仲明說。

圖為團隊成員在進行設備和實驗操作。安徽師大供圖