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盡管農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平已經(jīng)有了大幅提升，但雜草依然是人類農(nóng)業(yè)一大威脅。近日，安徽師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院正在全力備戰(zhàn)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽決賽。此前，該團(tuán)隊(duì)的《草影無(wú)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(jì)劃競(jìng)賽金獎(jiǎng)以及安徽省大學(xué)生創(chuàng)新大賽(2024)銀獎(jiǎng)。

“草影無(wú)蹤”團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年，深入走訪8家農(nóng)業(yè)企業(yè)，走進(jìn)32位農(nóng)戶家中，在萬(wàn)余次模型訓(xùn)練、六萬(wàn)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，助力高效除草。其工作原理是：雜草幼苗階段，通過(guò)激光灼燒，燒斷根莖，從而“燒死”雜草;雜草生長(zhǎng)成熟期，灼燒莖葉，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，阻礙營(yíng)養(yǎng)傳遞，從而“餓死”雜草。

圖為團(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

學(xué)計(jì)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。在學(xué)校‘花津創(chuàng)客營(yíng)’培訓(xùn)上，老師為我們點(diǎn)燃了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的火苗。”“草影無(wú)蹤”團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、2022級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的閆星星說(shuō)，在這次培訓(xùn)會(huì)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(dá)到除雜草的目標(biāo)。

“在與雜草的斗爭(zhēng)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(shì)，逐漸成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。”在他看來(lái)，計(jì)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(shì)，“機(jī)械結(jié)構(gòu)決定我們產(chǎn)品的下限，而運(yùn)用的算法知識(shí)決定了我們產(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(guó)內(nèi)外新出現(xiàn)的技術(shù)，具有降低農(nóng)業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、減少除草劑使用等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)前景較為廣闊。“考慮到專業(yè)特點(diǎn)，我們選擇融合物聯(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(shí)，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?cè)谔囟I(lǐng)域的知識(shí)空白，指導(dǎo)教師們主動(dòng)構(gòu)建跨學(xué)科研究平臺(tái)，邀請(qǐng)來(lái)自農(nóng)業(yè)科學(xué)、自動(dòng)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。團(tuán)隊(duì)實(shí)地走訪了部分農(nóng)業(yè)基地，了解到目前主要是采取化學(xué)除草和半自動(dòng)化除草。其中人工除草成本高，化學(xué)除草污染重，半自動(dòng)化除草易損傷作物。自動(dòng)化除草為大勢(shì)所趨。

通過(guò)走訪安徽省重點(diǎn)高校實(shí)驗(yàn)室，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有自動(dòng)化除草方式中，目前只有激光除草實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)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(wú)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。

圖為團(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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有激光除草技術(shù)存在著除草場(chǎng)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(wú)復(fù)雜的識(shí)別定位功能，導(dǎo)致除草場(chǎng)景專一，僅適用于作物幼苗時(shí)期除草。加上機(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(chǎng)上技術(shù)成熟的設(shè)備為國(guó)外一家公司生產(chǎn)的激光除草機(jī)，售價(jià)高達(dá)20萬(wàn)美金。

“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(jià)在人民幣1萬(wàn)元左右。”閆星星說(shuō)，為解決現(xiàn)有產(chǎn)品的應(yīng)用痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)擴(kuò)大雜草作物訓(xùn)練集，改進(jìn)基于蟻群算法的除草臂路徑規(guī)劃技術(shù)、搭建輔助輪越障模型、研發(fā)融合輪廓檢測(cè)的雙目視覺(jué)增強(qiáng)識(shí)別定位技術(shù)，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(guò)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)到達(dá)目的點(diǎn)的最優(yōu)路徑，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)作過(guò)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(yùn)動(dòng)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。

研發(fā)融合輪廓檢測(cè)的雙目視覺(jué)增強(qiáng)識(shí)別定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草/蔬菜的識(shí)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(jì)算出灼燒雜草的最佳點(diǎn)。

圖為團(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(lái)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(lái)到安徽阜陽(yáng)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(lái)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(wèn)題只是第一步，如何解決才是關(guān)鍵。“團(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(wèn)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(dòng)時(shí)也能正常工作。”團(tuán)隊(duì)成員劉宇航說(shuō)。

此外，團(tuán)隊(duì)在阜南縣江山蔬菜大棚基地又遇到了一個(gè)挑戰(zhàn)：瓜架的存在阻擋了機(jī)械臂的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，他們?cè)诼窂揭?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(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)原先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中設(shè)計(jì)的越障算法，并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。為此，增設(shè)了輔助輪擺臂結(jié)構(gòu)，使得擺臂電機(jī)通過(guò)控制擺臂的擺動(dòng)幅度，調(diào)整設(shè)備的質(zhì)心位置。只要設(shè)備的質(zhì)心能夠通過(guò)障礙物的關(guān)鍵邊界線，就能夠確保設(shè)備順利越過(guò)障礙。

值得一提的是，在阜陽(yáng)的首次試驗(yàn)中，還成功解決了因農(nóng)殘過(guò)高而降低中草藥藥性的問(wèn)題，得到了農(nóng)戶高度認(rèn)可，并順利賣出第一臺(tái)設(shè)備。歷經(jīng)五年探索、三代更迭，激光除草機(jī)經(jīng)歷900小時(shí)、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(wú)蹤”團(tuán)隊(duì)與阜陽(yáng)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(gòu)合同，總金額超100萬(wàn)元。團(tuán)隊(duì)提供全套服務(wù)，包括環(huán)境評(píng)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(tái)鄉(xiāng)江山種植園進(jìn)行了對(duì)比測(cè)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量提升了近40%。同時(shí)，除草誤傷率降低，10畝上海青的產(chǎn)量增加了18%。此外，在對(duì)安徽蕪湖市新聯(lián)村一片辣椒田的回訪統(tǒng)計(jì)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)專利軟著，發(fā)表7篇論文，如“基于可變網(wǎng)格劃分的異常軌跡檢測(cè)方法”“無(wú)線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中多輛移動(dòng)充電車的混合調(diào)度策略”等，在小車導(dǎo)航優(yōu)化、能源管理和電池監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

通過(guò)與代加工廠合作，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了科研成果的成功轉(zhuǎn)化和批量生產(chǎn)。同時(shí)，也有意向投資人看中了團(tuán)隊(duì)的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)潛力，表示提供資金支持，這將進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)和市場(chǎng)擴(kuò)展。

“近年來(lái)，學(xué)校各級(jí)團(tuán)組織持續(xù)聚焦科創(chuàng)育人，以學(xué)校學(xué)科振興行動(dòng)計(jì)劃為依托，以地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求為牽引，以‘行走的思政課堂’實(shí)踐育人項(xiàng)目為載體，以‘挑戰(zhàn)杯’等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事為抓手，鼓勵(lì)廣大同學(xué)敢于想象、勇于突破、善于創(chuàng)造，努力把論文寫在祖國(guó)大地上。”安徽師范大學(xué)團(tuán)委書記廖仲明說(shuō)。

圖為團(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