Робот для "спрятанной" клубники
Исследователи из WSU разработали робота, который может собирать «спрятанную клубнику»
Клубника — нежная ягода, которую трудно собирать: она легко мнётся и часто прячется под листьями.
Это создаёт проблемы для учёных, пытающихся разработать роботизированные комбайны. Теперь команда из Университета штата Вашингтон разработала комбайн, в котором сочетаются система технического зрения на основе искусственного интеллекта, мягкие силиконовые «пальцы» и вентилятор, который аккуратно отодвигает листья, чтобы добраться до спрятанных плодов.
Эксперименты в лаборатории и в полевых условиях показали, что комбайн правильно распознавал клубнику в среднем в 80 % случаев и мог определить, были ли ягоды спрятаны, в 93 % случаев.
Проектирование, разработка и тестирование роботизированного комбайна — это шаг на пути к повышению коммерческой эффективности роботизированной уборки урожая на открытых полях. Этой теме посвящена статья опубликованная в июле в журнале Computers and Electronics in Agriculture.
Это создаёт проблемы для учёных, пытающихся разработать роботизированные комбайны. Теперь команда из Университета штата Вашингтон разработала комбайн, в котором сочетаются система технического зрения на основе искусственного интеллекта, мягкие силиконовые «пальцы» и вентилятор, который аккуратно отодвигает листья, чтобы добраться до спрятанных плодов.
Эксперименты в лаборатории и в полевых условиях показали, что комбайн правильно распознавал клубнику в среднем в 80 % случаев и мог определить, были ли ягоды спрятаны, в 93 % случаев.
Проектирование, разработка и тестирование роботизированного комбайна — это шаг на пути к повышению коммерческой эффективности роботизированной уборки урожая на открытых полях. Этой теме посвящена статья опубликованная в июле в журнале Computers and Electronics in Agriculture.
Ведущим автором был Цзысюань Хэ, который завершил работу и защитил докторскую диссертацию на факультете инженерии биологических систем в Университете штата Вашингтон, а затем стал научным сотрудником в Орхусском университете в Дании.
Среди соавторов — Манодж Карки, бывший профессор Вашингтонского университета, изучавший автоматизацию сельского хозяйства, который недавно получил должность в Корнеллском университете и продолжает работать по совместительству в BSE; а также Цинь Чжан, почётный профессор и бывший директор Центра точных и автоматизированных сельскохозяйственных систем Вашингтонского университета в Проссере.
По прогнозам, рынок клубники стоимостью 20 миллиардов долларов будет расти на 6% в год в течение следующего десятилетия, но отрасль испытывает нехватку рабочей силы, что приводит к росту цен и потенциально ограничивает объёмы урожая.
Университетские и частные исследователи уже много лет разрабатывают технологии роботизированного сбора урожая, но пока не удалось довести их до коммерческого применения. Одна из проблем заключается в том, что многие ягоды на клубничных кустах скрыты под листьями, из-за чего роботизированным системам сложно распознавать и собирать плоды.
«Подобные инновационные подходы необходимы для повышения доступности фруктов и эффективности сбора урожая, а значит, и для расширения практического применения роботов-сборщиков», — говорит Карки.
Большая часть предыдущих работ по созданию роботизированных уборочных машин была посвящена ягодам, выращенным в теплицах, или «настольным» системам, в которых ягоды свисают ниже уровня растения, что снижает риск засорения и позволяет более простым роботизированным уборочным машинам успешно собирать урожай.
Среди соавторов — Манодж Карки, бывший профессор Вашингтонского университета, изучавший автоматизацию сельского хозяйства, который недавно получил должность в Корнеллском университете и продолжает работать по совместительству в BSE; а также Цинь Чжан, почётный профессор и бывший директор Центра точных и автоматизированных сельскохозяйственных систем Вашингтонского университета в Проссере.
По прогнозам, рынок клубники стоимостью 20 миллиардов долларов будет расти на 6% в год в течение следующего десятилетия, но отрасль испытывает нехватку рабочей силы, что приводит к росту цен и потенциально ограничивает объёмы урожая.
Университетские и частные исследователи уже много лет разрабатывают технологии роботизированного сбора урожая, но пока не удалось довести их до коммерческого применения. Одна из проблем заключается в том, что многие ягоды на клубничных кустах скрыты под листьями, из-за чего роботизированным системам сложно распознавать и собирать плоды.
«Подобные инновационные подходы необходимы для повышения доступности фруктов и эффективности сбора урожая, а значит, и для расширения практического применения роботов-сборщиков», — говорит Карки.
Большая часть предыдущих работ по созданию роботизированных уборочных машин была посвящена ягодам, выращенным в теплицах, или «настольным» системам, в которых ягоды свисают ниже уровня растения, что снижает риск засорения и позволяет более простым роботизированным уборочным машинам успешно собирать урожай.
Команда Университета штата Вашингтон разработала более сложный комбайн, ориентирующийся в полевых условиях. Робот — четырёхколёсная тележка с платформой для компьютерной системы, которая проезжает над рядами клубники, — использует систему технического зрения, которая применяет методы искусственного интеллекта для определения местоположения ягод
«У нас есть 3D-камера, которая делает два снимка: один — цветной, а второй показывает глубину, — говорит Цзысюань Хэ. — Затем мы используем модель машинного обучения, чтобы найти клубнику на основе информации о характеристиках плода, сопоставленной с данными о глубине, и таким образом определяем её местоположение».
Комбайн рассчитывает, как роботизированные манипуляторы и захваты должны приближаться к фруктам и собирать их. Ключевой особенностью является система вентиляторов, которая обеспечивает постоянный поток воздуха через трубки, расположенные рядом с мягкими силиконовыми захватами.
Воздушные потоки перемещают листья, чтобы захваты могли добраться до клубники. Эффективность сбора урожая значительно повысилась благодаря системе вентиляторов. В ходе испытаний без использования вентиляторов комбайны собирали 58 % спелых плодов, а с использованием вентиляторов этот показатель вырос до 74 %.
Для того чтобы система работала в полевых условиях, важно повысить её эффективность. В частности, необходимо увеличить скорость: в среднем комбайну требовалось 20 секунд, чтобы с помощью веерной системы найти и собрать ягоду.
Цзысюань Хэ говорит, что система вентиляторов может быть полезна при разработке роботизированных комбайнов для сбора других культур, таких как виноград, где существует проблема осыпания. Он говорит, что в обозримом будущем роботизированные комбайны вряд ли полностью заменят людей — скорее всего, фермеры, выращивающие клубнику, будут использовать роботизированные системы в дополнение к человеческому труду.
«Сейчас эта технология не сможет полностью заменить ручной труд, но она может стать очень перспективным дополнением, когда на объекте не хватает людей», — говорит он.
«У нас есть 3D-камера, которая делает два снимка: один — цветной, а второй показывает глубину, — говорит Цзысюань Хэ. — Затем мы используем модель машинного обучения, чтобы найти клубнику на основе информации о характеристиках плода, сопоставленной с данными о глубине, и таким образом определяем её местоположение».
Комбайн рассчитывает, как роботизированные манипуляторы и захваты должны приближаться к фруктам и собирать их. Ключевой особенностью является система вентиляторов, которая обеспечивает постоянный поток воздуха через трубки, расположенные рядом с мягкими силиконовыми захватами.
Воздушные потоки перемещают листья, чтобы захваты могли добраться до клубники. Эффективность сбора урожая значительно повысилась благодаря системе вентиляторов. В ходе испытаний без использования вентиляторов комбайны собирали 58 % спелых плодов, а с использованием вентиляторов этот показатель вырос до 74 %.
Для того чтобы система работала в полевых условиях, важно повысить её эффективность. В частности, необходимо увеличить скорость: в среднем комбайну требовалось 20 секунд, чтобы с помощью веерной системы найти и собрать ягоду.
Цзысюань Хэ говорит, что система вентиляторов может быть полезна при разработке роботизированных комбайнов для сбора других культур, таких как виноград, где существует проблема осыпания. Он говорит, что в обозримом будущем роботизированные комбайны вряд ли полностью заменят людей — скорее всего, фермеры, выращивающие клубнику, будут использовать роботизированные системы в дополнение к человеческому труду.
«Сейчас эта технология не сможет полностью заменить ручной труд, но она может стать очень перспективным дополнением, когда на объекте не хватает людей», — говорит он.