杂草一扫光，环境有保障
IDS uEye+工业相机助力智能机器人自动除草，避免使用除草剂
植物保护产品是当今农业不可或缺的一部分，它们主要用于保护农作物免受杂草和害虫的影响。德国联邦环境局数据显示，2019年除草剂占售出植物保护产品的50.6%。然而，尽管可以达到预期的除草效果，除草剂同时也会为人类和环境带来诸多风险，危害邻近地区的生物多样性和水质。目前生物多样性正日趋恶化。2019年夏天，苏黎世联邦理工学院启动了Rowesys项目，希望开发一款无需过度使用除草剂即可实现农业可持续化的除草机器人。这款机器人的下面安装了IDS生产的采用GigE视觉接口的uEye+工业相机。
Application
该项目团队由10名电气工程、机械工程和工业设计专业的学生组成，他们仅用了9个月的时间就开发出第一款名为“Rosie”的功能性机器人原型机。原型机配有可保护内部零部件的外壳，内部是两块大容量的电池和一个内含系统大部分电子元件的控制箱。机器人采用铝型材骨架。利用四个独立控制的鹅掌式铁锹，Rosie可以用纯机械的方式清除垄间杂草。这些铁锹位于机器人的后侧，可以深入土壤，清除每排植物的左右两侧的杂草。这意味着，使用这种机器人之后，就可以避免使用对环境有害的除草剂。机器人可以在田间自动导航，大大减轻了农民的工作量。同时，也可以通过操纵杆来直观、顺畅地控制机器人。
为了实现田间自动导航，Rosie必须首先能够感知每排植物的确切位置和田地尽头。为此，机器人配备了多个相机和感应器，并搭载了路径和位置识别算法。根据采集的数据，机器人通常可以沿着识别出的田地内一排排的植物行进。当到达田地尽头时，机器人切换为转弯模式，并寻找下一排植物。机器人不断重复该过程，直到完成整片田地的除草作业。由于采用四台电机，每个车轮都可以独立控制。Rosie运行灵活，并且能原地转弯。
该团队目前正在对系统进行深入研发和优化，并且已经将各类监控任务提上日程。其目的是希望在较长时间内观察植物，以便为农民或育种者提供植物生长行为的信息。为此，Rosie还额外配备了强大的IDS工业相机。“根据相机捕获的图像，我们可以将杂草与作物区分开来，从而在不使用除草剂的情况下除草。” 机器人下方的活动工具应该也能清除植物周围的杂草。“未来，利用智能图像处理，我们还能提取更多信息——从产量预测数据到植物病害的早期发现，”苏黎世联邦理工学院Rowesys重点项目的Timo Schönegg解释道。
相机安装在机器人的底部，垂直向下。当机器人穿过田地时，它会从上方捕捉植物的图像。利用神经网络，可以进行上述分析，具体取决于应用情况。未来，这些信息应该可以帮助农民在早期阶段采取措施，例如防止真菌感染。目前Rosie已被用于甜菜、小麦和玉米田间试验。
Camera
使用的相机型号必须满足田间使用场景的特殊规格要求。“为了进行评估，我们需要一台搭载高分辨率色彩传感器和低曝光时间的相机，即使机器人在不断地移动，也能捕捉清晰的图像。由于相机会暴露在野外的恶劣条件下，具体取决于天气情况，因此还必须能够防尘防水，”Timo Schönegg解释道。筛选相机的其他标准包括与Linux/ROS的兼容性、紧凑的结构、快速数据传输和较短的响应时间。另外还应考虑使用广角镜头的可能性。
Rowesys团队最终决定采用GV-5040FA-C-HQ型号的uEye+相机。
我们对选用的相机非常满意，它完全满足我们的高要求。我们可以收集过去数月的大量数据，用于进一步训练我们的软件。
该型号属于uEye FA系列，防护等级为IP65/67，因此尤为坚固耐用，适用于各种苛刻的环境。这款相机集成了像素预处理、查找表和伽马校正等功能，因此对算力的要求降低。
GV-5040FA-C-HQ型号相机搭载索尼Pregius IMX273全局快门CMOS传感器，即使在光线不足或拍摄快速移动物体时，画质依然出色。索尼这款传感器在感光度和高动态范围方面尤其出众。其分辨率为158万像素（1456 x 1088），帧率为78.0 fps。
机器人控制和传感器数据读取均以编程语言C++的形式通过机器人操作系统库ROS实现。市面上已经有IDS相机对应的功能性ROS驱动，因此可以将其轻松集成到相机中。为了进一步进行图像处理，Rowesys团队利用内部开发的算法来区分杂草和作物。“我们目前正计划根据记录的数据，利用机器学习算法预测作物产量、发现植物病害，”Timo Schönegg说道。
Outlook
今后，农业机器人将发挥越来越重要的作用。为了能够在不同环境、光线和天气状况下完成各类任务，机器人不仅要有强大的图像处理软件，还要有可靠的相机。未来机器人可以搭载各种各样的相机系统—从3D相机到多光谱相机。Rowesys团队将继续努力，重点研究以相机为基础的智能解决方案，通过创新技术助力打造更加可持续的高效农业。杂草一扫光！告别除草剂！绿色环保！
GigE uEye FA工业相机--功能强大又坚固耐用
- 型号：GV-5040FA
- 接口：以太网
- 传感器类型：CMOS
- 生产商：Sony
- 帧率：78.0 fps
- 分辨率：158万像素
- 快门：全局快门
- 传感器格式：1456 mm x 1088 mm
- 尺寸：41.0 mm x 53.0 mm x 42.7 mm
- 重量：173g
- 连接器：GigE M12，旋入式
- 应用领域：机器视觉、机械工程、计量、表面检测、物流、工厂和流程自动化等
客户
Rowesys - 机器人除草系统- 是一个旨在减少过度使用除草剂的学生实践项目。为了实现这一愿景，苏黎世联邦理工学院成立了一个由10名积极进取的学生、8名专业教练和赞助商组成的团队。他们共同研发了一款自动除草机器人，利用视觉传感器来检测和消灭杂草。成效如何？可节省时间的用户友好的杂草控制系统。https://rowesys.ethz.ch/
