大学生用AI“爆改”田间除草 小型激光除草机从实验室走向田间
发布日期：2024-11-12 15:48:58
尽管农业现代化水平已经有了大幅提升，但是杂草依然是人类农业一大威胁。
安徽师范大学计算机与信息学院“草影无踪”团队尝试用青年科技力量助力高效除草。该团队历时5年，深入走访8家农业企业，走进32个农户家中，在万余次模型训练、6万行代码的基础上，终于让小型激光除草机从实验室走向田间地头。其工作原理是：杂草幼苗阶段，通过激光灼烧，烧断根茎，从而“烧死”杂草；杂草生长成熟期，灼烧茎叶，破坏细胞结构，阻碍营养传递，从而“饿死”杂草。
此前，该团队的《草影无踪——新型单尾蝎式激光除草机》项目已斩获第十一届“挑战杯”安徽省大学生创业计划竞赛金奖以及安徽省大学生创新大赛（2024）银奖。
学计算机的学生为何瞄准了农业
“我是农民的孩子，从小看着老一辈亲手拔去杂草，十分辛劳且效率很低。”“草影无踪”团队队长、2022级物联网工程专业的闫星星说，在学校“花津创客营”的培训中，了解到激光的多种功能，于是便思考是否可以加大激光功率，以达到除杂草的目标。
“在与杂草的斗争中，人工除草成本高，化学除草污染重。机械除草凭借高效环保的先天优势，逐渐成为行业可持续发展的必然选择。”在他看来，计算机与农业机械的结合是现代农业发展的必然趋势：“机械结构决定产品的下限，而运用的算法知识决定了产品的上限。”
据团队指导老师赵传信分析，激光除草技术作为当前国内外新出现的技术，具有降低农业劳动强度、减少除草剂使用等优点，市场前景较为广阔。“考虑到专业特点，我们选择从融合物联网、人工智能和机器人技术为一体的小型激光除草机器人项目入手，充分结合学生们的专业知识，锻炼他们的实践能力和创新精神。”
为了填补同学们在特定领域的知识空白，指导教师们主动构建跨学科研究平台，邀请来自农业科学、自动化技术、机器人工程等领域的专家学者，提供专业指导。
基于这一背景，团队成员展开适用于小型经济组织的轻型激光除草机的实地调查和试点工作。在走访中，团队了解到自动化除草为大势所趋，而目前只有激光除草实现了市场化。于是团队把研发方向定位为一款适合小型经济组织的轻型激光除草机。
随着调研的深入开展，“草影无踪”团队将实地调研范围扩大到以安徽为中心的周边省份，开启以江西、江苏等为代表的8省调研之旅。
5年来，这支团队不断壮大。2019年，还在读本科的姚彦成暑期社会实践时，萌发了科技创新的想法，于是开始组队，到现在已经接续传承了两批人。2022年，闫星星成为第二批的主力队员，主要负责第二代和第三代产品的研发和市场化。目前团队共有15人，主要来自物联网工程、计算机科学与技术、电子信息工程等专业，其中，3人为硕士研究生。
目前市场上技术成熟的设备为国外一家公司生产的激光除草机，售价高达20万美元。
“我们的产品定位于垄间窄域作业，体积轻量化，目前配备了一套激光头和两套双目相机，产品售价在人民币1万元左右。”闫星星说。为解决现有产品的应用痛点，团队通过扩大杂草作物训练集，研发出高效、灵活、低成本的单尾蝎式激光除草机。
“就像让一群蚂蚁在迷宫中寻找从起点到终点的最短路径，蚂蚁能绕过障碍物，找到一条不撞墙的最佳路线。”闫星星介绍，他们采用改进的蚁群算法进行机械臂路径优化，使其能够选择一条从起始点到目的点的最优路径，避免在转动运作过程与障碍物发生碰撞。
团队搭建辅助轮越障模型，在原有履带式的小车上附加了辅助轮，建立重心运动模型，结合加速度与倾斜程度等信息，调整参数帮助小车顺利爬坡越障。如同汽车卡在坑洼地中，有人从后方推一把，助力它回到平地上。
团队还研发融合轮廓检测的双目视觉增强识别定位技术，实现对杂草/蔬菜的识别。如同给机器装上一双智能眼睛，能精确找到杂草的位置，并计算出灼烧杂草的最佳点。
在团队成员的接力攻关下，激光除草机已经进化出第三代产品。其中，二代机相较于一代机有了明显的改进：首先，将轮式改为全履带式底盘，同时增加了辅助轮，大幅提升了越障能力；其次，对激光器进行了功率上的调整，提升了除草效率，节约了除草时间。同时研发ESCOLR算法，提高了杂草识别定位的精确度。今年年初，团队成员在网上看到双尾蝎式战斗机的介绍，受此启发，经过商讨，三代机最终采用双蝎式的布局，大大提高了除草的效率。
从实验室到田间地头有多远
生产出来的除草机能否适应现实环境，只有在田间地头才能找到确定的答案。为此，团队来到安徽阜阳一家中药材种植基地进行首次实验，起初大家都欣喜于除草机的稳定运行，然而突然吹来的一阵大风，让机器难以准确定位东倒西歪的杂草。
发现问题只是第一步，如何解决才是关键。“团队第一次进行产品验证，就遇到环境干扰导致的定位误差问题，随后我们改进算法，增加了反馈机制，让设备在风吹草动时也能正常工作。”团队成员刘宇航说。
此外，团队在阜南县江山蔬菜大棚基地又遇到了一个挑战：瓜架的存在阻挡了机械臂的定点转动。为了解决这一问题，他们在路径规划算法中增加了避障功能，使得机械臂能绕开障碍物到达目标点。
而在岳西县一家茶叶合作社进行实地测试时，团队发现原先在实验室环境中设计的越障算法，并不能满足实际应用的需求。为此，又增设了辅助轮摆臂结构。
值得一提的是，在阜阳的首次试验中，团队还成功解决了因农残过高而降低中草药药性的问题，得到了农户高度认可，并顺利卖出第一台设备。历经5年探索、三代更迭，激光除草机经历900小时、49公里的稳定运行，终于成功走出实验室，走向田间地头。
截至目前，“草影无踪”团队与阜阳一家中草药种植基地和岳西县一家茶叶生产合作社签订意向合作协议，以及除草服务合同和产品采购合同，总金额超100万元。团队提供全套服务，包括环境评估、定制除草、意外情况处理、设备维护等工作。
团队在安徽阜南县郜台乡江山种植园进行了对比测试，依托第三方机构的鉴定，相较于之前的除草剂除草，使用激光除草机，作物的营养物质含量提升了近40%。同时，除草误伤率降低，10亩上海青的产量增加了18%。此外，对安徽芜湖市新联村一片辣椒田的回访统计显示，采用激光除草机后，农药使用量减少了30%。
目前，团队成员共授权11项专利、软件著作权，发表7篇论文。“一种全生命周期电池荷电状态的预测方法”“农作物病害识别模型的训练方法及农作物病害识别方法”等专利，在小车导航优化、能源管理、电池监控及农作物病害识别等方面实现了技术创新。
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