ROBOT INDUSTRY
“世界棉花看中国，中国棉花看新疆”，新疆已成为中国最大、世界重要的棉花产区。近年来，新疆棉花种植产业已基本建立全程机械化技术体系，以机械化采收为主线的棉花种植方法得到大规模推广。
图1 纬尔科技棉花打顶机器人
在棉花生长过程中，择植株生长 旺盛的时机，去除“一叶一心”，即棉花植株的顶部和一片初生叶片，抑制顶端优势，调节植株养分多向分支运输，这种提高果实产量的方法叫做“打顶”。
有调查数据显示，相较于传统机械打顶和药物打顶，新疆植棉大户普遍更加认可人工打顶的效果。然而，人工打顶需要劳动力多、效率低，与当前棉花生产轻简化方向不一致。有数据测算，人工打顶的费用为每亩地60~90元，新疆生产建设兵团每年开展棉花人工打顶工作的花费高达2.432亿元。
灌溉、施肥和病虫害防治等植保环节，同打顶一起被认为是棉花种植全流程的重中之重。前者已衍生出精准、绿色、智能的植保手段。由于打顶过程涉及对棉花植株的精细操作，且传统机械打顶和药物打顶对植株的损伤程度高，因此棉花种植领域对工作效率高、漏打率低的自动化棉花打顶方案需求日益凸显。
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感知环境，精准打顶
关注到棉花打顶这一“机器替代”难题，来自深圳市纬尔科技有限公司（以下简称“纬尔科技”）的初创团队，从棉花顶精准检测技术做起，逐步推出成熟的棉花智能打顶机器人解决方案。
纬尔科技创始人柳铮谈道：“最初做市场调研时，我们就注意到棉花打顶流程相较棉花种植其他环节来说，机械化率显著偏低。团队发现，传统棉花打顶机械使用‘一把揪’的方式打顶，市场上以棉花顶识别为基础的智能棉花打顶解决方案只有不到70%的成功识别率，因为它们依旧无法应对棉花植株叶片互相遮挡的问题。”
图2 纬尔科技棉花打顶机器人
无法在视野中看到棉花顶，又如何精准去除棉株顶心顶叶呢？纬尔科技研究团队自建千万级棉花顶叶数据集，为机器人搭载3组双目视觉三维系统，利用双目视觉三维重建算法，帮助机器人精准识别不同性状的棉花顶，从而推理出适宜切割的位置。打顶机器人能通过传感器判断棉花的高低，驱动高速旋转的割刀升高或者降低，为棉株精准打顶。该机器人的棉花顶识别率高达99%以上，打顶率高达95%，漏打率低于人工打顶。
传统机械打顶操作不够稳、准，经常造成对蕾铃的碰撞或过度挤压，从而导致部分蕾铃损坏甚至脱落，影响产量和品质。考虑到以上误伤情形，纬尔科技研发团队为棉花智能打顶机器人的割刀配备刀罩，能够有效保护棉花顶部的其他茎叶，最终将误伤率降至2%以内。
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高效作业，抢抓农时
新型农机农械能否受到种植户的欢迎，除农艺执行度外，还要考虑单亩经济效益。机器人具备3组双目视觉摄像头做图像识别，36个机械臂同时上下作业，棉花智能打顶机器人能够24小时在田间工作，不分昼夜和天气，一小时打顶十亩地，作业综合效率是传统人工棉花打顶的50倍，为棉花种植户带来显著的经济效益。
为确保高水平作业，机器人的行进速度被控制在3km/h左右。“机器行进越快，对系统整体时延的要求就越高。首先，团队将电气系统一系列链路延时降到最低；其次，团队优化机械结构的设计，保证机器人在执行任务时具备较高的实时性；最后，在动作策略上，根据任务时序，我们将比较紧急的路径和不太紧急的路径拆分，做提前的运动预处理，”柳铮分析说，“相当于运动员在鸣枪前的起跑姿势，割刀在执行任务前把状态调节至最佳，以便将后续的执行时间压缩到最短。”
想要帮助精准作业模式普及和落地，就要简化繁琐的操作配套设施。机器人可以一键启动作业模式，由高地隙拖拉机牵引完成打顶任务，大屏触控平板上能够实时查看机器人行驶里程和速度、机械臂健康度、当前打顶率和作业面积，以及实时监控打顶情况，输出作业质量报告。目前，纬尔科技研发的棉花智能打顶机器人已经在新疆的10个地区完成田间测试，协助新疆农业服务商承接超10万亩棉花打顶任务。
图3 棉花打顶机器人控制中心
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农业机器人是农械最终形态
无论是诸如播种机、收割机的传统农业机械，还是以农业机器人为代表的新式农械，都是用以支撑引领农业强国建设的农业科技。柳铮认为，智能农机与农业机器人的概念在本质上无法割裂，二者的区别主要在于人工智能技术应用深度不同。
人工智能技术能够赋能机器人识别田间环境、分析植株长势、获取自身定位等。柳铮表示，机器视觉对精准农业的深度发展有着重大意义。他分析道：“人类日常从视觉中获取到的信息量远高于其他感官，机器人也一样。使用机器人关键技术栈替代农机解决农业困境，关键在于机器人环境感知能力和数据集建设完整度，而这两种要素的提升都离不开机器视觉的加入。”一方面，机器人通过双目视觉，判断如何调控作业机构来更贴合作业标准要求。另一方面，农业生产大模型需要充足的数据集为支柱，而这些数据需要机器视觉搭载在机器人上实现收集。
因此，在机器视觉的帮助下，我国农业生产精度、效率和标准化程度还有很大提升空间，各类农用机械向迎合用户经济效益的方向迭代，将以更智能、更精准、更绿色的农业机器人形态，惠及农业生产全流程。
图4 纬尔科技智能对行除草机器人
在棉花种植领域外，纬尔科技在除草和插秧作业领域，相继推出智能对行除草机器人和插秧作业质量监测模组。智能对行除草机器人采用高精度视觉模组，用于高效完成植株行间除草作业。该机器人除草精度可达±2.5cm，除草率最高可达95%以上，一小时可以作业上百亩，有效帮助农户解决有机作物的除草问题，减少人工用量，提高作物品质和产量。插秧作业质量监测模组通过摄像模组采集作业结果，通过算法分析当前插秧作业有无缺苗，并通过灯光提示。机器人将分析结果上传至云平台，系统汇总整个检测数据，农户可以自定义查看缺苗热力图，有助于实现规模农田的信息化、无人化建设，提高插秧作业的质量和效率。
图5 纬尔科技插秧作业质量监测模组
现阶段，棉花智能打顶机器人已在新疆等国内主要棉花种植区取得了显著的应用成果。柳铮提出，当前农机实验鉴定领域存在短板弱项，纬尔科技积极推动新产品《农业机械推广鉴定大纲》落地，同时注重关怀种植户需求，以灵活的售后模式宣传农业机器人的便利性和高效益性。据悉，在棉花耕、种、管、收全流程智能化种植体系中，仍有部分农艺亟待推广精细作业模式，纬尔科技研发团队将持续专注于大田管理环节，研发棉花生长期全流程信息化管理技术，推动机器人感知能力提升和精准作业能力突破实现双管齐下，助力我国农机农械智能化发展再上新台阶。
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