精確的植物表型是育種家做出明智決定以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需求并為有彈性和可持續(xù)的作物生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)的重要實(shí)踐。

幾十年的廣泛研究已經(jīng)為陸地棉花建立了遺傳資源，陸地棉花是一種具有巨大經(jīng)濟(jì)重要性的全球重要作物。棉花生產(chǎn)每年在美國產(chǎn)生1230億美元的驚人影響，對(duì)全球貿(mào)易和紡織制造業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。在這種情況下，棉花表型發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為農(nóng)學(xué)家提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和有價(jià)值的見解，從而進(jìn)一步推進(jìn)了該領(lǐng)域的研究。

迫切需要能夠精確捕捉植物表型的先進(jìn)技術(shù)，如機(jī)器人和計(jì)算機(jī)視覺。隨著這些技術(shù)的出現(xiàn)，可以進(jìn)行大規(guī)模的基因組選擇和棉花育種。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校機(jī)器人視覺實(shí)驗(yàn)室（RVL）的一組研究人員正在使用哈士奇UGV進(jìn)行棉花自動(dòng)表型分析。

科技奇跡與棉田相遇

人工作物測(cè)量勞動(dòng)密集、耗時(shí)且容易出錯(cuò)。如果沒有機(jī)器人的幫助，數(shù)據(jù)的收集將需要對(duì)多種作物進(jìn)行手動(dòng)操作，然后對(duì)整個(gè)農(nóng)場進(jìn)行測(cè)量。這體現(xiàn)了植物科學(xué)在時(shí)間和空間上都要獲得足夠分辨率的數(shù)據(jù)這一長期挑戰(zhàn)。機(jī)器人技術(shù)的使用使該團(tuán)隊(duì)能夠在大規(guī)模和偏遠(yuǎn)的條件下進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，以極高的精度獲取空間和時(shí)間數(shù)據(jù)。在這種情況下，該團(tuán)隊(duì)使用哈士奇機(jī)器人在棉田內(nèi)遠(yuǎn)程操作，捕捉多模式高分辨率植物表型數(shù)據(jù)。

此外，數(shù)據(jù)的獲取必須在整個(gè)生長過程中持續(xù)重復(fù)，這在大規(guī)模估計(jì)植物性狀時(shí)造成了巨大的負(fù)擔(dān)。其他挑戰(zhàn)來自可變的自然光照、高溫、不受控制的降雨以及相鄰植物之間的植物特征障礙。為了解決這些問題，RVL與專業(yè)從事精確植物表型的經(jīng)驗(yàn)豐富的農(nóng)學(xué)家合作，正在利用哈士奇收集的數(shù)據(jù)來識(shí)別關(guān)鍵的植物特征。這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)集將被用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以推動(dòng)植物科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。

為哈士奇UGV的表型創(chuàng)業(yè)做準(zhǔn)備

該團(tuán)隊(duì)安裝了一個(gè)定制設(shè)計(jì)的傳感臂和一個(gè)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括雙定型相機(jī)。這種創(chuàng)新的設(shè)置使機(jī)器人在作物行中導(dǎo)航時(shí)能夠全面觀察棉花植株的兩側(cè)。此外，在手臂底座上安裝了高精度慣性測(cè)量單元（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）傳感器，以準(zhǔn)確估計(jì)機(jī)器人的位置。數(shù)據(jù)帶有時(shí)間戳，并使用傳感器系統(tǒng)（NVIDIA Xavier）實(shí)時(shí)融合，以確保機(jī)器人上各種傳感器之間的精確時(shí)間同步。最后，將立體相機(jī)與LED燈環(huán)相結(jié)合，照亮機(jī)器人正下方的表面，以直觀地估計(jì)機(jī)器人的里程計(jì)。

前所未有地預(yù)測(cè)棉花產(chǎn)量

通過使用哈士奇進(jìn)行棉花表型分析，該團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建一種可變速率深度壓縮架構(gòu)，該架構(gòu)對(duì)機(jī)器人捕獲的原始3D點(diǎn)云進(jìn)行操作。該體系結(jié)構(gòu)旨在處理大型數(shù)據(jù)集時(shí)，在壓縮效率和保留數(shù)據(jù)的基本特征之間取得平衡。除此之外，還開發(fā)了一個(gè)框架，從哈士奇收集的內(nèi)場視頻數(shù)據(jù)中檢測(cè)和計(jì)數(shù)棉鈴數(shù)量，這是最重要的棉花表型。

團(tuán)隊(duì)注意到哈士奇UGV的主要性能特點(diǎn)是其可靠性、靈活性和運(yùn)行時(shí)間。

?“我們對(duì)機(jī)器人在野外失敗沒有任何問題，也不擔(dān)心它支持我們有效載荷重量和功率需求的能力?！?。William Beksi，德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系助理教授。Beksi博士補(bǔ)充道：“有了鋰電池選項(xiàng)，我們可以在現(xiàn)場運(yùn)行一整天，而不用擔(dān)心電量耗盡。此外，在尋找知名的無人值守地面車輛平臺(tái)時(shí)，我們必須考慮硬件和開源軟件支持等重要因素?！?/p>

這些要求使得團(tuán)隊(duì)選擇了哈士奇UGV作為他們雄心勃勃的事業(yè)。

觀看用哈士奇UGV進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)視頻：

智能農(nóng)業(yè)的未來

該團(tuán)隊(duì)已與得克薩斯理工大學(xué)和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)建立了合作伙伴關(guān)系，并制定了大膽的計(jì)劃，通過檢測(cè)和跟蹤棉鈴的立體多視圖系統(tǒng)來加強(qiáng)對(duì)棉花產(chǎn)量估計(jì)的研究。此外，他們的目標(biāo)是研究使用視覺里程計(jì)和運(yùn)動(dòng)基元在密集的作物行中自主導(dǎo)航機(jī)器人的可能性。最后，他們的目標(biāo)是識(shí)別并整合適合長期機(jī)器人部署的減少的傳感器有效載荷，確保在整個(gè)生長季節(jié)收集數(shù)據(jù)。

參與該項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員包括Joseph Cloud（研究生研究助理）、Md Ahmed Al Muzaddid（研究生助理）、Adly Noore（研究生助手）、Noah Wood（本科生研究助理），Anthony Aiyedun（本科生研究助理）和William Beksi（首席研究員）。

Publications

M.A.A. Muzaddid and W.J. Beksi, “NTrack: A Multiple-Object Tracker and Dataset for Infield Cotton Boll Counting,” IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2023 (conditionally accepted).

M.A.A Muzaddid and W.J. Beksi, “Variable Rate Compression for Raw 3D Point Clouds,” IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 8748-8755, 2022.

如果你想了解更多關(guān)于機(jī)器人視覺實(shí)驗(yàn)室及其工作的信息，你可以訪問他們的網(wǎng)站。https://rvl.uta.edu

如果你想了解更多關(guān)于哈士奇UGV的信息，你可以訪問我們的網(wǎng)站。http://www.jingtianrobots.com/index.php?id=9

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