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盡管農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平已經(jīng)有了大幅提升，但雜草依然是人類農(nóng)業(yè)一大威脅。近日，安徽師范大學計算機與信息學院正在全力備戰(zhàn)第十四屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽決賽。此前，該團隊的《草影無蹤——新型單尾蝎式激光除草機》項目已斬獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎以及安徽省大學生創(chuàng)新大賽(2024)銀獎。

“草影無蹤”團隊歷時5年，深入走訪8家農(nóng)業(yè)企業(yè)，走進32位農(nóng)戶家中，在萬余次模型訓練、六萬行代碼的基礎(chǔ)上，終于讓小型激光除草機從實驗室走向田間地頭，助力高效除草。其工作原理是：雜草幼苗階段，通過激光灼燒，燒斷根莖，從而“燒死”雜草;雜草生長成熟期，灼燒莖葉，破壞細胞結(jié)構(gòu)，阻礙營養(yǎng)傳遞，從而“餓死”雜草。

圖為團隊成員在進行設(shè)備和實驗操作。安徽師大供圖

學計算機的學生為何瞄準了農(nóng)業(yè)

“我是農(nóng)民的孩子，從小看著老一輩親手拔去雜草，十分辛勞且效率很低。在學校‘花津創(chuàng)客營’培訓上，老師為我們點燃了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的火苗。”“草影無蹤”團隊隊長、2022級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的閆星星說，在這次培訓會上，了解到激光的種種功能，于是便思考是否可以加大激光功率，以達到除雜草的目標。

“在與雜草的斗爭中，人工除草成本高，化學除草污染重。機械除草憑借高效環(huán)保的先天優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。”在他看來，計算機與農(nóng)業(yè)機械的結(jié)合是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，“機械結(jié)構(gòu)決定我們產(chǎn)品的下限，而運用的算法知識決定了我們產(chǎn)品的上限。”

據(jù)團隊指導老師趙傳信分析，激光除草技術(shù)作為當前國內(nèi)外新出現(xiàn)的技術(shù)，具有降低農(nóng)業(yè)勞動強度、減少除草劑使用等優(yōu)點，市場前景較為廣闊。“考慮到專業(yè)特點，我們選擇融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機器人技術(shù)為一體的小型激光除草機器人項目入手，充分結(jié)合學生們的專業(yè)知識，鍛煉他們的實踐能力和創(chuàng)新精神。”

為了填補同學們在特定領(lǐng)域的知識空白，指導教師們主動構(gòu)建跨學科研究平臺，邀請來自農(nóng)業(yè)科學、自動化技術(shù)、機器人工程等領(lǐng)域的專家學者，提供專業(yè)指導。

基于這一背景，團隊成員展開適用于小型經(jīng)濟組織的輕型激光除草機的實地調(diào)查和試點工作。團隊實地走訪了部分農(nóng)業(yè)基地，了解到目前主要是采取化學除草和半自動化除草。其中人工除草成本高，化學除草污染重，半自動化除草易損傷作物。自動化除草為大勢所趨。

通過走訪安徽省重點高校實驗室，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有自動化除草方式中，目前只有激光除草實現(xiàn)了市場化。于是團隊把研發(fā)方向定位為一款適合小型經(jīng)濟組織的輕型激光除草機。

隨著調(diào)研的深入開展，“草影無蹤”團隊將實地調(diào)研范圍擴大到以安徽為中心的周邊省份，開啟以江西、江蘇等為代表的8省調(diào)研之旅。

圖為團隊成員在進行設(shè)備和實驗操作。安徽師大供圖

找到解決“痛點”的最優(yōu)解

在調(diào)研中，團隊發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)外現(xiàn)有激光除草技術(shù)存在著除草場景單一，地形適應(yīng)性差，作物誤除率高等痛點?，F(xiàn)有激光除草技術(shù)均采用“自頂向下”掃描，且無復(fù)雜的識別定位功能，導致除草場景專一，僅適用于作物幼苗時期除草。加上機器體型龐大，大多采用輪式結(jié)構(gòu)，地形適應(yīng)性差，僅適應(yīng)平坦開闊地形。

目前市場上技術(shù)成熟的設(shè)備為國外一家公司生產(chǎn)的激光除草機，售價高達20萬美金。

“我們的產(chǎn)品定位于壟間窄域作業(yè)，體積輕量化，目前配備了一套激光頭和兩套雙目相機，產(chǎn)品售價在人民幣1萬元左右。”閆星星說，為解決現(xiàn)有產(chǎn)品的應(yīng)用痛點，團隊通過擴大雜草作物訓練集，改進基于蟻群算法的除草臂路徑規(guī)劃技術(shù)、搭建輔助輪越障模型、研發(fā)融合輪廓檢測的雙目視覺增強識別定位技術(shù)，研發(fā)出高效、靈活、低成本的單尾蝎式激光除草機。

“就像讓一群螞蟻在迷宮中尋找從起點到終點的最短路徑，螞蟻能繞過障礙物，找到一條不撞墻的最佳路線。”閆星星介紹，他們采用改進的蟻群算法進行機械臂路徑優(yōu)化，使其能夠選擇一條從起始點到達目的點的最優(yōu)路徑，避免在轉(zhuǎn)動運作過程與障礙物發(fā)生碰撞。

搭建輔助輪越障模型，在原有履帶式的小車上附加了輔助輪，建立重心運動模型，結(jié)合加速度與傾斜程度等信息，調(diào)整參數(shù)幫助小車順利爬坡越障。如同汽車卡在坑洼地中，有人從后方推一把，助力它回到平地上。

研發(fā)融合輪廓檢測的雙目視覺增強識別定位技術(shù)，實現(xiàn)對雜草/蔬菜的識別。如同給機器裝上一雙智能眼睛，能精確找到雜草的位置，并計算出灼燒雜草的最佳點。

圖為團隊成員在進行設(shè)備和實驗操作。安徽師大供圖

從實驗室到田間地頭有多遠

生產(chǎn)出來的除草機能否適應(yīng)現(xiàn)實環(huán)境，只有在田間地頭才能找到確定的答案。為此，團隊來到安徽阜陽一家中藥材種植基地進行首次實驗，起初大家都欣喜于除草機的穩(wěn)定運行，然而突然吹來的一陣大風，讓機器難以準確定位東倒西歪的雜草。

發(fā)現(xiàn)問題只是第一步，如何解決才是關(guān)鍵。“團隊第一次進行產(chǎn)品驗證，就遇到環(huán)境干擾導致的定位誤差問題，隨后我們改進算法，增加了反饋機制，讓設(shè)備在風吹草動時也能正常工作。”團隊成員劉宇航說。

此外，團隊在阜南縣江山蔬菜大棚基地又遇到了一個挑戰(zhàn)：瓜架的存在阻擋了機械臂的定點轉(zhuǎn)動。為了解決這一問題，他們在路徑規(guī)劃算法中增加了避障功能，使得機械臂能繞開障礙物到達目標點。

而在岳西縣一家茶葉合作社進行實地測試時，發(fā)現(xiàn)原先在實驗室環(huán)境中設(shè)計的越障算法，并不能滿足實際應(yīng)用的需求。為此，增設(shè)了輔助輪擺臂結(jié)構(gòu)，使得擺臂電機通過控制擺臂的擺動幅度，調(diào)整設(shè)備的質(zhì)心位置。只要設(shè)備的質(zhì)心能夠通過障礙物的關(guān)鍵邊界線，就能夠確保設(shè)備順利越過障礙。

值得一提的是，在阜陽的首次試驗中，還成功解決了因農(nóng)殘過高而降低中草藥藥性的問題，得到了農(nóng)戶高度認可，并順利賣出第一臺設(shè)備。歷經(jīng)五年探索、三代更迭，激光除草機經(jīng)歷900小時、49公里的穩(wěn)定運行，終于成功走出實驗室，走向田間地頭。

截至目前，“草影無蹤”團隊與阜陽一家中草藥種植基地和岳西縣一家茶葉生產(chǎn)合作社簽訂意向合作協(xié)議，以及除草服務(wù)合同和產(chǎn)品采購合同，總金額超100萬元。團隊提供全套服務(wù)，包括環(huán)境評估，定制除草，意外情況處理，設(shè)備維護等工作。

團隊在安徽阜南縣郜臺鄉(xiāng)江山種植園進行了對比測試，依托第三方機構(gòu)的鑒定，相較于之前的除草劑除草，使用激光除草機，作物的營養(yǎng)物質(zhì)含量提升了近40%。同時，除草誤傷率降低，10畝上海青的產(chǎn)量增加了18%。此外，在對安徽蕪湖市新聯(lián)村一片辣椒田的回訪統(tǒng)計顯示，采用激光除草機后，農(nóng)藥使用量減少了30%。

目前，團隊成員共授權(quán)11項專利軟著，發(fā)表7篇論文，如“基于可變網(wǎng)格劃分的異常軌跡檢測方法”“無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中多輛移動充電車的混合調(diào)度策略”等，在小車導航優(yōu)化、能源管理和電池監(jiān)控等方面實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

通過與代加工廠合作，團隊實現(xiàn)了科研成果的成功轉(zhuǎn)化和批量生產(chǎn)。同時，也有意向投資人看中了團隊的技術(shù)創(chuàng)新和市場潛力，表示提供資金支持，這將進一步推動產(chǎn)品的技術(shù)升級和市場擴展。

“近年來，學校各級團組織持續(xù)聚焦科創(chuàng)育人，以學校學科振興行動計劃為依托，以地方經(jīng)濟社會發(fā)展需求為牽引，以‘行走的思政課堂’實踐育人項目為載體，以‘挑戰(zhàn)杯’等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事為抓手，鼓勵廣大同學敢于想象、勇于突破、善于創(chuàng)造，努力把論文寫在祖國大地上。”安徽師范大學團委書記廖仲明說。

圖為團隊成員在進行設(shè)備和實驗操作。安徽師大供圖