杂交水稻大规模种子生产的机器人净化技术

《Artificial Intelligence in Agriculture》：Robotic purification for large-scale seed production of hybrid rice

　　

淮曲峰|特西|于迪然|东方莉|祁旺|荣凯石|利鹏城湾|王永伟

浙江大学生物系统工程与食品科学学院，中国杭州310058

摘要

中国是杂交水稻种植的主要地区，约有16万公顷的种植面积用于杂交水稻育种。为确保基因纯度、品质和产量稳定性，必须有效去除杂株——这是杂交水稻种子生产中的关键步骤。这就需要严格剔除不合格植株。我们的研究提出了一种分布式架构，由多辆无人地面车辆与一架无人机协同工作，以在大型稻田中执行杂株清除任务。杂交水稻种子田中的异常植株可分为两类：异源植株和异常成熟植株。该系统利用数字表面模型对育种田中的杂株进行全局定位，采用t-SimCLR目标检测算法对异常成熟植株进行局部检测，同时运用运动耦合映射算法对异源植株进行局部检测。实验结果表明，在三次杂株清除作业（拔节期、分蘖期、抽穗期）中，配备切割器的红外机器人系统在杂株清除率、水稻损伤率、实际作业率和冗余作业率等方面均优于配备火焰喷射器或激光喂食器的红外机器人系统。从作业效率来看，在多无人地面车辆与无人机协同工作的模式下，红外机器人（无人地面车辆）在面积为239,827.42平方米（360.94亩）的试验田中以3米/秒的速度移动，平均杂株密度为0.0065株/平方米。在正常低杂株种植条件下，该田地的最大水稻损伤率为0.0881%；而在高杂株处理模式下，配备切割器的系统的水稻损伤率则上升至5.29%。在360.94亩的试验田中，36辆无人地面车辆共行驶了11,391.97米（其中10,554.32米为有效作业距离），总耗时67.15小时。而对于同一块田地，36辆无人地面车辆与无人机协同工作的系统仅需3.48小时即可完成任务，任务完成时间减少了94.82%。这项研究展示了一种分布式空地机器人集群，通过自动杂株清除这一实例，解决了农业领域中的诸多难题，包括动态任务、非结构化导航以及环境不确定性等问题。该系统是一种可行、高效、可扩展且精确的解决方案，能够确保大规模杂交水稻种子生产的基因纯度，为智慧化、现代化农业的发展提供了清晰的蓝图。