Un sistema de iluminación innovador diseñado para el módulo de visión artificial de robots agrícolas

Un sistema de iluminación innovador diseñado para el módulo de visión artificial de robots agrícolas

Un científico vuela un dron sobre un huerto de manzanas en el Centro de Investigación Agrícola Russell E. Larson en Penn State. El dron se utilizó para grabar un video de demostración del mecanismo de visión artificial con iluminación LED de sobrecorriente. Fuente: Stan Penn

Un nuevo sistema de cámara basado en iluminación activa, desarrollado por científicos de Penn State, podría ser un paso clave en el desarrollo de sistemas de visión artificial que permitirán a los dispositivos robóticos «ver» con mayor claridad los objetivos agrícolas con los que responderán.

Según el líder del equipo Daeun Choi, profesor asistente de ingeniería agrícola y biológica en la Facultad de Ciencias Agrícolas, el sistema, que utiliza LED de «exceso de corriente» para producir un potente destello que puede dispararse varias veces por segundo, proporciona imágenes fiables durante todo el día. . Explica que este enfoque elimina la iluminación variable y las inconsistencias de color causadas por la luz solar y elimina en gran medida el desenfoque de movimiento que se produce debido al movimiento del vehículo y la vibración del suelo.

«En el futuro, es probable que se utilice este o un sistema similar para impulsar mecanismos que realicen de forma independiente tareas intensivas en mano de obra como poda de manzanas, estimación del rendimiento de la fruta, raleo de la fruta y recolección de hongos», dijo Choi. «Un aspecto innovador de esta investigación fue que la corriente consumida por las luces LED se multiplicó por seis con respecto a su valor normal, lo que resultó en un aumento de la iluminancia».

La investigación es importante, agregó Choi, ya que cada vez más agricultores están interesados ​​en adoptar tecnología y automatización de agricultura de precisión para aumentar la eficiencia y la productividad. Impulsados ​​por la creciente competencia mundial, la creciente demanda de alimentos por el crecimiento de la población y las expectativas de los consumidores de productos agrícolas de mayor calidad, los fabricantes están recurriendo a sistemas de visión artificial con dispositivos de detección remota para recopilar y analizar datos en aplicaciones agrícolas.

Un miembro del equipo de investigación de Omeed Mirbod, estudiante de doctorado en ingeniería agrícola y biológica, diseñó un circuito para almacenar y liberar energía en los LED para un efecto estroboscópico y un controlador para sincronizar el estroboscopio con la cámara para obtener imágenes. Comenzó a explorar el concepto de luz estroboscópica LED mientras trabajaba en la Universidad Carnegie Mellon, antes de llegar a Penn State, donde se usaban flashes de xenón para imágenes diurnas.

«La IA es buena para tratar con imágenes que son realmente ricas en información, por lo que es importante capturar imágenes de alta calidad», dijo. “En agricultura, necesitamos imágenes que no difieran de las condiciones de iluminación exterior. Si toma una foto donde la fruta está muy saturada de luz debido al sol y luego toma una foto a la sombra donde hay poca luz solar, inteligencia artificial que está entrenando para detectar la fruta, puede tener dificultades para identificarla «.

Los científicos implementaron el sistema en el huerto de manzanas durante tres días en el verano de 2020. Se tomaron fotografías de las distintas estructuras del dosel a lo largo del día, tanto en condiciones soleadas como nubladas. El uso de unidades de flash LED ha dado como resultado una mejora significativa en el brillo de la imagen y la consistencia del color.

En hallazgos publicados recientemente en Computadoras y electrónica en la agriculturaLos científicos informaron que las imágenes capturadas por el sistema prototipo eran de muy alta calidad. Durante 11 horas, las imágenes mostraron una disminución promedio del 85% en la desviación estándar para los canales de valor de saturación de tono en comparación con la configuración de exposición automática. Además, el sistema prototipo pudo corregir el desenfoque de movimiento en las imágenes de visión artificial cuando la cámara se movía alrededor de 4 mph.

Un sistema de iluminación innovador diseñado para el módulo de visión artificial de robots agrícolas

El estudiante de doctorado Omeed Mirbod muestra a los estudiantes de ingeniería de primer año cómo las imágenes de drones podrían funcionar en un huerto de manzanas. Esta foto de laboratorio se tomó antes del enmascaramiento interior requerido. Fuente: Stan Penn

Los resultados muestran que el sistema de flash LED diseñado puede reducir los efectos indeseables de la variación en la iluminación y el desenfoque de movimiento en las imágenes derivadas de las condiciones de campo al aire libre, señaló Mirbod. Añadió que la investigación es necesaria porque la mayor parte de la investigación previa en robótica y visión artificial se ha realizado en interiores.

Las lámparas de flash de xenón se han utilizado para la obtención de imágenes diurnas y los LED para las imágenes nocturnas en estudios anteriores, pero Mirbod consideró que estos estudios eran necesarios ya que nadie había evaluado el rendimiento de las lámparas LED de sobrecorriente para aplicaciones de imágenes diurnas.

«Cuando aplicamos la misma tecnología a los campos agrícolas, enfrentamos muchas dificultades», dijo. “El mayor desafío es el clima y las condiciones variables del sol. Y cuando usamos la configuración de cámara estándar con un sistema de iluminación diseñado para uso en interiores, obtenemos imágenes realmente horribles con las que es difícil trabajar «.

La iluminación LED activa, un concepto de visión artificial diseñado por científicos de Penn State, tiene como objetivo impulsar robots que puedan operar en el campo las 24 horas del día, los siete días de la semana, dijo Mirbod.

«Así que no importa a qué hora trabajen o si hay mucha luz solar», dijo Mirbod. «Porque, en última instancia, queremos sistemas totalmente automatizados que puedan funcionar en el campo en cualquier momento».


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