基于視覺(jué)感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準(zhǔn)授粉裝置研發(fā)

基于視覺(jué)感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準(zhǔn)授粉裝置研發(fā)
作者：李果? 西北農(nóng)林科技大學(xué)
【摘要】： 獼猴桃果樹(shù)是雌雄異株、異花授粉植物,因其存在雌雄花期相遇不良、花蜜少等問(wèn)題,導(dǎo)致自然授粉能力差。輔助授粉成為獼猴桃果園提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的必要途徑。然而，人工輔助授粉作業(yè)屬于勞動(dòng)密集型，雖研發(fā)有手持式輔助授粉器提高作業(yè)效率，但授粉作業(yè)仍費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高。當(dāng)前果農(nóng)和臨聘工人大多缺乏農(nóng)藝知識(shí)培訓(xùn)，人工作業(yè)隨意性強(qiáng)，其授粉質(zhì)量因人而異，影響產(chǎn)量和商品果率。少量已報(bào)道的授粉機(jī)，未搭載智能化的精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，與授粉農(nóng)藝結(jié)合不夠緊密，存在授粉質(zhì)量不高、花粉用量大等問(wèn)題。本文在深入研究獼猴桃授粉農(nóng)藝的基礎(chǔ)上，融合雌花生長(zhǎng)階段與狀態(tài)信息和雌花位置分布信息，研發(fā)基于視覺(jué)感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準(zhǔn)授粉裝置，實(shí)現(xiàn)冠層中優(yōu)勢(shì)雌花的精準(zhǔn)授粉，提高授粉質(zhì)量。

▲獼猴桃花粉授粉

主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：(1)獼猴桃精準(zhǔn)授粉裝置總體方案設(shè)計(jì)。分析獼猴桃種植特點(diǎn)和冠層雌花分布及農(nóng)藝特征，選擇在冠層下方區(qū)域進(jìn)行獼猴桃雌花目標(biāo)感知識(shí)別和優(yōu)勢(shì)雌花授粉作業(yè)。通過(guò)對(duì)比分析噴粉法和噴霧授粉的優(yōu)劣，選擇導(dǎo)向性強(qiáng)、易用控制花粉量的氣液雙流式噴霧授粉方式。根據(jù)棚架式栽培模式下的工作空間信息和授粉作業(yè)要求，確定了授粉裝備的總體方案及工作流程。

▲獼猴桃雄花蕾

(2)獼猴桃花期冠層圖像采集與數(shù)據(jù)集制作。針對(duì)獼猴桃樹(shù)栽培模式特點(diǎn)和生長(zhǎng)特性,確定豎直向上拍攝獼猴桃花期冠層的圖像采集方式、采集設(shè)備和圖像采集時(shí)間和地點(diǎn)。分析獼猴桃授粉農(nóng)藝、獼猴桃冠層枝干和花朵分布結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同生長(zhǎng)階段雌花花朵特點(diǎn)和雌花授粉之后狀態(tài)改變的特征，確定最終花期冠層圖像數(shù)據(jù)集的標(biāo)記對(duì)象類別及其標(biāo)注方法等。然后，制作用于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的專屬圖像數(shù)據(jù)集，按照4:1的比例隨機(jī)劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，并確定了花期冠層數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)擴(kuò)增方法。將擴(kuò)增后所有默然格式標(biāo)記文件轉(zhuǎn)換為YOLO網(wǎng)絡(luò)專屬格式標(biāo)記文件，制作YOLO網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集,以便后續(xù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和評(píng)估。

▲sungold kiwifruit

(3)基于YOLOv5l的花期冠層視覺(jué)感知系統(tǒng)構(gòu)建。綜合考慮試驗(yàn)硬件平臺(tái)條件、模型大小、檢測(cè)精度和可移植性，選擇YOLOv5l對(duì)獼猴桃冠層多目標(biāo)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和評(píng)估。由YOLOv5l訓(xùn)練得到網(wǎng)絡(luò)模型的14個(gè)類別檢測(cè)精度值均在95%以上，其m AP為98.4%，檢測(cè)性能出色，且其模型大小僅89.4 MB，并在本文訓(xùn)練平臺(tái)和圖像像素為4068×3456像素下，其平均檢測(cè)速度為15.50 ms/幅。為實(shí)現(xiàn)結(jié)果枝上優(yōu)勢(shì)雌花精準(zhǔn)判定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化獼猴桃園棚架式種植模式的冠層農(nóng)藝特點(diǎn)，提出基于結(jié)果枝上雌花生長(zhǎng)階段與位置分布的優(yōu)勢(shì)雌花判定方法。使用張正友相機(jī)標(biāo)定法對(duì)Real Sense D435的彩色鏡頭相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，并獲取其相機(jī)參數(shù)，用于目標(biāo)定位?；赗GB-D相機(jī)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)雌花坐標(biāo)從像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系，確定相機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換方法。

▲采摘獼猴桃雄花

(4)氣液雙流式噴霧授粉裝置研制及試驗(yàn)。根據(jù)獼猴桃栽培農(nóng)藝和授粉控制要求，選用具有易控制花粉噴量、導(dǎo)向性強(qiáng)、霧化特性好等優(yōu)點(diǎn)的氣液雙流式噴霧授粉方式，設(shè)計(jì)了帶有圓臺(tái)型回收裝置的末端執(zhí)行器，完成了噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件選型,并繪制噴霧控制系統(tǒng)電路原理圖。搭建了雙流式噴霧授粉特性試驗(yàn)平臺(tái)，選取噴霧氣壓、流量和噴霧距離為變化因素，設(shè)計(jì)三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。并使“DesignExpert”數(shù)據(jù)處理工具確定雙流式噴嘴的最佳噴施作業(yè)參數(shù)：噴霧距離約為25 cm，花粉液流量約為44 m L/min，霧化氣壓約為58 k Pa。

▲獼猴桃雄花蕾

(5)精準(zhǔn)對(duì)靶噴霧授粉裝備搭建與實(shí)地試驗(yàn)。完成了對(duì)靶授粉裝備的整體方案設(shè)計(jì)、整機(jī)搭建和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行對(duì)靶噴霧預(yù)試驗(yàn)和實(shí)地果園授粉試驗(yàn)，驗(yàn)證了授粉裝備的有效性。根據(jù)相機(jī)與機(jī)械臂第一軸的相對(duì)位置關(guān)系確定了相機(jī)外參，開(kāi)展定位試驗(yàn)和測(cè)算了定位誤差，滿足本文授粉定位要求。完成了室內(nèi)對(duì)靶噴霧預(yù)試驗(yàn)，已得：視覺(jué)感知模塊處理圖像所需時(shí)間約為1 s，本授粉裝備對(duì)單朵花平均授粉時(shí)間約為2 s。完成了實(shí)地果園授粉試驗(yàn)，雙流式對(duì)靶噴霧授粉區(qū)域坐果率為88.5%，僅比人工點(diǎn)授區(qū)域低了4%，比人工噴霧授粉區(qū)域高6.7%。該授粉方式相較于人工點(diǎn)授方式和普通手持噴霧器授粉方式，可分別節(jié)省39%和42%的花粉?；陔p流式噴霧的選擇優(yōu)勢(shì)雌花授粉區(qū)域所結(jié)果實(shí)的平均果重僅比人工點(diǎn)授少了1.7 g,其平均果徑接近人工點(diǎn)授。綜上所述，本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化獼猴桃果園，研制了基于視覺(jué)感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準(zhǔn)授粉裝置?；赮OLO5l的視覺(jué)感知模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)花期冠層圖像的精準(zhǔn)檢測(cè)、優(yōu)勢(shì)雌花判定和三維定位?；跉庖弘p流式噴嘴的噴霧模塊，為整機(jī)提供了可靠的授粉部件。機(jī)械臂對(duì)靶模塊可將噴霧模塊移動(dòng)至指定位置并對(duì)準(zhǔn)雌花，進(jìn)而完成噴霧授粉作業(yè)。本文融合授粉農(nóng)藝、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、雙流式噴霧和機(jī)器人等技術(shù)，對(duì)冠層雌花進(jìn)行差異化花朵靶向精準(zhǔn)授粉，以期構(gòu)建獼猴桃智慧果園授粉作業(yè)的新模式。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2023

▲播宏果業(yè)正在采摘獼猴桃雄花蕾

▲采摘獼猴桃公花

▲獼猴桃公花采收

▲獼猴桃公花采收

▲獼猴桃人工授粉方式

▲采摘獼猴桃雄花

▲Picking kiwifruit flowers

▲▲遵義市播宏獼猴桃果園有限公司是西南地區(qū)最大的獼猴桃果業(yè)公司，種植1200畝高山獼猴桃，是遵義市農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)，市級(jí)先進(jìn)扶貧企業(yè)。其中獼猴桃花粉項(xiàng)目是中國(guó)單體面積最大的獼猴桃花粉園，單體采粉園達(dá)到了400畝，豐產(chǎn)期產(chǎn)花粉400公斤，提供高品質(zhì)、高倍體、高活性的獼猴桃花粉，可以滿足30000畝果園的花粉需要。聯(lián)系微信18030405084