基于視覺感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準授粉裝置研發(fā)

基于視覺感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準授粉裝置研發(fā)
作者：李果? 西北農(nóng)林科技大學
【摘要】： 獼猴桃果樹是雌雄異株、異花授粉植物,因其存在雌雄花期相遇不良、花蜜少等問題,導致自然授粉能力差。輔助授粉成為獼猴桃果園提高果實產(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)仍費時費力，成本較高。當前果農(nóng)和臨聘工人大多缺乏農(nóng)藝知識培訓，人工作業(yè)隨意性強，其授粉質(zhì)量因人而異，影響產(chǎn)量和商品果率。少量已報道的授粉機，未搭載智能化的精準控制系統(tǒng)，與授粉農(nóng)藝結(jié)合不夠緊密，存在授粉質(zhì)量不高、花粉用量大等問題。本文在深入研究獼猴桃授粉農(nóng)藝的基礎上，融合雌花生長階段與狀態(tài)信息和雌花位置分布信息，研發(fā)基于視覺感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準授粉裝置，實現(xiàn)冠層中優(yōu)勢雌花的精準授粉，提高授粉質(zhì)量。

▲獼猴桃花粉授粉

主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：(1)獼猴桃精準授粉裝置總體方案設計。分析獼猴桃種植特點和冠層雌花分布及農(nóng)藝特征，選擇在冠層下方區(qū)域進行獼猴桃雌花目標感知識別和優(yōu)勢雌花授粉作業(yè)。通過對比分析噴粉法和噴霧授粉的優(yōu)劣，選擇導向性強、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。針對獼猴桃樹栽培模式特點和生長特性,確定豎直向上拍攝獼猴桃花期冠層的圖像采集方式、采集設備和圖像采集時間和地點。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)不同生長階段雌花花朵特點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)集的標記對象類別及其標注方法等。然后，制作用于深度學習網(wǎng)絡的專屬圖像數(shù)據(jù)集，按照4:1的比例隨機劃分訓練數(shù)據(jù)集和驗證數(shù)據(jù)集，并確定了花期冠層數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)擴增方法。將擴增后所有默然格式標記文件轉(zhuǎn)換為YOLO網(wǎng)絡專屬格式標記文件，制作YOLO網(wǎng)絡的訓練數(shù)據(jù)集和驗證數(shù)據(jù)集,以便后續(xù)網(wǎng)絡訓練和評估。

▲sungold kiwifruit

(3)基于YOLOv5l的花期冠層視覺感知系統(tǒng)構(gòu)建。綜合考慮試驗硬件平臺條件、模型大小、檢測精度和可移植性，選擇YOLOv5l對獼猴桃冠層多目標數(shù)據(jù)集進行訓練和評估。由YOLOv5l訓練得到網(wǎng)絡模型的14個類別檢測精度值均在95%以上，其m AP為98.4%，檢測性能出色，且其模型大小僅89.4 MB，并在本文訓練平臺和圖像像素為4068×3456像素下，其平均檢測速度為15.50 ms/幅。為實現(xiàn)結(jié)果枝上優(yōu)勢雌花精準判定，根據(jù)標準化獼猴桃園棚架式種植模式的冠層農(nóng)藝特點，提出基于結(jié)果枝上雌花生長階段與位置分布的優(yōu)勢雌花判定方法。使用張正友相機標定法對Real Sense D435的彩色鏡頭相機進行標定，并獲取其相機參數(shù)，用于目標定位?；赗GB-D相機空間坐標轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)目標雌花坐標從像素坐標系轉(zhuǎn)換到相機坐標系，確定相機坐標系到世界坐標系的相互轉(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。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、導向性強、霧化特性好等優(yōu)點的氣液雙流式噴霧授粉方式，設計了帶有圓臺型回收裝置的末端執(zhí)行器，完成了噴霧控制系統(tǒng)設計和硬件選型,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平臺，選取噴霧氣壓、流量和噴霧距離為變化因素，設計三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。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)精準對靶噴霧授粉裝備搭建與實地試驗。完成了對靶授粉裝備的整體方案設計、整機搭建和控制系統(tǒng)設計，并進行對靶噴霧預試驗和實地果園授粉試驗，驗證了授粉裝備的有效性。根據(jù)相機與機械臂第一軸的相對位置關系確定了相機外參，開展定位試驗和測算了定位誤差，滿足本文授粉定位要求。完成了室內(nèi)對靶噴霧預試驗，已得：視覺感知模塊處理圖像所需時間約為1 s，本授粉裝備對單朵花平均授粉時間約為2 s。完成了實地果園授粉試驗，雙流式對靶噴霧授粉區(qū)域坐果率為88.5%，僅比人工點授區(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)勢雌花授粉區(qū)域所結(jié)果實的平均果重僅比人工點授少了1.7 g,其平均果徑接近人工點授。綜上所述，本文針對標準化獼猴桃果園，研制了基于視覺感知和雙流式噴霧的獼猴桃精準授粉裝置。基于YOLO5l的視覺感知模塊實現(xiàn)了對花期冠層圖像的精準檢測、優(yōu)勢雌花判定和三維定位?；跉庖弘p流式噴嘴的噴霧模塊，為整機提供了可靠的授粉部件。機械臂對靶模塊可將噴霧模塊移動至指定位置并對準雌花，進而完成噴霧授粉作業(yè)。本文融合授粉農(nóng)藝、計算機視覺、雙流式噴霧和機器人等技術(shù)，對冠層雌花進行差異化花朵靶向精準授粉，以期構(gòu)建獼猴桃智慧果園授粉作業(yè)的新模式。
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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)，市級先進扶貧企業(yè)。其中獼猴桃花粉項目是中國單體面積最大的獼猴桃花粉園，單體采粉園達到了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