風送式獼猴桃干粉對靶授粉技術研究及裝置設計

風送式獼猴桃干粉對靶授粉技術研究及裝置設計c
曲旭鵬
【摘要】： 獼猴桃為異花授粉植物，人工輔助授粉可有效提高獼猴桃的品質和產(chǎn)量。針對人工授粉作業(yè)效率低、勞動強度大、成本高，機械化授粉裝備花粉消耗量大等問題，以棚架式標準化獼猴桃果園為對象，通過分析田間花朵分布特征,確定花朵識別與定位方案，設計風送式計量授粉器，搭建授粉試驗平臺，確定了授粉器最優(yōu)控制參數(shù)，設計Delta對靶機構的結構參數(shù)和控制系統(tǒng)，研究了對靶機構運動控制方法，搭建風送式干粉對靶授粉裝置樣機，并通過田間試驗，驗證了授粉作業(yè)性能。

▲ Kiwi Fruit Male

主要研究內(nèi)容如下：(1)對靶授粉農(nóng)藝參數(shù)分析。通過對標準化“海沃德”獼猴桃果園調研和查閱相關資料，得出標準化獼猴桃果園環(huán)境參數(shù)和花朵分布規(guī)律；通過分析獼猴桃充分授粉所需花粉粒數(shù)結合花粉質量計算得出，充分授粉的獼猴桃花朵柱頭區(qū)域純花粉沉積量應大于4.3×10~(-2)mg。

(2)基于雙目視覺的花朵識別與定位方法研究。搭建田間圖像采集設備,針對不同天氣、不同時間段和不同采集距離等場景采集了獼猴桃花朵圖像數(shù)據(jù)，使用圖像增強技術對花朵圖像進行擴充。為避免因花瓣殘缺或遮擋導致花朵質心與花蕊質心不一致的情況，選取花蕊作為獼猴桃花朵標注特征，訓練獲得獼猴桃花朵識別模型?；谇度胧皆O備中應用需求，使用ShuffleNetV2輕量網(wǎng)絡替換YOLOv5n的CSPDarknet主干特征提取網(wǎng)絡，使用Ghost卷積替換原網(wǎng)絡的普通卷積，構建了GhostConv模塊和C3Ghost模塊并對原網(wǎng)絡頸部的Conv層和C3層進行替換，搭建了改進的YOLOv5n識別網(wǎng)絡。改進后網(wǎng)絡mAP為98.3%，相較于YOLOv5n原網(wǎng)絡m AP降低0.2%，模型參數(shù)量、計算量和模型大小分別為0.46M、0.9GFLOPs和1.27M,相較于原網(wǎng)絡模型參數(shù)量、計算量和模型大小分別減少了70%、78.6%和66%,檢測速度為37.1ms，相較于原網(wǎng)絡提升了38.4%。采用雙目定位方法構建花朵定位算法，實現(xiàn)了獼猴桃花朵的空間定位。通過搭建室內(nèi)試驗棚架，試驗分析了花朵定位優(yōu)化參數(shù)，識別距離為500mm，視野范圍約為35cm×35cm時可達到10mm的定位精度。

▲kiwi blossoms that have completed pollination

(3)風送式干粉計量授粉器設計與控制參數(shù)優(yōu)化。設計了風送式干粉計量授粉器，通過Fluent軟件對授粉器內(nèi)腔結構進行仿真，分析直管結構和喉管結構對進粉位置處壓強與授粉器出口風速的影響，驗證了喉管結構更加有利于授粉器進粉口的花粉輸入。通過搭建授粉器試驗平臺，進行多因素試驗分析，確定了授粉器優(yōu)化參數(shù)組合為：輸粉時間0.7s、風機電壓9.6V、授粉距離50mm，對應花粉沉積質量平均為1.314mg，花粉利用率平均為68.55%，花粉覆蓋率平均為49.48%。田間試驗結果表明，授粉器以優(yōu)化參數(shù)組合進行授粉，坐果率為96.7%，果實平均重量為94.57g，果形指數(shù)為1.21，與電動授粉器授粉效果一致,但低于手工點授授粉，花粉用量約為每花2mg，相比手工點授和電動授粉器節(jié)約40%和60%。

▲Picking kiwifruit flowers

(4)Delta并聯(lián)對靶機構設計和控制算法搭建。根據(jù)相機視野空間和棚架高度，計算確定機械臂結構與運動參數(shù);建立機械臂簡化模型，進行了機械臂運動學分析，建立了機械臂運動學方程，確定了機械臂正逆解運算方法；對機械臂工作空間進行仿真，驗證了機械臂結構參數(shù)的合理性；基于蟻群算法建立了授粉任務規(guī)劃數(shù)學模型，分析了蟻群算法實現(xiàn)任務規(guī)劃的具體過程，在MATLAB中測試了基于蟻群算法的機械臂授粉路徑規(guī)劃算法；確定了基于PH曲線的路徑規(guī)劃方法和基于S型速度曲線的軌跡規(guī)劃方法，并通過分析其仿真條件下X、Y方向上機械臂末端隨時間變化的軌跡，驗證了該方法可有效避免機械臂運動過程中速度和加速度突變導致的沖擊與振動現(xiàn)象。

▲風送式獼猴桃干粉授粉

(5)風送式獼猴桃干粉授粉作業(yè)裝置樣機搭建與試驗。結合相機布置參數(shù)、授粉器最優(yōu)控制參數(shù)組合和對靶機構相關結構參數(shù)搭建了授粉作業(yè)裝置樣機；設計和搭建了整機控制系統(tǒng)與電路系統(tǒng)；通過田間對靶授粉試驗，測試了整機識別系統(tǒng)及對靶作業(yè)系統(tǒng)性能。本研究所搭建風送式獼猴桃干粉授粉作業(yè)裝置樣機識別系統(tǒng)平均識別準確率為93.3%，平均定位準確率為95.7%；對靶作業(yè)系統(tǒng)平均對靶準確率為85.7%；授粉準確率為80%，準確授粉后坐果率為91.7%，單花授粉時間約為4s。相較于人工授粉的方式，本研究所試制樣機在授粉效率上并無明顯優(yōu)勢，但基于人工智能識別、機械臂自動化授粉作業(yè)以及花粉的精確計量的作業(yè)方式,在花粉節(jié)約、授粉效果一致性以及人力替代等方面具有綜合優(yōu)勢。
【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

▲新西蘭果園獼猴桃噴霧濕式授粉

▲獼猴桃人工授粉方式