猕猴桃对靶授粉方法研究与控制系统设计
刘世浩
（猕猴桃授粉）
【摘要】：猕猴桃为异花授粉作物,授粉作业质量决定果实的产量与品质。目前,我国授粉作业主要依赖人工,作业效率低、花粉消耗大、授粉效果难以保证。花朵识别与对靶喷射是高效授粉作业的关键技术,开发猕猴桃对靶授粉控制系统可以推动猕猴桃授粉装备的智能化,在猕猴桃产业发展中,具有广阔的应用前景和重要的经济价值。本文以棚架式“海沃德”猕猴桃花朵为对象,开展了猕猴桃对靶授粉控制系统设计与研究。主要研究内容如下:(1)明确Pixy相机最佳对焦距离范围,改善花朵识别准确率。通过Pixy相机成像面积与识别标记面积的相对误差分析,发现对焦距离在15~40 cm时,标记面积与成像面积相对误差值小于5%。依据猕猴桃花朵冠层分距地面垂直高度160~180 cm空间分布规律,确定Pixy相机进行棚架式猕猴桃花朵识别与定位的最佳安装高度为距离地面140~145 cm。(2)确定Pixy相机图像亮度调整依据,并构建成像亮度调整系统,提高Pixy相机自然光照度适应性。通过分析不同光照度条件的花朵图像标记准确率,明确环境光照度与相机成像亮度间的调整关系式:y=-0.0015x+143.95。依据该关系式设计并构建图像亮度调整控制系统,实现了Pixy相机成像亮度的实时自动调整,有效地提高了自然环境光照度条件下Pixy相机的识别效果,并使花朵图像标记准确率可达到95%以上。(3)依据相机像素定位数据,设计区域分割对靶控制算法,实现授粉喷嘴的对靶控制。通过喷嘴与相机空间布局,保证喷嘴喷射区域与相机视野的准确匹配。以空间物理尺寸与图像像素映射关系为依据,通过分析像素平面中花朵可能分布情况,确定每一帧图像中,花朵中心点的纵向坐标值在0~20 pixel或纵向坐标值在21~40 pixel且像素面积大于1256 pixel为喷雾靶标,可防止靶标重复识别与漏识别;通过图像像素与空间区域进行对应转换,将图像像素平面的横向划分为三个区域,针对像素中心点横坐标在0~104 pixel、105~213 pixel、214~320 pixel的靶标,结合延时控制,分别延时打开喷嘴1、2、3进行授粉工作,可防止靶标重复授粉与漏授粉。(4)设计对靶授粉控制系统,完成硬件电路构建与控制程序编写。在明确对靶授粉控制系统总体要求的基础上,完成对控制系统硬件选型,并通过Altium Designer 9对硬件电路进行设计。依据区域分割对靶控制算法,通过Arduino IDE完成了图像亮度调节与花朵数据获取模块、底盘遥控控制模块、延时时长获取模块与对靶授粉执行模块等子程序的开发,以及对靶授粉控制系统总程序的设计与实现。(5)靶标识别与对靶授粉验证试验。通过搭建对靶授粉试验机和授粉环境,分别在高、中、低三种光照度下,对共270朵猕猴桃花进行对靶授粉验证试验。试验结果显示,靶标识别率可达到93.7%,对靶命中率为83.3%。验证了区域分割对靶控制算法的控制精度与对靶授粉控制系统的整体性能。
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