风送式猕猴桃干粉对靶授粉技术研究及装置设计c
曲旭鹏
【摘要】： 猕猴桃为异花授粉植物，人工辅助授粉可有效提高猕猴桃的品质和产量。针对人工授粉作业效率低、劳动强度大、成本高，机械化授粉装备花粉消耗量大等问题，以棚架式标准化猕猴桃果园为对象，通过分析田间花朵分布特征,确定花朵识别与定位方案，设计风送式计量授粉器，搭建授粉试验平台，确定了授粉器最优控制参数，设计Delta对靶机构的结构参数和控制系统，研究了对靶机构运动控制方法，搭建风送式干粉对靶授粉装置样机，并通过田间试验，验证了授粉作业性能。
▲ Kiwi Fruit Male
主要研究内容如下：(1)对靶授粉农艺参数分析。通过对标准化“海沃德”猕猴桃果园调研和查阅相关资料，得出标准化猕猴桃果园环境参数和花朵分布规律；通过分析猕猴桃充分授粉所需花粉粒数结合花粉质量计算得出，充分授粉的猕猴桃花朵柱头区域纯花粉沉积量应大于4.3×10~(-2)mg。
(2)基于双目视觉的花朵识别与定位方法研究。搭建田间图像采集设备,针对不同天气、不同时间段和不同采集距离等场景采集了猕猴桃花朵图像数据，使用图像增强技术对花朵图像进行扩充。为避免因花瓣残缺或遮挡导致花朵质心与花蕊质心不一致的情况，选取花蕊作为猕猴桃花朵标注特征，训练获得猕猴桃花朵识别模型。基于嵌入式设备中应用需求，使用ShuffleNetV2轻量网络替换YOLOv5n的CSPDarknet主干特征提取网络，使用Ghost卷积替换原网络的普通卷积，构建了GhostConv模块和C3Ghost模块并对原网络颈部的Conv层和C3层进行替换，搭建了改进的YOLOv5n识别网络。改进后网络mAP为98.3%，相较于YOLOv5n原网络m AP降低0.2%，模型参数量、计算量和模型大小分别为0.46M、0.9GFLOPs和1.27M,相较于原网络模型参数量、计算量和模型大小分别减少了70%、78.6%和66%,检测速度为37.1ms，相较于原网络提升了38.4%。采用双目定位方法构建花朵定位算法，实现了猕猴桃花朵的空间定位。通过搭建室内试验棚架，试验分析了花朵定位优化参数，识别距离为500mm，视野范围约为35cm×35cm时可达到10mm的定位精度。
▲kiwi blossoms that have completed pollination
(3)风送式干粉计量授粉器设计与控制参数优化。设计了风送式干粉计量授粉器，通过Fluent软件对授粉器内腔结构进行仿真，分析直管结构和喉管结构对进粉位置处压强与授粉器出口风速的影响，验证了喉管结构更加有利于授粉器进粉口的花粉输入。通过搭建授粉器试验平台，进行多因素试验分析，确定了授粉器优化参数组合为：输粉时间0.7s、风机电压9.6V、授粉距离50mm，对应花粉沉积质量平均为1.314mg，花粉利用率平均为68.55%，花粉覆盖率平均为49.48%。田间试验结果表明，授粉器以优化参数组合进行授粉，坐果率为96.7%，果实平均重量为94.57g，果形指数为1.21，与电动授粉器授粉效果一致,但低于手工点授授粉，花粉用量约为每花2mg，相比手工点授和电动授粉器节约40%和60%。
▲Picking kiwifruit flowers
(4)Delta并联对靶机构设计和控制算法搭建。根据相机视野空间和棚架高度，计算确定机械臂结构与运动参数;建立机械臂简化模型，进行了机械臂运动学分析，建立了机械臂运动学方程，确定了机械臂正逆解运算方法；对机械臂工作空间进行仿真，验证了机械臂结构参数的合理性；基于蚁群算法建立了授粉任务规划数学模型，分析了蚁群算法实现任务规划的具体过程，在MATLAB中测试了基于蚁群算法的机械臂授粉路径规划算法；确定了基于PH曲线的路径规划方法和基于S型速度曲线的轨迹规划方法，并通过分析其仿真条件下X、Y方向上机械臂末端随时间变化的轨迹，验证了该方法可有效避免机械臂运动过程中速度和加速度突变导致的冲击与振动现象。
▲风送式猕猴桃干粉授粉
(5)风送式猕猴桃干粉授粉作业装置样机搭建与试验。结合相机布置参数、授粉器最优控制参数组合和对靶机构相关结构参数搭建了授粉作业装置样机；设计和搭建了整机控制系统与电路系统；通过田间对靶授粉试验，测试了整机识别系统及对靶作业系统性能。本研究所搭建风送式猕猴桃干粉授粉作业装置样机识别系统平均识别准确率为93.3%，平均定位准确率为95.7%；对靶作业系统平均对靶准确率为85.7%；授粉准确率为80%，准确授粉后坐果率为91.7%，单花授粉时间约为4s。相较于人工授粉的方式，本研究所试制样机在授粉效率上并无明显优势，但基于人工智能识别、机械臂自动化授粉作业以及花粉的精确计量的作业方式,在花粉节约、授粉效果一致性以及人力替代等方面具有综合优势。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2023
▲新西兰果园猕猴桃喷雾湿式授粉
