基于视觉感知和双流式喷雾的猕猴桃精准授粉装置研发
作者：李果 西北农林科技大学
【摘要】： 猕猴桃果树是雌雄异株、异花授粉植物,因其存在雌雄花期相遇不良、花蜜少等问题,导致自然授粉能力差。辅助授粉成为猕猴桃果园提高果实产量和品质的必要途径。然而，人工辅助授粉作业属于劳动密集型，虽研发有手持式辅助授粉器提高作业效率，但授粉作业仍费时费力，成本较高。当前果农和临聘工人大多缺乏农艺知识培训，人工作业随意性强，其授粉质量因人而异，影响产量和商品果率。少量已报道的授粉机，未搭载智能化的精准控制系统，与授粉农艺结合不够紧密，存在授粉质量不高、花粉用量大等问题。本文在深入研究猕猴桃授粉农艺的基础上，融合雌花生长阶段与状态信息和雌花位置分布信息，研发基于视觉感知和双流式喷雾的猕猴桃精准授粉装置，实现冠层中优势雌花的精准授粉，提高授粉质量。
▲猕猴桃花粉授粉
主要研究内容与结论如下：(1)猕猴桃精准授粉装置总体方案设计。分析猕猴桃种植特点和冠层雌花分布及农艺特征，选择在冠层下方区域进行猕猴桃雌花目标感知识别和优势雌花授粉作业。通过对比分析喷粉法和喷雾授粉的优劣，选择导向性强、易用控制花粉量的气液双流式喷雾授粉方式。根据棚架式栽培模式下的工作空间信息和授粉作业要求，确定了授粉装备的总体方案及工作流程。
▲猕猴桃雄花蕾
(2)猕猴桃花期冠层图像采集与数据集制作。针对猕猴桃树栽培模式特点和生长特性,确定竖直向上拍摄猕猴桃花期冠层的图像采集方式、采集设备和图像采集时间和地点。分析猕猴桃授粉农艺、猕猴桃冠层枝干和花朵分布结构，根据不同生长阶段雌花花朵特点和雌花授粉之后状态改变的特征，确定最终花期冠层图像数据集的标记对象类别及其标注方法等。然后，制作用于深度学习网络的专属图像数据集，按照4:1的比例随机划分训练数据集和验证数据集，并确定了花期冠层数据集的数据扩增方法。将扩增后所有默然格式标记文件转换为YOLO网络专属格式标记文件，制作YOLO网络的训练数据集和验证数据集,以便后续网络训练和评估。
▲sungold kiwifruit
(3)基于YOLOv5l的花期冠层视觉感知系统构建。综合考虑试验硬件平台条件、模型大小、检测精度和可移植性，选择YOLOv5l对猕猴桃冠层多目标数据集进行训练和评估。由YOLOv5l训练得到网络模型的14个类别检测精度值均在95%以上，其m AP为98.4%，检测性能出色，且其模型大小仅89.4 MB，并在本文训练平台和图像像素为4068×3456像素下，其平均检测速度为15.50 ms/幅。为实现结果枝上优势雌花精准判定，根据标准化猕猴桃园棚架式种植模式的冠层农艺特点，提出基于结果枝上雌花生长阶段与位置分布的优势雌花判定方法。使用张正友相机标定法对Real Sense D435的彩色镜头相机进行标定，并获取其相机参数，用于目标定位。基于RGB-D相机空间坐标转换方法实现目标雌花坐标从像素坐标系转换到相机坐标系，确定相机坐标系到世界坐标系的相互转换方法。
▲采摘猕猴桃雄花
(4)气液双流式喷雾授粉装置研制及试验。根据猕猴桃栽培农艺和授粉控制要求，选用具有易控制花粉喷量、导向性强、雾化特性好等优点的气液双流式喷雾授粉方式，设计了带有圆台型回收装置的末端执行器，完成了喷雾控制系统设计和硬件选型,并绘制喷雾控制系统电路原理图。搭建了双流式喷雾授粉特性试验平台，选取喷雾气压、流量和喷雾距离为变化因素，设计三因素五水平二次正交旋转组合试验。并使“DesignExpert”数据处理工具确定双流式喷嘴的最佳喷施作业参数：喷雾距离约为25 cm，花粉液流量约为44 m L/min，雾化气压约为58 k Pa。
▲猕猴桃雄花蕾
(5)精准对靶喷雾授粉装备搭建与实地试验。完成了对靶授粉装备的整体方案设计、整机搭建和控制系统设计，并进行对靶喷雾预试验和实地果园授粉试验，验证了授粉装备的有效性。根据相机与机械臂第一轴的相对位置关系确定了相机外参，开展定位试验和测算了定位误差，满足本文授粉定位要求。完成了室内对靶喷雾预试验，已得：视觉感知模块处理图像所需时间约为1 s，本授粉装备对单朵花平均授粉时间约为2 s。完成了实地果园授粉试验，双流式对靶喷雾授粉区域坐果率为88.5%，仅比人工点授区域低了4%，比人工喷雾授粉区域高6.7%。该授粉方式相较于人工点授方式和普通手持喷雾器授粉方式，可分别节省39%和42%的花粉。基于双流式喷雾的选择优势雌花授粉区域所结果实的平均果重仅比人工点授少了1.7 g,其平均果径接近人工点授。综上所述，本文针对标准化猕猴桃果园，研制了基于视觉感知和双流式喷雾的猕猴桃精准授粉装置。基于YOLO5l的视觉感知模块实现了对花期冠层图像的精准检测、优势雌花判定和三维定位。基于气液双流式喷嘴的喷雾模块，为整机提供了可靠的授粉部件。机械臂对靶模块可将喷雾模块移动至指定位置并对准雌花，进而完成喷雾授粉作业。本文融合授粉农艺、计算机视觉、双流式喷雾和机器人等技术，对冠层雌花进行差异化花朵靶向精准授粉，以期构建猕猴桃智慧果园授粉作业的新模式。
【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
▲播宏果业正在采摘猕猴桃雄花蕾
▲采摘猕猴桃公花
