基于信息感知的獼猴桃噴霧授粉方法研究

作者：劉浩洲 西北農(nóng)林科技大學(xué)
關(guān)鍵詞： 獼猴桃授粉；花朵識(shí)別；信息感知；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；授粉末端執(zhí)行器；
基金資助： 陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新項(xiàng)目《獼猴桃采摘、授粉多功能機(jī)器人的研制》資助(項(xiàng)目編號(hào) 2015KTCQ02-12)；

▲獼猴桃花粉電子顯微鏡下照片

獼猴桃果實(shí)品質(zhì)依賴于授粉作業(yè)質(zhì)量，自然狀態(tài)下風(fēng)媒授粉坐果率低，因此必須進(jìn)行人工授粉。獼猴桃花期短，授粉工作量大，由于農(nóng)村人口老齡化等問題導(dǎo)致授粉時(shí)勞動(dòng)力短缺，亟需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。同時(shí),獼猴桃花粉收集成本較高，傳統(tǒng)粗放式機(jī)械化作業(yè)方法不適用于獼猴桃授粉。為減少機(jī)械化作業(yè)過程中的花粉消耗，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)靶授粉。其中，信息感知是對(duì)靶授粉關(guān)鍵技術(shù)，使機(jī)械化授粉過程中能自動(dòng)識(shí)別獼猴桃花朵，并準(zhǔn)確獲取授粉作業(yè)對(duì)象空間坐標(biāo),提升作業(yè)精準(zhǔn)程度。此外，還需研制相應(yīng)末端執(zhí)行器，使其能根據(jù)信息感知結(jié)果進(jìn)行對(duì)靶授粉。因此，本文針對(duì)獼猴桃果園中花朵分布特點(diǎn)，研究基于信息感知的獼猴桃噴霧授粉方法。

▲獼猴桃雄花蕾

主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：(1)獼猴桃花朵識(shí)別基礎(chǔ)研究。實(shí)地調(diào)研了棚架式獼猴桃果園，測(cè)量果園空間結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)獼猴桃花朵分布特點(diǎn)。測(cè)得棚架鐵絲與地面豎直距離極差為4.8cm，平均距離為177.6cm；花朵間豎直距離極差為36.7cm，平均與地面距離為168.1cm。大部分花朵位于棚架鐵絲下方，沿藤蔓簇狀分布,并豎直朝下開放。提出了授粉作業(yè)目標(biāo)圖像采集方法，為信息感知系統(tǒng)研究提供數(shù)據(jù)。對(duì)比了不同方法識(shí)別獼猴桃花朵效果，其中閾值分割法正確分割像素比為42.4%，K-means聚類法正確分割像素為37.8%，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法識(shí)別框中花朵像素占91.9%。研究表明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的花朵識(shí)別效果最佳。

▲播宏果業(yè)正在采摘獼猴桃雄花蕾

(2)獼猴桃授粉目標(biāo)信息感知方法研究。通過采集花朵圖像數(shù)據(jù)，訓(xùn)練了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整參數(shù)，使之能有效檢測(cè)圖像上花朵目標(biāo)。試驗(yàn)得出Dropout率為0.4時(shí)模型過擬合程度最小，測(cè)試集上識(shí)別正確率為85.5%。根據(jù)圖像中花簇特點(diǎn)，提出了基于花朵坐標(biāo)集聚類的花簇識(shí)別方法，最后試驗(yàn)得出花簇識(shí)別正確率為81.0%。提出了基于Kinect的目標(biāo)空間位置獲取方法，利用Kinect傳感器，將RGB圖像上目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)映射至點(diǎn)云集，獲得授粉目標(biāo)三維坐標(biāo)。進(jìn)行了信息感知系統(tǒng)精度試驗(yàn)，試驗(yàn)表明其最大定位誤差不超過9mm，滿足對(duì)靶噴霧授粉要求。

▲testing pollen

(3)獼猴桃噴霧授粉末端執(zhí)行器方案與設(shè)計(jì)。基于獼猴桃授粉機(jī)器人對(duì)靶作業(yè)方法，提出了不同末端執(zhí)行器方案進(jìn)行對(duì)比，最終選擇作業(yè)效率較高的噴頭陣列分布方案，并對(duì)噴霧授粉末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中噴頭噴霧錐角90°，陣列分布噴頭相互間隔25cm。針對(duì)該末端執(zhí)行器作業(yè)方式提出了控制方案，計(jì)算各噴頭的噴霧覆蓋范圍，單獨(dú)控制各噴頭噴霧授粉。

▲恒溫震蕩氣育培養(yǎng)箱檢測(cè)獼猴桃花粉活性

(4)獼猴桃噴霧授粉末端執(zhí)行器試制與試驗(yàn)。試制噴霧授粉末端執(zhí)行器及試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了授粉距離參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。通過圖像處理方法統(tǒng)計(jì)不同距離下水敏試紙上霧滴覆蓋率，結(jié)果表明試紙與末端執(zhí)行器距離20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm時(shí)霧滴覆蓋率分別為71.5%、30.9%、13.6%、9.8%、6.7%、1.9%。擬合試驗(yàn)結(jié)果后推算出末端執(zhí)行器與授粉目標(biāo)間距應(yīng)小于28.6cm，此時(shí)霧滴覆蓋率大于18%，滿足授粉要求。另外，對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行噴霧均勻性試驗(yàn)，當(dāng)水敏試紙與末端執(zhí)行器相距28.6cm時(shí)，結(jié)果表明其上霧滴覆蓋率在16.7%至19.8%之間，平均值為18.2%，方差1.6。噴霧均勻性較好，說明該末端執(zhí)行器能保證正常授粉效果。

▲氣動(dòng)獼猴桃授粉器

▲獼猴桃電動(dòng)授粉槍

▲獼猴桃電動(dòng)授粉器

▲Kiwi electric pollinator