CN113099870A - 自适应疏花机及疏花方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应疏花机及疏花方法，所述自适应疏花机包括作业载体、多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站，所述多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站设置在作业载体上；所述多段式自适应疏花装置包括底座机构、仿形机构、巡标机构和疏花机构，所述巡标机构设置在底座机构上，所述仿形机构和疏花机构均为多个，多个仿形机构和多个疏花机构一一对应，每个疏花机构设置在对应的仿形机构上，多个仿形机构从上到下依次设置在巡标机构上。本发明可以提高果树花识别精度和自适应疏花能力，降低了劳动强度，提高了疏花效率和比例。

Description

自适应疏花机及疏花方法

技术领域

本发明涉及一种自适应疏花机及疏花方法，属于农业机械化、自动化、智能化生产领域。

背景技术

疏花是提高果实品质、减少养分消耗和持续稳定丰产的重要措施，也是果园生产作业比较繁重的环节之一。机械疏花是通过物理的方法，将花柄、花束与果树进行分离以达到疏花目的，可以用于疏除花和幼果，集中有效的疏花处理，可以避免果树坐果的大小年现象；与人工、化学疏花相比，机械疏花作业效率最高，而且不存在农药残留、污染环境等问题；此外机械疏花不受气候条件的影响。机械疏花是规模化栽培果园中提高效率、降低成本的新技术，对实现果园生产全程机械化具有重要意义。国内从事果树机械疏花研究较晚，且国内外的果树培育模式和农艺的差异限制了国外机械在国内的适应性。

为此，近二十年来有中国农业大学、西北农林科技大学、华南农业大学、青岛农业大学、江苏省农业科学院等科研院所的相关人员开始从事果树机械疏花研究；而且不同于国外的先机械化再智能化的道路，是机械结构多样化、控制系统智能化同步发展，实现了疏花机具从无到具有一定自动化作业的程度；如华南农业大学研制的基于超声波探测仿形的悬挂式荔枝果树电动柔性疏花机，青岛农业大学研制的矮密苹果树主轴式疏花机，江苏省农业科学院研制的三节臂机载式棚架Y形梨园疏花机等。但是，自动化程度高、结构类型复杂、巡标仿形效果适应性强的疏花机尚未出现投入使用或者产品化生产的相关报道。为此，有必要进一步完善疏花机具和提高疏花机的智能化作业水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应疏花机，该装置能够有效地解决现有技术中果园智能化花果识别和自适应疏花方面的难题，可以提高果树花识别精度和自适应疏花能力，降低了劳动强度，提高了疏花效率和比例。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述自适应疏花机实现的疏花方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种自适应疏花机，包括作业载体、多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站，所述多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站设置在作业载体上；

所述多段式自适应疏花装置包括底座机构、仿形机构、巡标机构和疏花机构，所述巡标机构设置在底座机构上，所述仿形机构和疏花机构均为多个，多个仿形机构和多个疏花机构一一对应，每个疏花机构设置在对应的仿形机构上，多个仿形机构从上到下依次设置在巡标机构上，且多个仿形机构能够相对巡标机构移动，所述巡标机构能够相对底座机构移动，完成靶标寻找和定位；

所述自适应控制系统分别与仿形机构、巡标机构、液压驱动站、智能花密度识别系统连接，所述液压驱动站分别与疏花机构、巡标机构、作业载体连接。

进一步的，所述智能花密度识别系统包括摄像头和处理器，所述摄像头与处理器连接，摄像头为水平视角，摄像头的视野包括整个疏花工作范围，所述处理器与自适应控制系统连接；

所述摄像头，用于拍摄果树花图像；

所述处理器，用于获取多张果树花图像；对每张果树花图像进行去噪和标准化处理；利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的果树花图像中的果树花叶特征图；根据果树花叶特征图，生成果树花叶预测图，从而获得果树花叶分割图；根据果树花叶分割图，统计属于花的像素数以及属于叶子的像素数；根据花的像素数以及叶子的像素数，计算花的密度；将每张果树花图像中花的密度转换为模拟量。

进一步的，所述自适应控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与仿形机构、巡标机构、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块、继电器组连接，所述通讯模块与上位机连接，所述模数转换模块与智能花密度识别系统连接，所述数模转换模块和继电器组与液压驱动站连接。

进一步的，所述液压驱动站包括动力源和液压控制元件，所述液压控制元件分别与疏花机构、巡标机构、动力源连接，所述动力源与作业载体连接。

进一步的，每个仿形机构包括横梁、第一肋板、第二肋板、电动推杆和支架，所述横梁安装在巡标机构上，所述第一肋板和第二肋板均有两块，两块第一肋板固定在横梁两端之间的位置上，且相对设置在横梁的两侧，每块第一肋板上设置有多个调节孔，两块第二肋板与支架铰接，两块第二肋板固定在横梁的前端，且相对设置在横梁的两侧，所述电动推杆与自适应控制系统连接，电动推杆的伸缩端与支架铰接，电动推杆的固定端通过调节孔与两块第一肋板铰接，电动推杆能够带动支架绕第二肋板与支架的铰接点转动，所述支架用于安装对应的疏花机构。

进一步的，所述支架包括第一固定板、第二固定板、竖板和侧板，所述侧板为两块，两块侧板相对固定在竖板上，所述第一固定板和第二固定板上下固定在竖板上，并与两块侧板固定连接，所述第一固定板用于固定对应疏花机构的疏花轴，所述第二固定板用于固定对应疏花机构的液压马达。

进一步的，每个疏花机构包括液压马达、联轴器、疏花轴和疏花胶条，所述疏花胶条有多个，多个疏花胶条设置在疏花轴上，所述疏花轴通过联轴器与液压马达连接，所述液压马达和疏花轴安装在对应的仿形机构上，液压马达与液压驱动站连接。

进一步的，所述液压油缸、拉线式位移传感器、传感器支架和L型支架，所述液压油缸设置在底座机构上，液压油缸与液压驱动站连接，所述传感器支架设置在液压油缸上，所述拉线式位移传感器设置在L型支架上，拉线式位移传感器通过拉线与传感器支架连接，拉线式位移传感器与自适应控制系统连接。

进一步的，所述底座机构包括底座支架、安装架、第一支撑部件、第二支撑部件、第一支柱、第二支柱和第三支柱，所述第一支柱、第二支柱和第三支柱从前到后依次固定在底座支架上，所述第一支撑部件设置在第一支柱上，所述第二支撑部件设置在第二支柱上，所述第一支撑部件和第二支撑部件用于支撑巡标机构，所述安装架固定在第三支柱上，安装架用于安装巡标机构的液压油缸。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种疏花方法，基于上述的自适应疏花机实现，所述方法包括：

在同行果树疏花前，根据果树树龄和果树树形，预调节仿形机构的横梁伸出距离，保证巡标机构的作业范围和果树冠层的仿形工作；

在智能花密度识别系统达到待疏花位置后，通过智能花密度识别系统进行智能化识别，得到果树花位置和果树花密度信息，并将信息传递给自适应控制系统；

自适应控制系统接收到智能花密度识别系统传递的信息后，判断巡标位移、仿形角度和疏花轴转速，转换成对液压驱动站的控制量和仿形机构的电动推杆的控制量；

在达到待疏花果树的相对位置后，巡标机构在自适应控制系统发出指令后动作，使疏花机构水平移动，完成巡标工作，保证与待疏花果树保持恒定范围内的距离；

根据待疏花果树的待疏花枝条部位，多个仿形机构同时工作，控制仿形机构的电动推杆动作，保证精量化仿形；

在仿形后，控制疏花机构的液压马达动作，带动疏花机构的疏花轴和疏花胶条转动，对待疏花果树的待疏花枝条进行自适应疏花作业。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过智能花密度识别系统进行智能化识别，得到果树花位置和果树花密度信息，并将信息传递给自适应控制系统，自适应控制系统接收到智能花密度识别系统传递的信息后，判断巡标位移、仿形角度和疏花轴转速，转换成对液压驱动站的控制量和仿形机构的电动推杆的控制量，进而完成自适应疏花作业，可以提高果树花识别精度和自适应疏花能力，降低了劳动强度，提高了疏花效率和比例。

2、本发明的智能花密度识别系统通过训练好的深度卷积神经网络提取出果树花叶特征图，能够精确实时分割出果树花区域，计算花的密度，并将花的密度转换为模拟量，将模拟量信号传递给自适应控制系统，为自动疏花提供视觉支持；还可以设置多个维稳部件，使得整个智能花密度识别系统的工作更稳定。

2、本发明的多段式自适应疏花装置设置了多个仿形机构和多个疏花机构，通过将多个仿形机构从上到下依次设置在巡标机构上，且多个仿形机构能够相对巡标机构移动，可以保证适应不同树龄的果树冠层，达到预调节仿形效果，每个仿形机构为同行果树疏花过程中调节仿形，为适合同一树龄不同果树冠层仿形要求，并且将每个疏花机构设置在对应的仿形机构上，能够实现多段式自适应疏花作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的自适应疏花机的立体结构图。

图2为本发明实施例的自适应疏花机的前部结构图。

图3为本发明实施例的自适应疏花机的侧面结构图。

图4为本发明实施例的多段式自适应疏花装置的平面结构图。

图5为图4中A处的放大图。

图6为图4中B处的放大图。

图7为本发明实施例的多段式自适应疏花装置中仿形机构的立体结构图。

图8为本发明实施例的多段式自适应疏花装置中疏花机构的立体结构图。

图9为本发明实施例的多段式自适应疏花装置中底座机构的立体结构图。

图10为本发明实施例的智能花密度识别系统进行特征提取的流程图。

图11为本发明实施例的液压驱动站的原理图。

图12为本发明实施例的自适应控制系统的原理框图。

其中，1-底座机构，101-底座支架，102-安装架，103-第一支柱，104-第二支柱，105-第三支柱，106-第一支撑轴，107-第二支撑轴，108-第一轴承固定套，109-第二轴承固定套，2-仿形机构，201-横梁，202-第一肋板，2021-调节孔，203-第二肋板，204-电动推杆，205-第一销轴，206-第二销轴，207-第三销轴，208-第一轴承，209-第一固定板，210-第二固定板，211-竖板，212-侧板，213-第二轴承，3-巡标机构，301-液压油缸，302-拉线式位移传感器，303-传感器支架，304-L型支架，305-传感器固定架，4-疏花机构，401-液压马达，4011-液压油口，402-联轴器，403-疏花轴，4031-螺纹孔，4032-通孔，404-疏花胶条，5-履带底盘，6-摄像头，7-控制柜，8-动力源，9-液压控制元件，10-可调支撑杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种自适应疏花机，其包括作业载体、多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站，多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站设置在作业载体上，多段式自适应疏花装置包括底座机构1、仿形机构2、巡标机构3和疏花机构4，巡标机构3设置在底座机构1上，仿形机构2和疏花机构4均为三个，三个仿形机构2和三个疏花机构4一一对应，每个疏花机构4设置在对应的仿形机构2上，三个仿形机构2从上到下依次设置在巡标机构3上，且多个仿形机构2能够相对巡标机构3移动，巡标机构3能够相对底座机构1移动，完成靶标寻找和定位；作业载体为履带底盘5，能够承载多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站；智能花密度识别系统包括摄像头6和处理器(图中未示出)；自适应控制系统的主要部件安装在控制柜7中；液压驱动站包括动力源8和液压控制元件9。

如图4～图5、图7所示，每个仿形机构2包括横梁201、第一肋板202、第二肋板203、电动推杆204和支架，横梁201安装在巡标机构3上，能够相对巡标机构3移动，可以保证适应不同树龄的果树冠层，达到预调节仿形效果；第一肋板202和第二肋板203均有两块，两块第一肋板202固定在横梁201两端之间的位置上，且相对设置在横梁201的两侧，每块第一肋板202上钻有多个调节孔2021，两块第二肋板203固定在横梁201的前端，且相对设置在横梁201的两侧，第一肋板202和第二肋板203具体可以通过焊接方式固定在横梁201上，两块第二肋板203与支架铰接，电动推杆204与自适应控制系统连接，电动推杆204具有伸缩端和固定端，电动推杆204的伸缩端与支架铰接，电动推杆204的固定端通过调节孔2021与两块第一肋板202铰接，通过调节孔2021可以调节电动推杆204的固定端位置，电动推杆204能够带动支架绕第二肋板203与支架的铰接点转动，为同行果树疏花过程中调节仿形，为适合同一树龄不同果树冠层仿形要求；支架用于安装对应的疏花机构4。

为了实现两块第二肋板203与支架铰接、电动推杆204的伸缩端与支架铰接，以及电动推杆204的固定端通过调节孔2021与两块第一肋板202铰接，本实施例的每个仿形机构2还可包括第一销轴205、第二销轴206和第三销轴207，第一销轴205的两端分别与支架的两侧连接，第二销轴206的两端分别通过调节孔2021与两块第一肋板203连接，第三销轴206的两端分别穿过两块第二肋板203与支架的两侧连接，具体地，第三销轴207通过第一轴承208与支架、第二肋板203固定且保持转动副；电动推杆204的伸缩端固定在第一销轴205上，电动推杆204的固定端固定在第二销轴206上，电动推杆204通过自适应控制系统的程序控制，电路驱动能够伸缩移动，从而带动支架绕第三销轴207转动。

进一步地，支架包括第一固定板209、第二固定板210、竖板211和侧板212，侧板212为两块，两块侧板212相对固定在竖板211上，第一固定板209和第二固定板210上下固定在竖板上，并与两块侧板固定连接，第一固定板209与竖板211、侧板212之间，第二固定板210与竖板211、侧板212之间，以及竖板211与侧板212之间均通过焊接方式固定，第一固定板209用于固定对应疏花机构4的疏花轴，具体地，第一固定板209上安装有第二轴承213，第二轴承213可以稳定疏花轴同心转动；第二固定板210用于固定对应疏花机构4的液压马达。

如图4～图5、图7～图8所示，每个疏花机构4设置在对应仿形机构2的前端，每个疏花机构4包括液压马达401、联轴器402、疏花轴403和疏花胶条404，疏花胶条404有多个，多个疏花胶条404设置在疏花轴403上，具体地，疏花轴403上钻有螺纹孔4031和通孔4032，螺纹孔4031的方向与通孔4032的方向垂直，每个疏花胶条404穿过通孔4032，通过螺丝与螺纹孔4031配合，使每个疏花胶条404紧固在疏花轴403上；疏花轴403通过联轴器402与液压马达401连接，具体地，联轴器402的一端与联轴器402连接，联轴器402的另一端与液压马达401连接；液压马达401和疏花轴403安装在对应的仿形机构2上，液压马达401安装在对应仿形机构2的第二固定板210上，疏花轴403安装在对应仿形机构2的第一固定板209上；液压马达401的底部设置有液压油口4011，液压马达401通过液压油口4011与液压驱动站连接，通过液压马达401驱动疏花轴403转动，完成疏花作业，具体地，液压马达401通过液压油口4011进出油驱动转动，液压马达401转动后带动疏花轴403转动，从而使疏花胶条404作业；同时，三个疏花机构4的疏花轴403单独调节，其仿形角度、转动速度均可保持多种配合方式，以达到自适应疏花作业工作。

如图4～图8所示，巡标机构3包括液压油缸301、拉线式位移传感器302、传感器支架303和L型支架304，每个仿形机构2的横梁201安装在L型支架304的竖向部分上，能够相对L型支架304移动，液压油缸301安装在底座机构1上，液压油缸301与液压驱动站连接，传感器支架303安装在液压油缸301上，拉线式位移传感器302安装在L型支架304上，具体地，拉线式位移传感器302固定安装在一传感器固定架305上，传感器固定架305固定安装在L型支架304上，传感器固定架305可以通过3D打印得到，拉线式位移传感器302通过拉线与传感器支架303连接，拉线式位移传感器302与自适应控制系统连接；当液压油缸301伸缩移动时，拉线式位移传感器302、传感器支架303配合完成拉线式位移传感器302信号检测工作，完成液压油缸301移动距离值输出。

本实施例的巡标机构3、三个仿形机构2和三个疏花机构4构成了单边的三段式自适应疏花装置，后期可以增减段数或增加边数。

如图4～图9所示，底座机构1包括底座支架101、安装架102、第一支撑部件、第二支撑部件、第一支柱103、第二支柱104和第三支柱105，第一支柱103、第二支柱104和第三支柱105从前到后依次固定在底座支架101上，具体地，第一支柱103、第二支柱104和第三支柱105通过焊接方式固定在底座支架101上；第一支撑部件设置在第一支柱103上，第二支撑部件设置在第二支柱104上，第一支撑部件和第二支撑部件用于支撑巡标机构3；安装架102固定在第三支柱105上，安装架102通过焊接方式固定在第三支柱105上，安装架102用于安装巡标机构3的液压油缸301。

进一步地，第一支撑部件包括两个第一支撑轴106，第二支撑部件包括两个第二支撑轴107，第一支撑轴106和第二支撑轴107均为钢轴；第一支柱103和第二支柱104均为两个；第一支撑轴106的两端分别与两个第一支柱103连接，具体地，每个第一支柱103安装有第一轴承固定套108，第一轴承固定套108内安装有第三轴承，第三轴承与第一支撑轴106配合安装；第二支撑轴106的两端分别与两个第二支柱103连接，具体地，每个第二支柱104安装有第二轴承固定套109，第二轴承固定套108内安装有第四轴承，第四轴承与第二支撑轴107配合安装；巡标机构3通过间隙配合安装在两个第一支撑轴106之间以及两个第二支撑轴107之间，具体地，巡标机构3的L型支架304横向部分通过间隙配合安装在两个第一支撑轴106之间以及两个第二支撑轴107之间；以上所述均按照设计尺寸开孔、定位、焊接、安装、配合。

本实施例的智能花密度识别系统中，摄像头6与处理器连接，摄像头为水平视角，处理器与自适应控制系统连接。

摄像头6是彩色摄像头，垂直于地面，为水平视角，其视野包括整个疏花工作范围，能够采集完整图像信息，主要用于拍摄果树花图像。

进一步地，本实施例的智能花密度识别系统还包括可调支撑杆10，通过可调支撑杆10能够调整摄像头6的高度，保证拍摄视野。

进一步地，为了保持摄像头6的稳定性，本实施例的果树花量智能视觉识别系统还包括稳定器，稳定器的上部固定摄像头6，稳定器的下部与可调支撑杆10相连，即可调支撑杆10是通过调整稳定器的高度，进而调整摄像头6的高度，稳定器能够减缓自适应疏花机运动的晃动和震动影响。

进一步地，为了减轻自适应疏花机对处理器的震动、噪声影响，本实施例的果树花量智能视觉识别系统还包括缓震平台，缓震平台安装在履带底盘5上，可调支撑杆10安装在缓震平台上，处理器设置在缓震平台内，缓震平台能够保证处理器正常工作。

进一步地，处理器可以实现如下过程：

获取多张果树花图像；对每张果树花图像进行去噪和标准化处理；利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的果树花图像中的果树花叶特征图；根据果树花叶特征图，生成果树花叶预测图，从而获得果树花叶分割图；根据果树花叶分割图，统计属于花的像素数以及属于叶子的像素数；根据花的像素数以及叶子的像素数，计算花的密度；将每张果树花图像中花的密度转换为模拟量。

其中，对每张果树花图像进行去噪和标准化处理，具体包括：使用中值滤波对果树花图像进行去噪；计算去噪后果树花图像的RGB三个通道分量的均值和标准差；根据均值和标准差，对去噪后果树花图像进行标准化计算，计算后图像取值范围为0到1，可有效减少特征提取过程中变换带来的影响；利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的果树花图像中的果树花叶特征图。

其中，深度卷积神经网络如图10所示，包括主干网络和金字塔结构，主干网络包括两个部分，分别为过渡特征提取部分(图中第1部分)和主干特征提取部分(图中第2部分)，过渡特征提取部分、主干特征提取部分和金字塔结构依次相连。

过渡特征提取部分为浅层网络，其包括依次相连的第一个卷积层、第二个卷积层和第三个卷积层，主要学习纹理、角点等通用特征，本实施例中第一卷积层、第二卷积层和第三卷积层均为3×3卷积核的卷积层。

主干特征提取部分为深层网络，其以32层深度连续堆叠的“卷积-激活-归一”卷积块为主干，分为四个依次相连的阶段，四个阶段分别为第1阶段、第2阶段、第3阶段和第4阶段，第1阶段到第4阶段分别有6、8、12和6个卷积块，每两个连续的卷积块组成残差模块，主要学习任务相关的特定特征，每个残差模块线性融合两个卷积块的输出特征和输入特征的恒等映射后作为后续卷积块的输入。相同阶段中卷积块的输出特征数量与阶段最初输入的相同，跨阶段的特征数量不同，使用1×1卷积核的卷积层调整特征数量，每次卷积完成都需要经过激活函数和归一化层处理。每个卷积块中，卷积为使用3×3卷积核处理特征，然后输入到激活函数，最后经过归一化层处理。

进一步地，第3阶段和第4阶段的卷积块中加入空洞卷积结构，空洞卷积是指在卷积核中插入间隔规律的0值扩大卷积核尺寸，从而扩充深层特征的感受野，但不增加运算量，同时通过调整滤波运算滑动步幅替代最大池化，减少特征信息丢失；经典的空洞卷积使用较大的空洞卷积率实现大物体特征提取，在本实施例中，为了更好地提取果树花特征，使用小空洞率卷积结构更为合适。

进一步地，每两个相邻的阶段之间加入注意力模块，注意力模块是将尺寸为w×h的特征压缩成1×1，然后输入可学习的线性连接层，得到不同通道特征的权重向量，每个权重衡量输入特征的重要程度，将权重广播成输入特征尺寸大小后与原输入特征相乘，起到筛选特征的作用。

为了增加卷积层学习特征的丰富度，根据深浅卷积层的作用选择性实现稠密特征连接，具体在深层特征实现稠密特征连接，连接方式如图4所示，稠密特征连接是指下一层的输入特征是之前所有层的输出特征，如上所述，浅层网络学习纹理、角点等通用特征，深层网络学习任务相关的特定特征，过浅层与过深层的特征之间差异较大，所以调整稠密连接范围保证特征提取的丰富度和一致性。

在提取主干特征后，使用金字塔结构处理主干特征，增强网络多尺度特征的学习能力；在金字塔结构中，使用四个不同空洞率和滤波步幅的卷积层并行处理输入的中间特征，而后在特征维度拼接输入特征和并行处理的特征，最后经过3×3卷积层融合和修正，得到多尺度的果树花叶特征图，共有1280个果树花叶特征图，果树花叶特征图尺寸为输入图像的1/16。

其中，根据果树花叶特征图，生成果树花叶预测图，从而获得果树花叶分割图通过构建一个预测层实现，预测层包括两个卷积块，第一个卷积块的核大小为3×3，第二个卷积块的核大小为1×1，具体包括：通过第一个卷积块融合果树花叶特征图，得到第一特征图，第一个卷积块的核大小为3×3；将第一特征图输入第二个卷积块，得到第二特征图，第二个卷积块的核大小为1×1；通过全卷积层将第二特征图映射为三个概率预测图，分别代表果树花、叶子和背景；对三个概率预测图在特征维度上求最大值，得到果树花叶预测图；将果树花叶预测图与果树花叶特征图按预设权重叠加，得到果树花叶分割图。

其中，根据花的像素数以及叶子的像素数，计算花的密度，具体包括：对花的像素数和叶子的像素数进行求和，得到总像素数；将花的像素数除以总像素数，得到花的密度。

其中，将每张果树花图像中花的密度转换为模拟量，具体包括：根据所有果树花图像中花的密度，求出最大值和最小值，作为花的密度与模拟量转换的上限和下限；根据花的密度与模拟量转换的上限和下限，使用最大最小归一法将花的密度范围放缩到0到1之间，并使模拟量范围为4到20毫安；使用线性放缩构建花的密度范围与模拟量范围的映射关系；根据花的密度范围与模拟量范围的映射关系，将每张果树花图像中花的密度转换为模拟量。

液压驱动站即为液压系统，其原理如图11所示，本实施例的液压驱动站中，液压控制元件9分别与疏花机构4的液压马达401、巡标机构3的液压油缸301、动力源连接，动力源8与履带底盘5连接。

进一步地，动力源8包括汽油机、联轴器和油泵，汽油机为液压驱动站提供动力，能够提供动力给履带底盘5，汽油机与油泵通过联轴器同轴心连接，油泵为汽油机供油。

进一步地，液压控制元件9包括比例阀、比例放大器、平衡阀、稳压阀、减压阀、液压阀块和单向阀，平衡阀、稳压阀、减压阀、液压阀块组成基本液压控制部分，与比例阀、比例放大器联合组成智能调节液压控制回路，比例阀与液压马达401、液压油缸301连接。

进一步地，本实施例的液压驱动站还可包括辅助元件，辅助元件包括液压油箱和液压油管，液压油箱为液压控制元件9供油，油管为液压控制元件9提供回路。

自适应控制系统的原理如图12所示，本实施例的自适应控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，可编程逻辑控制器分别与仿形机构2的电动推杆204、巡标机构3的拉线式位移传感器302、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块、继电器组连接，通讯模块与上位机连接，可编程逻辑控制器为自适应控制系统的控制核心，其能将信息传递至上位机上，上位机也能够通过键入指令控制可编程逻辑控制器，模数转换模块与智能花密度识别系统的处理器连接，数模转换模块与液压驱动站的比例放大器连接，继电器组与与液压驱动站的比例放大器、比例阀连接，继电器能够对比例阀的通断仿形进行控制，比例放大器与继电器配合使用，完成对比例阀的方向、流量值控制；其中，上位机可以是工控触摸屏，也可以是遥控器，上位机为工控触摸屏时，通讯模块为串口通讯模块，上位机为遥控器时，通讯模块为无线接收器，上位机能够实时刷新显示，实现人机交互系列功能。

本实施例中，智能花密度识别系统能够实时识别果树花密度并通过模数转换模块将信息转换成串口通讯标准量(数字量)，传递给可编程逻辑控制器中，可编程逻辑控制器能够将传递过来的信号经过程序处理，下达指令至数模转换模块，数模转换模块能够将可编程逻辑控制器下达的指令转换成标准模拟量控制比例放大器，比例放大器能够将电信号的电流值按照标准等比例放大，驱动比例阀动作，控制液压马达和液压油缸速度，同时可编程逻辑控制器通过输出口Y，给定继电器信号，控制电动推杆和比例放大器工作。

本实施例的自适应性体现在：智能花密度识别系统能将采集到的果树花位置和果树花密度信息转换成模拟量，通过通讯模块传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器能够根据信息通过程序比对预先写好的自适应模型、算法，下达特定指令，完成对仿形机构、巡标机构、疏花机构的控制，达到对巡标速度、位置，仿形机构的电动推杆正反移动距离，疏花机构的疏花轴正反转动速度控制，完成自适应控制。

本实施例的多段式自适应疏花装置不仅仅适用于疏花工作，通过调整探索疏花胶条间距、疏花胶条材质、疏花轴转速，作业载体行走速度等因素搭配，也适用于果园疏果、采果作业，更换疏花机构为修剪机构，也可以实现果树巡标仿形修剪，绿化带整形。

本实施例还提供了一种疏花方法，该方法主要通过上述的自适应疏花机实现，其包括以下步骤：

S1、在同行果树疏花前，根据果树树龄和果树树形，预调节仿形机构的横梁伸出距离，保证巡标机构的作业范围和果树冠层的仿形工作。

S2、在智能花密度识别系统达到待疏花位置后，通过智能花密度识别系统进行智能化识别，得到果树花位置和果树花密度信息，并将信息传递给自适应控制系统。

S3、自适应控制系统接收到智能花密度识别系统传递的信息后，判断巡标位移、仿形角度和疏花轴转速，转换成对液压驱动站的控制量和仿形机构的电动推杆的控制量。

S4、在达到待疏花果树的相对位置后，巡标机构在自适应控制系统发出指令后动作，使疏花机构水平移动，完成巡标工作，保证与待疏花果树保持恒定范围内的距离。

S5、根据待疏花果树的待疏花枝条部位，多个仿形机构同时工作，控制仿形机构的电动推杆动作，保证精量化仿形。

S6、在仿形后，控制疏花机构的液压马达动作，带动疏花机构的疏花轴和疏花胶条转动，对待疏花果树的待疏花枝条进行自适应疏花作业，自适应包括整体巡标、单节臂(每个仿形机构及对应的疏花机构)仿形、速度值不同或相同等。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和约定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

综上所述，本发明通过智能花密度识别系统进行智能化识别，得到果树花位置和果树花密度信息，并将信息传递给自适应控制系统，自适应控制系统接收到智能花密度识别系统传递的信息后，判断巡标位移、仿形角度和疏花轴转速，转换成对液压驱动站的控制量和仿形机构的电动推杆的控制量，进而完成自适应疏花作业，可以提高果树花识别精度和自适应疏花能力，降低了劳动强度，提高了疏花效率和比例。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应疏花机，其特征在于，包括作业载体、多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站，所述多段式自适应疏花装置、智能花密度识别系统、自适应控制系统和液压驱动站设置在作业载体上；

所述多段式自适应疏花装置包括底座机构、仿形机构、巡标机构和疏花机构，所述巡标机构设置在底座机构上，所述仿形机构和疏花机构均为多个，多个仿形机构和多个疏花机构一一对应，每个疏花机构设置在对应的仿形机构上，多个仿形机构从上到下依次设置在巡标机构上，且多个仿形机构能够相对巡标机构移动，所述巡标机构能够相对底座机构移动，完成靶标寻找和定位；

所述自适应控制系统分别与仿形机构、巡标机构、液压驱动站、智能花密度识别系统连接，所述液压驱动站分别与疏花机构、巡标机构、作业载体连接。

2.根据权利要求1所述的自适应疏花机，其特征在于，所述智能花密度识别系统包括摄像头和处理器，所述摄像头与处理器连接，摄像头为水平视角，摄像头的视野包括整个疏花工作范围，所述处理器与自适应控制系统连接；

所述摄像头，用于拍摄果树花图像；

所述处理器，用于获取多张果树花图像；对每张果树花图像进行去噪和标准化处理；利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的果树花图像中的果树花叶特征图；根据果树花叶特征图，生成果树花叶预测图，从而获得果树花叶分割图；根据果树花叶分割图，统计属于花的像素数以及属于叶子的像素数；根据花的像素数以及叶子的像素数，计算花的密度；将每张果树花图像中花的密度转换为模拟量。

3.根据权利要求1所述的自适应疏花机，其特征在于，所述自适应控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与仿形机构、巡标机构、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块、继电器组连接，所述通讯模块与上位机连接，所述模数转换模块与智能花密度识别系统连接，所述数模转换模块和继电器组与液压驱动站连接。

4.根据权利要求1所述的自适应疏花机，其特征在于，所述液压驱动站包括动力源和液压控制元件，所述液压控制元件分别与疏花机构、巡标机构、动力源连接，所述动力源与作业载体连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的自适应疏花机，其特征在于，每个仿形机构包括横梁、第一肋板、第二肋板、电动推杆和支架，所述横梁安装在巡标机构上，所述第一肋板和第二肋板均有两块，两块第一肋板固定在横梁两端之间的位置上，且相对设置在横梁的两侧，每块第一肋板上设置有多个调节孔，两块第二肋板与支架铰接，两块第二肋板固定在横梁的前端，且相对设置在横梁的两侧，所述电动推杆与自适应控制系统连接，电动推杆的伸缩端与支架铰接，电动推杆的固定端通过调节孔与两块第一肋板铰接，电动推杆能够带动支架绕第二肋板与支架的铰接点转动，所述支架用于安装对应的疏花机构。

6.根据权利要求5所述的自适应疏花机，其特征在于，所述支架包括第一固定板、第二固定板、竖板和侧板，所述侧板为两块，两块侧板相对固定在竖板上，所述第一固定板和第二固定板上下固定在竖板上，并与两块侧板固定连接，所述第一固定板用于固定对应疏花机构的疏花轴，所述第二固定板用于固定对应疏花机构的液压马达。

7.根据权利要求1-4任一项所述的自适应疏花机，其特征在于，每个疏花机构包括液压马达、联轴器、疏花轴和疏花胶条，所述疏花胶条有多个，多个疏花胶条设置在疏花轴上，所述疏花轴通过联轴器与液压马达连接，所述液压马达和疏花轴安装在对应的仿形机构上，液压马达与液压驱动站连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的自适应疏花机，其特征在于，所述液压油缸、拉线式位移传感器、传感器支架和L型支架，所述液压油缸设置在底座机构上，液压油缸与液压驱动站连接，所述传感器支架设置在液压油缸上，所述拉线式位移传感器设置在L型支架上，拉线式位移传感器通过拉线与传感器支架连接，拉线式位移传感器与自适应控制系统连接。

9.根据权利要求1-4任一项所述的自适应疏花机，其特征在于，所述底座机构包括底座支架、安装架、第一支撑部件、第二支撑部件、第一支柱、第二支柱和第三支柱，所述第一支柱、第二支柱和第三支柱从前到后依次固定在底座支架上，所述第一支撑部件设置在第一支柱上，所述第二支撑部件设置在第二支柱上，所述第一支撑部件和第二支撑部件用于支撑巡标机构，所述安装架固定在第三支柱上，安装架用于安装巡标机构的液压油缸。

10.一种疏花方法，基于权利要求1-9任一项所述的自适应疏花机实现，其特征在于，所述方法包括：

在同行果树疏花前，根据果树树龄和果树树形，预调节仿形机构的横梁伸出距离，保证巡标机构的作业范围和果树冠层的仿形工作；

在智能花密度识别系统达到待疏花位置后，通过智能花密度识别系统进行智能化识别，得到果树花位置和果树花密度信息，并将信息传递给自适应控制系统；

自适应控制系统接收到智能花密度识别系统传递的信息后，判断巡标位移、仿形角度和疏花轴转速，转换成对液压驱动站的控制量和仿形机构的电动推杆的控制量；

在达到待疏花果树的相对位置后，巡标机构在自适应控制系统发出指令后动作，使疏花机构水平移动，完成巡标工作，保证与待疏花果树保持恒定范围内的距离；

根据待疏花果树的待疏花枝条部位，多个仿形机构同时工作，控制仿形机构的电动推杆动作，保证精量化仿形；

在仿形后，控制疏花机构的液压马达动作，带动疏花机构的疏花轴和疏花胶条转动，对待疏花果树的待疏花枝条进行自适应疏花作业。

Images