CN114762489B - 一种雌雄同蕊植物授粉装置及方法 - Google Patents

一种雌雄同蕊植物授粉装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雌雄同蕊植物授粉装置，包括：运动模块，包括设置在底盘上的姿态角度调整机构，用于控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；授粉感知模块，包括设置在运动模块上部由下而上的摄像头和弹性薄膜，用于感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜与花蕊柱头的角度关系；授粉执行模块，包括设置在运动模块上部的振动电机和气体喷嘴，用于执行振动电机振动以及气体喷嘴吹气来完成联合授粉。本发明通过弹性薄膜的形变获取与花蕊接触位置以及角度信息，动态调整授粉装置的旋转角，使弹性薄膜中心与花蕊柱头垂直，并利用弹性薄膜摩擦，振动电机振动，气体喷头吹气进行联合授粉。

Description

一种雌雄同蕊植物授粉装置及方法
技术领域
本发明属于授粉装置技术领域，特别涉及一种雌雄同蕊植物授粉装置及方法。
背景技术
雌雄同蕊植物，比如草莓，在自然界中的草莓往往可以通过风、蜜蜂等方式进行授粉，但是对于温室、大棚等相对密闭空间中种植的草莓则需要通过其他方式来实现授粉。草莓的授粉质量对于草莓果实的好坏有着重要影响，草莓授粉不充分会导致不结果、畸形果等问题。当前对于大棚中，雌雄同蕊植物的授粉工具研究较少，常用的方法就是人工授粉或者蜜蜂授粉，人工授粉是利用毛刷将植物雄蕊上的花药刷到雌蕊上，为了保证授粉质量，该过程往往需要重复多次，不仅效率慢，工作量大，同时由于雌雄同蕊植物的花蕊较小，稍有不慎就可能破坏花蕊。蜜蜂授粉养殖蜜蜂这种方式虽然可行，但是成本较高，同时蜜蜂对温室中的温度、适度等要求较高，当条件不合适时，蜜蜂就会罢工，从而影响授粉效果；虽然将人们从繁琐的劳动中解脱了出来，但是蜜蜂养殖成本高，生存工作条件苛刻，温度、湿度不适宜时，蜜蜂的授粉效率较低，很难实现持续、稳定的授粉。
发明内容
为了解决上述雌雄同蕊植物的授粉技术问题，本发明的首要目的是提供一种雌雄同蕊植物授粉装置，该装置可以实现花蕊的自动授粉，同时能够降低授粉成本以及提高授粉成功率。
本发明的再一目的是提供上述雌雄同蕊植物授粉方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种雌雄同蕊植物授粉装置，包括：
运动模块，包括设置在底盘上的姿态角度调整机构，用于控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；
授粉感知模块，包括设置在运动模块上部由下而上的摄像头和弹性薄膜，用于感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜与花蕊柱头的角度关系；
授粉执行模块，包括设置在运动模块上部的振动电机和气体喷嘴，用于执行振动电机振动以及气体喷嘴吹气来完成联合授粉。
在一些实施例中，所述姿态角度调整机构为3-RPS并联机构，包括三个直线电机；所述直线电机下部分别设有单自由度活动关节，上部分别设有万向节。
在一些实施例中，所述姿态角度调整机构是通过逆运动学推导所述三个直线电机所需要伸缩的长度，输入的信息包括：平面B的旋转角(旋转矩阵)，和平面升高长度
Figure BDA0003651645440000021
在一些实施例中，所述气体喷嘴通过气体软管连接于所述底盘。
在一些实施例中，所述授粉感知模块还包括外壳和补光灯，所述弹性薄膜设在外壳的上部，所述补光灯设在外壳内部且设在弹性薄膜正下方。
在一些实施例中，所述弹性薄膜为向外壳内部凹陷的凹型薄膜。
在一些实施例中，利用内部摄像头记录发生弹性薄膜发生形变的趋势，来计算花蕊相对于授粉装置的角度，之后根据这个角度来调整授粉装置弹性薄膜的方向，使其中心尽可能地与花蕊柱头垂直。
在一些实施例中，利用背景差法获取花蕊与弹性薄膜接触所产生的形变信息，随着花蕊与弹性薄膜的接触，花蕊在弹性薄膜表面所产生的压痕会越来越深，面积会越来越大，利用接触面积来表示Z方向的深度。
在一些实施例中，所述背景差法获取花蕊与弹性薄膜接触所产生的形变信息的具体实现过程为：取初始化图像initial(x，y)作为背景图，之后将相机采集到的图像imgi(x，y)与initial(x，y)做差，得到图像
post_i(x，y)＝img_i(x，y)-initial(x，y)，检测post_i(x，y)中目标的最小外接圆的中心坐标center(x，y)作为x，y方向的值(x1，y1)，直径作为接触深度z1(Z方向的值，因为彩色摄像头只能获取(x，y)的位置坐标，为了获取z坐标值，我们用检测的接触目标的在摄像头中的最小外接圆的直径表示深度，Z值越大，产生的最小外接圆的半径越大，得到目标1的坐标target1(x1，y1，z1)；
在持续靠近的过程中，将新获得的图像img_j(x，y)与initial(x，y)做差，得到post_j(x，y)＝img_j(x，y)-initial(x，y)，检测post_j(x，y)中目标的最小外接圆的中心坐标作为x，y方向的值(x2，y2)，直径作为接触深度z2，目标2的坐标target2(x2，y2，z2)。将两者做差得到花蕊的方向向量arrow＝target2-target1＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)。得到方向向量就可以求出授粉装置需要旋转多少角度才能与花蕊柱头垂直。
此外，本发明还提供了一种雌雄同蕊植物授粉方法，包括以下步骤：
S1、控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；
S2、感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜与花蕊柱头的角度关系；
S3、调整授粉模块弹性薄膜中心与花蕊柱头保持垂直后，执行振动电机振动以及气体喷嘴吹气来完成联合授粉。
在一些实施例中，所述步骤S2中，采用背景差法获取授粉模块弹性薄膜中心与花蕊柱头接触所产生的形变以及角度关系。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明在尽可能不破坏植物花蕊的情况下，通过弹性薄膜的形变获取与花蕊接触的位置关系以及角度信息，动态调整授粉装置的旋转角，使模块弹性薄膜中心与花蕊柱头保持垂直，并利用弹性薄膜摩擦，振动电机振动，气体喷头吹气进行联合授粉，可以实现花蕊的自动授粉，同时能够降低授粉成本以及提高授粉成功率。
附图说明
图1是本发明实施例的授粉装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的授粉装置的局部结构示意图；
图3是本发明实施例的授粉装置的另一局部结构示意图；
图4是本发明实施例的授粉装置的应用示意图；
图5是本发明实施例的授粉方法的流程示意图；
图6是本发明实施例的授粉方法的感知原理的具体实现过程的示意图；
图7是本发明实施例的授粉方法的感知原理的具体实现过程另一示意图；
图8是本发明实施例的授粉方法的角度调整工作原理的示意图；
图9是本发明实施例的授粉方法的角度调整工作原理的另一示意图；
图10是本发明实施例的授粉方法的角度调整工作原理的再一示意图；
图11是本发明实施例的授粉方法的角度调整工作原理的再一示意图；
图12是本发明实施例的授粉方法的角度调整工作原理的再一示意图；
其中，附图标记：1、弹性薄膜；2、气体喷嘴；3、振动电机；4、摄像头；5、LED灯带；6、直线电机；7、外壳；8、气体软管；9、万向节；10、单自由度活动关节、11、底盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
一、雌雄同蕊植物授粉装置的结构功能及应用：
如图1所示，本发明所述的雌雄同蕊植物授粉装置，包括运动模块和授粉模块两部分：运动模块，如图3所示，包括设置在底盘11上的姿态角度调整机构，用于控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触，模仿人工授粉时的摩擦；授粉感知模块，如图2所示，包括设置在运动模块上部由下而上的摄像头4和弹性薄膜1，用于感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系，判断是否发生接触和接触角度，以及感知弹性薄膜1与花蕊柱头的角度关系；授粉执行模块，包括设置在运动模块上部的振动电机3和气体喷嘴2，通过气体喷嘴2产生气体，吹动花瓣使花粉散落到柱头上，模仿风媒的过程，振动电机3则是模仿蜜蜂授粉使在花蕊上的移动，使授粉更加充分，用于执行振动电机3振动以及气体喷嘴2吹气来完成联合授粉。
在实施例中，所述姿态角度调整机构为3-RPS并联机构，包括三个直线电机6；所述直线电机6下部分别设有单自由度活动关节10，上部分别设有万向节9。所述气体喷嘴2通过气体软管8连接于所述底盘11。
在实施例中，所述授粉感知模块还包括外壳7和补光灯(LED灯带5)，所述弹性薄膜1设在外壳7的上部，所述补光灯(LED灯带5)设在外壳7内部且设在弹性薄膜1正下方。
在实施例中，所述弹性薄膜1为向外壳7内部凹陷的凹型薄膜。弹性薄膜1的作用有两个，一个是与花蕊柱头接触，感知接触时的位置关系以及与花蕊柱头的角度信息，另一个是与柱头接触，结合运动模块的转动模仿人工授粉。而摄像头4是用来获取弹性薄膜1与花蕊接触所发生的形变。
如图4所示，可以通过将本发明的雌雄同蕊植物授粉装置与机器人、摄像头相结合，可以实现花蕊的自动授粉，降低授粉成本，提高授粉成功率。
二、雌雄同蕊植物的授粉方法及工作原理：
1、授粉方法
如图5所示，本发明所述的雌雄同蕊植物授粉方法，包括以下步骤：
S1、控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；
S2、感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜1与花蕊的角度关系；
S3、调整授粉模块弹性薄膜1中心与花蕊柱头保持垂直后，执行振动电机3振动以及气体喷嘴2吹气来完成联合授粉
2、授粉的工作实现过程
整个雌雄同蕊植物授粉装置的工作实现过程主要包括三个步骤：首先通过弹性薄膜1与摄像头4检测雌雄同蕊植物的花蕊与授粉装置的角度，然后将授粉装置的弹性薄膜1中心与雌雄同蕊植物的花蕊柱头保持垂直，最后利用弹性薄膜1的摩擦，振动电机3的振动，气体喷头2的吹气实现自主授粉。
3、授粉的感知原理
当雌雄同蕊植物花蕊与弹性薄膜1发生接触时，会在弹性薄膜1的表面产生压痕，在花蕊与弹性薄膜1发生持续移动的过程中，利用内部摄像头4记录发生弹性薄膜1发生形变的趋势，来计算花蕊相对于授粉装置的角度，之后根据这个角度来调整授粉装置弹性薄膜1的方向，使其中心尽可能地与花蕊柱头垂直，从而提高授粉成功率。
雌雄同蕊植物花蕊与授粉装置相对角度感知：利用背景差法获取花蕊与弹性薄膜1接触所产生的形变信息，随着花蕊与弹性薄膜1的接触，花蕊在弹性薄膜1表面所产生的压痕会越来越深，面积会越来越大，利用接触面积来表示Z方向的深度。
如图6和7所示，具体实现过程为：取初始化图像initial(x，y)作为背景图，之后将相机采集到的图像imgi(x，y)与initial(x，y)做差，得到图像post_i(x，y)＝img_i(x，y)-initial(x，y)，检测post_i(x，y)中目标的最小外接圆的中心坐标center(x，y)作为x，y方向的值(x1，y1)，直径作为接触深度z1(Z方向的值，因为彩色摄像头只能获取(x，y)的位置坐标，为了获取z坐标值，我们用检测的接触目标的在摄像头中的最小外接圆的直径表示深度，Z值越大，产生的最小外接圆的半径越大，得到目标1的坐标target1(x1，y1，z1)。
在持续靠近的过程中，将新获得的图像img_j(x，y)与initial(x，y)做差，得到post_j(x，y)＝img_j(x，y)-initial(x，y)，检测post_j(x，y)中目标的最小外接圆的中心坐标作为x，y方向的值(x2，y2)，直径作为接触深度z2，目标2的坐标target2(x2，y2，z2)。将两者做差得到花蕊的方向向量arrow＝target2-target1＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)。得到方向向量就可以求出授粉装置需要旋转多少角度才能与花蕊柱头垂直。
4、授粉的角度调整工作原理
在工作过程中，我们通过弹性薄膜1的形变获取与花蕊接触的角度信息，并根据角度信息调整授粉装置的旋转角，使授粉装置的弹性薄膜1中心与花蕊柱头垂直，这样可以增大接触面积，提高授粉质量。
为了实现这个功能，我们需要上部平台可以调整任意的角度，如图8所示，即：已知上部平面的要求的旋转姿态及高度，通过逆运动学推导三个直线电机所需要伸缩的长度，输入的信息包括：平面B的旋转角(旋转矩阵)，和平面升高长度
Figure BDA0003651645440000061
设电机固定位置的底盘表面所在位置为1A，并以底盘圆心为原点，平面A为xoy平面建立右手坐标系a，坐标系与地盘固连。设三个万向节转动轴心所构成的平面为平面B，同时将初始状态(即三个直线电机伸长长度一致时)坐标系a的z轴延长线与平面B的交点作为原点建立右手坐标系，坐标系b各轴与a各轴分别平行且坐标系与平面B固连。设直线电机的长度分别l1、l2、
l3并与平面A和B交于p1、p2、p3和q1、q2、p3。通过调整各直线电机的长度可改变平面B与平面C之间的相对姿态。
如图9和10所示，在平面A中由于各电机的固定为已知量，我们可直接得出p1、p2、p3在坐标系a下的坐标分别为
Figure BDA0003651645440000071
Figure BDA0003651645440000072
同理，在平面B中可得。
Figure BDA0003651645440000073
Figure BDA0003651645440000074
其中，rp和rq分别表示各点到对应坐标系原点的距离。
如图11所示，设坐标系b的原点ob在坐标系a中的坐标为
Figure BDA0003651645440000075
同时，已知b相对于a的旋转矩阵
Figure BDA0003651645440000076
(输入量)，则可得到B平面的三个点在坐标系a中的位置。
Figure BDA0003651645440000077
Figure BDA0003651645440000078
Figure BDA0003651645440000079
求各点间构成的向量可得：
Figure BDA00036516454400000710
Figure BDA00036516454400000711
Figure BDA00036516454400000712
设q1q2、q2q3、q3q1在平面A上的投影分别为：m1m2、m2m3、m3m1，三个投影点在a中表达式分别为
Figure BDA00036516454400000713
在如图12所示：
由于l1、l2、l3与平面C连接处的关节，仅存在一个自由度，使得点q1、q2、q3分别位于平面oaobq1、oaobq2、oaobq3，因此m1、m2、m3分别位于直线
Figure BDA0003651645440000081
Figure BDA0003651645440000082
上。利用求二维投影平面的斜率公式可得：
Figure BDA0003651645440000083
Figure BDA0003651645440000084
Figure BDA0003651645440000085
根据欧式距离计算公式并结合公式(4)-(6)得：
Figure BDA0003651645440000086
Figure BDA0003651645440000087
Figure BDA0003651645440000088
计算m1m2、m2m3、m3m1的斜率分别为：
Figure BDA0003651645440000089
Figure BDA00036516454400000810
Figure BDA00036516454400000811
根据勾股定理结合(10)-(15)得
Figure BDA00036516454400000812
Figure BDA0003651645440000091
Figure BDA0003651645440000092
没
Figure BDA0003651645440000093
为未知数，由(3)、(7)-(9)、(16)-(18)可组成包含8个未知数的八元一次方程组，通过解方程组可获得各值。
根据输入的目标高度可获得
Figure BDA0003651645440000094
由此可确定出
Figure BDA0003651645440000095
坐标，结合(1)-(3)则可依次计算得到
Figure BDA0003651645440000096
最后各直线电机目标长度即分别为向量
Figure BDA0003651645440000097
的模长，最后结合机械臂就可以实现任意角度、任意位置的移动。
5、授粉的执行
将授粉装置的弹性薄膜1中心与花蕊柱头位置调整为垂直之后，利用弹性薄膜1的旋转、振动电机3的振动，气体喷嘴2的吹气进行联合授粉。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，包括：
运动模块，包括设置在底盘上的姿态角度调整机构，用于控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；
授粉感知模块，包括设置在运动模块上部由下而上的摄像头和弹性薄膜，用于感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜与花蕊柱头的角度关系；
授粉执行模块，包括设置在运动模块上部的振动电机和气体喷嘴，用于执行振动电机振动以及气体喷嘴吹气来完成联合授粉；
利用内部摄像头记录发生弹性薄膜发生形变的趋势，来计算花蕊相对于授粉装置的角度，之后根据这个角度来调整授粉装置弹性薄膜的方向，使其中心尽可能地与花蕊柱头垂直。
2.根据权利要求1所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述姿态角度调整机构为3-RPS并联机构，包括三个直线电机；所述直线电机下部分别设有单自由度活动关节，上部分别设有万向节。
3.根据权利要求2所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述姿态角度调整机构是通过逆运动学推导所述三个直线电机所需要伸缩的长度，输入的信息包括：平面B的旋转角，和平面升高长度
4.根据权利要求1所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述气体喷嘴通过气体软管连接于所述底盘。
5.根据权利要求1所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述授粉感知模块还包括外壳和补光灯，所述弹性薄膜设在外壳的上部，所述补光灯设在外壳内部且设在弹性薄膜正下方。
6.根据权利要求5所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述弹性薄膜为向外壳内部凹陷的凹型薄膜。
7.根据权利要求1或6所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，利用背景差法获取花蕊与弹性薄膜接触所产生的形变信息，随着花蕊与弹性薄膜的接触，花蕊在弹性薄膜表面所产生的压痕会越来越深，面积会越来越大，利用接触面积来表示Z方向的深度。
8.根据权利要求7所述的雌雄同蕊植物授粉装置，其特征在于，所述背景差法获取花蕊与弹性薄膜接触所产生的形变信息的具体实现过程为：取初始化图像initial(x，y)作为背景图，之后将相机采集到的图像imgi(x，y)与initial(x，y)做差，得到图像post_i(x，y)＝img_i(x，y)-initial(x，)，检测post_i(x，y)中目标的最小外接圆的中心坐标center(x,y)作为x,y方向的值(x1,y1)，直径作为接触深度z1,Z方向的值，因为彩色摄像头只能获取(x,y)的位置坐标，为了获取z坐标值，我们用检测的接触目标的在摄像头中的最小外接圆的直径表示深度，Z值越大，产生的最小外接圆的半径越大，得到目标1的坐标target1(x1,y1,z1)；
在持续靠近的过程中，将新获得的图像img_j(x，y)与initial(x，y)做差，得到post_j(x，y)＝img_j(x，y)-initial(x，y)，检测post_j(x,y)中目标的最小外接圆的中心坐标作为x,y方向的值(x2,y2)，直径作为接触深度z2，目标2的坐标target2(x2,y2，z2)；将两者做差得到花蕊的方向向量arrow＝target2-target1＝(x2-x1，y2-y1，z2-z1)；得到方向向量就可以求出授粉装置需要旋转多少角度才能与花蕊柱头垂直。
9.一种采用权利要求1所述的雌雄同蕊植物授粉装置的雌雄同蕊植物授粉方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制上部授粉模块的姿态角度，使上部授粉模块中心与花蕊柱头接触；
S2、感知授粉装置末端与花蕊接触时的位置关系以及感知弹性薄膜与花蕊柱头的角度关系；
S3、调整授粉模块弹性薄膜中心与花蕊柱头保持垂直后，执行振动电机振动以及气体喷嘴吹气来完成联合授粉。
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