CN116724885A - 一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置及方法，该授粉装置包括行走系统和设置在行走系统上的授粉目标识别系统、授粉作业系统以及控制系统；行走系统用于带动整个授粉装置行进以实现对行行驶与地头换行；授粉目标识别系统用于对番茄花进行图像采集，并传输给控制系统，对番茄花的开放状态和三维位置进行识别；授粉作业系统用于对番茄花进行授粉作业；控制系统用于分别对行走系统、授粉目标识别系统和授粉作业系统按照授粉作业逻辑进行协调控制；本发明实现了番茄花授粉完全智能化、机械化，解决现有技术依赖人力、效率低等问题，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及作物栽培与管理技术领域，特别是涉及一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置及方法。
背景技术
番茄的温室种植克服了季节与地域的限制，大大增加了番茄的产量与品质。番茄在自然环境下的授粉主要依赖传粉者的蜂鸣授粉与风致授粉，而在温室封闭的环境下，则需要大量的人工辅助授粉作业。
化学的辅助授粉手段容易造成畸形果、空心果等使番茄的品质下降，且化学药剂的使用无法避免地会产生水土污染与食品安全问题。常见的基于物理手段的番茄辅助授粉设备多为半自动的手持装置，而另外一些自动化的授粉设备在作业时通常需要逐个对番茄花序授粉，效率低下，且在对番茄花进行授粉目标识别时，通常只考虑了开放状态的番茄花，而未考虑不同位置的番茄花的不同授粉参数。目前应用物理手段实现辅助授粉的设备与方法主要存在两个关键问题，一是授粉作业的参数单一，在复杂的温室环境中适应性差，二是智能化水平低，无法满足自动化授粉作业的需求。
因此，亟需针对番茄花的生长位置特征与授粉的需求来进行温室环境下番茄授粉装置与方法的研发。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置及方法，实现自动化、适应性强、针对目标有差别的精准化番茄物理授粉作业，以保证授粉方法对不同状态与位置的番茄花序的授粉效果为目的，实现高效、精准的番茄授粉作业，从而有效解决上述背景技术中描述的参数单一、智能化程度低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，包括：行走系统和设置在行走系统上的授粉目标识别系统、授粉作业系统以及控制系统；
所述行走系统用于带动整个授粉装置行进以实现对行行驶与地头换行；
所述授粉目标识别系统用于对番茄花进行图像采集，并传输给控制系统，对番茄花的开放状态和三维位置进行识别；
所述授粉作业系统用于对番茄花进行授粉作业；
所述控制系统用于分别对所述行走系统、授粉目标识别系统和授粉作业系统按照授粉作业逻辑进行协调控制。
进一步地，所述行走系统包括履带行走底盘、对行目标识别双目相机、电动推杆、剪叉式升降平台和升降平台支架；
所述履带行走底盘的上端通过所述升降平台支架设置所述剪叉式升降平台，所述剪叉式升降平台的升降结构上设置所述电动推杆，所述电动推杆带动所述剪叉式升降平台做升降运动；
所述剪叉式升降平台的下端平台与所述升降平台支架连接，所述剪叉式升降平台的上端平台上设置所述对行目标识别双目相机，所述对行目标识别双目相机用于识别所述履带行走底盘的偏航角与偏航距。
进一步地，所述授粉目标识别系统包括一对朝向番茄行的授粉目标识别双目相机；
所述授粉目标识别双目相机设置在所述剪叉式升降平台的上端平台上，用于对番茄花进行图像采集。
进一步地，所述授粉作业系统包括气泵、气管、喷气支架和若干个脉冲气流喷嘴；
所述气泵、喷气支架均设置在所述剪叉式升降平台的上端平台上，若干个所述脉冲气流喷嘴均匀布设在所述喷气支架的左、右两侧壁上，所述气泵通过所述气管与若干个所述脉冲气流喷嘴连通。
进一步地，所述授粉作业系统还包括设置在所述脉冲气流喷嘴上的电磁阀，所述电磁阀用来控制所述脉冲气流喷嘴的脉冲频率和喷气量。
进一步地，所述授粉作业系统还包括可转动设置在所述脉冲气流喷嘴处的上、下两块气流挡板，两块所述气流挡板分别通过两个微型舵机驱动可改变两块所述气流挡板之间的夹角。
进一步地，所述控制系统包括上位机和下位机；
所述上位机用来对所述对行目标识别双目相机和所述授粉目标识别双目相机采集的图像进行处理，由处理结果产生所述对行走系统和所述授粉作业系统的控制信号，并将该控制信号传送给所述下位机；
所述下位机分别对所述行走系统和所述授粉作业系统发送控制信号进行协调控制。
本发明还提供一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，应用上述的脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，所述方法包括如下步骤：
步骤一：控制系统对行走系统发送控制信号，行走系统带动整个授粉装置按照控制信号沿着番茄种植陇匀速行进，同时，控制系统控制行走系统的电动推杆，驱动剪叉式升降平台由低至高抬升，直至授粉目标识别系统的图像采集范围对应番茄花层所在高度；
步骤二：授粉目标识别系统采集沿途的番茄花图像，并将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，如果当前图像中没有需要授粉的番茄花，则重复步骤一和步骤二，直到当前图像中有需要授粉的番茄花，则进行步骤三；
步骤三：针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取；基于番茄花的三维位置信息，由控制系统调整授粉作业系统的高度，使得授粉作业系统与需要授粉的番茄花高度相适配；
步骤四：通过控制系统来控制授粉作业系统中不同位置的脉冲气流喷嘴的开闭并调节气流挡板的角度，使气流对准授粉的番茄花，进行对靶授粉作业。
进一步地，所述步骤二中，将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，具体包括：
控制系统中的上位机基于番茄花图像，采用多均衡化色彩输入的MC-Alexnet深度学习模型识别番茄花开放状态，识别完全开放番茄花目标作为的需要授粉的番茄花。
进一步地，所述步骤二中，针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取，具体包括：
授粉目标识别系统采集的番茄花图像包括番茄花的左右图像；
根据左右图像中番茄花色彩与轮廓相近的特征，在左图像番茄花开放状态识别结果中存在完全开放番茄花后，对识别到的番茄花进行灰度与可变形轮廓的模板建立；
在右图像中进行模板匹配识别，即可完成左右图像中完全开放的番茄花目标识别与匹配，得到需要授粉的番茄花的三维位置信息。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(一)本发明基于双目立体视觉系统采用多色彩均衡的MC-Alexnet深度学习模型识别番茄花开放状态，灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取。
(二)本发明通过授粉目标识别系统对需要授粉的花序进行三维位置信息识别，能够分别进行不同层高、气流的流速与方向的授粉作业。
(三)本发明采用分层对靶的脉冲气流使花序实现快速、规律的往复运动，从而实现高效的授粉，授粉过程中无需接触番茄植株，精准高效、绿色无损。
本发明实现了番茄花授粉完全智能化、机械化，解决现有技术依赖人力、效率低等问题，具有广阔的市场前景。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中脉冲气流喷嘴的结构示意图；
图3为本发明实施例中脉冲气流喷嘴的角度调节示意图；
图4为本发明实施例中授粉目标识别系统的图像识别算法流程图；
图5为本发明实施例中脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置对番茄花进行授粉工作的示意图；
图6为本发明实施例脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置的作业流程图。
附图标记说明：
1、履带行走底盘；2、电动推杆；3、对行目标识别双目相机；4、上位机；5、授粉目标识别双目相机；6、喷气支架；7、脉冲气流喷嘴；8、气管；9、气泵；10、下位机；11、剪叉式升降平台；12、升降平台支架；13、电磁阀；14、气流挡板；15、微型舵机；16、进气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
参阅图1-5，本申请实施例的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，包括行走系统和设置在行走系统上的授粉目标识别系统、授粉作业系统以及控制系统；
行走系统用来带动整个授粉装置行进以实现对行行驶与地头换行；
授粉目标识别系统用于对番茄花进行图像采集，并传输给控制系统，对番茄花的开放状态和三维位置进行识别；
授粉作业系统用于对番茄花进行授粉作业；
控制系统用于分别对行走系统、授粉目标识别系统和授粉作业系统按照授粉作业逻辑进行协调控制。
具体而言，行走系统包括履带行走底盘1、对行目标识别双目相机3、电动推杆2、剪叉式升降平台11和升降平台支架12；
履带行走底盘1的上端通过升降平台支架12设置剪叉式升降平台11，剪叉式升降平台11的升降结构上设置电动推杆2，电动推杆2带动剪叉式升降平台11做升降运动；
剪叉式升降平台11的下端平台与升降平台支架12连接，剪叉式升降平台11的上端平台上设置对行目标识别双目相机3，对行目标识别双目相机3可识别履带行走底盘1的偏航角与偏航距。
具体而言，授粉目标识别系统包括一对朝向番茄行授粉目标识别双目相机5；
授粉目标识别双目相机5设置在剪叉式升降平台11的上端平台上，用于对番茄花进行图像采集。
需要说明的是，授粉目标识别双目相机5的工作过程如下：
第一步：由授粉目标识别双目相机5采集番茄花的左右图像对；
第二步：在采集的图像中进行图像的均衡化处理，降低光照条件差异对图像中番茄花亮度与色彩等特征的影响；
第三步：采用MC-AlexNet深度学习模型识别左图像中番茄花的开放状态。
第四步：在识别到完全开放的番茄花目标时，基于识别结果建立灰度-可变形轮廓的番茄花目标模板。
第五步：应用所建立的灰度-可变形模板，在右图像中进行模板匹配。
第六步：得出右图像中对应的完全开放的番茄花位置后，即可基于授粉目标识别双目相机5标定结果，求取完全开放的番茄花的三维位置信息。
具体而言，授粉作业系统包括气泵9、气管8、喷气支架6和若干个脉冲气流喷嘴7；
气泵9、喷气支架6均设置在剪叉式升降平台11的上端平台上，若干个脉冲气流喷嘴7均匀布设在喷气支架6的左、右两侧壁上，气泵9通过气管8与若干个脉冲气流喷嘴7连通。
需要说明的是，若干个脉冲气流喷嘴7可在剪叉式升降平台11的带动下调整所在位置的高度，以适应不同高度的需要进行授粉的番茄花。
需要说明的是，脉冲气流喷嘴7数量为6个，分为左右两侧各三层。
需要说明的是，脉冲气流喷嘴7的侧壁上设置有进气孔16，进气孔16与脉冲气流喷嘴7的内腔相互连通，并将气管8与进气孔16相连接。
具体而言，授粉作业系统还包括设置在脉冲气流喷嘴7上的电磁阀13，电磁阀13用来控制脉冲气流喷嘴7的脉冲频率和喷气量，即通过电磁阀13实时实时调节各个脉冲气流喷嘴7的工作状态。
需要说明的是，采用电磁阀13的PWM驱动信号的频率与占空比来脉冲气流喷嘴7的脉冲频率与喷气量。
具体而言，授粉作业系统还包括可转动设置在脉冲气流喷嘴7处的上、下两块气流挡板14，两块气流挡板14分别通过两个微型舵机15驱动可改变两块气流挡板14之间的夹角，进而对脉冲气流喷嘴7喷出的气流进行方向调节，并影响气流的压强，从而调节气流的流速，实现针对性的授粉。
具体而言，控制系统包括上位机4和下位机10；
上位机4用来对对行目标识别双目相机3和授粉目标识别双目相机5采集的图像进行处理，由处理结果产生对行走系统和授粉作业系统的控制信号，并将该控制信号传送给下位机10；
下位机10分别对行走系统和授粉作业系统发送控制信号进行协调控制。
需要说明的是，上位机4可采用小型工控机，下位机10可采用微型单片机。
本发明还提供一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，应用上述的脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，所述方法包括如下步骤：
步骤一：控制系统对行走系统发送控制信号，行走系统带动整个授粉装置按照控制信号沿着番茄种植陇匀速行进，同时，控制系统控制行走系统的电动推杆，驱动剪叉式升降平台由低至高抬升，直至授粉目标识别系统的图像采集范围对应番茄花层所在高度；
步骤二：授粉目标识别系统采集沿途的番茄花图像，并将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，如果当前图像中没有需要授粉的番茄花，则重复步骤一和步骤二，直到当前图像中有需要授粉的番茄花，则进行步骤三；
步骤三：针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取；基于番茄花的三维位置信息，由控制系统调整授粉作业系统的高度，使得授粉作业系统与需要授粉的番茄花高度相适配；
步骤四：通过控制系统来控制授粉作业系统中不同位置的脉冲气流喷嘴7的开闭并调节气流挡板14的角度，使气流对准授粉的番茄花，进行对靶授粉作业。
具体而言，步骤二中，将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，具体包括：
控制系统中的上位机基于番茄花图像，采用多均衡化色彩输入MC-Alexnet深度学习模型识别番茄花开放状态，识别完全开放番茄花目标作为的需要授粉的番茄花。
具体而言，步骤二中，针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取，具体包括：
授粉目标识别系统采集的番茄花图像包括番茄花的左右图像；
根据左右图像中番茄花色彩与轮廓相近的特征，在左图像番茄花开放状态识别结果中存在完全开放番茄花后，对识别到的番茄花进行灰度与可变形轮廓的模板建立；
在右图像中进行模板匹配识别，即可完成左右图像中完全开放的番茄花目标识别与匹配，得到需要授粉的番茄花的三维位置信息。
本发明实施例的另一目的在于提供一种所述的脉冲式的番茄授粉方法在番茄授粉过程中的应用，所述的番茄品种并不作限定。
与现有番茄授粉技术相比，本发明的主要优势与效果在于：
(一)本发明实施例提供了一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装备，基于双目立体视觉系统采用多色彩均衡的MC-Alexnet深度学习模型识别番茄花开放状态，灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取。
(二)本发明实施例提供了一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装备，通过授粉目标识别系统对需要授粉的花序进行三维位置信息识别，分别进行不同层高、气流的流速与方向的授粉作业。
(三)本发明实施例提供了脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，采用分层对靶的脉冲气流使花序实现快速、规律的往复运动，从而实现高效的授粉。授粉过程中无需接触番茄植株，精准高效、绿色无损。
(四)本发明实施例解决了现有番茄授粉装备与方法中存在的智能化水平低、适应性差的问题，市场前景广阔。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，包括：行走系统和设置在行走系统上的授粉目标识别系统、授粉作业系统以及控制系统；
所述行走系统用于带动整个授粉装置行进以实现对行行驶与地头换行；
所述授粉目标识别系统用于对番茄花进行图像采集，并传输给控制系统，对番茄花的开放状态和三维位置进行识别；
所述授粉作业系统用于对番茄花进行授粉作业；
所述控制系统用于分别对所述行走系统、授粉目标识别系统和授粉作业系统按照授粉作业逻辑进行协调控制。
2.根据权利要求1的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述行走系统包括履带行走底盘、对行目标识别双目相机、电动推杆、剪叉式升降平台和升降平台支架；
所述履带行走底盘的上端通过所述升降平台支架设置所述剪叉式升降平台，所述剪叉式升降平台的升降结构上设置所述电动推杆，所述电动推杆带动所述剪叉式升降平台做升降运动；
所述剪叉式升降平台的下端平台与所述升降平台支架连接，所述剪叉式升降平台的上端平台上设置所述对行目标识别双目相机，所述对行目标识别双目相机用于识别所述履带行走底盘的偏航角与偏航距。
3.根据权利要求2的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述授粉目标识别系统包括一对朝向番茄行的授粉目标识别双目相机；
所述授粉目标识别双目相机设置在所述剪叉式升降平台的上端平台上，用于对番茄花进行图像采集。
4.根据权利要求2的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述授粉作业系统包括气泵、气管、喷气支架和若干个脉冲气流喷嘴；
所述气泵、喷气支架均设置在所述剪叉式升降平台的上端平台上，若干个所述脉冲气流喷嘴均匀布设在所述喷气支架的左、右两侧壁上，所述气泵通过所述气管与若干个所述脉冲气流喷嘴连通。
5.根据权利要求4的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述授粉作业系统还包括设置在所述脉冲气流喷嘴上的电磁阀，所述电磁阀用来控制所述脉冲气流喷嘴的脉冲频率和喷气量。
6.根据权利要求4的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述授粉作业系统还包括可转动设置在所述脉冲气流喷嘴处的上、下两块气流挡板，两块所述气流挡板分别通过两个微型舵机驱动可改变两块所述气流挡板之间的夹角。
7.根据权利要求3的一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，其特征在于，所述控制系统包括上位机和下位机；
所述上位机用来对所述对行目标识别双目相机和所述授粉目标识别双目相机采集的图像进行处理，由处理结果产生所述对行走系统和所述授粉作业系统的控制信号，并将该控制信号传送给所述下位机；
所述下位机分别对所述行走系统和所述授粉作业系统发送控制信号进行协调控制。
8.一种脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，其特征在于，应用权利要求1-7任一项所述的脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉装置，所述方法包括如下步骤：
步骤一：控制系统对行走系统发送控制信号，行走系统带动整个授粉装置按照控制信号沿着番茄种植陇匀速行进，同时，控制系统控制行走系统的电动推杆，驱动剪叉式升降平台由低至高抬升，直至授粉目标识别系统的图像采集范围对应番茄花层所在高度；
步骤二：授粉目标识别系统采集沿途的番茄花图像，并将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，如果当前图像中没有需要授粉的番茄花，则重复步骤一和步骤二，直到当前图像中有需要授粉的番茄花，则进行步骤三；
步骤三：针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取；基于番茄花的三维位置信息，由控制系统调整授粉作业系统的高度，使得授粉作业系统与需要授粉的番茄花高度相适配；
步骤四：通过控制系统来控制授粉作业系统中不同位置的脉冲气流喷嘴的开闭并调节气流挡板的角度，使气流对准授粉的番茄花，进行对靶授粉作业。
9.根据权利要求8所述的脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，其特征在于，所述步骤二中，将番茄花图像传输至控制系统进行图像处理，分析当前图像中是否有需要授粉的番茄花，具体包括：
控制系统中的上位机基于番茄花图像，采用多均衡化色彩输入的MC-Alexnet深度学习模型识别番茄花开放状态，识别完全开放番茄花目标作为的需要授粉的番茄花。
10.根据权利要求8所述的脉冲气流式分层对靶番茄智能授粉方法，其特征在于，所述步骤二中，针对需要授粉的番茄花，控制系统采用灰度-可变形模板匹配算法实现番茄花在左右图像对中的定位并进行三维位置信息的求取，具体包括：
授粉目标识别系统采集的番茄花图像包括番茄花的左右图像；
根据左右图像中番茄花色彩与轮廓相近的特征，在左图像番茄花开放状态识别结果中存在完全开放番茄花后，对识别到的番茄花进行灰度与可变形轮廓的模板建立；
在右图像中进行模板匹配识别，即可完成左右图像中完全开放的番茄花目标识别与匹配，得到需要授粉的番茄花的三维位置信息。
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